Khả năng chịu ứng suất của thanh truyền động cơ HINO - J08CF khi tăng áp

74<br /> Journal of Transportation Science and Technology, Vol 20, Aug 2016<br /> <br /> <br /> KHẢ NĂNG CHỊU ỨNG SUẤT CỦA THANH TRUYỀN<br /> ĐỘNG CƠ HINO - J08CF KHI TĂNG ÁP<br /> AN MECHANICAL STRESS ABILITY OF THE CONNECTING ROD FOR<br /> ENGINE HINO - J08CF ON PRESSURE INCREASING<br /> Nguyễn Hữu Hường1, Nguyễn Thế Giới2<br /> 1<br /> Trường Đại học Giao Thông Vận Tải Tp.HCM<br /> 2<br /> Trường Cao Đẳng Giao Thông Vận Tải Tp.HCM<br /> Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu khả năng chịu ứng suất cơ học của thanh truyền<br /> động cơ HINO - J08CF khi tăng áp. Nghiên cứu lý thuyết bằng phần mềm mô phỏng ANSYS và kết<br /> quả thực nghiệm là phù hợp. Theo đó có thể lắp bộ tăng áp cho động cơ HINO - J08C để tăng áp suất<br /> từ 86 bar lên 100 bar. Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học cho các nghiên cứu tiếp về ảnh hưởng<br /> của việc tăng áp đến các chi tiết khác của động cơ HINO - J08CF theo hướng tăng công suất, nghiên<br /> cứu này cũng có thể áp dụng cho các động cơ diesel khác đang ứng dụng ở Việt Nam.<br /> Từ khóa: Phân tích tải thanh truyền, phân tích ứng suất thanh truyền, ứng suất lớn nhất.<br /> Abstract: The paper presents the initially result on the ability of power increasing for the<br /> connecting rod of the diesel engine HINO - J08CF. It is determined by the analysis on the stress for<br /> the connecting rod on highest level during the power phase. The application of finite element method<br /> in ANSYS software simulation to calculate stress on the connecting rod and combine with stress - test.<br /> The study shows that this engine can use turbo - charger to increase pressure from 86 to 100 bar. This<br /> initially result can be a basis on researching for others details of the diesel engine HINO - J08CF to<br /> increase its engine power and others engines in Vietnam.<br /> Keywords: Connecting rod load analysis, connecting rod stress analysis, maximum stress.<br /> 1. Giới thiệu J08CF với việc kết hợp tính toán mô phỏng<br /> Thế hệ động cơ đốt trong những thập và thực nghiệm để so sánh kết quả.<br /> niên cuối của thế kỷ 20 đã chuyển sang tăng 2. Chu trình động cơ Hino J08CF<br /> áp nhằm tăng công suất. Khi động cơ tăng Động cơ diesel 4 kỳ, 6XL HINO -<br /> áp, kết cấu của những chi tiết chịu lực quan J08CF (dung tích Vh = 7,961cm3; công suất<br /> trong được tính toán thiết kế tối ưu và chế tạo lớn nhất Nemax= 156 kW ở 2900 vòng/phút)<br /> phù hợp. Ở Việt Nam, trong những năm đầu do Nhật chế tạo từ năm 2002 lắp trên xe 8 tấn<br /> của thế kỷ 21 vẫn nhập những ô tô sử dụng đang được sử dụng rất phổ biến ở Việt Nam.<br /> động cơ truyền thống chưa tăng áp. Việc Thân thanh truyền động cơ HINO –<br /> nghiên cứu để có thể lắp bộ tăng áp cho động J08CF có tiết diện chữ I (hình 1), tăng dần về<br /> cơ đang sử dụng ở nước ta mang ý nghĩa phía đầu lớn, có gờ dày để khoan lỗ dẫn dầu<br /> khoa học và thực tiễn lớn, nhằm giảm chi phí bôi trơn cho đầu nhỏ, chế tạo từ thép C45Mn<br /> mua động cơ mới. Một trong những chi tiết [10].<br /> quan trọng trong động cơ là thanh truyền -<br /> chi tiết chịu rất nhiều loại tải trọng trong quá 2.1. Chu trình nhiệt thực tế của động<br /> trình làm việc của động cơ đốt trong. cơ<br /> Trong nước đã có một số nghiên cứu lý Chu trình làm việc thực tế của động cơ<br /> thuyết tính toán độ bền về khả năng chịu lực biểu hiện quá trình thay đổi áp suất trong<br /> của thanh truyền trong [1] và [2]. Ở nước xylanh phụ thuộc vào thể tích môi chất công<br /> ngoài các nghiên cứu [3], [4] và [5] đã thực tác trong xylanh, là cơ sở cho việc xác định<br /> hiện theo hướng xác định ứng suất cơ học các thông số kỹ thuật chính của động cơ.<br /> của thanh truyền và tối ưu hóa kết cấu, giảm Quá trình nén được xem như quá trình<br /> khối lượng thanh truyền động cơ. đa biến với chỉ số nén n1 thay đổi. Quá trình<br /> Trong nghiên cứu này chúng tôi thực cháy trong động cơ là quá trình phức tạp nhất<br /> hiện cho thanh truyền động cơ diesel HINO- trong chu trình làm việc của động cơ. Để đơn<br /> giản trong tính toán, ta chia quá trình cháy ra<br /> 2 giai đoạn: Cháy đẳng tích và cháy đẳng áp.<br />  75<br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 20 - 08/2016<br /> <br /> <br /> A<br /> A A<br /> 30<br /> n: Vòng quay trục khuỷu động cơ.<br /> Khối lượng của nhóm piston:<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> +0,089<br /> Ø41 js6<br /> N7<br /> <br /> <br /> Ø37+0,05<br /> mnp = mp + msm + mx (4)<br /> R71<br /> 6<br /> Ở đây:<br /> R5 R18<br /> mp: Khối lượng piston (kg);<br /> 6<br /> msg: Khối lượng xéc măng (kg);<br /> mx: Khối lượng chốt piston và khóa (kg).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 32<br /> 18<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 188<br /> <br /> 268<br /> 32<br /> R69<br /> 6<br /> Tổng lực tác dụng lên chốt piston theo<br /> Ø4 21<br /> phương dọc trục xilanh<br /> 8<br /> P = mmpa+Pkt (N) (5)<br /> 28.5 28.5<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Trong đó:<br /> +0,106<br /> Ø62+0,066<br /> Ø68 js6<br /> H7<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a: Gia tốc piston (m/s2);<br /> 20<br /> Pkt: Lực khí thể trong xilanh (N).<br /> 84<br /> 110 33 Quan hệ góc trục khuỷu và thanh truyền<br /> A  = asin((r/L). sin ) (6)<br /> Hình 1. Thanh truyền động cơ Hino J08CF. Lực pháp tuyến lên thành xilanh:<br /> Khi tính toán quá trình giãn nở, xem chỉ N=P.tg (7)<br /> số giãn nở đa biến n1 không thay đổi. Lực pháp tuyến dọc trục thanh truyền:<br /> Ptt =P/cos (N) (8)<br /> Từ đó, tính toán nhiệt độ và áp suất<br /> trong chu trình thực tế động cơ Hino J08CF Từ (5) đến (8), xác định được lực lớn<br /> khi chưa tăng áp và khi tăng áp theo thông số nhất tác dụng lên chốt piston khi chưa tăng<br /> động cơ từ [6] và lý thuyết tính toán [7]. áp (hình 3) và khi tăng áp (hình 4).<br /> 2.2. Động lực học cơ cấu trục khuỷu - Trong bảng 1 là thông số chu trình thực<br /> thanh truyền tế động cơ khi chưa tăng áp.<br /> Bảng 1. Nhiệt độ và áp suất trong chu trình thực tế<br /> động cơ khi chưa tăng áp.<br /> Quá trình nạp: Nhiệt độ cuối trình nạp 339 0K1 1<br /> Áp suất cuối trình nạp bar<br /> Quá trình nén: Nhiệt độ cuối trình nén 1027 0K<br /> Thể tích toàn bộ 1399 cm3<br /> Thể tich khi áp lớn nhất 91,25cm3<br /> Áp suất cuối trình nén 48,5 bar<br /> Quá trình cháy:Nhiệt độ cuối trình cháy 2180 0K<br /> Áp suất cháy cực đại 86 bar<br /> Áp suất cuối trình giãn nở 3,35 bar<br /> Nhiệt độ cuối trình giản nở 1361 0K<br /> Quá trình thải:Áp suất cuối trình thải 1361 bar<br /> Hình 2. Lực tác dụng lên trục khuỷu - thanh truyền. Nhiệt độ khí sót 750 0K.<br /> Thanh truyền chịu tải trọng phức tạp<br /> trong quá trình hoạt động của động cơ với hai<br /> nguồn tải chính: Áp lực khí thể sinh ra trong<br /> quá trình cháy và lực quán tính của các khối<br /> lượng chuyển động tịnh tiến.<br /> Chuyển vị x, vận tốc v, gia tốc a của<br /> piston theo góc quay trục khuỷu lần lượt Hình 3. Đồ thị tổng lực Hình 4. Đồ thị tổng lực<br /> được tính: tác dụng lên chốt piston tác dụng lên chốt piston<br /> x = (L + r) - (Lcos + rcos) (1) và dọc thanh truyền khi và dọc thanh truyền khi<br /> chưa tăng áp tăng áp<br /> v =cdx/dt =2.r.sin (2)<br /> 2 2.3. Xác định trạng thái ứng suất của<br /> a = dv/dt= 2r. .cos (3) thanh truyền động cơ<br /> Với: Trình tự phân tích bài toán theo phương<br />  = n/30: Vận tốc góc trục khuỷu; pháp PTHH.<br /> 76<br /> Journal of Transportation Science and Technology, Vol 20, Aug 2016<br /> <br /> <br />  Rời rạc hóa miền khảo sát vòng/phút. Lúc này ta xem thanh truyền là<br /> Với bài toán cụ thể số phần tử, hình đứng yên với vị trí 3700. Thanh truyền tại<br /> dạng, kích thước các phần tử phải được xác thời điểm này chịu lực tác dụng của lực khí<br /> định rõ. Số điểm nút mỗi phần tử không lấy thể và lực quán tính. Bằng phương pháp tính<br /> được một cách tùy tiện mà phụ thuộc vào toán động học và động lực học của cơ cấu<br /> hàm xấp xỉ định chọn. piston - thanh truyền, quy đổi áp suất khí thể<br /> và lực quán tính rồi tính lực tác dụng đều trên<br />  Chọn hàm xấp xỉ thích hợp đầu nhỏ thanh truyền theo chiều lực tác dụng<br /> Vì đại lượng cần tìm là chưa biết, ta giả lực phân bố đều lên nửa dưới của đầu nhỏ<br /> thiết dạng xấp xỉ của nó sao cho đơn giản khi thanh truyền là 100 KN.<br /> tính toán bằng máy tính nhưng phải thỏa mãn<br /> 3. Kết quả<br /> các tiêu chuẩn hội tụ và thường chọn ở dạng<br /> đa thức. 3.1. Kết quả tính ứng suất thanh<br /> truyền bằng phương pháp truyền thống<br />  Thiết lập ma trận độ cứng phần tử<br /> [K]e và véc tơ phần tử {P}e Ứng suất tổng cộng do nén và uốn của<br /> mặt cắt ngang tại nơi chuyển tiếp từ thân đến<br /> Có nhiều cách thiết lập. trực tiếp, hoặc các đầu thanh truyền:<br /> sử dụng nguyên lý biến phân, hoặc các P<br /> phương pháp biến phân…; có thể biểu diễn σ = Kx n (12)<br /> hình thức như một phương trình phân tử: F<br /> Ở đây:<br /> Ke qe = Pe (9) Kx = 1,11,2;<br />  Ghép nối các phần tử trên cơ sở mô F: Diện tích tiết diện thanh truyền;<br /> hình tương thích mà kết quả là hệ thống Pn: Lực tác dụng lên chốt piston.<br /> phương trình Từ (12), tính được ứng suất theo từng<br />    <br /> K  q = P (10) trường hợp sau:<br /> Trong đó: Khi  = 3700 không tăng áp<br /> ̅ ]: Ma trận độ cứng tổng thể (ma trận hệ<br /> [