TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 276
ỨNG DỤNG PHẦN MỀM ABAQUS VÀO NGHIÊN CỨU KIỂM NGHIỆM
TRỤC KHUỶU ĐỘNG CƠ 1 NZ-FE
APPLYING ABAQUS SOFTWARE IN RESEARCH AND TESTING
OF 1 NZ-FE ENGINE CRANKSHAFT
Đỗ Thái Phương1,*, Nguyễn Văn Sáng1,
Đinh Văn Trà2 , Nguyễn Thế Anh3
1Lớp CNKTOT 07 - K15, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội,
2Lớp CNKTOT 04 - K15, Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
3Trường Cơ khí - Ô tô, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội,
*Email: Thaiphuong12dpt@gmail.com
TÓM TẮT
Lĩnh vực thiết kế và mô phỏng sử dụng một số phần mềm mô phỏngchuyên dụng để kiểm tra, đánh giá một số chi tiết
cơ khí của động cơ đốt trong là một trong những đề tài được nhiều nhóm tác giả theo đuổi và khai thác. Trong bài báo này,
nhóm tác giả đã ứng dụng phần mềm Abaqus để kiểm tra đặc tính trục khuỷu động cơ 1 NZ-FE, vẽ mô hình 3D trục khuỷu
bằng các phần mềm như Inventor và Solidworks, đồng thời đề tài đi sâu vào nghiên cứu cách tính độ bền của trục khuỷu.
Về phần mềm Abaqus, nhóm tác giả tìm hiểu các tính năng, ứng dụng của phần mềm để thuận tiện cho việc thiết kế, mô
phỏng kiểm tra độ bền cho kết cấu trục khuỷu. Việc sử dụng phần mềm tính toán, mô phỏng sẽ giúp giảm chi phí cho quá
trình thử nghiệm vì giảm thời gian và số lần thử nghiệm mô hình thực tế.
Từ khóa: Trục khuỷu, kiểm nghiệm, Mô phỏng, Abaqus, Inventor.
ABSTRACT
The field of design and simulation using specialized software to test and evaluate some mechanical details of internal
combustion engines is one of the topics pursued and exploited by many groups of authors. In this article, the authors
applied Abaqus software to test the characteristics of the 1 NZ-FE engine crankshaft, drew a 3D model of the crankshaft
using software such as Inventor and Solidworks, and at the same time went deeper into the topic. Learn to calculate the
durability of crankshafts. In the calculation of the crankshaft structure, the authors use the segmentation method to calculate
the theoretical durability of each part of the crankshaft. Regarding Abaqus software, the authors delve deeply into the
software's features and applications to facilitate the design and simulation of durability testing for the crankshaft structure.
Using software to calculate and simulate will help reduce the cost of the testing process because it reduces the time and
number of actual model tests.
Keywords: Crankshaft, testing, simulation, abaqus, inventor.
1. TỔNG QUAN
Trong những năm gần đây, nền khoa học kỹ thuật thế
giới đã phát triển mạnh mẽ với nhiều thành công rực rỡ
trong tất cả các lĩnh vực của đời sống xã hội, đặc biệt trong
lĩnh vực công nghệ ô tô. Phát triển song song, đồng hành
cùng ngành công nghiệp ô tô có rất nhiều lĩnh vực, ngành
nghề khác nhau. Có thể kể đến tiêu biểu như là: ngành thiết
kế bán hàng, tiếp thị, quản lý chất lượng sản xuất… Trong
lĩnh vực thiết kế mô phỏng hiện nay rất phát triển ở mảng
CAD (Computer Aided- Design), CAM (Computer Aided-
Manufacturing)…. Cùng với sự phát triển thì CAE
(Computer Aided-Engineering) cũng đang là một lĩnh vực
được rất nhiều người quan tâm và theo đuổi. Nhu cầu về
nguồn nhân lực ngày càng được mở rộng.
Nghiên cứu kiểm nghiệm và đánh giá trục khuỷu luôn là
vấn đề được quan tâm trước khi đi vào sản xuất. Có rất
nhiều bài nghiên cứu có liên quan về vấn đề nghiên cứu mô
phỏng kiểm nghiệm một số đặc tính của trục khuỷu có thể
để đến như bài báo “Simulation tests and measurements of
crankshaft deformations by the symmetric method” của
nhóm tác giả Krzysztof Nozdrzykowski và các cộng sự [1],
nghiên cứu này đã trình bày kết quả thử nghiệm mô phỏng
sự biến dạng do vị trí của trục chính trong ổ trục không
chính xác và đánh giá các kết quả thực nghiệm, phương
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 277pháp kiểm tra việc lắp trục khuỷu trong các ổ trục chính.
Đồng thời đề tài đã đề xuất một phương pháp mới để do
biến dạng của trục khuỷu được gọi là phương pháp đối
xứng, cho phép đánh giá chính xác tình trạng lắp trục khuỷu
trong các ổ trục. Bên cạnh đó, bài nghiên cứu của nhóm tác
giả S.S. Mohtasebi và các cộng sự [2] với đề tài “Analysis
of Crankshafts Vibrations to Compare the Dynamic
Behavior of Steel and Cast Iron Crankshafts” đã khảo sát
ảnh hưởng của bánh đà đến tần số tự nhiên của trục khuỷu
bằng cách mô hình hóa trục khuỷu trong phần mềm ANSYS
ở hai trường hợp khác nhau và sử dụng phương pháp thử
nghiệm. Qua đó, dựa trên kết quả lý thuyết và thực nghiệm,
nhóm tác giả này đã kết luận rằng trục khuỷu được làm bằng
vật liệu gang được sử dụng trên động cơ NISSAN -2400 tốt
hơn trục khuỷu làm bằng vật liệu thép. Ngoài ra đề tài
“Study on Failure Analysis of Crankshaft Using Finite
Element Analysis” được nghiên cứu bởi nhóm tác giả Yoon
Zuan Ang và các cộng sự [3] đã xác định trạng thái ứng suất
trong trục khuỷu và giải thích sự phá hủy trục khuỷu ô tô và
tuổi thọ mỏi của trục khuỷu bằng cách sử dụng phân tích
phần tử hữu hạn. Mô hình rắn 3D của mô hình trục khuỷu
được thiết kế và phát triển bằng SolidWorks. Mô hình đã
được thử nghiệm trong điều kiện tải trọng động để xác định
tuổi thọ mỏi, hệ số an toàn, ứng suất xen kẽ tương đương và
hư hỏng khi sử dụng dụng cụ đo mỏi. Kết quả thu được từ
nghiên cứu này cho thấy trục khuỷu có vết nứt mỏi rõ ràng
thuộc về gãy mỏi.
Để kiểm nghiệm bền của trục khuỷu động cơ đốt trong
ở một trường hợp nhất định trong quá trình làm việc có rất
nhiều các nghiên cứu đã sử dụng các phần mềm như Ansys
Workbench, Hyperwork, Boots... Điều này đã hỗ trợ trong
việc tính toán thiết kế cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền.
Trong bài báo này, nhóm tác giả đã sử dụng phần mềm
Abaqus để phân tích trạng thái ứng suất nhỏ nhất và lớn
nhất, chuyển vị nhỏ nhất và lớn nhất của trục khuỷu động
cơ 1 NZ – FE, đồng thời cũng nêu ra kết cấu, vai trò của
trục khuỷu trong động cơ đốt trong
Trong nước hiện nay cũng đã có những nghiên cứu kiểm
nghiệm về trục khuỷu, thử nghiệm thực tế để xác định tính
chất, đặc điểm, trạng thái của trục khuỷu. Tuy nhiên, việc
thử nghiệm thực tế với quy mô lớn gây tốn kém cả về vật
chất lẫn tiền bạc. Kết quả nếu không được lưu trữ cẩn thận
sẽ bị thất lạc, không đầy đủ.
2. KẾT CẤU, VAI TRÒ CỦA TRỤC KHUỶU
2.1. Kết cấu
Trục khuỷu có cấu tạo chung bao gồm: đầu trục khuỷu,
cổ trục khuỷu, chốt khuỷu, má khuỷu, đối đối trọng, đuôi
trục khuỷu, cụ thể như sau [4]:
Đầu trục khuỷu thường được lắp vấu để khởi động hoặc
để quay, puly dẫn động quạt gió, bơm nước, các bánh răng
dẫn động trục cam,… Đầu trục khuỷu được lắp thêm bộ
giảm chấn xoắn để nâng cao hiệu quả làm việc. Cổ trục
khuỷu đây là phần khá quan trọng của trục khuỷu. Ở hầu
hết các loại động cơ đều có cổ trục khuỷu được làm rỗng để
chứa dầu bôi trơn. Đồng thời, các bánh răng dẫn động trục
cam,…. Tương tự như phần đầu thì phần cổ trục khuỷu cũng
cóc thể lắp thêm bộ giảm chấn xoắn theo ý muốn. Chốt
khuỷu là bộ phận đóng vai trò lắp nối với đầu to của thanh
truyền trong cơ cấu trục khuỷu thanh truyền. Chúng được
gia công với nhiệt độ cao, giúp nâng cao độ cứng và có độ
bóng nhất định. Thông thường số chốt khuỷu bao giờ cũng
bằng số xi lanh động cơ (động cơ một hàng xi lanh). Chốt
khuỷu cũng có đường kính nhỏ hơn đường kính cổ trục.
Tương tự như cổ trục, bộ phận chốt khuỷu có thể làm rỗng
để giảm trọng lượng trục khuỷu và chứa dầu bôi trơn. Bên
cạnh đó, các khoảng trống còn có tác dụng lọc dầu bôi trơn.
Má khuỷu hầu hết có hình elip đóng vai trò phân bố ứng
suất được hợp lý nhất. Đây cũng là bộ phận nối liền cổ trục
và cổ chốt. Đối trọng đóng vai trò giúp cân bằng các lực và
mô men quán tính không cân bằng của động cơ. Bên cạnh
đó, nó còn làm giảm tải cho ổ trục và là nơi khoan bớt các
khối lượng thừa khi cân bằng trục khuỷu. Đối trọng được
chế tạo liền với má khuỷu hoặc làm rời sau đó hàn hoặc bắt
bulong với má khuỷu. Cuối cùng là đuôi trục khuỷu phía
trên đuôi có lắp bánh đà với nhiệm vụ chính là truyền công
suất ra bên ngoài.
Hình 1. Cấu tạo của trục khuỷu
1. Đầu trục khuỷu, 2. Chốt trục khuỷu, 3. Cổ trục,
4.Má khuỷu, 5. Đối trọng, 6. Đuôi trục khuỷu
2.2. Vai trò của trục khuỷu
Trục khuỷu là chi tiết rất quan trọng và chiếm tỷ trọng
khá lớn, có thể đến 25 ÷ 30% giá thành động cơ. Trục khuỷu
nhận lực tác dụng từ piston tạo momen quay kéo các máy
công tác và nhận năng lượng của bánh đà. Sau đó, truyền
cho thanh truyền và piston thực hiện quá trình nén cũng như
trao đổi khí trong xy-lanh [5]. Trong quá trình làm việc của
động cơ đốt trong, trục khuỷu chịu tác dụng của lực khí thể
và lực quán tính ( quán tính chuyển động tịnh tiến và quán
tính chuyển động quay của nhóm piston – thanh truyền gây
ra. Ngoài ra trục khuỷu còn chịu lực quán tính ly tâm của
các khối lượng quay lệch tâm của các bản thân trục khuỷu
và của thanh truyền, các lực này biến thiên có chu kỳ nhất
định lên trục khuỷu chịu mỏi uốn, xoắn, dao động xoắn,
chịu lực cắt và dao dộng ngang của trục khuỷu trên các ổ
đỡ làm cho động cơ rung động và mất cân bằng.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 2783. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.1. Các thông số ban đầu
Bảng 1. Bảng thông số ban đầu
STT
Thông số Ký hiệu
Giá trị
1 Khoảng cách từ tâm của má
khuỷu đến đường trung
trực của chốt khuỷu
a 22 mm
2 Chiều rộng của má hình
chữ nhật
h 72,02 mm
3 Khoảng cách giữa 2 tâm cổ
khuỷu
l0 98 mm
4 Khoảng cách từ tâm 2 cổ
khuỷu tới đường trung trực
của chốt khuỷu
l’=l” 45,5 mm
5 Chiều dày của má hình chữ
nhật
b 15 mm
6 Khoảng cách từ tâm má
khuỷu tới tâm cổ trục
b’=b’’ 23,5 mm
7 Bán kính khuỷu R 34 mm
8 Khoảng cách giữa tâm 2
đối trọng với đường trung
trực của chốt khuỷu
c=c’=c’’
16 mm
9 Khoảng cách từ trọng tâm
má khuỷu đến tâm quay
rmk 18,9 mm
10 Khoảng cách từ trọng tâm
đối trọng đến tâm quay
rdt 7,29 mm
11 Khoảng cách từ tâm cổ trục
khuỷu đến tiết diện nguy
hiểm của má khuỷu
r 16,24 mm
12 Khối lượng của chốt khuỷu
mch 0,284 kg
13 Khối lượng ly tâm của má
khuỷu
mmk 0,265 kg
14 Khối lượng đối trọng mdt 1,255 kg
15 Khối lượng nhóm piston mnp 0,24974kg
16 Khối lượng thanh truyền mtt 0,53538kg
17 Đường kính ngoài của chốt
khuỷu
dch 40 mm
18 Áp suất khí thể pzmax 76,1 bar
19 Lực khí thể Pzmax 34800 N
20 Diện tích đỉnh piston Fp 4647mm2
21 Gia tốc góc ω 523,598
rad/s
22 Thông số kết cấu λ 0,275
3.2. Tính kiểm nghiệm của trục khuỷu
Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã chọn phương
pháp tính sức bền theo cách phân đoạn [6]. Khi tính toán
theo phương pháp này ta chia trục khuỷu ra làm nhiều đoạn,
mỗi đoạn ứng với mỗi khuỷu, chiều dài mỗi đoạn bằng
khoảng cách giữa hai tâm điểm của ổ trục và coi mỗi đoạn
như một dầm tĩnh định đặt trên hai gối tựa. Khi cắt đoạn
trục khuỷu, ta giả thiết rằng: khuỷu trục là một dần có độ
cứng vững tuyệt đối.
Khi tính toán sức bền thường tính cho trục nào nguy
hiểm nhất tức là khuỷu mà trên đó tải trọng có giá trị lớn
nhất. Sơ đồ tính toán được thể hiện trên hình 2.
Hình 2. Sơ đồ tính toán sức bền trục khuỷu
T và Z – Lực tiếp tuyến và lực pháp tuyến tác dụng lên
chốt khuỷu xác định theo đồ thị hoặc công thức trong động
lực học:
1
1
cos( )
. .
cos
sin( )
. .
cos
Z P Fp
T P Fp
Hình 3. Sơ đồ lực tác dụng tác dụng trên trục khuỷu khi “khởi
động” động cơ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 279Trong phạm vi nghiên cứu, nhóm tác giả tập trung tính
sức bền cho trục khuỷu trong trường hợp khởi động khi chịu
lực . Khi đó ta xét trục khuỷu ở vị trí điểm chết trên
( = 0), bỏ qua lực quán tính (do số vòng quay khi khởi
động nhỏ ) và lực tác dụng trên trục khuỷu có trị số 
(trong thực tế khi khởi động không bao giờ mở hết bướm
ga (của động cơ xăng ) hoặc kéo hết thanh răng khía (của
động cơ diezen) nên lực tác dụng lên chốt khuỷu thường
nhỏ hơn 
Ta có: T = 0, n = 0, Pr = 0, Pj = 0,
max
p
z
= 76,1.10 (MN/m2)
Do đó lực tác dụng lên trục khuỷu sẽ là
5 6
761 10 4647 10 0 0353
max
. , . . . , ( )
z p
Các phản lực xác định theo công thức
0
0 0455
0 0353 0 0163
0 098
'
" ,
. , . , ( )
,
l
Z Z MN
l
Tính khuỷu sức bền chốt
Momen uốn chốt khuỷu (tính đối với tiết diện giữa các
chốt) bằng:
3
0 0163 0 0455 0 741 10
'
. ' , . , , . ( . )
u
M Z l MN m
Do đó ứng suất uốn chốt khuỷu là:
3
2
3 3
0 741 10 117 93
0 040
32 32
' '
. , .
, ( / )
W. ,
U
u
U
ch
M
Z l
MN m
d
Mu – moduyn chống uốn của tiết diện ngang của chốt
khuỷu
+ Đối với chốt đặc:
3 3
0 1
W , ( )
u ch
d m
+ Đối với chốt rỗng:
4 4
3
32
W . ( )
ch ch
u
ch
d
m
d
Tính bền má khuỷu
Ứng suất uốn của má khuỷu bằng:
2
2 2
0 0163 0 0235 141 83
0 07202 0 015
6 6
' '
ux
. , . ,
, ( / )
W, . ,
u
u
M
Z b
MN m
hb
Ứng suất nén của má khuỷu bằng:
2
0 0353 16 33
2 2 0 015 0 07202
,
, ( / )
. , . ,
n
Z
MN m
bh
Ứng suất tổng cộng:
2
14183 16 33 158 16
, , . ( / )
u n
MN m
Tính sức bền của cổ trục khuỷu
Ứng suất uốn cổ trục khuỷu là:
0 0163 0 0235
2
60 964
3 3
0 04
32 32
'. ' , . ,
, ( / )
W. . ,
M
Z b
u
MN m
ud
u
ch
Trong thực tế, do momen tác dụng trên cổ trục trong
trường hợp này thường nhỏ hơn nhiều so với momen uốn
chốt khuỷu nên thường không cần tính sức bền của cổ
trục.Ứng suất cho phép khi tính toán sức bền của trục khuỷu
thống kê trong bảng dưới (tính theo MN/m2).
Bảng 2. Bảng ứng suất cho phép của trục khuỷu
Kiểu động
cơ
Vật liệu
chế tạo
trục
khuỷu
Chốt
khuỷu
Má
khuỷu
Cổ trục
khuỷu
Động cơ tĩnh
tại và tàu
thủy
Thép
carbon
70
100
(MN/m2)
80
120
(MN/m2)
50
80
(MN/m2)
Động cơ ô tô
máy kéo và
động cơ tốc
độ cao
Thép
hợp kim
và thép
carbon
80
120
(MN/m2)
120
180
(MN/m2)
60
100
(MN/m2)
4. MÔ PHỎNG KIỂM NGHIỆM TRỤC KHUỶU
ĐỘNG CƠ 1NZ-FE
4.1. Mô phỏng bằng bài toán linear static
Để xử lý bài toán kiểm bền, nhóm tác giả áp dụng bài toán
tuyến tính tĩnh. Tuyến tính biểu thị hành vi đàn hồi tuyến tính
của vật liệu. Tức là, phần tuyến tính của ứng suất Đường cong
một đường thẳng tuân theo Định luật Hooke: σ = ε E có thể
được hiểu là phương trình của một đường thẳng (y = mx) đi
qua gốc tọa độ. “E”, Mô đun đàn hồi, là độ dốc của đường
cong và là một hằng số. Trong cuộc sống thực, sau khi vượt
qua điểm chảy, vật liệu đi theo một đường cong không tuyến
tính, nhưng người giải lại đi theo cùng một đường thẳng. Các
thành phần bị vỡ thành hai mảnh riêng biệt sau khi vượt qua
ứng suất cuối cùng, mặc dù phân tích tĩnh tuyến tính không
bao giờ cho thấy sự thất bại trong kiểu này. Nó cho thấy một
bộ phận không bị đứt gãy duy nhất với ứng suất cao tại vị trí
hỏng hóc. Các biến dạng rất lớn, không thực tế cũng có thể
được nhìn thấy. Một nhà phân tích phải kết luận liệu thành
phần có an toàn hay không hoặc nó có bị lỗi hay không bằng
cách so sánh giá trị ứng suất lớn nhất với năng suất hoặc ứng
suất cuối cùng. Do đó, nhà phân tích cần quyết định, nếu
trong các điều kiện tải đã cho, có thể thực hiện phân tích tĩnh
tuyến tính [7].
Có hai điều kiện để phân tích tĩnh: Lực là tĩnh có nghĩa
là không có sự thay đổi theo thời gian (trọng lượng cố định),
điều kiện cân bằng ∑ Lực = 0, ∑ Moment = 0.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 280Lựa chọn thời điểm xét bài toán tuyến tính tĩnh là tại áp
suất cuối kỳ nén của động cơ xăng là từ 7 - 12 Kg
Theo tính toán lý thuyết bền của trục khuỷu, ta có:
Ứng suất uốn chốt chốt khuỷu σu = 117,93 < [σ] = 80
120(MN/m2)
Ứng suất tổng má khuỷu: σΣ = σu + σn = 141,83 + 16,33
= 158,16 < [σ] = 120 180 (MN/m2)
Ứng suất uốn má khuỷu: σu = 60,964 < [σ] = 60
100(MN/m2)
Ta phải chọn vật liệu có ứng suất cho phép lớn hơn ứng
suất mà trục khuỷu phải chịu, ở đây ta sẽ chọn thép hợp kim
có thuộc tính như sau:
Thông số về vật liệu như bảng 3.
Bảng 3. Thông số vật liệu thép C45 [8] & SAE 5135 [9]
Material Density/kg/m3
Elastic
modulus/MPa
Poisson’s
ratio/µ
C45 7800 2,06E+05 0,3
SAE 5135
7950 1,90E+05 0,29
4.2. Cơ sở mô phỏng
Thiết lập và mô phỏng bằng phần mềm Abaqus
Bước 1: Sau khi dựng mô hình 3D trục khuỷu,
Import file vào phần mềm Abaqus.
Hình 4. Import mô hình
Bước 2: Thiết lập thông số vật liệu, tạo Section và gán
Section chứa vật liệu vừa tạo cho Part.
Hình 5. Thiết lập vật liệu cho bài toán
Bước 3: Đặt điều kiện biên (Boundary Conditions) vào
áp suất tác dụng lên trục khuỷu.
Hình 6. Điều kiện biên và tải trọng áp dụng cho mô hình
Bước 4: Chia lưới cho mô hình.
Hình 7. Mô hình sau khi chia lưới
Bước 5: Tạo Job và tiến hành Submit
Hình 8. Tạo Job cho bài toán
Bước 6: Sau khi hoàn tất việc mô phỏng, ta ấn Results để
xem kết quả bài toán. Ta có thể xem giá trị ứng suất bằng
cách chọn S trong thanh công cụ, và giá trị biến dạng U.
Hình 9. Chọn giá trị ứng suất hoặc chuyển vị trong kết quả mô
phỏng
5. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
5.1. Kết quả chuyển vị
Theo hình 10, có thể thấy kết quả chuyển vị của trục
khuỷu khi chịu lực Pzmax với vật liệu là thép C45.
Mô phỏng đã cho thấy độ chuyển vị lớn nhất nằm tại
đỉnh của chốt khuỷu với giá trị bằng 8,084.10-3mm. Độ