Luận án Nghiên cứu đặc tính bôi trơn nhiệt thủy động của ổ có dạng đầu to thanh truyền

lực trong buồng đốt khác nhau trong một chu kỳ và tạo ra một sơ đồ của tải tác dụng lên các ổ đầu to thanh truyền. Lực này đƣợc phân ra hai thành phần: . Nhƣ vậy, phƣơng trình 2.16 chuyển về hệ phƣơng trình sau:           0sin 0cos S y S x FdSp FdSp   (2.17) Fx và Fy đƣợc xác định trên biểu đồ phụ tải trong một chu kỳ động cơ, Ө là góc tạo bởi ⃗ và trục x. 2.1.5. Phƣơng trình năng lƣợng Phƣơng trình năng lƣợng tổng quát trong hệ toạ độ Oxyz viết cho màng chất bôi trơn: ( ) ( ) ( ) ( ) *( ) ( ) + Nếu không xét đến yếu tố truyền nhiệt theo phƣơng chu vi và phƣơng chiều trục phƣơng trình 2.18 trở thành: ( ) ( ) *( ) ( ) + a:Hệ toạ độ thựcmàng dầu b:Hệ toạ độ không thứ nguyên Hình 2.5: Hệ trục toạ độ 28 Chuyển sang hệ toạ độ không thứ nguyên, phƣơng trình năng lƣợng 2.19 có dạng: ̅ ̅ ( ̅ ̅ ̅ ̅ ) ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ( ̅ ̅ ) ̅ *( ̅ ̅ ) ( ̅ ̅ ) + Trong hệ toạ độ không thứ nguyên phƣơng trình Reynolds có dạng: ( ̅ ̅ ) ̅ ( ̅ ̅ ) Với: ∫ ̅ ̅ ̅ ∫ ̅ ̅ ⁄ ∫ ̅ ̅ ̅ ̅ ∫ ̅ ̅ ̅ ̅ ∫ ̅ ̅ ̅ ̅ ∫ ̅ ̅ ̅ ∫ ̅ ̅ ̅̅ ̅ ̅̅ ̅ Trong các phƣơng trình 2.20 và 2.21 độ nhớt phụ thuộc nhiệt độ theo công thức: Chuyển qua độ nhớt không thứ nguyên: ̅ 2.2. Mô Phỏng nhiệt độ màng dầu trong ổ đầu to thanh truyền Muốn xác định đƣợc trƣờng nhiệt độ của màng dầu trƣớc tiên phải giải phƣơng trình Reynolds để có trƣờng áp suất, từ đó tính trƣờng vận tốc của màng chất bôi trơn. Sau đó giải phƣơng trình truyền nhiệt trong hệ toạ độ không thứ nguyên với các tập điều kiện biên. 2.2.1. Điều kiện biên. Để giải phƣơng trình 2.20 ta sử dụng các điều kiện biên tại các biên của ổ nhƣ hình 2.6 : 29 Hình 2.6: Điều kiện biên -Trên bề mặt tiếp giáp giữa chất bôi trơn và bạc: ̅ ̅ | ̅ ̅ ̅ ̅ | -Trên bề mặt tiếp giáp giữa màng chất bôi trơn với trục: ̅ ̅ | -Tại rãnh cấp chất bôi trơn: ̅| ̅ -Tại mặt ngoài của bạc: ̅ ̅ | ̅ ( ̅ | ̅ ̅ ) -Tại hai mặt bên của bạc: ̅ ̅ | ̅ ( ̅ | ̅ ̅ ) Kết hợp các điều kiện biên trên cùng phƣơng trình 2.20 và dùng các phƣơng pháp số để giải ra trƣờng nhiệt độ của màng chất bôi trơn. Trong phần tiếp theo luận án xây dựng mô hình phần tử hữu hạn để giải quyết vấn đề này. 30 2.2.2. Mô hình phần tử hữu hạn cho nhiệt độ màng dầu Miền lấy tích phân (Hình 2.7) của bài toán đƣợc chia thành các phần tử hình hộp chữ nhật 8 nút với các hàm nội suy Ni viết trong hệ toạ độ tự nhiên (Hình 2.8): Hình 2.7: Miền tích phân của màng dầu Hình 2.8: Phép chuyển hệ toạ độ 31 Sau khi chuyển từ hệ tọa độ thực sang hệ tọa độ tự nhiên áp dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn. Nhiệt độ tai một điểm trong hình hộp đƣợc nội suy theo công thức: ∑ ⌊ ⌋{ } Chuyển các đạo hàm trong hệ toạ độ thực sang hệ toạ độ tự nhiên với ma trận Jacobi đƣợc tính nhƣ sau: [ ] [ ] [ ] [ ] Theo 2.30 các đạo hàm bậc nhất của một biến theo hệ toạ độ thực đƣợc tính nhƣ sau: { } { } { } { } Sau khi tính đƣợc trƣờng vận tốc không thứ nguyên của màng dầu sau đó áp dụng mô hình phần tử hữu hạn Galerkin cho phƣơng trình 2.20 ta có: ∭ ( ̅ ̅ ̅ ( ̅ ̅ ̅ ̅ ) ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ̅ ( ̅ ̅ ) ̅ ̅ *( ̅ ̅ ) ( ̅ ̅ ) +) ̅ ̅ Khai triển phƣơng trình trên ta có: ∭ ( ̅ ̅ ( ̅ ̅ ̅ ̅ ) ̅ ̅ ̅ ) { } ∭ ̅ ⟨ ̅ ⟩ { ̅ } { } ∬ ̅ ̅ { } 32 ∭ ̅ ̅ *( ̅ ̅ ) ( ̅ ̅ ) + Cuối cùng phƣơng trình 2.32 có dạng: { } Giải hệ phƣơng trình 2.36 đƣợc nhiệt độ T của màng chất bôi trơn. 2.2.3. Mô phỏng trƣờng nhiệt độ màng dầu bôi trơn ổ đầu to thanh truyền Áp dụng mô hình đã xây dựng cho một ổ đầu to thanh truyền nhƣ hình 2.9 với các thông số ổ và đặc tính vật liệu trong bảng 2.1. Tiến hành mô phỏng ở các tốc độ quay khác nhau với hai loại dầu bôi trơn Besil F100 và Atox 320 có đặc tính nhƣ trong bảng 2.2. Hình 2.9: Mô hình ổ miền khai triển màng dầu Bảng 2. 1: Thông số ổ đỡ Thông số Giá trị Đơn vị Đƣờng kính trong ổ (d) 97 mm Đƣờng kính ngoài ổ (D) 118 mm Chiều dài ổ (L) 20 mm Khe hở hƣớng kính (C) 0,038 mm Độ lệch tâm tƣơng đối (ε) 0,3-0,6-0,9 mm Áp suất vùng gián đoạn ( 0 Pa Hằng số Modulus (β) Pa Hệ số dẫn nhiệt của bạc 100 W/m. 0 K Hệ số dẫn nhiệt đối lƣu của thanh truyền 80 W/m 2 . 0 K Vận tốc quay (n) 1.67- 3.34 vg/s Nhiệt độ môi trƣờng 26 0 C Nhiệt độ dầu cấp 26 0 C 33 Bảng 2. 2: Thông số dầu Thông số dầu Atox 320 Besil F100 Khối lƣợng riêng 20ºC, (g/ml) 0.875 0.97 Hệ số độ nhớt (cSt) 288/352 at 40ºC 250/400 at 25ºC Điểm đông đặc (ºC) -12 -50 Điểm chớp cháy (ºC) 256 300 Độ nhớt động lực học (Pa.s) 0.28 0,135 Hệ số dẫn nhiệt của dầu (W/m.0K) 0.14 0,13 Khối lƣợng riêng của dầu (Kg/m3) 875 970 Nhiệt dung riêng của dầu (J/Kg.0K) 2000 2000 Hệ số giảm độ nhớt theo nhiệt độ 0.034 0,034 Chỉ số độ nhớt 118 101 . Hình 2.10: Sơ đồ thuật toán tính áp suất theo phương trình Reynolds 34 Miền khai triển của màng dầu đƣợc chia thành k phần theo phƣơng chu vi, k1 phần theo phƣơng dọc trục và k2 phần theo phƣơng chiều dày màng dầu. Miền khai triển của bạc đƣợc chia thành k phần theo phƣơng chu vi, k1 phần theo phƣơng dọc trục và k3 phần theo phƣơng bán kính. Ứng với các giá trị k, k1, k2, k3 đƣợc lấy cho phù hợp để đảm bảo thời gian chạy và kết quả hội tụ của chƣơng trình. Áp dụng mô hình đã xây dựng với miền khai triển của màng dầu k x k1 x k2=12 x 8 x 3 ở các chế độ vận tốc n=100 vg/ph, 150 vg/ph, 200 vg/ph ta có sơ đồ thuật toán tính áp suất màng dầu nhƣ hình 2.10 và sơ đồ thuật toán tính nhiệt độ nhƣ hình 2.11 Hình 2.11: Sơ đồ thuật toán tính nhiệt độ 35 2.2.4. Kết quả mô phỏng trƣờng nhiệt độ của ổ Ổ đầu to thanh truyền đƣợc mô hình hóa có các thông số nhƣ đã trình bày trong bảng 2.1với hai loại dầu bôi trơn Besil F-100 và Atox 320 ở các tốc độ quay 100 vg/ph, 150 vg/ph và 200 vg/ph. Với thuật toán đã trình bày, chƣơng trình tính nhiệt độ màng dầu đƣợc lập trình trên phần mềm Fortran95, các kết quả đƣợc biểu diễn dạng biểu đồ trên phần mềm SigmaPlot. a) Kết quả mô phỏng trƣờng nhiệt độ màng dầu với dầu Besil F100. Hình 2.12 là trƣờng nhiệt độ màng dầu tức độ chênh nhiệt độ trong ổ của ổ đầu to thanh truyền tại góc 3600 của thanh truyền ở tốc độ quay 100 vg/ph. Hình 2.12:Trường nhiệt độ màng dầu (Độ chênh nhiệt độ trong ổ) tại tốc độ 100 vg/ph, góc 3600 của thanh truyền. Ta thấy, vùng nhiệt độ cao nhất của màng dầu là vùng màu cam, tƣơng ứng với mức ba của bảng màu nhiệt độ. Vùng nhiệt độ cao nhất này là vùng xung quanh góc 00 (360 0 ) của thanh truyền, từ góc 00 đến 300 và từ góc 3300 đến góc 3600 của thanh truyền, nhiệt độ đạt giá trị lớn nhất tại góc 0 0 của thanh truyền là 3.1 0 C tại tiết diện giữa ổ theo phƣơng chiều dài. Vùng nhiệt độ cao nhất chính là vùng màng dầu chịu tải lớn nhất và áp suất lớn nhất. Vùng nhiệt độ thấp nhất của màng dầu là vùng đối diện góc 00 tức xung quanh góc 180 0 của thanh truyền (từ góc 170 0 đến 190 0 ). Điều này là hợp lý vì tại xung quanh góc 00 (3600) của thanh truyền áp suất màng dầu đạt giá trị lớn nhất và vị trí đối diện (góc 1800) áp suất màng dầu đạt giá trị nhỏ nhất. Hình 2.13 là trƣờng nhiệt độ màng dầu (Độ chênh nhiệt độ trong ổ) tại các tốc độ quay khác nhau của trục khủy ở 360 0 (Khi xảy ra sự nổ). Các giá trị độ chênh lệch nhiệt 36 độ ứng với các tốc độ 100 vg/ph, 150 vg/ph, 200 vg/ph lần lƣợt là 3.10C, 4.10C, 5.10C. Tốc độ quay càng cao thì độ chênh nhiệt độ màng dầu trong ổ càng lớn. Nhiệt độ màng dầu lớn nhất tập trung tại vị trí xung quanh góc 00(3600) của thanh truyền vùng màu đỏ trên bảng màu nhiệt độ. Từ góc 450 đến 3150 của thanh truyền, độ chênh lệch nhiệt độ màng dầu trong ổ không nhiều, giá trị nhiệt độ trên bảng màu hầu nhƣ là vùng màu xanh lam. Điều này có thể lý giải do nhiệt độ màng dầu tại các vị trí trong ổ khi ổ làm việc chênh lệch không nhiều, sự chênh lệch nhiệt độ cao chỉ khi xảy ra sự nổ, độ chênh lệch nhiệt độ cao nhất tại vùng xảy ra sự nổ (góc 3600 của thanh truyền) và vùng đối diện (góc 180 0 của thanh truyền). a) b) c) Hình 2.13:Trường nhiệt độ màng dầu (Độ chênh nhiệt độ trong ổ) tại góc 3600 của trục khuỷu ở tốc độ 100 vg/ph (a),150 vg/ph (b), 200 vg/ph (c), dầu bôi trơn Besil F100. 37 b) Kết quả mô phỏng trƣờng nhiệt độ màng dầu (Độ chênh nhiệt độ trong ổ) với dầu Atox 320 Hình 2.14 là trƣờng nhiệt độ màng dầu tại tốc độ 100 vg/ph ở góc 360 0 của trục khuỷu. Ta thấy nhiệt độ mô phỏng của màng dầu khi bôi trơn bằng dầu Atox 320 có dạng tƣơng tự nhƣ nhiệt độ mô phỏng màng dầu khi bôi trơn bằng dầu Besil F100. Nhiệt độ trong ổ lớn nhất tại tiết diện giữa ổ xung quanh góc 00 (3600) độ của thanh truyền và nhỏ nhất tại vị trí xung quanh góc 1800 của thanh truyền. Tại vị trí góc 00 của thanh truyền, nhiệt độ màng dầu đạt giá trị lớn nhất ứng với vùng màu cam gần tới mức 4 của bảng màu nhiệt độ. Tại vị trí góc 1800 của thanh truyền nhiệt độ màng dầu đạt giá trị nhỏ nhất ứng với vùng màu xanh lục mức 0 thấp nhất của bảng màu nhiệt độ. Giá trị nhiệt độ chênh lệch giữa vị trí nhiệt độ màng dầu cao nhất (góc 00 của thanh truyền) và vị trí nhiệt độ nhỏ nhất (góc 1800 của thanh truyền) là 3.7 0C. Giá trị nhiệt độ tại vị trí góc 135 0 và góc 225 0 của thanh truyền cao hơn giá trị nhiệt độ tại vị trí góc 1800 của thanh truyền và nhỏ hơn vị trí góc 450, 3150 Hình 2.14: Trường nhiệt độ màng dầu của ổ tại tốc độ 100 vg/ph, góc 3600 của trục khuỷu với dầu bôi trơn Atox 320 Hình 2.15 là trƣờng nhiệt độ màng dầu Atox 320 tại tốc độ 100 vg/ph,150 vg/ph, 200 vg/ph theo góc 360 0 của thanh truyền. Các giá trị độ chênh lệch nhiệt độ ứng với các tốc độ 100 vg/ph, 150 vg/ph, 200 vg/ph lần lƣợt là 3.7 0C, 5.1 0C, 6.2 0C. Tốc độ 38 quay càng cao thì độ chênh lệch nhiệt độ màng dầu trong ổ càng lớn. Nhiệt độ màng dầu lớn nhất tập trung tại vị trí xung quanh góc 0 0 và 360 0 của thanh truyền (Giá trị màu đỏ trên bảng màu nhiệt độ), ứng với góc 3600 của trục khuỷu khi xảy ra sự nổ. Từ góc 45 0 đến 3150 của thanh truyền độ chênh lệch nhiệt độ màng dầu trong ổ không nhiều (Giá trị nhiệt độ trên bảng màu hầu nhƣ là vùng màu xanh lam). Điều này có thể lý giải do nhiệt độ màng dầu tại các vị trí trong ổ khi ổ làm việc chênh lệch không nhiều, sự chênh lệch nhiệt độ cao chỉ khi xảy ra sự nổ, độ chênh lệch nhiệt độ cao nhất tại vùng xảy ra sự nổ (góc 3600 của thanh truyền) và vùng đối diện (góc 1800 của thanh truyền). a) b) c) Hình 2.15:Trường nhiệt độ màng dầu (Độ chênh nhiệt độ trong ổ) tại tốc độ 100 vg/ph (a),150 vg/ph (b), 200 vg/ph (c), góc 3600 cuả trục khuỷu, dầu bôi trơn Atox 320. 39 Kết luận chƣơng 2. 1. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán mô phỏng bôi trơn nhiệt thủy động cho ổ đầu to thanh truyền trên cơ sở giải các phƣơng trình Reynolds, phƣơng trình chiều dày màng dầu, phƣơng trình cân bằng tải và phƣơng trình năng lƣợng. 2. Xây dựng chƣơng trình mô phỏng số trƣờng nhiệt độ màng dầu bôi trơn cho ổ đầu to thanh truyền bằng phƣơng pháp mô hình hoá bài toán nhiệt cho màng dầu, áp dụng mô hình phần tử hữu hạn Galerkin với miền tích phân màng dầu đƣợc chia dạng lƣới 8 nút hình hộp chữ nhật. 3. Chƣơng trình mô phỏng số trƣờng nhiệt độ màng dầu cho ổ đầu to thanh truyền đã mô phỏng đƣợc trƣờng nhiệt độ của ổ với độ chênh nhiệt độ khi thay đổi tốc độ quay với hai loại dầu bôi trơn Besil F100 và Atox 320. 4. Khi xảy ra sự nổ, vùng nhiệt độ cao nhất của màng dầu là vùng xung quanh góc 0 0 (360 0 ) của thanh truyền. Vùng nhiệt độ cao nhất này là vùng màng dầu chịu tải lớn nhất, áp suất màng dầu cũng lớn nhất. Vùng nhiệt độ thấp nhất của màng dầu là vùng đối diện góc 00 tức xung quanh góc 1800 của thanh truyền. 5. Tốc độ quay càng cao thì độ tăng nhiệt độ càng lớn. Tại vị trí góc 0 0 (360 0 ) độ của thanh truyền khi chiều dày màng dầu nhỏ nhất, giá trị áp suất là lớn nhất thì nhiệt độ màng dầu cũng lớn nhất. Khi ổ đƣợc bôi trơn bằng dầu có độ nhớt cao hơn thì nhiệt độ của màng dầu cao hơn khi ở cùng tốc độ quay. Để kiểm nghiệm cho các tính toán mô phỏng số này cần, chƣơng 3 sẽ trình bày về thiết bị thực nghiệm khảo sát điều kiện bôi trơn ổ đầu to thanh truyền và phƣơng pháp thực nghiệm nhiệt thủy động màng dầu. 40 CHƢƠNG 3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ HỆ THỐNG THIẾT BỊ THỰC NGHIỆM 3.1. Phƣơng pháp nghiên cứu. Từ những năm 1960 đã có rất nhiều nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về nghiên cứu bôi trơn cho ổ đầu to thanh truyền nhƣ đã trình bày ở chƣơng 1. Luận án sử dụng phƣơng pháp nghiên cứu mô phỏng số kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm trên thanh truyền mô hình để kiểm chứng kết quả mô phỏng số và đƣa ra đánh giá đặc tính bôi trơn bằng thực nghiệm. Trong chƣơng 2, Luận án đã xây dựng chƣơng trình mô phỏng số trƣờng nhiệt độ màng dầu bôi trơn cho ổ đầu to thanh truyền bằng phƣơng pháp mô hình hoá bài toán nhiệt cho màng dầu, áp dụng mô hình phần tử hữu hạn Galerkin với miền tích phân màng dầu đƣợc chia dạng lƣới 8 nút hình hộp chữ nhật. Phƣơng pháp mô phỏng số với các điều kiện biên xác định và tải trọng giả lập tải tác dụng lên ổ đầu to thanh truyền trong động cơ đốt trong 4 kỳ để đánh giá đặc tính bôi trơn nhiệt thủy động trong ổ. Chƣơng trình tính toán mô phỏng số này cần có nghiên cứu thực nghiệm để kiểm chứng các tính toán mô phỏng số. Nghiên cứu thực nghiệm chia làm hai hƣớng chính là nghiên cứu sử dụng thanh truyền mô hình và nghiên cứu sử dụng thanh truyền thật. Luận án sử dụng phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm trên thanh truyền mô hình. Thanh truyền mô hình đƣợc nghiên cứu trên thiết bị bớt phức tạp hơn và điều kiện làm việc của ổ cũng kém khắc nghiệt hơn so với thanh truyền thật. Phƣơng pháp này có lợi thế là có thể đƣợc thực hiện ngay trong phòng thí nghiệm mà vẫn kiểm chứng đƣợc các tính toán số. Để nghiên cứu thực nghiệm trên thanh truyền mô hình cần xây dựng thiết bị thực nghiệm nghiên cứu các đặc tính bôi trơn nhiệt thủy động của ổ đầu to thanh truyền. Các đặc tính cơ bản của bôi trơn ổ đầu to thanh truyền là áp suất, nhiệt độ và chiều dày màng dầu Để khảo sát thực nghiệm nhiệt độ ổ đầu to thanh truyền phải xây dựng hệ thống đo nhiệt độ màng dầu bôi trơn trong ổ đầu thanh truyền. Hệ thống đo nhiệt độ màng dầu bôi trơn trong ổ đầu to thanh truyền đảm bảo các cảm biến đo nhiệt độ màng dầu đƣợc đặt tại các vị trí khác nhau của ổ. Để khảo sát thực nghiệm nhiệt độ ổ đầu to thanh truyền ở các chế độ làm việc khác nhau cần phải xây dựng hệ thống đo tải tác dụng lên thanh truyền. Ứng với mỗi chế độ vận hành ở tốc độ khác nhau thì tải tác dụng lên thanh truyền cũng khác nhau và ở trong một chu kỳ làm việc tải tác dụng lên thanh truyền cũng khác nhau. Vì vậy cần 41 xây dựng hệ thống thiết bị đo tải tác dụng lên thanh truyền để đánh giá ảnh hƣởng của tải tác dụng lên nhiệt độ màng dầu bôi trơn ổ đầu to thanh truyền. Tải này đƣợc sử dụng làm tải đầu vào cho chƣơng trình tính toán mô phỏng số. Để nghiên cứu đặc tính bôi trơn nhiệt thủy động của ổ đầu to thanh truyền, ngoài yếu tố hiệu ứng nhiệt là yếu tố ảnh hƣởng chính thì yếu tố áp suất màng dầu bôi trơn ổ đầu to thanh truyền cũng ảnh hƣởng lớn tới đặc tính bôi trơn nhiệt thủy động. Trong lý thuyết bôi trơn thủy động thì hai yếu tố ảnh hƣởng và liên quan trực tiếp tới nhau là nhiệt độ và áp suất màng dầu bôi trơn. Để khảo sát thực nghiệm nhiệt độ ổ đầu to thanh truyền ở các chế độ làm việc khác nhau cần thực nghiệm áp suất màng dầu bôi trơn ổ đầu to thanh truyền. 3.2. Thiết bị thực nghiệm Tác giả luận án tham gia xây dựng hệ thống xác định tải tác dụng lên thanh truyền và giám sát áp suất, nhiệt độ màng dầu bôi trơn ổ đầu to thanh truyền trong thiết bị thực nghiệm với vai trò là nghiên cứu sinh của đề tài cấp Bộ “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị thực nghiệm bôi trơn ổ đầu to thanh truyền”, mã số B2016-BKA-20. 3.2.1. Nguyên lý hoạt động. Thiết bị thực nghiệm có sơ đồ nguyên lý nhƣ hình 3.1. Động cơ điện (2) quay truyền chuyển động tới trục khuỷu (11) qua hộp giảm tốc làm cho trục khuỷu quay, khi trục khuỷu quay kéo theo pít-tông dẫn (5) chuyển động tịnh tiến lên xuống nhờ đƣợc kết nối thông qua thanh truyền dẫn bằng thép lắp với trục, đầu nhỏ lắp với pít-tông dẫn. Cụm kết cấu này trƣợt dọc theo hai trụ của khung, liên kết (trụ) giữa pít-tông dẫn và đầu nhỏ thanh truyền dẫn và trục quay cũng nhƣ giữa thanh truyền dẫn và trục khuỷu nhờ ổ đỡ. Trong quá trình làm việc thanh truyền dẫn (biên dẫn) lần lƣợt đẩy pít-tông lên phía trên và kéo xuống phía dƣới, chuyển động này tuân theo hệ biên-khuỷu của động cơ nhiệt. Trên pít-tông dẫn đƣợc bố trí pít-tông (7) đóng và trò nhƣ pít-tông trong động cơ nhiệt, pít-tông (7) chuyển động tịnh tiến lên xuống theo pít-tông dẫn, Pít-tông (7) đƣợc liên kết với trục khuỷu (11) truyền chuyển động xuống trục của ổ (10) lắp với trục khuỷu thông qua thanh truyền (9a, 9b) mô phỏng quá trình làm việc của pít-tông trong động cơ. Thanh truyền gồm hai phần, đầu nhỏ (9a) làm bằng thép và đầu to (9b) làm từ nhựa epoxy PLM4 và phụ gia PLMH4. 42 1. Khung máy. 9a. Đầu nhỏ 16. Thanh truyền dẫn 2. Động cơ điện. 9b. Đầu to 17. Bể dầu 3. Bộ truyền đai thang 10. Trục 18. Bơm dầu 4. Bộ truyền đai răng. 11. Trục khuỷu 19. Hệ thống làm mát 5. Pít-tông dẫn. 12. Tấm trong suốt 20. Đồng hồ áp suất 6. Cam 13. Hộp dầu 21. Van phân phối 7. Pít-tông 14. Tấm chắn trung gian 22. Van tiết lƣu 8. Đầu nhỏ thanh truyền 15. Hộp chiếu sáng 23. Dầu cấp 24. Dầu hồi về bể Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý thiết bị thực nghiệm bôi trơn ổ đầu to thanh truyền 43 Thanh truyền đƣợc đặt song song với thanh truyền dẫn. Ổ đầu to thanh truyền tạo bởi thân thanh truyền, nắp thanh truyền và trục khuỷu. Đầu nhỏ của thanh truyền liên kết và trƣợt theo pít-tông. Khi làm việc (khi trục quay), các lực đƣợc tạo ra bởi chuyển động của pít-tông và thanh truyền đƣợc cân bằng bởi áp suất trong màng dầu ổ đầu to thanh truyền. Để đảm bảo quá trình mô phỏng sự nổ nhƣ trong động cơ thực, nhƣ động cơ 4 kỳ thêm chính xác, trên pít-tông dẫn đƣợc gắn thêm cơ cấu tạo tải xuống pít-tông (7), trục của cam (6) đƣợc dẫn động bởi puli và dây đai (4). Cam tạo ra lực nén khi đỉnh cam tì xuống con đẩy và nén lò xo tạo ra lực tác dụng xuống đầu nhỏ thanh truyền, mô phỏng sự nổ trong động cơ, theo mỗi chu kỳ quay của cam ứng với chu kỳ làm việc của pít-tông và trục khuỷu. Khi thanh truyền dẫn (16) ở điểm chết trên, quán tính của thanh truyền và pít-tông kéo thanh truyền, lúc này cam không chạm con đẩy và không có lực nào tác động lên pít-tông, pít-tông không tạo ra lực mà do các lực quán tính của pít- tông và thanh truyền tác dụng lên ổ đầu to thanh truyền nghiên cứu. Khi pít-tông tới điểm chết dƣới, quán tính của pít-tông và thanh truyền nén về phía sau lúc này ổ tiếp tục chịu các tác động là lực quán tính của pít-tông và thân thanh truyền. Dầu cấp cho ổ đƣợc hút dầu từ bể dầu (17) bởi bơm dầu (18) đƣa qua cụm tản nhiệt (19) theo đƣờng dầu cấp vào đồng hồ áp suất (20) và qua van phân phối (21), van tiết lƣu (22) để xác định lƣu lƣợng và áp suất dầu. Dầu hồi về thẳng bể dầu từ ổ. Trong quá trình làm việc hệ thống camera CCD ghi lại toàn bộ hình ảnh của màng dầu tại các vị trí của ổ đầu to thanh truyền. Ngoài ra còn có hệ thống chiếu sáng với các bóng đèn halogen cung cấp ánh sáng cho quá trình ghi hình của camera CCD. Ảnh chụp thiết bị thực nghiệm nhƣ hình 3.2. Thiết bị có các thông số cơ bản nhƣ trong bảng 3.1. Bảng 3. 1: Các thông số kỹ thuật của thiết bị thực nghiệm Tốc độ quay của trục khuỷu 0-250 vg/ph Tải lớn nhất tác dụng lên thanh truyền 500 N Đƣờng kính ổ đầu to thanh truyền 100 mm Khe hở bán kính ổ 0,2-0,5 mm 44 Hình 3.2: Thiết bị thực nghiệm 3.2.2. Các cụm chi tiết điển hình. 3.2.2.1. Thanh truyền Thanh truyền trong động cơ thực chịu tác dụng của lực khí thể, lực quán tính chuyển động tịnh tiến, lực quán tính của thanh truyền, lực chấn động va đập, trọng lực và ứng suất dƣ. Nhƣng trong thiết bị thực nghiệm, lực nổ đƣợc tạo mô phỏng tại 360 0 của trục khuỷu, còn lực tác dụng lên thanh truyền tại các góc khác của trục khuỷu gồm lực quán tính của thanh truyền, pít tông, thanh truyền dẫn và pít tông dẫn. Sơ đồ vị trí thanh truyền nhƣ hình 3.3 45 Hình 3.3: Thanh truyền trên thiết bị thực nghiệm Đầu to thanh truyền đƣợc chế chế tạo từ vật liệu quang đàn hồi đƣợc đúc từ nhựa epoxy PLM4 và phụ gia PLMH4 phù hợp với phƣơng pháp nghiên cứu đặc tính bôi trơn bằng chụp ảnh màng dầu ổ đầu to thanh truyền (hình 3.4). Đầu nhỏ thanh truyền và bộ phận ghép nối thanh truyền chế tạo từ vật liệu thép hợp kim 40X đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật trong quá trình làm việc. Hình 3.4: Đầu to thanh truyền chế tạo phục vụ thực nghiệm Bộ phận ghép nối Đầu to Đầu nhỏ Đầu nhỏ Bộ ghép nối Đầu to 46 3.2.2.2 Cụm pít-tông và thanh truyền dẫn. Pít-tông dẫn (5) có vai trò chính tƣơng tự nhƣ xylanh trong động cơ đốt trong để dẫn hƣớng cho pít-tông chính (7) trong quá trình thiết bị hoạt động. Ngoài ra cụm pít- tông dẫn còn là giá đỡ cho các cơ cấu khác nhƣ: Cơ cấu tạo tải (cam (6) và cụm đai (4)), thanh truyền dẫn (15). Pít-tông dẫn làm việc với yêu cầu về độ chính xác cao để dẫn hƣớng cho pít-tông chính. Cụm pít-tông dẫn chuyển động tịnh tiến khứ hồi trên trục dẫn đƣợc giữ bởi hai tấm thép chữ T gắn trên khung máy theo một biên độ nhất định. Độ chính xác của pít-tông dẫn ảnh hƣởng trực tiếp đến độ chính xác của pít-tông chính trong quá trình hoạt động của thiết bị. Từ điều kiện làm việc trên chọn thép hợp kim 40X là vật liệu chế tạo pít-tông dẫn với yêu cầu cao về độ chính xác và nhẵn bóng của bề mặt lắp ghép. Pít-tông dẫn (Hình 3.5) có kết cấu gồm hai trụ trƣợt 50 trƣợt dọc theo trụ dẫn đƣợc cố định bằng hai tấm thép chữ T trên khung thiết bị, để đảm bảo vị trí tƣơng đối giữa hai trụ 50 và tạo ra không gian để lắp các chi tiết ghép nối cụm cơ cấu tạo tải và thanh truyền dẫn. Để đảm bảo cân bằng thì khoảng cách giữa hai tâm trụ dẫn là ltd phải lớn hơn vùng hoạt động của đầu to thanh truyền trong khi làm việc. Đƣờng kính trong trụ dẫn là 20 mm, chiều dày tấm trên và tấm dƣới pít-tông dẫn là 20 mm. Hình 3.5: Mô hình 3D cụm pít-tông dẫn. 47 Hình 3.6: Mô hình lắp cụm pít-tông dẫn lắp với cơ cấu tạo tải. Hình 3.5 là lắp mô phỏng cụm pít-tông dẫn. Hình 3.6 và hình 3.7 là ảnh chụp cụm pít-tông dẫn và thanh truyền dẫn lắp với cơ cấu tạo tải và lắp với các cụm kết cấu khác của thiết bị thực nghiệm. Hình 3.7: Mô hình lắp thanh truyền dẫn với các cụm kết cấu khác 48 3.2.2.3. Cơ cấu tạo tải. Lực khí thể và lực quán tính tác dụng lên thanh truyền thay đổi trong chu kỳ làm việc của động cơ đƣợc biểu diễn nhƣ hình 3.8 [35]. Lực khí thể ( ) trong động cơ thực đạt giá trị lớn nhất tại khoảng 360 0 , lực khí thể hƣớng xuống. Lực quán tính ( ) tại 3600 đạt giá trị lớn nhất, khi đó pít-tông ở điểm chết trên và bắt đầu chuyển động xuống dƣới, lực quán tính hƣớng lên. Tổng hợp của lực khí thể và lực quán tính tác dụng lên cơ cấu trục khủy thanh truyền là Pt. Hình 3.8: Đồ thị lực khí thể và lực quán tính [35] Hình 3.9: Sơ đồ cơ cấu tạo tải Theo sơ đồ nguyên lý thiết bị hình 3.9, hệ thống tạo tải có nhiệm vụ tạo ra lực khí thể tác dụng lên thanh truyền với yêu cầu đồ thị lực mô phỏng tƣơng đƣơng với đồ thị lực khí thể trong động cơ thực. Sơ đồ hệ thống cơ cấu tạo tải nhƣ hình 3.10. 49 Hình 3.10: Nguyên lý tạo tải Cơ cấu tạo tải bao gồm cơ cấu cam (6) đƣợc gắn trên pít-tông dẫn và đƣợc dẫn động bằng hệ thống dây đai (4) đảm bảo độ tin cậy trong quá trình làm việc có rung động va đập cao. Pít-tông dẫn chuyển động tịnh tiến và trục khuỷu (3) chuyển động quay kéo theo thanh truyền dẫn chuyển động song phẳng, do đó chia hệ thống đai làm hai cấp. Cấp thứ nhất truyền chuyển động từ trục khuỷu tới puly đai gắn trên chốt đầu nhỏ của thanh truyền dẫn, do chuyển động song phẳng của thanh truyền dẫn nên ta cần bộ căng đai giúp dây đai luôn ổn định trong quá trình hoạt động của thiết bị. Cấp thứ hai truyền chuyển động từ puly cấp thứ nhất đến trục của cam đảm bảo dẫn động cần thiết của hệ thống cơ cấu tạo tải ổn định. Lúc trục khuỷu ở 00, đỉnh cam hƣớng lên trên. Tỉ số truyền của hai puli là 1/2, trục của cam (6) giảm tốc hai lần so với trục khuỷu (3). Do vậy khi trục khuỷu quay đƣợc 3600 thì cam quay đƣợc 1800, đỉnh cam tỳ lên con đẩy, nén lò xo xuống tạo ra lực tác dụng lên đầu nhỏ thanh truyền. Bằng cách này mô phỏng sự nổ trong động cơ, lực lớn nhất này có thể thay đổi bằng độ cứng của lò xo. Tuy nhiên, nếu sử dụng lò xo sẽ gây ra độ trễ lớn trong quá trình tác dụng lực lên thanh truyền, do đó ta sử dụng đệm Belleville lắp theo cặp. Ảnh chụp cơ cấu tạo tải nhƣ trong hình 3.11. 50 Hình 3.11: Cơ cấu t