Trong phần này sẽ phân tích đặc tính bôi trơn và tổn thất ma sát trên cơ sở những kết quả nghiên cứu bề mặt biên dạng váy của các tác giả Kwang-soo Kim, Paras Shah,Masaaki Takiguchi / Shuma Aoki tại Viện công nghệ Musashi
Theo [7] động cơ một xilanh được sử dụng để thực nghiệm, thông số kỹ thuật được cho trong bảng 3.3 và bảng 3.4
Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật chính của động cơ
Kiểu động cơ Động cơ 4 kì một xilanh
Thể tích xilanh 0.4993 L Đường kính xilanh 86 mm Hành trình Piston 86 mm Tỉ số nén 10:1 Tỉ số kết cấu (l/R) 3.5 Độ lệch tâm trục khuỷu 0 mm
Làm mát piston Phương pháp phun dầu
Bảng 3.4: Thông số của piston.
Piston hợp kim Hợp kim thép
Lệch ắc 0.5 mm phía va đập
Độ mấp mô bề mặt piston (Rz) 18 micro
Xử lí váy Không mạ
Chiều dài piston 53.9 mm
Hình 3.37: Thông số hình học của vòng găng
Năm biên dạng piston khác nhau được sử dụng để khảo sát, giống nhau khi lắp vào xilanh khe hở 30 µm.
Hình 3.38 khu vực màu xanh đậm là khu vực lõm có độ sâu 35-40 µm.
Hình 3.38: Các biên dạng váy được khảo sát
Sự hình thành màng dầu được quan sát thông qua một cửa sổ sapphire trên xilanh của động cơ nghiên cứu trong hình 3.39.
Hình 3.39: Cửa sổ quan sát màng dầu trên xilanh
Bảng 3.5: Điều kiện thực nghiệm.
Tốc độ (rpm) BMEP [kPa] 380 500 630 1500 1 2 3 2000 4 2500 5 Thứ tự đo 1, 2, 3, 4, 5.
Bề mặt váy đã được xử lí phosphate để cung cấp một bề mặt tối cho ảnh chụp: khi màng dầu mỏng nó sẽ xuất hiện màu tối trong khi màng dầu dày hơn nó sẽ xuất hiện màu sáng hơn.
Dầu bôi trơn được sử dụng trong quá trình thực nghiệm là SL GF-3 5W-30.
Ma sát được đo ở điều kiện tải khác nhau và các tốc độ được thể hiện trong bảng 3.5. Hình 3.40 thể hiện kết quả đo lực ma sát theo các biên dạng.
Hình 3.40: Kết quả đo lực ma sát của các biên dạng theo góc quay
1) Kì nạp
Dầu bôi trơn thường được đưa từ đáy của váy piston và truyền lên phía trên của váy do chuyển động của dầu liên hệ với piston. Trong kì nạp, không thường tập trung cho việc giảm ma sát. Hình 3.41 thể hiện biểu đồ lực ma sát và tổng mất mát ma sát. Hình 3.42 Thể hiện đặc tính loang dầu ở giai đoạn đầu kì nạp. Nó cho thấy rằng ma sát thủy động là trội hơn bởi vì lượng dầu khá lớn được giữ lại trên váy piston trong suốt giai đoạn này.
Các biên dạng tiêu chuẩn, AV300 và AV306 được thể hiện ma sát cao nhất. Với biên dạng AV300, dầu được chuyển vào thông qua mối quan hệ khe hở nhỏ ở cửa vào và ra. Biên dạng AV306 được thiết kế với hình chữ ‘X’ trên bề mặt váy, nó đã được thiết kể để làm giảm diện tích bề mặt tiếp xúc.
Hình 3.41: Lực ma sát và tổn thất ma sát trong suốt hành trình nạp
Hình 3.42: Hình ảnh loangdầu ở các loại biên dạng trong kì nạp
Mặc dù vậy nó đã được khoét rãnh trên phần đáy của bề mặt váy. Dầu bị khóa, chặn loang đến những nơi cần bôi trơn. Với các biên dạng AV301 và AV302, luồng dầu thông qua khe hở, nhưng nó không thể chảy vào khu vực tiếp xúc váy không xẻ rãnh, kết quả là bề mặt tiếp xúc thiếu dầu. Với trường hợp AV304 được thể hiện ma sát nhỏ nhất trong suốt kì nạp. Quan sát thấy rằng khi bắt đầu kì nạp, dầu được tích qua khu vực các rãnh hình thành ở váy của piston. Sau đó nó sẽ loang tới khu vực
giữa để nâng váy không cho tiếp xúc trực tiếp với thành xilanh, tổng thể bề mặt váy được ngập trong dầu trong suốt kì này. Mặc dù đa số dầu đều vượt qua phần giữa của váy, theo hướng đầu của hành trình, ta thấy có một sự khác nhau nhỏ giữa ma sát trong các kiểu biên dạng.
2) Kì nén
Dầu di chuyển xuống piston trong suốt kì này, hình 3.43 và 3.44 biểu diễn biểu đồ lực ma sát và biểu đồ loang dầu trong kì này.
Hình 3.43: Lực ma sát và tổn thất ma sát trong kì nén
Dầu chứa trong khu vực rãnh hình thành trên AV302 được loang đến bề mặt tiếp xúc khi piston gần đạt đến điểm chết trên. Dòng dầu tới phần đáy của váy AV306 bị kẹt bởi khu vực không xẻ rãnh. Do vậy ở điểm chết trên rất ít dầu được duy trì ở phần đáy váy và lực ma sát cao lên đột biến. Sự đột biến này có quan hệ tới tổn thất ma sát cho kì này được thể hiện biểu đồ cột hình 3.43.
Váy AV304 duy trì nhiều dầu trong suốt kì này. Dầu được giữ lại trong rãnh chứa
hình thành phía trên váy cung cấp dầu bôi trơn tới phần giữa và phần đáy của váy khi váy bắt đầu nghiêng theo hướng không va đập.
Hình 3.44: Hình ảnh loang dầu ở các loại biên dạng trong kì nén
3) Kì giãn nở
Hình 3.45 và 4.46 thể hiện lực ma sát và biểu đồ loang dầu trong suốt kì giãn nở. Ma sát trong suốt kì giãn nở là cao nhất trong 4 kì. Để giảm ma sát, việc tránh vết xước của váy phải được xem xét.
Kết quả kiểm tra không thể hiện một sự dao động lớn lực ma sát trong suốt kì giãn nở. Tuy vậy, nó có thể đánh giá đặc tính ma sát cho mỗi biên dạng bởi quan sát trạng thái màng dầu. Chìa khóa để giảm ma sát trong kì này là tận dụng dầu bôi trơn dư, nó có thể nằm bên dưới váy. Khi bắt đầu kì nạp dầu đi vào đáy của váy và loang lên phía trên của váy.
Biên dạng AV300
Biên dạng piston tiêu chuẩn đã được tối ưu hóa, như đã thể hiện trong hình 3.46 piston bắt đầu di chuyển xuống với một lượng dầu giới hạn được tích trên bề mặt váy. Dầu được nén nhanh ra theo hướng đỉnh và các bên của váy. Điểm dưới của váy chặn hướng lên của luồng dầu do tác dụng mặt sau tỳ vào bề mặt thành xilanh. Dầu được loang đều qua toàn bộ diện tích bề mặt váy. Biên dạng này được giới hạn ở một mức độ vừa phải của đặc tính ma sát. Đỉnh của váy có một màng dầu rất mỏng, nhưng một lượng lớn dầu được tích ở phía trên khu vực tiếp xúc.
Biên dạng AV301 Dầu được cấp từ các rãnh ở đáy của váy trong suốt kì này. Dầu
được chảy qua hình ‘Λ’. Tải bên được hỗ trợ bởi diện tích bề mặt giới hạn. Kết quả là dầu được nén ra trong khi khu vực được bôi trơn bởi luồng dầu.
Ma sát với biên dạng AV301 là thấp thứ hai 2 do tác dụng dầu bôi trơn trên khu vực tiếp xúc chính trong suốt kì này của động cơ. Các rãnh ở đỉnh của váy tích tụ nhiều dầu, nó đưa dầu qua khu vực hình ‘Λ’, ngoài ra cũng thấy rằng dầu được giữ trong các máng nhỏ giữa các vùng tựa. Vào thời điểm cuối của kì giãn nở không có sự khác biệt trong sự so sánh ma sát với các biên dạng khác.
Biên dạng AV302
Dầu được cấp từ vùng dưới của váy bị chặn do tác động của bệ đặt thấp và ở trung tâm của biên dạng. Tuy vậy, thiết kế này đã giảm diện tích tiếp xúc, tải được hỗ trợ bởi khu vực giới hạn này, kết quả là áp lực tiếp xúc sẽ cao, dầu cung cấp tới khu vực tiếp xúc này không phù hợp. Hai bệ phía trên bắt đầu cung cấp tải bên lên xilanh chỉ sau khi bệ dưới bắt đầu tiếp xúc. Có ba khu vực tiếp xúc có thể thấy rõ trong hình 3.46 ma sát trong biên dạng này cao thứ hai. Người ta nghĩ rằng đặc tính ma sát với biên dạng này có thể điều chỉnh bởi sự điều khiển bệ tiếp xúc và vị trí của nó.
Hình 3.45: Lực ma sát và tổn thất ma sát trong hành trình giãn nở
Biên dạng AV304
Một rãnh tích dầu ở cạnh đáy được thiết kế đưa vào, chứa và cung cấp nhiều dầu nhanh hơn cho các khu vực tiếp xúc chính. Như thể hiện trong hình 3.46, kì này bắt đầu với nhiều dầu trên toàn bộ bề mặt váy, một phần do tác dụng của dầu chứa
trong các rãnh ở đỉnh của váy. Quan sát thấy rằng dầu liên tục chảy tới khu vực giữa của váy qua các rãnh bên dưới váy trong suốt kì này.
Khi váy nhận tải bởi lực bên, khu vực tiếp xúc chính hoàn toàn được bôi trơn bởi dầu tích trong các rãnh dưới, nhiều dầu được đưa vào hơn khi piston tăng tốc độ. Thiết kế này cho thấy ma sát nhỏ nhất trong suốt kì giãn nở.
Hình 3.46: Hình ảnh loang dầu ở các loại biên dạng trong kì giãn nở
Biên dạng AV306
Biên dạng này có dạng hình chữ “x” trên khu vực tiếp xúc. Cho thấy ma sát cao nhất, như được mô tả ở trên, chỉ sau khi bắt đầu kì này dầu thấm tới váy nhưng bị chặn bởi tác dụng của “x” ở phía dưới của váy. Kết quả kiểm tra và quan sát đặc
tính sự hình thành màng dầu, đề xuất rằng làm nhỏ diện tích tiếp xúc không là nhân tố góp phần làm giảm ma sát nhỏ nhất cho kì giãn nở. Điều thú vị là dầu thu được ở phía dưới đáy của váy cung cấp dầu tới trung tâm váy trong suốt kì này, trong khi dầu trên những khu vực tiếp xúc khác lại bị nén ra ngoài, kết quả là dẫn đến thiếu dầu. Trung tâm của piston được bôi trơn bởi dầu thấm, như là kết quả của hiệu ứng chêm dầu của hình “Λ” dưới.
4) Kì xả.
Trên hình 3.47 trình bày lực ma sát và tổn thất ma sát trong suốt hành trình xả.
Hình 3.47: Thể hiện lực ma sát và tổn thất ma sát trong suốt hành trình xả
Ở giai đoạn đầu của kì xả, có rất nhiều dầu ở đỉnh của váy thu được bởi vòng găng dầu cạo trên bề mặt xilanh khi piston di chuyển trong suốt kì trước. Dầu này bắt đầu di chuyển xuống phía dưới của bề mặt váy. Bất cứ sự nhô ra nào trên váy đều làm ảnh hưởng đến dòng dầu. Kết quả là lượng dầu đảm bảo trên bề mặt tiếp xúc phụ thuộc vào kiểu của biên dạng.
Biên dạng AV300
Dầu loang theo hướng đáy của váy qua khe hở giữa piston và mặt váy. Màng dầu được quan sát là mỏng nhưng loang đều. Trung tâm của váy có một mối quan hệ với một lượng dầu nhỏ. Bởi vì trung tâm dưới chặn hướng đi lên của dầu do tác dụng của sự áp sát (spring-back) vào thành xilanh.
Hình 3.48: Hình ảnh loangdầu ở các loại biên dạng trong kì xả
Biên dạng AV301 và AV306
Dòng dầu bị khóa do tác dụng của hình “Λ” và “x” khu vực bề mặt nhô ra. Như đã thể hiện trong hình 3.48 biên dạng AV301 và AV306 thể hiện ma sát có giá trị cao nhất trong suốt kì này.
Biên dạng AV302
Dòng dầu được xáo trộn từng phần bởi kích cỡ và vị trí của đế. Dù thế nào đi nữa, thì quan sát thấy rằng đế thấp tiếp nhận nhiều dầu hơn khi piston gần đến điểm chết trên. Biên dạng AV302 được thể hiện ma sát thấp thứ hai.
Biên dạng AV304
Nhận thấy rằng, dầu chứa ở đỉnh của các rãnh váy nhiều trong suốt kì xả, ngay cả khi dầu chảy xuống các phần dưới thấp hơn. Biểu đồ loang dầu của biên dạng AV304 có khác so với các biên dạng khác. Váy hoàn toàn ngập dầu và dầu chảy xuống các rãnh thấp hơn mà không có xáo trộn.
Kết quả khảo sát ảnh hưởng của các biên dạng piston tới ma sát
Kết đặc tính ma sát cho các biên dạng đã được thực nghiệm. Biên dạng AV304 thể hiện ma sát thấp nhất trong chu trình của động cơ, cho tất cả năm điều kiện kiểm tra (hình 3.49)
Hình 3.49: Ảnh hưởng của biên dạng piston đến ma sát
Ảnh hưởng của các biên dạng váy đến tiếng gõ
Khối xilanh dao động do tiếng gõ của piston đã được xác định với gia tốc kế. Dữ liệu đo khối xilanh đã được chuyển đổi sang tần số bằng cách sử dụng phương pháp chuyển đổi Fast Fourier Transform (FFT). Hình 3.50 là biểu đồ đặc tính tiếng ồn cho mỗi biên dạng váy khác nhau, biên dạng AV304 là biên dạng êm nhất so với các biên dạng khác. Nó đã được quan sát thấy từ một loạt các biên dạng váy từ các động cơ kiểm tra khác nhau, kết luận rằng tiếng ồn váy có mối quan hệ tới điều kiện bôi trơn thủy động. Dầu bôi trơn cũng có ảnh hưởng đến hiệu quả giảm tiếng gõ.