Hình 3.27 Phân bố áp suất tại góc 320 0 của trục khuỷu khi khe hở bán kính C 24µm = Hình 3.27 biểu diễn phân bố áp suất tại góc 3200 của trục khuỷu là điểm thấp nhất thuộc kỳ nén với C 24µm. Tại điểm này lực tác dụng F = X = 0 (N), FY = 1934 (N). Phân bố áp suất trải ra hai đầu ổ tuy nhiên đỉnh của phân bố thấp nhất pmax = 7.3 MPa.
Hình 3.28 biểu diễn sự thay đổi phân bố áp suất theo khe hở bán kính tại tiết diện giữa ổ theo phương chu vi tại góc 3700 của trục khuỷu. Khe hở bán kính lần lượt là C = 24µm, C = 38µm, C = 55µm, C = 69µm. Ta thấy, khi tăng khe hở hướng kính, đỉnh của phân bố áp suất tăng, áp suất lớn nhất theo khe hở hương kính lần lượt là:pmax,C=24µm = 57.7 MPa, pmax,C=38µm = 60.5 MPa, pmax,C=55µm = 63.6 MPa, pmax,C=69µm = 68.7 MPa.
Hình 3.28 Phân bố áp suất tại tiết diện giữa ổ theo phương chu vi tại góc 370 0 của trục khuỷu với C = 24µm, C = 38µm, C = 55µm, C = 69µm
Hình 3.29 biểu diễn thay đổi của áp suất màng dầu lớn nhất pmax theo các góc quay của trục khuỷu tại bốn khe hở bán kính C = 24µm, C 38µm, C = = 55µm, C 69µm. Theo = đồ thị, khi độ lệch tâm tăng, áp suất lớn nhất pmax tăng, giá trị tăng lớn nhất tại góc 3700 của trục khuỷu.
Hình 3.29 Áp suất màng dầu lớn nhất khi C = 24µm, C = 38µm, C = 55µm, C = 69µm
3.4.2. Chiều dày màng dầu
Hình 3.30 biểu diễn sự thay đổi của chiều dày màng dầu nhỏ nhất hmin và áp suất màng dầu lớn nhất pmaxtheo góc quay của trục khuỷu qua bốn kỳ hút nén nổ xả khi khe hở - - - bán kính C=24µm. Theo đó áp suất màng dầu lớn nhất và chiều dày màng dầu nhỏ nhất tại vị trí xảy ra sự nổ: pmax = 57.7 MPa, hmin = 3,334 µm. Tại vùng áp suất pmax tăng thì chiều dày màng dầu nhỏ nhất hmin giảm. Chiều dày màng dầu nhỏ nhất đạt giá trị lớn nhất
hmin,max=6,9052 µm tại góc 80o của trục khuỷu. Ở đầu kỳ hút/xả lực FX giảm do đó áp suất
pmax giảm và chiều dày màng dầu hmin tăng. Sau đó, ở cuối kỳ hút/xả FX tăng nên pmax tăng và chiều dày màng dầu hmin giảm. Ở đầu kỳ nén và cuối kỳ nổ, lực FX thay đổi rất ít do đó cả pmax và hmin đều ít biến động. Ở cuối kỳ nén, phần đầu lực FX giảm do đó pmax giảm và chiều dày màng dầu hmin tăng nhưng chịu ảnh hưởng của lực FY có dạng hình sin nên pmax
và hmin có phần dao động lên xuống, phần sau FX tăng nhanh đến khi xảy ra kỳ nổ dẫn tới pmax tăng đến giá trị lớn nhất và chiều dầy màng dầu hmin giảm đến giá trị nhỏ nhất.
Hình 3.30 Chiều dầy màng dầu nhỏ nhất h min, áp suất màng dầu lớn nhất p max theo góc quay của trục khuỷu với C = 24µm
3.4.3. Độ lệch tâm trục – bạc
Hình 3.31 biểu diễn quỹ đạo của tâm trục khuỷu quanh tâm thanh truyền theo một chu kỳ tải. Tại đầu kỳ hút, tương ứng với góc 00của trục khuỷu độ lệch tâm tương đối εx,0o
= - 0.6656, εy,0o = - 0.3895. Nửa đầu kỳ hút, lực Fx < 0 có giá trị tuyệt đối giảm, lực Fy < 0 có giá trị tuyệt đối tăng do đó tâm trục chuyển động về phía góc phần tư thứ II: ε x,80o = 0.5842, εy,80o = - 0.4075. Nửa sau của kỳ hút, lực Fx > 0 có giá trị tăng, lực Fy < 0 có giá trị tuyệt đối giảm, tâm trục dịch chuyển lên góc phần tư thứ III: εx,180o = 0.6699, εy,180o = 0.462. Nửa đầu kỳ nén, lực Fx > 0 có giá trị giảm, lực Fy > 0 có giá trị tăng, tâm trục dịch chuyển sang góc phần tư thứ IV: εx,310o = - 0.5024, εy,310o = 0.5920. Nửa cuối kỳ nén, lực Fx
> 0 có giá trị tăng, lực Fy > 0 có giá trị giảm, tâm trục dịch chuyển quay lại góc phần tư thứ III: εx,370o = 0.8200, εy,370o = 0.3304. Nửa đầu kỳ nổ, lực Fx > 0 có giá trị giảm, lực Fy < 0 có giá trị tuyệt đối tăng, tâm trục chuyển động sang góc phần tư thứ II: εx,420o = 0.8036, εy,420o
= - 4.0750e-3. Nửa sau kỳ nổ, lực Fx > 0 có giá trị giảm, lực Fy < 0 có giá trị tuyệt đối giảm, tâm trục chuyển động quay lại góc phần tư thứ III: εx,540o = 0.6796, εy,540o = 0.4200. Nửa đầu kỳ xả, lực Fx > 0 có giá trị giảm, lực Fy > 0 có giá trị tăng, tâm trục chuyển động sang góc phần tư thứ IV: εx,640o = - 0.3334, εx,640o = 0.7578. Nửa cuối kỳ xả, lực Fx < 0 có giá trị tuyệt đối tăng, lực Fy > 0 có giá trị giảm, tâm trục chuyển động sang góc phần tư thứ
Hình 3.31 Độ lệch tâm tương đối của thanh truyền và trục khi khe hở bán kính C = 24µm
Hình 3.32 biểu diễn quỹ đạo của tâm trục quanh tâm thanh truyền tại các khe hở bán kính khác nhau. Khi tăng khe hở bán kính thì quỹ đạo tâm trục có dạng tương đồng nhau, tuy nhiên nó có xu hướng dịch chuyển về phía có x≈1: εx,370o = 0.8200, εy,370o = 0.3304.
Kết luận
- Trong chương này, luận án đã nghiên cứu các vấn đề để tiến hành xây dựng thành công một chương trình tính toán số các đặc tính bôi trơn thủy động ổ đầu to thanh truyền của động cơ đốt trong Đã ứng dụng chương trình để tính toán mô phỏng số bôi trơn thủy . động ổ đầu to thanh truyền của động cơ 5S-FE.
- Đã trình bày ác kết quả đo thực nghiệm khe hở hướng kính của ổ đầu to thanh c truyền và sơ đồ tải tác dụng lên thanh truyền của động cơ 5S-FE. Cho thấy đường kính trung bình của ổ tăng khi thay đổi lực siết bu lông thanh truyền từ 25Nm tới 25Nm+30o, 25Nm+60o, 25Nm+90o, dẫn tới khe hở bán kính tăng tương ứng từ C = 24µm tới C = 38µm, C = 55µm, C = 69µm.
- Theo chu kỳ làm việc hút nén nổ xả, phân bố áp suất màng dầu ổ đầu to thanh - - - truyền dịch chuyển theo góc quay của trục khuỷu, chủ yếu tập trung phần phía sau của ổ theo chiều quay. Càng gần với kỳ nổ đỉnh phân bố càng nhọn, cao hơn so với các vùng khác. Phân bố đạt cực đại tại vị trí xảy ra kỳ nổ (khoảng 370o). Khi khe hở hướng kính C=24µm thì Pmax,370o(nổ) = 57.7 MPa, pmax,350o(nén) = 26.6 MPa, Pmax,20o(hút) = 11.4 MPa. Tại điểm xảy ra kỳ nổ, phần chân của phân bố áp suất biến thiên nhỏ, tuy nhiên đỉnh của phân bố rất cao P279o = 57.7 MPa, P234o = 7.4 MPa, phần chịu lực chính theo phương chu vi của ổ tập trung từ 2430 đến 2970. Tại các nửa đầu kỳ hút và nửa cuối kỳ xả, lực tác dụng Fx nhỏ, phân bố áp suất màng dầu ổ đầu to thanh truyền chia ra hai đầu ổ, tuy nhiên chủ yếu tập trung ở nửa trước.
- Khi tăng khe hở hướng kính thì đỉnh của phân bố áp suất tăng, phía chân của phân
bố có xu hướng thu nhỏ lại: Pmax,C=24µm, 370o = 57.7 MPa, Pmax,C=38µm, 370o = 60.5 MPa,
Pmax,C=55µm, 370o = 63.6 MPa, Pmax,C=69µm, 370o = 68.7 MPa. Ta thấy khi khe hở hướng kính
tăng từ C = 24µm tới C=69µm tương ứng với các siết bu-lông thanh truyền 25Nm và 25Nm+90othì áp suất lớn nhất của ổ tăng 19,07%.
- Quỹ đạo của tâm trục quanh tâm ổ đầu to thanh truyền theo một chu kỳ tải là một đường cong khép kín bắt đầu từ 0o của trục khuỷu, độ lệch tâm tương đối εx,0o = - 0.6656, εy,0o = - 0.3895 thuộc góc phần tư thứ I. Sau đó tâm trục dịch chuyển theo thứ tự các góc phần tư I- - - - -II III II III IV khi tải tác dụng thay đổi.
Chương 4: SO SÁNH KẾT QUẢ CỦA CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG SỐ VỚI PHẦN MỀM ACCEL
4.1. Tính toán số bôi trơn ổ đầu to thanh truyền của động cơ 5S-FE bằng phần mềm tính toán ACCEL
Phần mềm tính toán ACCEL là phần mềm thương mại dùng để tính toán các đặc tính bôi trơn nhiệt thủy động đàn hồi cho ổ đầu to thanh truyền của các loại động cơ. Đây là phần mềm được các nhà khoa học của Viện PPRIME • UPR 3346, Trường Đại học Poitiers, Cộng hòa Pháp xây dựng và phát triển từ những năm 90 của thế kỷ trước cho đến nay. Hiện nay phần mềm này vẫn đang được các nhà khoa học nghiên cứu để phát triển sao cho kết quả ngày càng sát với thực tế hoạt động của động cơ.
Hình 4.1 Giao diện màn hình tính toán của phần mềm ACCEL 4.1.1. Mục đích tính toán 4.1.1. Mục đích tính toán
- Xác định các đặc tính bôi trơn ổ đầu to thanh truyền của động cơ 5S FE - - Là cơ sở để xác định tính đúng đắn của chương trình mô phỏng số của luận án 4.1.2. Tiến trình tính toán
- Đo và vẽ thiết kế thanh truyền của động cơ 5S FE trên phần mềm Catia- - Chia lưới cho thanh truyền tạo thành file có đuôi .DNS
- Tạo ma trận tuân thủ cho thanh truyền
- Nhập dữ liệu đầu vào trong màn hình tính toán. - Nhập file biểu đồ tải trọng tác dụng lên thanh truyền
- Chạy chương trình tính toán
- Mở kết quả trong thư mục chứa kết quả (có thể chuyển thành file EXCEL) 4.2. So sánh kết quả mô phỏng số và kết quả trên phần mềm ACCEL 4.2.1. Áp suất màng dầu
Hình 4.2 biểu diễn mối tương quan giữa áp suất lớn nhất Pmax khi dùng phần mềm ACCEL và kết quả mô phỏng. Ta nhận thấy, khi khe hở hướng kính tăng dạng đường cong pmax của hai kết quả tương đồng nhau. Giá trị pmax từ kết quả tính, tại các góc quay khác nhau của trục khuỷu lớn hơn giá trị thu được từ phần mềm ACCEL. Giá trị sai lệch này lớn nhất tại điểm xảy ra sự nổ (Bảng 4.1). Sự sai lệch này là do áp suất thủy động gây biến dạng đàn hồi bề mặt ma sát, thay đổi hình dạng của tiếp xúc. Ngoài ra, phần mềm ACCEL còn tính đến hiệu ứng nhiệt và các hiệu ứng thực tế khác làm thay đổi chiều dầy màng dầu góp phần làm thay đổi áp suất.
Bảng 4. Sai lệch áp suất lớn nhất p1 max từ kết quả mô phỏng và từ phần mềm ACCEL
C (µm) 24 38 55 69
pmax (Mpa) 55,68 60,59 63,76 68,82 pmaxACCEL(Mpa) 40,50 43 49,00 50,90 ∆pmax(MPa) 15,18 18,69 14,76 17,92 % sai lệch 27,26 30,85 23,15 26,04
4.2.2. Chiều dày màng dầu
Hình 4.3 biểu diễn chiều dày màng dầu nhỏ nhất theo góc quay của trục khuỷu với các khe hở bán kính khác nhau C = 24µm, C = 38µm, C = 55µm, C = 69µm từ kết quả tính toán và kết quả tính từ phần mềm ACCEL. Ta nhận thấy, các kết quả tính toán so với kết quả tính bằng phần mềm ACCEL có sự sai khác về hình dạng cũng như giá trị. Sự sai khác này là do trong phần mềm ACCEL đã tính đến ảnh hưởng của các biến dạng đàn hồi, biến dạng nhiệt, hiệu ứng quán tính, sự thay đổi độ nhớt theo nhiệt độ…trong khi chương trình tính toán của tác giả chưa kể đến các yếu tố trên. Tại đầu kì hút, cuối kì xả, và sườn xuống của kỳ nén, các giá trị của chiều dày màng dầu nhỏ nhất hmin ở hai kết quả tương đối gần nhau do tải trọng tại các vùng này nhỏ. Bảng 4. chỉ ra chiều dày màng dầu nhỏ nhất và giá 2 trị ʌ đánh giá chế độ bôi trơn từ kết quả mô phỏng và từ phần mềm ACCEL. Từ kết quả này ta nhận thấy khi khe hở bán kính C = 69 µm giá trị ʌ = 2.6079 < 3 là giá trị giới hạn cho chế độ bôi trơn thủy động và bôi trơn giới hạn.
Bảng 4. Sai lệch chiều dày màng dầu nhỏ nhất h2 mintừ kết quả mô phỏng và từ phần mềm ACCEL C(µm) 24 38 55 69 hmin(µm) 3.3340 3.1974 2.9027 2.6925 hminACCEL(µm) 5.5220 5.3106 5.0935 4.1556 % sai lệch 39,62 39,79 43,01 35,21 ʌ 3.4654 3.3327 3.1965 2.6079
4.2.3. Độ lệch tâm trục – bạc
Hình 4.4 So sánh độ lệch tâm tương đối
khi tính toán và khi tính bằng ACCEL ở khe hở bán kính C=24µm
Hình 4.4 biểu diễn mối độ lệch tâm của ổ đầu to thanh truyền theo một chu kỳ làm việc từ kết quả tính toán và kết quả tính từ phần mềm ACELL. Theo đó, dạng đường cong biểu diễn độ lệch tâm của hai kết quả có sự tương đồng.Tuy nhiên đường cong độ lệch tâm trong ACCEL có xu hướng chuyển dịch sang bên trái và bị elip hóa. Độ lệch tâm trong trường hợp này có giá trị tương đối lớn hơn 1 do biến dạng đàn hồi, biến dạng nhiệt có xu hướng làm ovan ổ tạo ra những vị trí có khe hở lớn hơn khe hở bán kính.
Kết luận
- Khi khe hở bán kính tăng dạng đường cong p, max từ kết mô phỏng và từ phần mềm ACCEL tương đồng nhau. Giá trị pmax từ kết quả mô phỏng, tại các góc quay khác nhau của trục khuỷu lớn hơn giá trị thu được từ phần mềm ACCEL: ∆pmax,C=24µm = 15,18 MPa, ∆pmax,C=38µm = 18,69 MPa, ∆pmax,C=55µm = 14,76 MPa, ∆pmax,C=69µm = 17,92 MPa.
- Chiều d y màng dầu nhỏ nhất theo góc quay của trục khuỷu với các khe hở bán à kính khác nhau C = 24µm, C = 38µm, C = 55µm, C = 69µm từ kết quả tính toán của tác giả và kết quả tính từ phần mềm ACCEL có sự sai khác về hình dạng cũng như giá trị do phần mềm ACCEL có tính đến biến dạng đàn hồi, biến dạng nhiệt và một số điều kiện thực tế khác. Tuy nhiên, tại đầu kì hút, cuối kì xả, và sườn xuống của kỳ nén các giá trị của hmin
ở hai kết quả tương đối gần nhau.
- Dạng đường cong biểu diễn độ lệch tâm có sự tương đồng. Tuy nhiên đường cong độ lệch tâm trong ACCEL có xu hướng chuyển dịch sang bên trái và bị elip hóa, độ lệch tâm trong trường hợp này có giá trị tương đối lớn hơn 1 do ổ bị biến dạng.
KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết luận chung
Thông qua nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm các nội dung liên quan. Luận án đã đạt được một số kết quả như sau:
1. Mô phỏng số các đặc tính bôi trơn thủy động gồm trường áp suất, chiều dày màng dầu và độ lệch tâm giữa trục và bạc của ổ đầu to thanh truyền của động cơ đốt trong trên cơ sở giải các phương trình đặc trưng bằng phương pháp phần tử hữu hạn với ngôn ngữ lập trình Fortran.
2. Sử dụng chương trình tính để tính toán đặc tính bôi trơn ổ đầu to thanh truyền của động cơ 5S-FE.
- Áp suất lớn nhất tăng khoảng 19,07% khi tăng lực siết bu lông thanh truyền từ 25Nm đên 25Nm+900.
- Chiều dày màng dầu nhỏ nhất giảm khoảng 19,21% khi tăng lực siết bu lông thanh truyền từ 25Nm đên 25Nm+900.
- Quỹ đạo của tâm tâm ổ đầu to thanh truyền theo chu kỳ tải trọng là một đường cong khép kín chuyển động theo thứ tự I- - - - -II III II III IV khi tải tác dụng thay đổi. Khi tăng khe hở bán kính, độ lệch tâm tương đối khi xảy ra sự nổ càng tiến gần tới 1.
3. So sánh kết quả tính toán đặc tính bôi trơn ổ đầu to thanh truyền của động cơ 5S- FE với kết quả tính toán bằng phần mềm ACCEL (là phần mềm của nhóm các nhà khoa học thuộc Đại học Poitiers Cộng hoà Pháp phát triển để giải bài toán bôi trơn cho các - hãng xe hơi).
- Dạng đường cong áp suất lớn nhất Pmax và độ lệch tâm giữa trục và bạc từ kết quả mô phỏng và từ phần mềm ACCEL tương đồng, có sự sai khác về giá trị theo chu kỳ tải và