Luận văn Khảo sát ứng suất cơ học của thanh truyền động cơ Hino J08CF diesel 6 xi lanh khi tăng áp (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Khảo sát ứng suất cơ học của thanh truyền động cơ Hino J08CF diesel 6 xi lanh khi tăng áp (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THẾ GIỚI KHẢO SÁT ỨNG SUẤT CƠ HỌC CỦA THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ HINO - J08CF DIESEL 6 XI LANH KHI TĂNG ÁP NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC – 60520116 S K C0 0 4 7 3 2 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THẾ GIỚI KHẢO SÁT ỨNG SUẤT CƠ HỌC CỦA THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ HINO - J08CF DIESEL 6 XI LANH KHI TĂNG ÁP NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 60520116 Tp. Hồ Chí Minh, 10/2015
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THẾ GIỚI KHẢO SÁT ỨNG SUẤT CƠ HỌC CỦA THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ HINO-J08CF DIESEL 6 XI LANH KHI TĂNG ÁP Hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN HỮU HƢỜNG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
4. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC Họ và tên: Nguyễn Thế Giới Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 2/12/1980 Nơi sinh: Đồng Nai Quê quán: Ninh Bình Dân tộc: Kinh Nơi thường trú: 327/26/21 Quang Trung, P.10, Q.Gò Vấp, Tp. Hồ Chí Minh. Điện thoại: 0933451267 Email: nguyenthegioi1980@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung cấp chuyện nghiệp: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian: 1996-1999 Nơi đào tạo: Trường Trung Học Kỹ Thuật Công Nghiệp 4 Ngành học: Cơ Khí Ô tô. 2. Đại học: Hệ đào tạo: chính quy Thời gian đào tạo: 2000-2004 Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh. Ngành học: Cơ Khí Động Lực III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2004 – 2008 Trường Trung Cấp Nghề Bình Thạnh Giáo viên Số: 131, Nơ Trang Long, Quận Bình Thạnh, Tp HCM 2008 - nay Trường Cao Đẳng Giao Thông Vận Tải TP HCM Giảng Viên Số: 252 Lý Chính Thắng, Phường 9, Quận 3, TP HCM i
5. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 23 tháng 10 năm 2015 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Nguyễn Thế Giới ii
6. LỜI CẢM ƠN Trong quá trình được học tập và nghiên cứu, tôi đã được sự giúp đỡ tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi của Qúy Thầy Cô Khoa Cơ khí động lực, trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh. Tôi xin chân thành cảm ơn Qúy Thầy Cô đã giúp đỡ trong thời gian làm Luận văn tốt nghiệp, đặc biệt là PGS.TS Nguyễn Hữu Hường đã hướng dẫn nhiệt tình để tôi có thể thực hiện và hoàn thành Luận văn này. Nhân dịp này, tôi xin tỏ lời cảm ơn Trung Tâm Tiêu chuẩn Kỹ thuật Đo lường Chất lượng Khu vực 3 đã giúp đỡ tôi thực hiện thí nghiệm cho đề tài. Tôi xin chân thành cảm ơn Qúy Thầy phản biện có những ý kiến đóng góp hữu ích để tôi có thể hoàn thiện hơn đề tài Luận văn. Xin cảm ơn gia đình và các bạn đồng nghiệp đã động viên tôi trong suốt quá trình học tập, thực hiện và hoàn thành Luận văn tốt nghiệp. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 23 tháng 10 năm 2015 Học viên thực hiện NGUYỄN THẾ GIỚI iii
7. TÓM TẮT Để có thể tăng công suất cho động cơ thế hệ cũ đang sử dụng ở Việt Nam, tác giả đặt mục đích nghiên cứu khả năng tăng áp cho một động cơ diesel. Trong đề tài này tác giả đã khảo sát khả năng chịu lực cho chi tiết quan trọng khi tăng áp là thanh truyền của động cơ Hino J08CF. Nghiên cứu tính toán lý thuyết xác định được ứng suất tác động lên thanh truyền ở thời kỳ sinh công là lớn nhất. Với việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp mô phỏng bằng phần mềm ANSYS xác định ứng suất tác động lên thanh truyền. Qua thực nghiệm với thiết bị thử ứng suất đánh giá kết quả tính tính toán và mô phỏng phần mền ANSYS là chính xác. Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm cho thấy rằng có thể lắp đặt bộ tăng áp để nâng áp suất từ 86 bar lên 100 bar và công suất động cơ được tăng lên 25% mà thanh truyền vẫn đủ bền. Tuy nhiên, nghiên cứu này chưa đề cập đến ảnh hưởng bền của các chi tiết khác trong động cơ khi tăng áp. Đây là kết quả nghiên cứu ban đầu làm cơ sở khoa học cho việc tính toán ứng suất và thiết kế thanh truyền động cơ. Trong tương lai, cần nghiên cứu tiếp ảnh hưởng đến các chi tiết khác trong động cơ Hino J08CF để có thể ứng dụng vào thực tế ở Việt Nam; rộng hơn nữa là nghiên cứu tăng áp cho những động cơ khác. ABSTRACT The main objective of this study is to explore the augmentation of a diesel engine in order to increase the power of old-generation engines in Vietnam. In this research, the author investigates the augmentation of an essential part – the connecting rod of the engine Hino J08CF. It is determined by the analysis that the stress on the connecting rod reaches highest level during the power phase. The application of finite element method in ANSYS software calculates stress on the connecting rod. In practice, using a stress-test equipment shows that the calculation is accurate. The study shows that this engine can use turbo-charger to increase pressure from 86 to 100 bar and 25% of power while keeping the connecting rod solid. However, the weakpoint of this thesis is that it has not carried out other parts in this operating condition yet. The same performance is not only expected in other parts of the mentioned engine but also in the others that are being used in Vietnam. iv
8. MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch khoa học i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Tóm tắt iv Mục lục v Danh sách các chữ viết tăt vii Danh sách các hình viii Danh sách các bảng x Chƣơng 1.TỔNG QUAN 1 1.1 Dẫn nhập 1 1.2 Các nghiên cứu trong nước và ngoài nước 2 1.2.1 Các kết quả nghiên cứu trong nước 2 1.2.2 Các kết quả nghiên cứu ngoài nước 3 1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 4 1.4 Đối tượng nghiên cứu 5 1.5 Phạm vi nghiên cứu 5 1.6 Phương pháp nghiên cứu 5 1.7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 6 Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7 2.1 Động học của cơ cấu piston trục khuỷu thanh truyền giao tâm [6] 7 2.1.1 Quy luật động học của piston 7 2.1.2 Quy luật động học của thanh truyền 11 2.1.2.1 Góc lắc  11 2.1.2.2 Vận tốc góc tt 11 2.1.2.3 Gia tốc góc tt 12 2.2 Tính sức bền của thân thanh truyền 13 v
9. 2.3 Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để xác định trạng thái ứng suất của thanh truyền động cơ [7] 14 2.4 Các phương trình cơ bản [7] 15 2.4.1 Chuyển vị, biến dạng và ứng suất trong phần tử - ma trận độ cứng phần tử và véc tơ phần tử 15 2.4.2 Ghép nối các phần tử - ma trận cứng và véc tơ tải tổng thể 17 2.4.3 Phép chuyển trục tọa độ 19 2.5 Nhận xét 21 Chƣơng 3. XÁC ĐỊNH TRƢỜNG ỨNG SUẤT CƠ HỌC THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ HINO J08CF 22 3.1 Một số đặc điểm của thanh truyền động cơ Hino J08CF 22 3.1.1 Kết cấu động cơ Hino J08CF 22 3.1.1 Kết cấu thanh truyền động cơ Hino J08CF. 25 3.1.2 Xác định vật liệu của thanh truyền 29 3.2 Khảo sát trường ứng suất cơ học của thanh truyền động cơ Hino J08CF bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết tính toán và phương pháp phần tử hữu hạn. 31 3.2.1 Khảo sát trường ứng suất cơ học của thanh truyền động cơ Hino J08CF bằng phương pháp tính toán truyền thống 31 3.2.2 Xây dựng mô hình tính thanh truyền trong Ansys 52 Chƣơng 4. THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 64 4.1 Phương pháp thí nghiệm 64 4.2 Kết quả thử nghiệm 67 4.3 So sánh kết quả nghiên cứu 67 Chƣơng 5. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 69 5.1 Kết quả đạt được 69 5.2 Những vấn đề tồn tại 69 5.3 Hướng phát triển 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 PHỤ LỤC 72 vi
10. DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TĂT ĐCT Điểm chết trên ĐCD Điểm chết dưới ANSYS Analysis System - also CAD Computer-aided design CAE Computer Aided Engineering PRO-E 4.0 Pro Engineer 4.0 CREO Commercial Real Estate Organization SOLIDWORKS 3D solid modeling CAD software TDC top dead center BDC bottom dead center PTHH Phần Tử Hữu Hạn C70 Thép có thép có trung bình 0,70 %Cácbon Thép có thép có trung bình 0,45 %Cácbon và C45Mn Mangan vii
11. DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 2.1: Sơ đồ cơ cấu piston-trục khuỷu-thanh truyền giao tâm. 8 Hình 3.1: Mặt cắt ngang động cơ Hino J08CF [8] 22 Hình 3.2: Mặt cắt doc động cơ Hino J08CF [8] 23 Hình 3.3: Cấu tạo thanh truyền động cơ HINO J08CF 26 Hình 3.4: Kích thước của đầu nhỏ thanh truyền mỏng 26 Hình 3.5: Tiết diện thân thanh truyền . 27 Hình 3.6: Kích thước cơ bản thanh truyền động cơ Hino J08CF 29 Hình 3.7: Máy quang phổ phát xạ HORIBA, model GD PROFILER 2 30 Hình 3.8: Đồ thị công khai triển p –φ động cơ Hino J08CF 37 Hình 3.9: Lực tác dụng lên cơ cấu thanh truyền trục khuỷu 38 Hình 3.10: Đồ thị chuyển vị piston theo góc quay trục khuỷu 39 Hình 3.11: Đồ thị vận tốc piston theo góc quay trục khuỷu 40 Hình 3.12: Đồ thị gia tốc piston theo góc quay trục khuỷu 40 Hình 3.13: Đồ thị tổng lực tác dụng lên chốt piston 42 Hình 3.14: Đồ thị lực pháp tuyến tác dụng lên thành xilanh 43 Hình 3.15: Đồ thị lực tác dụng dọc trục thanh truyền 43 Hình 3.16: Đồ thị công khai triển p –φ động cơ Hino J08CF 46 Hình 3.17:Đồ thị chuyển vị piston theo góc quay trục khuỷu 47 Hình 3.18: Đồ thị vận tốc piston theo góc quay trục khuỷu 48 Hình 3.19: Đồ thị gia tốc piston theo góc quay trục khuỷu 48 Hình 3.20: Đồ thị tổng lực tác dụng lên chốt piston 49 Hình 3.21: Đồ thị lực pháp tuyến tác dụng lên thành xilanh 50 Hình 3.22: Đồ thị lực tác dụng dọc trục thanh truyền 50 Hình 3.23: Chọn kiểu phân tích cấu trúc tĩnh trong ANSYS 52 Hình 3.24: Khai báo thông số vật liệu 53 Hình 3. 25: Mô hình hình học thanh truyềnđộng cơ Hino- J08CF 54 viii
12. Hình 3.26: Mô hình động cơ Hino- J08CF trong Ansys 54 Hình 3.27: Lưới phần tử thanh truyền động cơ Hino- J08CF 55 Hình 3.28: Lưới phần tử mô hình cơ cấu trục khuỷu thanh truyền động cơ Hino- J08CF 55 Hình 3.29: Chọn áp đặt tải 56 Hình 3.30: Xác định mặt cần đặt lực 57 Hình 3.31: Xác định phương và lực đặt trên đầu nhỏ thanh truyền 57 Hình 3.32: Chọn mặt cố định 58 Hình 3.33: Xác định mặt cần cố định 59 Hình 4.1: Sơ đồ thí nghiệm thanh truyền 64 Hình 4.2: Quy trình thử nghiệm nén, uốn và vị trí đặt lực 65 Hình 4.3: Máy kéo nén vạn năng INSTRON –USA, model 1500HDX 66 Hình 4.4: Đồ thị ứng suất và biến dạng của thanh truyền khi nén ở 100KN 68 ix
13. DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của động cơ Hino J08CF [8] 24 Bảng 3.2: Kết quả thử nghiệm vật liệu thanh truyền. (xem phụ lục phiếu kết quả thử nghiệm vật liệu) 30 Bảng 3.3: Kết quả tính chu trình nhiệt động của động cơ Hino- J08CF 33 Bảng 3.4:Bảng giá trị nhiệt độ và áp suất trên đường cong nén. 34 Bảng 3.5: Bảng giá trị nhiệt độ áp suất và nhiệt độ trên đường cong giản nở. 35 Bảng 3.6 Chuyển vị, vận tốc, gia tốc của piston theo góc quay trục khuỷu. 39 Bảng 3.7: Lực tác dụng lên cơ cấu thanh truyền- trục khuỷu trong quá trình cháy giãn nở động cơ J08CF. 41 Bảng 3.8: Kết quả tính chu trình nhiệt động của động cơ Hino J08CF 44 Bảng 3.9: Bảng giá trị nhiệt độ và áp suất trên đường cong nén khi tăng áp 45 Bảng 3.10: Bảng giá trị nhiệt độ áp suất và nhiệt độ trên đường cong giản nở khi tăng áp. 45 Bảng 3.11:Bảng động học cơ cấu thanh truyền - trục khuỷu 47 Bảng 3.12: Lực tác dụng lên cơ cấu thanh truyền trục khuỷu 48 Bảng 4.1 So sánh giá trị ứng suất tính theo phần mềm Ansys và thí nghiệm 68 x
14. Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1 Dẫn nhập Động cơ đốt trong đang thể hiện vị trí, vai trò ưu việt của mình trong nhiều lĩnh vực vận tải khác nhau. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền khoa học kỹ thuật, động cơ đốt trong cũng không ngừng được cải tiến và hoàn thiện theo hướng đạt hiệu quả cao nhất phù hợp với các yêu cầu mục đích của từng phương tiện, như: giảm thiểu ô nhiễm môi trường, tiếng ồn Thanh truyền là một trong những chi tiết quan trọng kết nối piston và trục khuỷu. Thanh truyền dùng để truyền áp lực khí cháy từ piston tới trục khuỷu, do đó thanh truyền chịu tải động lớn. Việc chế tạo thanh truyền tương đối khó khăn trong các chi tiết của động cơ. Nó có đặc điểm hình học phụ thuộc vào từng loại động cơ, tốc độ piston, số kỳ và mục đích sử dụng. Thanh truyền làm việc trong điều kiện chịu tác động của các loại tải động trong suốt quá trình khai thác. Trong quá trình làm việc thanh truyền chịu tác dụng của áp lực khí thể sinh ra trong suốt quá trình cháy, các lực quán tính của các khối lượng chuyển động tịnh tiến, lực ma sát và trọng lực. Các lực này sinh ra mômen uốn, thay đổi cả về trị số lẫn phương chiều theo vị trí piston trong chu trình làm việc. Do tác dụng của những lực và mômen nêu trên nên thanh truyền luôn làm việc trong điều kiện chịu ứng suất nén, ứng suất uốn và đôi khi cả ứng suất kéo. Hình dáng kết cấu thanh truyền tạo nên ứng suất tập chung lớn nhất tại mặt ngoài nơi chuyển tiếp giữa thân và đầu thanh truyền. Điều kiện làm việc của thanh truyền phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: giá trị và tính chất của áp lực trên đỉnh piston, độ cứng, việc lựa chọn các loại vật liệu, chất lượng công nghệ lắp ghép. Do xu hướng tăng cường độ làm việc của động cơ như: tăng tốc độ quay, sử dụng các biện pháp nhằm nâng cao công suất, giảm kích thước hình học, tiết kiệm vật liệu, làm cho ứng suất trong thanh truyền tăng lên. Điều này dẫn đến giảm tính 1
15. tin cậy khi làm việc của thanh truyền trong quá trình sử dụng. Vì vậy thanh truyền phải luôn đảm bảo về độ tin cậy trong những điều kiện làm việc khác nhau, đảm bảo độ bền, độ cứng, tính chống mài mòn, đảm bảo thời hạn sử dụng, kích thước hình dáng hình học đảm bảo ứng suất gây ra đến mức nhỏ nhất. Để xác định một cách chính xác giá trị và vị trí ứng suất trong thanh truyền là rất cần thiết, làm tối ưu hóa thanh truyền, cơ sở cho việc nâng cao độ tin cậy, tuổi thọ thanh truyền nói riêng và đảm bảo an toàn khi khai thác của động cơ nó chung. Đồng thời đưa ra đặc điểm hình học phù hợp nhằm nâng cao khả năng tiết kiệm vật liệu. 1.2 Các nghiên cứu trong nƣớc và ngoài nƣớc 1.2.1 Các kết quả nghiên cứu trong nƣớc Có nhiều đề tài nghiên cứu trong nước về khảo sát ứng suất thanh truyền trong đó gồm một số đề tài gần với nghiên cứu như: Đề tài thạc sĩ “Khảo sát trạng thái ứng suất cơ học của thanh truyền động cơ ZIL 130” của Đỗ Văn Quý trường Đại học kỹ thuật Lê Quý Đôn năm 2012 [1]. Đề tài khảo sát ứng suất ứng suất cơ học của thanh truyền dựa việc xác định áp suất cháy cực đại và dùng phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp mô phỏng động bằng phần mền ANSYS. Với phương pháp mô phỏng trong mô trường cơ học đặt áp suất trên đỉnh piston, trọng lực lên thanh truyền và mômen lên trục khuỷu. Tuy nhiên đề tài chưa xây dựng phương pháp xác định ứng suất cơ học thanh truyền động cơ. Đề tài thạc sĩ “Xác định trường ứng suất cơ-nhiệt của thanh truyền động cơ xe xích PT76 có xét đến ảnh hưởng của lực ma sát trượt” của Nguyễn Văn Thanh trường Đại học Kỹ Thuật Lê Quý Đôn năm 2012 [2]. Phương pháp mô phỏng phần mền ANSYS trong môi trường cơ nhiệt đặt nhiệt độ được chọn cố định cho piston là 2000c, thanh truyền, chốt piston là 1000c và trục khuỷu 800c kết hợp đặt áp suất trên đỉnh piston, trọng lực lên thanh truyền và mômen lên trục khuỷu. Đề tài phát triển trên đề tài thạc sĩ “Khảo sát trạng thái ứng suất cơ học của thanh truyền động cơ ZIL 130” của Đỗ Văn Quý trường Đại học kỹ thuật Lê Quý Đôn năm 2012. Đề 2
16. tài xác định được ảnh hưởng của nhiệt độ đến ứng suất thanh truyền tuy nhiên ảnh hưởng lớn nhất đến ứng suất thanh truyền do lực ma sát trượt. Cho đến thời điểm hiện nay chưa có nghiên cứu trong nước về khảo sát ứng suất cơ học của thanh truyền động cơ HINO - J08CF diesel 6 xi lanh khi tăng áp. 1.2.2 Các kết quả nghiên cứu ngoài nƣớc Quá trình nghiên cứu thanh truyền được thế giới nghiên cứu từ rất lâu. Trong những năm trước 1980, quá trình phân tích kết cấu trở nên phổ biến, thay thế dần quá trình kiểm tra cơ lí tính. Vào những năm 1980, việc phân tích kết cấu trở thành một công cụ thiết kế. Những năm 1990, cùng với sự phát triển của các phần mềm thiết kế 3D (CAD) và các phần mềm tính toán (CAE), quá trình tính toán kết cấu góp phần làm giảm thời gian thiết kế sản phẩm. Từ năm 2000 đến nay, quá trình phân tích, tính toán kết cấu đã hoàn toàn thay thế quá trình kiểm tra cơ lí tính ở một vài sản phẩm. Mặc dù chấp nhận nó như là một công cụ thiết kế nhưng việc phân tích tính toán kết cấu trong sản xuất vẫn chưa phổ biến. Trên thế giới hiện nay có một số công trình nghiên cứu về kết cấu thanh truyền như sau: Pranav G. Charkha và Tiến sĩ Santosh B. Jaju với nghiên cứu “Phân tích & Tối ưu hóa kết nối thanh truyền” [3]. Trong nghiên cứu này, tác giả đã tiến hành nghiên cứu trên động cơ xăng bốn thì, thanh truyền kết cấu thép C-70 và mô hình hóa bằng cách sử dụng phần mềm ANSYS. Nghiên cứu này bao gồm hai loại phân tích: phân tích ứng suất thanh truyền trạng thái tĩnh và phân tích ứng suất mỏi thanh truyền. Mục tiêu chính của nghiên cứu này, xác định ứng suất thanh truyền và tăng hiệu quả kinh tế bằng việc giảm khối lượng thanh truyền. Phân tích ứng suất thanh truyền trạng thái tĩnh đạt tải trọng tĩnh lên thanh truyền đạt được và kết quả giảm 9,24% khối lượng thanh truyền. Pravardhan S. Shenoy và Ali Fatemi với nghiên cứu “Tối ưu hóa kết nối thanh truyền nhằm giảm chi phí và trọng lượng” tạp chí SAE quốc tế năm 2005 [4]. Nghiên cứu này, thực hiện trên thanh truyền kết cấu thép C-70 nhằm giảm khối lượng vật liệu và chi phí sản xuất bằng cách phân tích phần tử hữu hạn để tối ưu hóa. 3
17. Kết quả nghiên cứu thanh truyền tối ưu đó là nhẹ hơn 10% đến 25% và ít tốn kém so với thanh truyền hiện có. Tiến sĩ K. Tirupathi Reddy, Syed Altaf Hussain thuộc Trường Cao đẳng Kỹ thuật & Công nghệ Cơ khí, Nandyal- Ấn Độ với nghiên cứu “Phân tích và mô phỏng mô hình của thanh truyền” [5]. Trong dự án này, thanh truyền với kết cấu thép C-45 được thay thế bằng nhôm hợp kim và gia cố bằng nhôm cacbua cho xe máy Suzuki GS150R. Từ bản vẽ 2D thanh truyền của nhà sản xuất được mô hình hóa bằng cách sử dụng phần mềm PRO-E 4.0 và phân tích được thực hiện bằng cách sử dụng phần mềm ANSYS. Phân tích phần tử hữu hạn của thanh truyền được thực hiện bằng cách lựa chọn hai nguyên liệu, nhôm gia cường với Boron Carbide và nhôm 360. Sự kết hợp tốt nhất các thông số như ứng suất, biến dạng, yếu tố an toàn và giảm trọng lượng thực hiện trong phần mềm ANSYS. So với thép C-45, nhôm cacbua, nhôm 360, nhôm cacbua được tìm thấy có hệ số an toàn làm việc là gần với yếu tố lý thuyết về an toàn, để giảm trọng lượng 33,17%. Năm 2011 với nghiên cứu “Stress Analysis of Connecting Rod of Nissan Z24 Engine by the Finite Elements Method” của Mohammad Ranjbarkohan, Mohammad Reza Asadi và Behnam Nilforooshan Dardashti. Với phương pháp tính toán bằng phương pháp ADAMS xác định ứng suất thanh truyền động cơ Nissan Z24 và mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu. Từ đó, xác định độ bền, thời gian làm việc tối đa của thanh truyền và nâng cao hiệu quả kinh tế qua thiết kế. Các nghiên cứu trên tạp trung vào việc xác định ứng suất thanh truyền theo hướng cắt giảm vật liệu. Tuy nhiên vẫn chưa có công trình nghiên cứu xác định ứng suất thanh truyền khi động cơ tăng áp. 1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Hiện nay, một số động cơ cũ đang được khai thác sử dụng ở Việt Nam tuy nhiên không mang lại hiệu quả kinh tế cao. Việc nghiên cứu khảo sát ứng suất cơ học của thanh truyền động cơ HINO - J08CF diesel 6 xi lanh khi tăng áp là mục tiêu nghiên cứu của đề tài. 4
18. Đề tài xây dựng phương pháp xác định ứng suất thanh truyền động cơ khi chịu lực khí cháy cực đại trong buồng đốt và khi tăng áp. Tính toán ứng suất bằng phương pháp phần tử hữu hạn, mô phỏng bằng phần mền ANSYS và thực nghiệm kiểm tra bằng thiết bị đo thử ứng suất INSTRON–USA, model 1500HDX tại trung tâm Quatest 3 Việt Nam. Từ đó, xác định khả năng gắn bộ tăng áp của động cơ HINO-J08CF. 1.4 Đối tƣợng nghiên cứu Lý thuyết động cơ đốt trong. Lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn. Động cơ HINO-J08CF. Phần mền thiết cơ khí CREO, phần mền mô phỏng ANSYS. 1.5 Phạm vi nghiên cứu Tính toán ứng suất cơ học thanh truyền của động cơ HINO J08CF với khi chưa tăng áp và sau tăng áp. Xây dựng chương trình mô phỏng tính ứng suất thanh truyền của động cơ HINO J08CF trên phần mền ANSYS. Thực nghiệm với thiết bị đo thử ứng suất INSTRON –USA, model 1500HDX tại trung tâm Quatest 3 Việt Nam. 1.6 Phƣơng pháp nghiên cứu Để thực hiện đề tài khảo sát ứng suất cơ học của thanh truyền động cơ HINO- J08CF diesel 6 xi lanh khi tăng áp, hướng tiếp cận của đề tài được đề xuất các bước như sau: 1. Nghiên cứu lý thuyết động cơ đốt trong. 2. Tính toán ứng suất thanh truyền dựa trên lý thuyết động học và động lực học cơ cấu piston trục khuỷu thanh truyền. 3. Nghiên cứu tính toán ứng suất bằng phương pháp phần tử hữu hạn. 4. Nghiên cứu các phần mền thiết kế cơ khí CREO, SOLIDWORKS, 5. Nghiên cứu phần mền mô phỏng tính toán ứng suất như ANSYS, phần mền mô phỏng động cơ ESP, Matlab 5
19. 6. Thực nghiệm kiểm tra ứng suất thanh truyền động cơ HINO-J08CF với thiết bị đo thử ứng suất INSTRON –USA, model 1500HDX tại trung tâm Quatest 3 1.7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Đề tài “Khảo sát ứng suất cơ học của thanh truyền động cơ HINO -J08CF diesel 6 xi lanh khi tăng áp” xây dựng phương pháp tính toán ứng suất cơ học thanh truyền khi không tăng áp và tăng áp. Kết quả nghiên cứu xác định khả năng chịu ứng suất lớn hơn của thanh truyền động cơ HINO -J08CF cho phép tăng áp, nâng cao công suất động cơ. Đề tài định hướng giải quyết nhu cầu nâng cao công suất động cơ diesel thế hệ cũ trên ô tô và tàu thủy. 6
20. Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Động học của cơ cấu piston trục khuỷu thanh truyền giao tâm [6] 2.1.1 Quy luật động học của piston 2.1.1.1 Chuyển vị của piston Nghiên cứu quy luật chuyển động của piston là nhiệm vụ chủ yếu của động học để thuận tiện trong việc khảo sát, ta đặt giả thiết trong quá trình làm việc, vận tốc góc của trục khuỷu là một hằng số (=const). Trên (hình 2.1) giới thiệu cơ cấu piston – trục khuỷu- thanh truyền giao tâm. Trong cơ cấu này, đường tâm xy lanh và đường tâm trục khuỷu trực giao. Chuyển vị x tính từ điểm chết trên (ĐCT) của piston tùy thuộc vào vị trí của trục khuỷu (trị số của x thay đổi tùy vào trị số của góc quay trục khuỷu ) Từ hình vẽ ta có : X AB'' AO DO DB 1 R R cos  l cos Trong đó : X - Chuyển vị của piston tính từ ĐCT theo góc quay trục khuỷu . l -Chiều dài của thanh truyền, được tính bằng khoảng cách từ tâm đầu nhỏ (điểm B ' ) đến tâm đầu to (điểm C ). R - Bán kính quay của trục khuỷu. - Góc quay của trục khuỷu tương ứng với x tính từ ĐCT  - Góc lệch giữa đường tâm thanh truyền và đường tâm xilanh ứng với . R Gọi  là thông số kết cấu (  =0,250,29), từ trên ta có . l 7
21. ll x lR A R cos  cos . . (2.1)  ll Trong đó. Al coscos   A DCT X B' S  l B DCD DCT C D R O DCD Hình 2.1: Sơ đồ cơ cấu piston-trục khuỷu-thanh truyền giao tâm. 2.1.1.2 Vận tốc của piston Đạo hàm công thức (2.1) theo thời gian, ta có công thức để tính vận tốc piston. dx d  l d vR .sin  sin (2.2) dt dt dt dd Từ quan hệ. ta rút ra. cos.cos  dtdt ddcos Do đó.  dtcos  dt Gọi tốc độ góc của trục khuỷu là  và bỏ qua sự thay đổi về tốc độ góc ta có. d  cost dt d cos Vì vậy.    (2.3) dt cos  Thay (2.2) vào (2.3) rồi rút gọn ta có. 8
22. S K L 0 0 2 1 5 4