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

74 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 20, Aug 2016 KHẢ NĂNG CHỊU ỨNG SUẤT CỦA THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ HINO - J08CF KHI TĂNG ÁP AN MECHANICAL STRESS ABILITY OF THE CONNECTING ROD FOR ENGINE HINO - J08CF ON PRESSURE INCREASING Nguyễn Hữu Hường1, Nguyễn Thế Giới2 1Trường Đại học Giao Thông Vận Tải Tp.HCM 2Trường Cao Đẳng Giao Thông Vận Tải Tp.HCM Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu khả năng chịu ứng suất cơ học của thanh truyền động cơ HINO - J08CF khi tăng áp. Nghiên cứu lý thuyết bằng phần mềm mô phỏng ANSYS và kết quả thực nghiệm là phù hợp. Theo đó có thể lắp bộ tăng áp cho động cơ HINO - J08C để tăng áp suất từ 86 bar lên 100 bar. Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học cho các nghiên cứu tiếp về ảnh hưởng của việc tăng áp đến các chi tiết khác của động cơ HINO - J08CF theo hướng tăng công suất, nghiên cứu này cũng có thể áp dụng cho các động cơ diesel khác đang ứng dụng ở Việt Nam. Từ khóa: Phân tích tải thanh truyền, phân tích ứng suất thanh truyền, ứng suất lớn nhất. Abstract: The paper presents the initially result on the ability of power increasing for the connecting rod of the diesel engine HINO - J08CF. It is determined by the analysis on the stress for the connecting rod on highest level during the power phase. The application of finite element method in ANSYS software simulation to calculate stress on the connecting rod and combine with stress - test. The study shows that this engine can use turbo - charger to increase pressure from 86 to 100 bar. This initially result can be a basis on researching for others details of the diesel engine HINO - J08CF to increase its engine power and others engines in Vietnam. Keywords: Connecting rod load analysis, connecting rod stress analysis, maximum stress. 1. Giới thiệu Thế hệ động cơ đốt trong những thập niên cuối của thế kỷ 20 đã chuyển sang tăng áp nhằm tăng công suất. Khi động cơ tăng áp, kết cấu của những chi tiết chịu lực quan trong được tính toán thiết kế tối ưu và chế tạo phù hợp. Ở Việt Nam, trong những năm đầu của thế kỷ 21 vẫn nhập những ô tô sử dụng động cơ truyền thống chưa tăng áp. Việc nghiên cứu để có thể lắp bộ tăng áp cho động cơ đang sử dụng ở nước ta mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn, nhằm giảm chi phí mua động cơ mới. Một trong những chi tiết quan trọng trong động cơ là thanh truyền - chi tiết chịu rất nhiều loại tải trọng trong quá trình làm việc của động cơ đốt trong. Trong nước đã có một số nghiên cứu lý thuyết tính toán độ bền về khả năng chịu lực của thanh truyền trong [1] và [2]. Ở nước ngoài các nghiên cứu [3], [4] và [5] đã thực hiện theo hướng xác định ứng suất cơ học của thanh truyền và tối ưu hóa kết cấu, giảm khối lượng thanh truyền động cơ. Trong nghiên cứu này chúng tôi thực hiện cho thanh truyền động cơ diesel HINO- J08CF với việc kết hợp tính toán mô phỏng và thực nghiệm để so sánh kết quả. 2. Chu trình động cơ Hino J08CF Động cơ diesel 4 kỳ, 6XL HINO - J08CF (dung tích Vh = 7,961cm 3; công suất lớn nhất Nemax= 156 kW ở 2900 vòng/phút) do Nhật chế tạo từ năm 2002 lắp trên xe 8 tấn đang được sử dụng rất phổ biến ở Việt Nam. Thân thanh truyền động cơ HINO – J08CF có tiết diện chữ I (hình 1), tăng dần về phía đầu lớn, có gờ dày để khoan lỗ dẫn dầu bôi trơn cho đầu nhỏ, chế tạo từ thép C45Mn [10]. 2.1. Chu trình nhiệt thực tế của động cơ Chu trình làm việc thực tế của động cơ biểu hiện quá trình thay đổi áp suất trong xylanh phụ thuộc vào thể tích môi chất công tác trong xylanh, là cơ sở cho việc xác định các thông số kỹ thuật chính của động cơ. Quá trình nén được xem như quá trình đa biến với chỉ số nén n1 thay đổi. Quá trình cháy trong động cơ là quá trình phức tạp nhất trong chu trình làm việc của động cơ. Để đơn giản trong tính toán, ta chia quá trình cháy ra 2 giai đoạn: Cháy đẳng tích và cháy đẳng áp. TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 20 - 08/2016 75 Hình 1. Thanh truyền động cơ Hino J08CF. Khi tính toán quá trình giãn nở, xem chỉ số giãn nở đa biến n1 không thay đổi. Từ đó, tính toán nhiệt độ và áp suất trong chu trình thực tế động cơ Hino J08CF khi chưa tăng áp và khi tăng áp theo thông số động cơ từ [6] và lý thuyết tính toán [7]. 2.2. Động lực học cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền Hình 2. Lực tác dụng lên trục khuỷu - thanh truyền. Thanh truyền chịu tải trọng phức tạp trong quá trình hoạt động của động cơ với hai nguồn tải chính: Áp lực khí thể sinh ra trong quá trình cháy và lực quán tính của các khối lượng chuyển động tịnh tiến. Chuyển vị x, vận tốc v, gia tốc a của piston theo góc quay trục khuỷu lần lượt được tính: x = (L + r) - (Lcos + rcos) (1) v =cdx/dt =2.r.sin (2) a = dv/dt= 2r.2.cos (3) Với:  = n/30: Vận tốc góc trục khuỷu; n: Vòng quay trục khuỷu động cơ. Khối lượng của nhóm piston: mnp = mp + msm + mx (4) Ở đây: mp: Khối lượng piston (kg); msg: Khối lượng xéc măng (kg); mx: Khối lượng chốt piston và khóa (kg). Tổng lực tác dụng lên chốt piston theo phương dọc trục xilanh P = mmpa+Pkt (N) (5) Trong đó: a: Gia tốc piston (m/s2); Pkt: Lực khí thể trong xilanh (N). Quan hệ góc trục khuỷu và thanh truyền  = asin((r/L). sin ) (6) Lực pháp tuyến lên thành xilanh: N=P.tg (7) Lực pháp tuyến dọc trục thanh truyền: Ptt =P/cos (N) (8) Từ (5) đến (8), xác định được lực lớn nhất tác dụng lên chốt piston khi chưa tăng áp (hình 3) và khi tăng áp (hình 4). Trong bảng 1 là thông số chu trình thực tế động cơ khi chưa tăng áp. Bảng 1. Nhiệt độ và áp suất trong chu trình thực tế động cơ khi chưa tăng áp. Quá trình nạp: Nhiệt độ cuối trình nạp Áp suất cuối trình nạp 339 0K1 1 bar Quá trình nén: Nhiệt độ cuối trình nén 1027 0K Thể tích toàn bộ 1399 cm3 Thể tich khi áp lớn nhất 91,25cm3 Áp suất cuối trình nén 48,5 bar Quá trình cháy:Nhiệt độ cuối trình cháy 2180 0K Áp suất cháy cực đại 86 bar Áp suất cuối trình giãn nở 3,35 bar Nhiệt độ cuối trình giản nở 1361 0K Quá trình thải:Áp suất cuối trình thải 1361 bar Nhiệt độ khí sót 750 0K. Hình 3. Đồ thị tổng lực tác dụng lên chốt piston và dọc thanh truyền khi chưa tăng áp Hình 4. Đồ thị tổng lực tác dụng lên chốt piston và dọc thanh truyền khi tăng áp 2.3. Xác định trạng thái ứng suất của thanh truyền động cơ Trình tự phân tích bài toán theo phương pháp PTHH. 2 8 .5 1 8 8 30 2 8 .5 R18 6 Ø 4 1 N 7 js 6 Ø 68 H 7 js 6 A Ø 6 2 + 0 ,1 0 6 + 0 ,0 6 6 Ø 3 7 + 0 ,0 8 9 + 0 ,0 5 2 6 8 8 2084 110 R71 32 A A A R69 33 3 2 1 8 21Ø4 R5 6 6 76 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 20, Aug 2016  Rời rạc hóa miền khảo sát Với bài toán cụ thể số phần tử, hình dạng, kích thước các phần tử phải được xác định rõ. Số điểm nút mỗi phần tử không lấy được một cách tùy tiện mà phụ thuộc vào hàm xấp xỉ định chọn.  Chọn hàm xấp xỉ thích hợp Vì đại lượng cần tìm là chưa biết, ta giả thiết dạng xấp xỉ của nó sao cho đơn giản khi tính toán bằng máy tính nhưng phải thỏa mãn các tiêu chuẩn hội tụ và thường chọn ở dạng đa thức.  Thiết lập ma trận độ cứng phần tử [K]e và véc tơ phần tử {P}e Có nhiều cách thiết lập. trực tiếp, hoặc sử dụng nguyên lý biến phân, hoặc các phương pháp biến phân; có thể biểu diễn hình thức như một phương trình phân tử:      K q = Pe e e (9)  Ghép nối các phần tử trên cơ sở mô hình tương thích mà kết quả là hệ thống phương trình    K q = P   (10) Trong đó: [�̅�]: Ma trận độ cứng tổng thể (ma trận hệ số toàn miền); {�̅�}: Véc tơ tập hơp các đại lượng cần tìm tại các nút (véc tơ chuyển vị nút tổng thể); {�̅�}: Véc tơ các số hạng tự do tổng thể (véc tơ tải tổng thể). Sử dụng điều kiện biên của bài toán, kết quả nhận được hệ phương trình:    K* q* = P*   (11) Đây chính là phương trình hệ thống.  Giải hệ phương trình đại số (11) Với bài toán tuyến tính việc giải hệ phương trình đại số là không khó, nhưng với bài toán phi tuyến thì nghiệm sẽ đạt được sau một chuỗi các bước lặp mà sau mỗi bước ma trận cứng [�̅�] thay đổi hay véc tơ lực hút {�̅�} thay đổi. Từ kết quả này, tiếp tục tìm ứng suất, chuyển vị hay biến dạng của tất cả phần tử. 2.4. Phương pháp thí nghiệm Giả thiết động cơ đang hoạt động ở thời kỳ cháy giãn nở với tốc độ quay 2900 vòng/phút. Lúc này ta xem thanh truyền là đứng yên với vị trí 3700. Thanh truyền tại thời điểm này chịu lực tác dụng của lực khí thể và lực quán tính. Bằng phương pháp tính toán động học và động lực học của cơ cấu piston - thanh truyền, quy đổi áp suất khí thể và lực quán tính rồi tính lực tác dụng đều trên đầu nhỏ thanh truyền theo chiều lực tác dụng lực phân bố đều lên nửa dưới của đầu nhỏ thanh truyền là 100 KN. 3. Kết quả 3.1. Kết quả tính ứng suất thanh truyền bằng phương pháp truyền thống Ứng suất tổng cộng do nén và uốn của mặt cắt ngang tại nơi chuyển tiếp từ thân đến các đầu thanh truyền: n x P σ = K F (12) Ở đây: Kx = 1,11,2; F: Diện tích tiết diện thanh truyền; Pn: Lực tác dụng lên chốt piston. Từ (12), tính được ứng suất theo từng trường hợp sau: Khi  = 3700 không tăng áp Ứng suất mặt cắt ngang tại nơi chuyển tiếp từ thân đến đầu nhỏ thanh truyền: n t x P σ = K . F = 1,2 6 87808 374.10 = 281 MPa Ứng suất mặt cắt ngang tại nơi chuyển tiếp từ thân đến đầu lớn thanh truyền: n D x P σ = K . F = 1,2 6 87808 372.10 = 283 MPa Khi  = 3700 tăng áp Ứng suất mặt cắt ngang tại nơi chuyển tiếp từ thân đến đầu nhỏ thanh truyền: n t x P σ =K . F = 1,2 6 103194 374.10 = 331 MPa Ứng suất mặt cắt ngang tại nơi chuyển tiếp từ thân đến đầu lớn thanh truyền: n D x P σ =K . F = 1,2 6 103194 372.10 = 333 MPa Nhận xét: Lực gây tải lớn nhất Pn= 103194 (N) khi = 3700, tương ứng tmax=333 Mpa, dmax= 331 Mpa, tmax  dmax. Các giá trị này nằm trong giới hạn cho phép ([]=500600 MPa) của vật liệu chế tạo thanh truyền. TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 20 - 08/2016 77 Phương pháp tính ứng suất truyền thống cho giá trị ứng suất tổng thể, không chi tiết, không vẽ được đồ thị phân bố ứng suất theo chiều dài mặt cắt, tại mọi vị trí trong mặt cắt; nếu có thì rất khó khăn và tốn nhiều thời gian. Thanh truyền có đặc điểm hình học phức tạp, nhiều vị trí ứng suất tập trung phân bố theo vùng. Vì vậy, việc xác định vùng ứng suất, ứng suất phân bố theo chiều dài thanh truyền trên các mặt cắt bằng phương pháp truyền thống gặp rất nhiều khó khăn. 3.2.Tính mô phỏng ứng suất thanh truyền bằng phần mềm ANSYS Hình 5. Mô hình piston - trục khuỷu - thanh truyền động cơ HINO - J08CF trong ANSYS. Hình 6. Mô hình thanh truyền sau khi chịu áp đặt tải và điều kiện biên. Tính mô phỏng ứng suất cơ học thanh truyền động cơ Hino - J08CF bởi phần mềm ANSYS. Mô hình cơ cấu piston - trục khuỷu - thanh truyền động cơ Hino J08CF được thiết kế bằng phần mềm COREO (hình 5) và nhập vào ANSYS. Thép C45Mn [10] có E=2,22x1011(Pa); ρ = 7850 (kg/m3); ν = 0,3. Mô hình được chia lưới 3 mm. Lực đặt trên thanh truyền được phân bố ở góc quay trục khuỷu 3700. Chọn tải trọng thử phân bố trên đầu nhỏ thanh truyền và gối cố định trên đầu nhỏ thanh truyền (hình 6, 7, 8). Kết quả nghiên cứu bằng phần mềm ANSYS và thí nghiệm cho thấy ứng suất cơ học lớn nhất [] = 480 Mpa, nhỏ hơn giá trị cho phép [] = 500600 [MPa] của vật liệu chế tạo thanh truyền. Hình 7. Mô phỏng vùng ứng suất trên thanh truyền tại vị trí 3700. Hình 8. Mô phỏng vùng ứng suất trên thanh truyền động cơ Hino J08CF tại vị trí 3700. 3.3.Kết quả thử nghiệm Quy trình thử nghiệm thanh truyền được trình bày theo hình 9. Phương pháp thử nghiệm ứng suất thanh truyền động cơ HINO J08CF   Thiết bị thử nén InstronUSA,1500HDX Thiết bị thử uốn Instron-USA,1500HDX   Thiết bị gá và đặt lực Thiết bị gá và đặt lực   Kết quả Kết quả Hình 9. Quy trình thử nghiệm nén, uốn và vị trí đặt lực [11], [12]. Kết quả thử biến dạng thanh truyền khi chịu lực nén lớn nhất 337,63KN và lực uốn lớn nhất 84,39KN được trình bày trên đồ thị ở hình 10 và [10]. Vị trí của ứng suất biến dạng tại tiết diện có ứng suất uốn và nén cao nhất tại đoạn giữa của thân thanh truyền khi nén ngang, dọc. 78 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 20, Aug 2016 Hình 10. Đồ thị quan hệ ứng suất và biến dạng của thanh truyền khi nén ở 100KN. Từ kết quả của ba chế độ thử nghiệm kéo, nén và uốn, ta có những nhận xét sau: - Khi nén dọc đến lực lớn nhất 100 KN vẫn thỏa ứng suất cho phép; nén phá hủy, ứng suất thanh truyền đạt đến 1100 MPa [9]. - Khi tăng áp động cơ ứng suất của thanh truyền có kể đến hệ số an toàn thấp hơn giới hạn cho phép. - Khi thử uốn ngang cho thấy có thể giảm kích thước thanh truyền khi tăng áp. 3.4. So sánh kết quả nghiên cứu Bảng 2. So sánh ứng suất tính toán và thí nghiệm. Góc quay trục khuỷu  Tính theo ANSYS Thí nghiệm Thí nghiệm phá hủy lực nén Pnmax=100 KN lực nén P=100 KN lực nén phá hủy Pmax= 338KN [Amax] [TNmax] [TNPmax] 3700 480,39 (MPa) 480 (MPa) 1100 (MPa) Amax: Ứng suất cơ lớn nhất trên thanh truyền bằng phần mềm ANSYS. TNmax: Ứng suất cơ lớn nhất trên thanh truyền bằng thí nghiệm. TNPmax: Ứng suất cơ lớn nhất trên thanh truyền bằng thí nghiệm phá hủy. 4. Kết luận và hướng phát triển 4.1. Kết luận Kết quả nghiên cứu khả năng chịu tải của thanh truyền động cơ HINO - J08CF với việc kết hợp tính toán mô phỏng bằng phần mềm ANSYS và thử nghiệm độ bền thanh truyền khi tăng áp cho thấy: Có thể lắp bộ tăng áp lên động cơ HINO - J08CF nhằm tăng công suất cho các động cơ này đang sử dụng ở Việt Nam, giảm chi phí mua động cơ mới. 4.2. Hướng nghiên cứu phát triển Từ kết quả này có thể nghiên cứu tiếp ảnh hưởng của các thông số khác như: Nghiên cứu ứng suất cơ nhiệt của piston và trục khuỷu động cơ; nghiên cứu mô phỏng về quá trình cháy khi tăng áp động cơ HINO - J08CF, thiết kế lắp đặt bộ tăng áp cho động cơ  Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Văn Thanh, Xác định trường ứng suất cơ- nhiệt của thanh truyền động cơ xe xích RT76 có xét đến ảnh hưởng của lực ma sát trượt, Luận văn thạc sĩ trường Đại học Kỹ Thuật Lê Quý Đôn, năm 2012. [2] Đỗ Văn Quý, Khảo sát trạng thái ứng suất cơ-nhiệt của thanh truyền động cơ ZIL 130, Luận văn thạc sĩ trường Đại học kỹ thuật Lê Quý Đôn, năm 2012. [3] Pranav G. Charkha and Dr. Santosh B. Jaju, Analysis & Optimization of Connecting Rod, Emerging Trends in Engineering and Technology (ICETET), pp.86 -91, 2009. [4] PravardhanS. Shenoy and Ali Fatemi, Connecting Rod Optimization for Weight and Cost Reduction, SAE Technical, pp.321-330, 2005. [5] Dr. K. Tirupathi Reddy, Syed Altaf Hussain, Modeling and Analysis of Two Wheeler Connecting Rod, International Journal of Modern Engineering Research (IJMER), Vol.2, pp.3367-3371, 2012. [6] Hino Motor, Hino Workshop Manual –Model: J08CF, Hino Motors, Ltd, 1996, pp.30-100. [7] Nguyễn Tất Tiến, Nguyên lý Động cơ đốt trong, Nhà xuất bản giáo dục, 1999, tr. 18-30. [8] Hồ Tấn Chuẩn, Nguyễn Đức Phú, Trần Văn Tế, Nguyễn Tất Tiến, Kết cấu và Tính toán động cơ đốt trong, Nhà Xuất Bản Giáo Dục Hà Nội, 1996, tr. 43-52. [9] Quách Đình Liên, Thiết kế Nguyên lý động cơ Diesel, Nhà Xuất Bản Nha Trang , 1999, tr. 34-39. [10] Phiếu thử nghiệm số KT3-05194CK4/2 ngày 11/11/2014 tại Trung tâm đo lường chất lượng 3 ‘Xác định thành phần hóa học và mác thép thanh truyền động cơ Hino J08CF’ theo TCVN 1765-75. [11] Phiếu thử nghiệm số KT3-04440CK5/2 ngày 27/08/2015 tại Trung tâm đo lường chất lượng 3 ‘Thử nghiệm nén dọc và nén ngang thanh truyền động cơ Hino J08CF’. [12] Phiếu thử nghiệm số KT3-04740CK5/2 ngày 11/09/2015 tại Trung tâm đo lường chất lượng 3 ‘Thử nghiệm kéo dọc thanh truyền động cơ Hino J08CF. Ngày nhận bài: 15/06/2016 Ngày chuyển phản biện: 20/06/2016 Ngày hoàn thành sửa bài: 06/07/2016 Ngày chấp nhận đăng: 12/07/2016