3.3 Ổ đầu to thanh truyền động cơ xăng 5S-FE 3.3.1. Thanh truyền động cơ 5S-FE 3.3.1. Thanh truyền động cơ 5S-FE
Trước khi tiến hành thực nghiệm, tác giả đã tiến hành công việc tìm hiểu thực tế các động cơ xăng trên các động cơ ô tô thông thường. Trong quá trình tìm hiểu, tác giả đã đi thực tế tại các địa điểm như Công ty trách nhiệm hữu hạn một thành viên Vàng Danh, trung tâm Toyota Thanh Xuân, Mỹ Đình, Láng Hạ…
Thanh truyền động cơ 5S-FE (hình 3.8) bao gồm thân thanh truyền, nửa trên ổ đầu to thanh truyền lắp với nửa dưới ổ bằng hai bu lông ghép nối. Vỏ ngoài bạc lót làm bằng - thép các bon thấp, phần hợp kim chịu mòn dùng ba bít nền thiếc cóthành phần và các tính chất cơ lý của hợp kim chịu mòn trong bảng 3.2.
Hình 3.8 Bản vẽ thanh truyền động cơ 5S FE-
Độ nhám bề mặt bạc lót ổ đầu to thanh truyền của động cơ tương ứng với tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1720 – 85 về bạc lót thanh truyền yêu cầu Ra≤1,25µm và độ nhám của trục khuỷu theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1705 – 85 về trục khuỷu động cơ yêu cầu Ra≤0,2µm.
Bảng 3.2 Thành phần và các tính chất cơ lý của hợp kim chịu mòn
Độ lớn Đơn vị Tính chất cơ học -Độ cứng Brinell 24 HB -Ứng suất nén 111,5 MPa Thành phần hóa học -Thiếc (Sn) 75% -Sắt (Fe) ≤0,08% -Đồng (Cu) 3% -Arsenic (As) ≤0,15% -Antimony (Sb) 12%
Qua tìm hiểu về động cơ 5S FE, tác giả nhận thấy khi lắp ráp thanh truyền vào trục - khuỷu thì lực siết bu-lông thanh truyền 25N.m, sau đó vặn thêm một góc 900. Với thực tế bảo trì, bảo dưỡng và thay thế phụ tùng tại Việt Nam, vấn đề này rất ít người quan tâm. Do vậy tác giả đã tiến hành thay đổi các góc siết bu-lông từ 25Nm đến 25Nm+900, để tiến hành nghiên cứu so sánh sự ảnh hưởng của nó tới các đặc tính bôi trơn ổ đầu to thanh
truyền. Qua đó có thể khuyến cáo các thợ sửa chữa, lắp ráp lựa chọn lực siết bu-lông thanh truyền phù hợp hơn.
3.3.2. Đo đường kính trung bình của ổ đầu to thanh truyền của động cơ 5S-FE FE
3.3.2.1 Mục đích
- Xác định khe hở bán kính của ổ đầu to thanh truyền động cơ 5S FE.-
- Xác định sự thay đổi đường kính trung bình của ổ đầu to thanh truyền của động cơ 5S FE khi thay đổi siết bu lông thanh truyền- - .
3.3.2.2 Giới thiệu thiết bị đo
Máy TALYRON 365 Là máy đo khuyết tật hình dạng hình học của bề mặt các chi tiết có biên dạng trụ tròn như truc, hay ổ đỡ. Các thông số đo được trên máy bao gồm: Kích thước bán kính, đường kính, độ tròn, độ nhám, .... Đây là máy bổ sung cần thiết cho máy MEGAPASCALE để xác định các thông số hình học của ổ đầu to thanh truyền theo các chế độ thực nghiệm.
Hình 3.9 là hình ảnh tổng thể của máy Talyron 365 bao gồm 3 bộ phận: Bộ phận chuyển động, hệ thống khí nén, phần mềm điều khiển.
Hình 3.10 Hình ảnh chụp màn hình phần mềm đang làm việc
Hình 3.10 thể hiện giao diện phần mềm điều khiển máy Talyron 365 điều khiển các chuyển động, máy nén khí, cũng như lưu và xử lý kết quả đo. Để kết qua đo có độ tin cậy, trước khi thực hiện đo đạc, cần phải tiến hành đo chuẩn trên các chi tiết ổ đỡ, trục mẫu (Hình 3.11)
Hình 3.11 Hình ảnh Ổ đỡ, trục mẫu đi kèm theo máy Talyron 365 3.3.2.3 Tiến trình đo 3.3.2.3 Tiến trình đo
1. Đo đường kính trunng bình của bánh lệch tâm
- Bánh lệch tâm được chế tạo có đường kính đúng bằng đường kính cổ trục khuỷu của động cơ 5S-FE, để khi lắp thanh truyền vào bánh lệch tâm sẽ tạo ra đúng các khe hở hướng kính như trên động cơ thật.
- Đặt chế độ, tiến hành đo đường kính của bánh lệch tâm 18 lần với bước đo 1,5mm theo chiều dài của bánh.
2. Đo đường kính trunng bình của ổ đầu to thanh truyền
- Ổ đầu to thanh truyền của động cơ 5S FE, được tháo ra từ động cơ. Bạc lót ổ được mua - mới để lắp thay thế.
- Lần lượt tiến hành lắp hai nửa thanh truyền ở 4 lực siết bu lông thanh truyền rồi đo - đường kính ổ theo thứ tự 25Nm, 25Nm+300, 25Nm+600, 25Nm+900(Phụ lục 3.1)
Hình 3.12 Hình ảnh đo đường kính ổ đầu to thanh truyền 3.3.3 Kết quả thực nghiệm 3.3.3 Kết quả thực nghiệm
Trong hình 3.13 trình bày kết quả đo đường kính ổ đầu to thanh truyền 5S-FE tại lực siết bu-lông thanh truyền 25Nm+300. Quá trình đo được thực hiện ở 18 tiết diện theo chiều trục, đường kính thay đổi từ giá trị nhỏ nhất là 52,054 mm (bán kính là 26,027mm) đến giá trị lớn nhất 52,064 mm (bán kính là 26,032). Tại một tiết diện kết quả đo được thể hiện trong hình 3.14, bán kính ổ đầu to thanh truyền mở rộng lớn nhất tại vị trí ghép giữa hai nửa, tại một số vị trí khác bán kính ổ bị thu nhỏ lại. Trong các tính toán tác giả sử dụng một tiết diện tròn (đường màu đỏ trong hình 3.14) có bán kính bằng trung bình cộng của các bán kính đo được cho ổ đầu to thanh truyền động cơ 5S-FE. Kết quả tính khe hở bán kính được thể hiện trong bảng 3.3 (Kết quả cụ thể được trình bày trong phụ lục P3.1) ở các lực siết bu lông thanh truyền - 25Nm, 25Nm+300, 25Nm+600, 25Nm+900.
Hình 3.13 Hình ảnh của kết quả đo đường kính ổ đầu to thanh truyền 25Nm+30 0
26.0270 26.0280 26.0290 26.0300 26.0310 26.0320 26.0330 0 5 10 15 20
Hình 3.14 Hình ảnh của kết quả đo đường kính ổ đầu to thanh truyền 25Nm+30 0 tại một tiết diện
Bảng 3.3 Đường kính ổ đầu to thanh truyền theo siết bu-lông thanh truyềnTT Lực xiết bu lông Đường kính TT Lực xiết bu lông Đường kính
trung bình ổ (mm) Đường kính bánh lệch tâm (mm) Khe hở bán kính (mm) 1 25Nm 52,058 52,010 0,024 2 25Nm+300 52,086 52,010 0,038 3 25Nm+600 53,020 52,010 0,055 4 25Nm+900 53,048 52,010 0,069
3.3.4. Tải tác dụng lên ổ đầu to thanh truyền động cơ 5S-FE3.3.4.1. Giới thiệu về băng thử MEGAPASCAL 3.3.4.1. Giới thiệu về băng thử MEGAPASCAL
Băng thử MEGAPASCAL là thiết bị thực nghiệm bôi trơn nhiệt thủy động đàn hồi của ổ đầu to thanh truyền động cơ đốt trong. Thiết bị được FaTu. A và các cộng sự nghiên cứu chế tạo năm 2005 [29], thiết bị có tốc độ tối đa lên đến 20.000 vòng/ phút, tải trọng tác dụng lên ổ tới 90KN. Thiết bị đã được dùng để nghiên cứu thực nghiệm ổ đầu to thanh truyền động cơ F1 của hãng Reynol
0. Khung 1. Thanh truyền
2. Ổ đầu to thanh truyền 3. Đầu nhỏ thanh truyền 4. Hệ thống tải ngang 5. Trục máy
6. Bánh lệch tâm
Hình 3.15. Sơ đồ khối của băng thử MEGAPASCALE
Hình 3.16. Hình ảnh thanh truyền và bánh lệch tâm, các cảm biến khi thực nghiệm đo tải trên băng thử MEGAPASCAL
3.3.4.2. Kết quả
Tải trọng tác dụng lên thanh truyền trong thiết bị thực nghiệm sẽ mô phỏng lại quá trình làm việc của động cơ qua bốn kỳ: hút, nén, nổ, xả ở tốc độ 3000 vg/ph và 30% tải. Tải trọng gồm hai lực, lực kéo nén Fx và lực uốn Fy. Các lực này được hệ thống đo của băng thử MEGAPASCALE (Hình 3. ) lưu trữ vào một file dữ liệu từ đó tác giả xây dựng 17
được biểu đồ tải tác dụng lên ổ đầu to thanh truyền theo các góc của trục khuỷu trong một chu kỳ làm việc như hình 3.18.
Hình 3.17 Hình ảnh trung tâm điều khiển băng thử MEGAPASCALE
Hình 3.18 Biểu đồ tải tác dụng lên ổ đầu to thanh truyền động cơ 5S FE-
3.4 Kết quả mô phỏng số
Với giải thuật đã trình bày trong mục 3.2, ổ đầu to thanh truyền được chia thành các phần tử chữ nhật 4 nút trong đó phương chu vi được chia thành 60 phần tử và phương dọc trục được chia thành 20 phần tử. Tác giả đã viết chương trình tính toán đặc tính bôi trơn ổ đầu to thanh truyền bằng ngôn ngữ lập trình Fortran 95 (Phụ lục 3.2). Kết quả thu được gồm áp suất màng dầu, chiều dày màng dầu và độ lệch tâm tương đối.
a, Chia lưới ổ đầu to thanh truyền b, Hệ tọa độ thanh truyền Hình 3.19 Chia lưới ổ đầu to thanh truyền
3.4.1. Áp suât màng dầu
Hình 3.20 biểu diễn phân bố áp suất của ổ đầu to thanh truyền theo phương chu vi tại ba tiết diện L/2, L/5, L/10 của chiều dài ổ khi khe hở bán kính C = 24µm ở vị trí 3700 của trục khuỷu thuộc kì nổ. Phân bố áp suất bắt đầu ở vị trí 108o và kết thúc ở 2970 theo phương chu vi. Ta thấy, phần chân của phân bố áp suất biến thiên nhỏ tuy nhiên đỉnh của phân bố rất cao tại 2790 của trục khuỷu áp suất lớn nhất là 57 7 Pa, đến 234. M o của trục khuỷu áp suất lớn nhất là 7.4 MPa. Phần chịu lực chính theo phương chu vi của ổ tập trung từ 2430 đến 2900. Tại các tiết diện L/5 và L/10 của chiều dài ổ đỉnh của phân bố áp suất hạ xuống, tại tiết diện L/2 áp suất lớn nhất là 57.7 MPa, đến tiết diện L/5 áp suất lớn nhất là 40.4 MPa, đến tiết diện L/10 áp suất lớn nhất là 24.4 MPa.
Hình 3.20 Phân bố áp suất theo phương chu vi tại 370 0của trục khuỷu khi khe hở bán kính C = 24µm
Hình 3.21 Phân bố áp suất theo phương chiều dài tại 370 0của trục khuỷu khi khe hở bán kính C = 24µm
Hình 3.21 biểu diễn phân bố áp suất theo phương chiều dài ổ tại ba tiết diện theo chiều dài ổ tại 2790, 2520 và 216o của phương chu vi khi khe hở bán kính C 24µm ở vị trí = 3700 của trục khuỷu. Theo hình, áp suất phân bố đối xứng theo phương chiều dài qua vị trí giữa ổ. Tại một tiết diện, tốc độ biến thiên của áp suất nhỏ tuy nhiên sự chênh lệch giữa các tiết diện khác nhau rất lớn.
Hình 3.22 biểu diễn phân bố áp suất của ổ đầu to thanh truyền với C = 24µm ở vị trí 3700 của trục khuỷu. Theo đó, phần chịu lực chính tập trung tại một vùng diện tích nhỏ về phía nửa cuối của ổ theo chiều quay.
Hình 3.23 biểu diễn phân bố áp suất tại tiết diện giữa ổ theo phương chu vi tại các góc 200, 170o, 3200, 3500, 3700, 4700 của trục khuỷu với khe hở bán kính C = 24µm. Theo biểu đồ, phân bố áp suất dịch chuyển theo góc quay của trục khuỷu cùng với các kỳ làm việc hút-nén-nổ-xả. Ta thấy, càng gần với kỳ nổ đỉnh phân bố áp suất càng nhọn, cao hơn
so với các vùng khác. Phân bố đạt cực đại giảm về hai phía kể từ vị trí xảy ra sự nổ (khoảng 3700) với áp suất lớn nhất lần lượt là pmax,370o(nổ) = 57.7 MPa, pmax,350o(nén) = 26.6 MPa, pmax,20o(hút) = 11.4 MPa. Trải qua một chu kỳ làm việc phân bố áp suất chủ yếu tập trung phần phía sau của ổ theo chiều quay.
Hình 3.23 Phân bố áp suất tại tiết diện giữa ổ theo phương chu vi tại các góc 20 0, 3200, 3500, 3700, 4700 của trục khuỷu khi khe hở bán kính C 24µm =
Hình 3.24 Vị trí mòn trên nửa bạc lót dưới do hiện tượng xâm thực
Qua hình 3.23 ta nhận thấy theo chu kỳ làm việc hút nén nổ xả phân bố áp suất - - - dịch chuyển theo góc quay của trục khuỷu, chủ yếu tập trung phần phía sau của ổ theo
chiều quay. Trong vùng từ khoảng 1000-2100 của ổ đầu to thanh truyền liên tục có sự hình thành và phá hủy của các bọt khí do hiện tượng xâm thực hay gián đoạn màng dầu theo chu kỳ dẫn tới phá hủy lớp hợp kim chống mòn gây ra hiện tượng mòn xâm thực của bạc động cơ (Hình 3.24 ).
Hình 3.25 và hình 3.26 biểu diễn phân bố áp suất tại góc 200 và 7000của trục khuỷu là điểm thuộc nửa đầu kỳ hút và nửa cuối kỳ xả với khe hở bán kính C = 24µm. Tại điểm thuộc kỳ hút lực tác dụng FX = - 2962 (N), FY = - 607 (N). Tại điểm thuộc kỳ xả lực tác dụng FX = - 3000 (N), FY = 680 (N). Phân bố áp suất ở cả hai điểm này chia ra hai nửa của ổ nhưng phía sau rất thấp (p20o = 64KPa, p700o = 0.2 MPa), phần chịu tải chính tập trung nửa đầu của ổ với pmax,20o = 11.4 MPa, pmax,700o = 12.1 MPa.
Hình 3.25 Phân bố áp suất tại góc 20 0của trục khuỷu khi khe hở bán kính C = 24µm
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 =