MỤC LỤC

MỤC LỤC.. 1

MỞ ĐẦU.. 3

CHƯƠNG I, TỔNG QUAN Ô NHIỄM  MÔI TRƯỜNG HIỆU QUẢ TỪ TĂNG ÁP ĐỘNG CƠ VÀ CƠ CẤU KHUỶU TRỤC THANH TRUYỀN

1.1. Vấn đề ô nhiễm môi trường tại các thành phố lớn của Việt Nam.. 4

1.2. Hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường của động cơ tăng áp. 5

1.3. Giới thiệu về cơ cấu trục khuỷu thanh truyền động cơ đốt trong. 6

1.3.1. Nhóm Piston. 6

1.3.2. Thanh truyền. 7

1.3.3. Trục khuỷu. 7

1.4. Kết luận chương 1. 8

CHƯƠNG II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHẦN MỀM TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ CẤU TRỤC KHUỶU-THANH TRUYỀN-PISTON

2.1. Cơ sở lý thuyết tính toán trục khuỷu. 9

2.1.1. Tính sức bền của cổ biên. 11

2.1.2. Tính sức bền của má khuỷu. 11

2.1.3. Tính sức bền của cổ trục khuỷu. 12

2.2. Cơ sở lý thuyết tính toán piston. 12

2.2.1. Tính đỉnh piston. 12

2.2.2. Tính đầu piston. 14

2.2.3. Tính thân piston. 15

2.3. Cơ sở lý thuyết tính toán thanh truyền. 15

2.3.1. Tính sức bền của thân thanh truyền động cơ tốc độ cao. 17

2.3.2 Tính sức bền của đầu to thanh truyền. 19

2.4. Cơ sở lý thuyết tính toán bánh đà. 22

2.5. Giới thiệu phần mềm thiết kế 3D và phần mềm Ansys. 23

2.5.1. Giới thiệu Solidworks. 23

2.4.2. Giới thiệu Ansys. 24

2.5. Kết luận chương 2. 26

CHƯƠNG III. MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG VÀ TÍNH TOÁN KIỂM NGHIỆM CƠ CẤU TRỤC KHUỶU THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ XĂNG KHI TĂNG ÁP

3.1. Giới thiệu về cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền động cơ xăng lắp trên xe Vios. 27

3.1.1. Đặc điểm nhóm Piston động cơ 1NZ-FE.. 27

3.1.2. Đặc điểm nhóm thanh truyền động cơ 1NZ-FE.. 28

3.1.3. Đặc điểm trục khuỷu động cơ 1NZ-FE.. 30

3.1.4. Sơ đồ kết cấu và nguyên lý làm việc của cơ cấu Piston-Thanh truyền-trục khuỷu động cơ 1NZ-FE.. 31

3.2. Trình tự thiết kế “Trục khuỷu –Piston – Thanh truyền” trên phần mềm 3D và mô phỏng chuyển động. 33

3.2.1. Mục đích. 33

3.2.2. Phương pháp. 33

3.2.3. Thiết kế 3D piston động cơ 1NZ-FE.. 34

3.2.4. Thiết kế 3D nhóm thanh truyền động cơ 1NZ-FE.. 36

3.2.5. Thiết kế 3D trục khuỷu động cơ 1NZ-FE.. 39

3.2.6. Mô phỏng động học cơ cấu piston-thanh truyền-trục khuỷu động cơ. 44

3.3. Tính toán kiểm nghiệm cơ cấu trục khuỷu thanh truyền động cơ xăng khi tăng áp. 49

3.3.1. Xây dựng mô hình động cơ 1NZ_FE khi chưa tăng áp và tăng áp. 49

3.3.2. Khai báo lực trên trục khuỷu. 55

3.3.3. Khai báo lực trên Piston. 58

3.3.4. Khai báo lực trên Thanh truyền. 61

3.4. Kết quả kiểm nghiệm cơ cấu trục khuỷu thanh truyền động cơ xăng qua phần mềm Ansys  63

3.4.1. Kết quả kiểm nghiệm trục khuỷu. 63

3.4.2. Kết quả kiểm nghiệm piston. 67

3.4.3. Kết quả kiểm nghiệm thanh truyền. 68

3.5. Kết luận chương 3. 70

KẾT LUẬN.. 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO.. 72

MỞ ĐẦU

Với ôtô sử dụng động cơ đốt trong (xăng, dầu), để xe chạy cần có phản ứng hoá học gây nổ trong buồng đốt. Phản ứng này sẽ xảy ra khi nhiên liệu được hoà trộn với không khí ở một điều kiện thích hợp. Để gia tăng không khí vào buồng đốt giúp quá trình đốt nổ hiệu quả hơn, hệ thống tăng áp ra đời. Hệ thống sẽ có turbine nằm trên ống thoát khí thải, khi luồng khí thải đủ mạnh làm quay turbine và máy nén, tạo ra luồng không khí nóng tiếp tục đi qua bộ phận làm mát rồi vào động cơ. Khi có thêm không khí, hiệu suất đốt sẽ tăng lên. 

Mục đích ban đầu của turbo là để tăng sức mạnh cho xe leo đèo dốc nhưng hiện nay công nghệ này thể hiện rõ lợi thế trên các dòng xe nhỏ. Bởi tăng hiệu suất đốt mà không tăng lượng xăng, dầu nên động cơ tăng áp được coi là lựa chọn lý tưởng để đạt cả hai mục đích là sức mạnh vận hành và bảo vệ môi trường. Ngoài ra, động cơ càng nhỏ, các mức thuế đánh càng "dễ chịu", nhờ đó mức giá dễ tiếp cận hơn. Tuy vậy, vì phải qua khâu turbine, máy nén rồi luồng khí mới đi vào xi-lanh nên động cơ tăng áp thường có độ trễ từ khi đạp ga tới khi xe bắt tốc. Bên cạnh đó, việc chế tạo thêm hệ thống turbo cũng khiến việc bảo dưỡng, sửa chữa khó khăn hơn, đòi hòi chất lượng vật liệu tốt hơn, chi phí do đó cao hơn động cơ không tăng áp.

Trước đây, những công nghệ tăng lượng khí vào buồng đốt như tăng áp (turbo) hay siêu nạp (supercharge) thường chỉ sử dụng cho xe thể thao, xe sang để tối ưu hoá hiệu suất vận hành thì giờ đây các dòng xe nhỏ lại tối ưu hoá công nghệ này. Thế hệ động cơ EcoBoost được đã mang lại lợi thế lớn cho các hãng xe  giúp công suất động cơ tăng trong khi thể tích động cơ không đổi như Động cơ 1.5 nhưng mạnh tương đương loại 2.0 và tiết kiệm nhiên liệu hơn, nhất là những xe thường xuyên đi đường trường khi đẩy được tốc độ lên cao. 

Khi tăng áp cho động cơ, tải trọng tác dụng lên các cơ cấu, hệ thống đã thay đổi để động cơ làm việc bền bỉ và hiệu quả thì việc tính toán thiết kế, kiểm nghiệm các cơ cấu là rất quan trọng. Bởi vậy, em đã lựa chọn đề tài: “Mô phỏng cơ cấu khuỷu trục thanh truyền động cơ xăng và tính toán kiểm nghiệm cơ cấu khi tăng áp” làm đồ án tốt nghiệp của mình.

                                                                                     Hà nội, ngày … tháng … năm 20…

                                                                                      Sinh viên thực hiện

                                                                                    …………….

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN Ô NHIỄM  MÔI TRƯỜNG HIỆU QUẢ TỪ TĂNG ÁP ĐỘNG CƠ VÀ CƠ CẤU KHUỶU TRỤC THANH TRUYỀN

1.1. Vấn đề ô nhiễm môi trường tại các thành phố lớn của Việt Nam

Hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trường đang là chủ đề nóng trên các mặt báo và nhận được rất nhiều sự quan tâm của người dân. Trong đó, đặc biệt là vấn đề ô nhiễm nguồn nước ở Việt Nam đã và đang ngày càng trở nên nghiêm trọng hơn. Thông qua các phương tiện truyền thông, chúng ta có thể dễ dàng thấy được các hình ảnh, cũng như các bài báo phản ánh về thực trạng môi trường hiện nay.

Cũng theo khảo sát về chỉ số EPI, Việt Nam nằm trong số 10 quốc gia có chỉ số chất lượng không khí thấp nhất (đứng thứ 123) và được dự đoán có thể rơi xuống vị trí thứ 125 trong tương lai gần. Đây là một thông tin đáng báo động với môi trường không khí ở nước ta hiện nay. 

1.2. Hiệu quả tiết kiệm nhiên liệu và giảm ô nhiễm môi trường của động cơ tăng áp

Hiện nay, ô tô đã trở thành phương tiện cơ bản của con người. Đối với bất kỳ phương tiện ô tô nào, sự thoải mái của con người được coi là tiêu chí chính. Giảm độ rung, tiếng ồn và đảm bảo an toàn cho xe là những yếu tố chính được cân nhắc trong việc thiết kế động cơ ô tô. Việc giảm kích thước động cơ như một cách chính để cải thiện mức tiêu thụ nhiên liệu của động cơ xăng trong khi vẫn duy trì ưu điểm là khả năng phát thải thấp của hệ thống xúc tác ba chiều. 

1.3. Giới thiệu về cơ cấu trục khuỷu thanh truyền động cơ đốt trong

Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền là một bộ phận có cơ chế phức tạp, chúng được kết hợp một cách hoàn hảo nhằm biến đổi các dạng chuyển động và là cơ cấu chiếm diện tích lớn, được xem là thành phần chính cấu tạo nên động cơ.

Cấu tạo cơ cấu thanh truyền trục khuỷu:

Gồm 3 thành phần chính gồm: Piston, thanh truyền và trục khuỷu.

- Ba thành phần này hoạt động theo một quy trình định sẵn và liên quan chặt chẽ với nhau.

- Piston là bộ phận đảm nhận vai trò tạo ra lực đẩy cho toàn bộ chiếc xe. Chuyển động của nó là chuyển động lên xuống theo một đường thẳng hay còn gọi là chuyển động tịnh tiến. 

1.3.1. Nhóm Piston

Nhóm piston gồm có: piston, chốt piston, xéc măng khí, xéc măng dầu, vòng hãm chốt.

Trong quá trình làm việc của động cơ, nhóm piston có các nhiệm vụ chính sau đây: Tạo thành buồng cháy tốt, bảo đảm bao kín buồng cháy, giữ không để khí cháy lọt xuống cácte và dầu nhờn không sục lên buồng cháy.

1.3.3. Trục khuỷu

a. Nhiệm vụ

Trục khuỷu là một trong những chi tiết quan trọng của động cơ, có nhiệm vụ tiếp nhận chuyển động tịnh tiến của piston qua thanh truyền thành chuyển động quay để dẫn động các bộ phận công tác như: máy bơm nước, máy phát điện, bánh xe chủ động của ô tô, máy kéo. 

b. Điều kiện làm việc

Khi động cơ làm việc, trục khuỷu chịu tác dụng của lực khí thể, lực quán tính chuyển động quay. Các lực này rất phức tạp biến đổi theo chu kỳ gây ra dao động xoắn. Vì vậy, trục khuỷu chịu uốn, xoắn và chịu mài mòn ở các cổ trục.

d. Cấu tạo trục khuỷu

Có hai loại trục khuỷu: trục khuỷu liền và trục khuỷu ghép.

Trục khuỷu liền (hình 1.13) là trục khuỷu có cổ trục, cổ biên, má khuỷu được chế tạo liền thành một khối, không tháo rời được.

1.4. Kết luận chương 1

- Động cơ đốt trong nói chung lắp trên các phương tiện giao thông là một trong các nguồn chủ yếu gây ô nhiễm môi trường không khí, đặc biệt là đối với vùng có mật độ phương tiện vận tải cao, đường giao thông hẹp và có nhiều nút giao thông (trong các thành phố, các khu công nghiệp).

- Tăng áp cho động cơ là một trong những biện pháp hiệu quả nhằm tăng công suất, giảm tiêu hao nhiên liệu

- Hệ thống động cơ tăng áp đang được sử dụng phổ biến trên những chiếc xe hơi ngày nay, mang lại hiệu quả về việc gia tăng công suất, tiết kiệm nhiên liệu và đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt…

CHƯƠNG II

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHẦN MỀM TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ CẤU TRỤC KHUỶU-THANH TRUYỀN-PISTON

2.1. Cơ sở lý thuyết tính toán trục khuỷu

Khi tính toán sức trục khuỷu sơ đồ lực và mô men được thể hiện như trên hình 2.1.

Ký hiệu các lực trên sơ đồ như sau:

Như vậy lực tác dụng tại điểm giữa của cổ biên trên phương pháp tuyến là:

Z₀ = Z – (C₁ + C₂)      (MN)                                 (2.3)

M’_K: Mô men xoắn tác dụng trên cổ trục bên trái. Mô men này do các lực tiếp tuyến của các khuỷu nằm phía trước khuỷu tính toán sinh ra. Nếu khuỷu đang tính là khuỷu thứ i thì:

M’_K = åT_i-1.R           (MNm)                                (2.4)

Ứng suất lớn nhất phát sinh trong trục khuỷu có thể xảy ra trong bốn trường hợp chịu tải trọng sau đây:

- Trường hợp “khởi động”, khi chịu lực P_zmax;

- Trường hợp chịu lực pháp tuyến lớn nhất Z_max;

- Trường hợp chịu lực tiếp tuyến lớn nhất T_max;

- Trường hợp chịu mô men xoắn lớn nhất M_max.

(cũng chính là trường hợp chịu tổng lực tiếp tuyến lớn nhất åT_max).

Tiến hành tính toán các trường hợp trên như sau:

Trường hợp khởi động:

Tính toán trường hợp khởi động là tính toán gần đúng với giả thiết: khuỷu trục ở vị trí điểm chết trên (a₀ = 0).

Bỏ qua lực quán tính (do số vòng quay khi khởi động nhỏ) và lực tác dụng trên khuỷu có trị số lớn nhất P_zmax (trong thực tế khi khởi động không bào giờ mở hết bướm ga (của động cơ xăng) hoặc kéo hết thanh răng (của động cơ diesel)

Nên lực tác dụng trên cổ biên thường nhỏ hơn P_zmax).

Do đó lực tác đông lên khuỷu sẽ là:

Z₀ = Z = p_zmax.Fp,                  (MN)                                                 (2.6)

T = 0

2.2. Cơ sở lý thuyết tính toán piston

2.2.1. Tính đỉnh piston

Đỉnh piston chịu lực rất phức tạp, trạng thái ứng suất cũng rất phức tạp, nó vừa chịu tải trọng cơ học vừa chịu tải trọng nhiệt.

Do đỉnh piston chịu tải trọng phức tạp nên việc tính toán đỉnh piston chỉ tính theo những phương pháp gần đúng, theo những giả thiết nhất định.

a. Phương pháp Back - Công thức Back xây dựng trên các giả thiết sau:

- Coi đỉnh piston như một đĩa tròn, có chiều dày đồng đều đặt tự do trên hình trụ rỗng.

- Áp suất khí thể Pz tác dụng trên đỉnh piston phân bố đều lực khí thể P_z = p_x F_p và phản lực của nó gây uốn đỉnh piston. Xét ứng suất uốn ở tiết diện x-x.

Ứng suất cho phép như sau:

- Đối với piston hợp kim nhẹ

+ Đỉnh không có gân:

[s_u] = 20 ÷ 25 MN/m²

+ Đỉnh có gân:

[s_u] = 25 ÷ 190 MN/m²

- Đối với piston gang:

+ Đỉnh không có gân:

 [s_u] = 40 ÷ 45 MN/m²

+ Đỉnh có gân:

[s_u] = 90 ÷ 200 MN/m²

b. Phương pháp Orolin. Phương pháp này coi đỉnh piston là một đĩa tròn ngàm cứng vào phần đầu piston. Giả thiết này tương đối thích ứng với các đỉnh mỏng (δ £ 0,08D không gân có làm mát và δ £ 0,2D loại không làm mát đỉnh).

Ứng suất ở tâm đỉnh nhỏ hơn ứng suất ở biên, do đó sau này chỉ cần tính ứng suất ở vùng ngàm cố định.

Ứng suất cho phép

Đối với gang [ ] = 60 MN/

Đối với thép [ ] = 100 MN/ 

Đối với hợp kim nhôm [ ] = 60 MN/

2.2.2. Tính đầu piston

Thường phải tính ứng suất trên tiết diện I-I. Tiết diện này thường là tiết diện bé nhất, nó cắt qua rãnh xéc măng dầu cuối cùng ở phần đầu piston. Tiết diện này chịu kéo bởi lực quán tính âm lớn nhất do khối lượng m_I-I của phần piston phía trên tiết diện này sinh ra. Ngoài ra còn chịu ứng suất của lực khí thể.

2.3. Cơ sở lý thuyết tính toán thanh truyền

Khi động cơ làm việc đầu nhỏ thanh truyền chịu các lực sau:

- Lực quán tính của nhóm piston;

- Lực khí thể;

- Lực do biến dạng gây ra;

- Ngoài ra khi lắp ghép bạc lót, đầu nhỏ thanh truyền còn chịu thêm ứng suất phụ do lắp ghép bạc lót có độ dôi gây nên.

2.3.1. Tính sức bền của thân thanh truyền động cơ tốc độ cao

Khi tính toán sức bền của thanh truyền động cơ tốc độ cao (v_tb > 9 m/s) phải xét đến lực quán tính chuyển động tịnh tiến, lực quán tính chuyển động quay và lực quán tính chuyển động lắc để tính sức bền mỏi của thanh truyền.

Lực tác dụng lên thân thanh truyền khi thanh truyền chịu nén và uốn dọc là:

P₁ = P_z + P_j = p_zF_p - mRw²(1+l)F_p                                              (2.35)

2.3.1.1. Tính sức bền mỏi của thân thanh truyền khi chịu tải trọng thay đổi

Mục đích của việc tính toán này là xác định hệ số an toàn của thân thanh truyền ở tiết diện trung bình và tiết diện nhỏ nhất khi chịu kéo, nén và uốn dọc. 

2.3.1.2. Tính sức bền của thân thanh truyền khi xét đến mô men lực quán tính.

Chúng ta biết rằng lực quán tính của bản thân thanh truyền phụ thuộc vào tốc độ vòng quay n của trục khuỷu. Do đó, đối với loại động có n > 2000 vg/ph còn phải kiểm tra ứng suất tổng gây ra do lực nén và lực quán tính của bản thân thanh truyền. Nếu coi thanh truyền có tiết diện đồng đều thì lực quán tính của thân thanh truyền phân bố theo hình tam giác dọc theo thanh truyền.

Mô men lực quán tính uốn thân thanh truyền có giá trị lớn nhất ở tiết diện cách đầu nhỏ một đoạn là 0,577l.

2.3.2 Tính sức bền của đầu to thanh truyền

Tính toán sức bền đầu to thanh truyền thường tính toán gần đúng vị trí tính toán thường chọn ở ĐCT. Ở đây đầu to thanh truyền chịu tác dụng của hợp lực quán tính chuyền động tịnh tiến và lực quán tính truyền động quay không xét đến khối lượng của lắp thanh truyền:

Trong đó: m_n : khối lượng của nắp đầu to thanh truyền.

Tính sức bền của đầu to thanh truyền thường dùng công thức Kinaxotsvily với các giả thiết sau đây.

Khi lắp căng bạc lót vào đầu to thì bạc lót và đầu to đều biến dạng như nhau. Do đó mômen tác dụng trên bạc lót và đầu to tỷ lệ với môn men quán tính của tiết diện bạc lót J_b và của tiết diện nắp đầu to J_d.

2.4. Cơ sở lý thuyết tính toán bánh đà 

Số liệu thiết kế đã có:

+ Vật liệu làm bánh đà là gang có tỷ trọng: ρ

+ Công suất lớn nhất trên trục dẫn bánh đà (trục khuỷu): P

+ Số vòng quay trục khuỷu: n

+ Biến thiên tốc độ cho phép: n₁-n₂=3% n

+ Ứng suất kéo lớn nhất cho phép trên vành bánh đà: σ_k = 5 MPa= 5 x 10⁶ N/m²

Công thực hiện/chu kỳ=T_trungbình ×θ= T_trungbình ×4π                            _(2.53)

Do công sinh ra trong kỳ nổ bằng 4/3 công tiêu thụ trung bình trong toàn chu kỳ máy, nên ta có:

Công sinh ra trong kỳ nổ = 4/3 x Công thực hiện/chu kỳ                     _(2.54)

Từ hình 2.8, ta thấy:

BG=BF-FG =T_max-T_{trung bình} = Tcản     (Nm)                       _(2.58)                             

Ta đã biết: Sự thay đổi năng lượng xung quanh đường momen xoắn cản trung bình gọi là sự biến thiên năng lượng. Và biến thiên năng lượng được xác định bởi sơ đồ momen quay trên một chu kỳ công tác.

2.5. Giới thiệu phần mềm thiết kế 3D và phần mềm Ansys

2.5.1. Giới thiệu Solidworks

Công ty SolidWorks được thành lập vào tháng 12 năm 1993 bởi Hirschtick, tốt nghiệp trường MIT nổi tiếng- Massachusetts Institute of Technology; Hirschtick sử dụng 1 triệu $ mà anh ta gây dựng được khi là thành viên MIT Blackjack Team để thành lập công ty. Trụ sở ban đầu ở Waltham, Massachusetts, USA, Hirschtick tuyển dụng một nhóm kỹ sư nhằm tạo một phần mềm 3D CAD dễ sử dụng, giá cả phải chăng, và có thể tùy biến trên Windows desktop. Sau này đổi địa chỉ là Concord, Massachusetts, SolidWorks đã phát hành phiên bản đầu tiên SolidWorks 95, năm 1995. Năm 1997 Dassault, Công ty nổi tiếng nhất với phần mềm SOLIDWORKS, đã mua lại SolidWorks với 310 triệu đô la cổ phiếu.

2.4.2. Giới thiệu Ansys

Những năm gần đây, nhờ sự phát triển của các công cụ toán cùng với sự phát triển của máy tính điện tử, đã thiết lập và dần dần hoàn thiện các phần mềm công nghiệp, sử dụng để giải các bài toán cơ học vật rắn, cơ học thuỷ khí, các bài toán động, bài toán tường minh và không tường minh, các bài toán tuyến tính và phi tuyến, các bài toán về trường điện từ, bài toán tương tác đa trường vật lý. 

2.5. Kết luận chương 2

- Để phụ trợ cho học tập và làm việc chuyên nghiệp thì máy tính đã là một công cụ không thể thiếu. Lập trình là tạo ra công cụ để các nhà khoa học thực hiện các tính toán khoa học; cho tất cả các ngành nghề khác thực hiện các thống kê, kế toán,… Không có ngành công nghiệp nào mà hoàn toàn không cần sự giúp đỡ của máy tính, việc này dẫn đến cuộc cách mạng tính toán đã trở thành một phần không thể thiếu trong quá trình phát triển của các ngành nghề. 

- Là giải pháp xây dựng mô hình 3D dựa trên tham số, Solidworks đã trở thành một giải pháp nền tảng quan trọng trong các ngành thiết kế công nghiệp và chế tạo. Solidworks là một phần mềm thiết kế 3D mạnh mẽ với giao diện thân thiện người sử dụng. Kết hợp với những ad-in các module: Cosmos, SolidCam…

CHƯƠNG III

MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG VÀ TÍNH TOÁN KIỂM NGHIỆM CƠ CẤU TRỤC KHUỶU THANH TRUYỀN

ĐỘNG CƠ XĂNG KHI TĂNG ÁP

3.1. Giới thiệu về cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền động cơ xăng lắp trên xe Vios

3.1.1. Đặc điểm nhóm Piston động cơ 1NZ-FE

 Động cơ 1NZ-FE là một động cơ xăng nên piston của động cơ này mang những nét đặc trưng của một piston động cơ xăng như:

Đỉnh piston bằng, có thể tạo xoáy lốc nhẹ, tạo thuận lợi cho quá trình hình thành hỗn hợp và đốt cháy. Đầu piston có hai rãnh để lắp xéc-măng khí, và một rãnh để gắn xéc-măng dầu đảm bảo yêu cầu bao kín tốt, không để lọt khí xuống các te và lọt dầu vào buồng đốt.

Thân piston ngắn, được vát bớt hai bên hông đảm bảo tinh dẫn hướng, không bị bó kẹt khi bị biến dạng do điều kiện làm việc.

Nhóm piston và mặt cắt ngang piston động cơ 1NZ-FE thể hiện như bảng 3.1.

3.1.2. Đặc điểm nhóm thanh truyền động cơ 1NZ-FE

Đầu nhỏ thanh truyền được lắp tự do với chốt piston, được bôi trơn bằng đường dầu dẫn từ đầu to thanh truyền.

Thông số kỹ thuật thanh truyền động cơ 1NZ-FE như bảng 3.2.

3.1.3. Đặc điểm trục khuỷu động cơ 1NZ-FE

Trục khuỷu động cơ 1NZ-FE là loại trục khuỷu liền gồm có các bộ phận sau: đầu trục; 8 má khuỷu; 4 đối trọng; 4 cổ khuỷu và đuôi trục.

Các thông số kết cấu của trục khuỷu động cơ 1NZ-FE như bàng 3.3.

3.1.4. Sơ đồ kết cấu và nguyên lý làm việc của cơ cấu Piston-Thanh truyền-trục khuỷu động cơ 1NZ-FE

Động cơ 1NZ-FE là động cơ bốn kỳ, bốn xy lanh có các chốt khuỷu nằm trong một mặt phẳng, chốt khuỷu số 1 và chốt khuỷu số 4 cách chốt khuỷu số 2 và chốt khuỷu số 3 một góc 180^o. Khi trục khuỷu quay, piston của máy số 1 và máy số 4 đi lên điểm chết trên (ĐCT) thì piston của máy số 2 và máy số 3 đi xuống điểm chết dưới (ĐCD). Do kết cấu trục khuỷu như vậy, nên thứ tự làm việc của động cơ 1NZ-FE là 1-3-4-2.

3.2. Trình tự thiết kế “Trục khuỷu –Piston – Thanh truyền” trên phần mềm 3D và mô phỏng chuyển động

3.2.1. Mục đích

Ta sử dụng phần mềm SOLIDWORKS để thiết kế và mô phỏng cơ cấu Piston-Thanh truyền-Trục khuỷu động cơ 1NZ-FE với các mục đích:

- Dựng mô hình 3D về các chi tiết của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền piston bằng các thông số đã có và đã tính toán được.

- Thể hiện quá trình lắp ráp cơ cấu trục khuỷu thanh truyền piston trong môi trường Assembly của SOLIDWORKS.

3.2.2. Phương pháp

 Để thiết kế và mô phỏng 3D cơ cấu piston - thanh truyền - trục khuỷu động cơ 1NZ-FE ta dùng các phương pháp:

- Từ những thông số đã có, ta bắt đầu bằng những đường cơ sở khác nhau từ môi trường Sketch 2D cơ bản rồi từ đó xuất sang 3D để sử dụng những công cụ sẵn có thiết lập lên mô hình 3D.

- Sử dụng các công cụ lắp ghép ràng buộc Mate trong môi trường Assembly để lắp ghép các chi tiết vào với nhau. Từ đó ta được một cơ cấu piston – thanh truyền – trục khuỷu hoàn chỉnh.

3.2.4. Thiết kế 3D nhóm thanh truyền động cơ 1NZ-FE

Trong môi trường Part Design ta sử dụng các chức năng như Sketch, Extruded Boss/Base, Extruded Cut, Mirror… để thiết kế thanh truyền theo các bước sau:

- Bước 1: Tạo biên dạng thanh truyền từ các kích thước ban đầu, dùng lệnh Sketch để tạo khối từ biên dạng trong môi trường 2D, sau đó dùng lệch Extruded Boss/Base, để tạo bề dày thân thanh truyền.

- Bước 3: Tạo tiết diện hình chữ I cho thân thanh truyền – sử dụng lệnh Extruded Cut để tạo tiết diện chữ I cho thân thanh truyền, sau đó Mirror qua mặt phẳng Front

- Bước 5: Dùng lệnh Fillet đề bo cong các cạnh của thanh truyền.

- Bước 6: Trong một Part Design khác sử dụng các lệnh Sketch, Extruded Boss/Base, Extruded Cut, Mirror để tạo nắp đầu to thanh truyền, bạc lót và bu long thanh truyền theo các kích thước đã có. 

3.2.6. Mô phỏng động học cơ cấu piston-thanh truyền-trục khuỷu động cơ

 Để hiểu rõ hơn về quá trình hoạt động, thứ tự làm việc của cơ cấu piston-thanh truyền-trục khuỷu trong động cơ thì chúng ta tiến hành lắp ráp và mô phỏng cơ cấu trong môi trường Assembly Design và Digital Mockup.

3.2.6.1. Lắp ráp cơ cấu piston-thanh truyền-trục khuỷu động cơ 1NZ-FE trong SOLIDWORKS

Trong môi trường Assembly cung cấp những công cụ để ràng buộc các đối tượng trong cơ cấu như:

+ Insert component : Nhập file part design chứa đối tượng cần lắp vào môi trường Assembly Design.

+ Mate: Thực hiện ràng buộc.

3.2.6.2. Mô phỏng quá trình hoạt động của cơ cấu trong môi trường Motion Study

Sau khi hoàn thành quá trình lắp ráp cơ cấu từ môi trường Assembly Design tiến hành mô phỏng quá trình hoạt động của cơ cấu trong môi trường Motion Study.

Trong môi trường Motion Study cung cấp cho người thiết kế những công cụ có chức năng nhiệm vụ riêng nhằm ràng buộc những chuyển động theo quy luật của cơ cấu. 

3.3. Tính toán kiểm nghiệm cơ cấu trục khuỷu thanh truyền động cơ xăng khi tăng áp

3.3.1. Xây dựng mô hình động cơ 1NZ_FE khi chưa tăng áp và tăng áp

a. Thiết lập mô hình động cơ 1NZ-FE trên AVL-Boost

Việc tính toán mô phỏng các thông số của động cơ trên phần mềm AVL-Boost được thực hiện trên mô hình mô phỏng động cơ được thành lập trên phần mềm này. Do đó, bài toán mô phỏng sẽ trải qua các bước sau:

- Thiết lập mô hình: gồm việc định nghĩa các phần tử rồi kết nối chúng với nhau;

- Lựa chọn thuật toán và nhập các dữ liệu điều kiện biên và điều kiện đầu liên quan vào mô hình mô phỏng;

b. Nhập dữ liệu cho mô hình

Các thông số dữ liệu cơ bản nhập cho mô hình như thể hiện trong bảng 3.2 dưới đây.

Đồ thị Hình 3.12 cho thấy kết quả tính toán mô phỏng công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ ở đường đặc tính ngoài với số liệu catalog của hãng. Đồ thị cho thấy sự sai lệch lớn nhất giữa công suất tính toán và số liệu đo là 4,7% tại tốc độ 4000v/ph và sai lệch trung bình 3,5% trên toàn dải tốc độ của động cơ. Suất tiêu thụ nhiên liệu mô phỏng có sai lệch lớn nhất 5,3% so với nhà sản xuất và sai lệch trung bình 3,26% trên toàn dải tốc độ.

3.3.2. Khai báo lực trên trục khuỷu

- Bước 1: Mở môi trường “Transient Structural”

- Bước 3: Chia lưới mô hình 3D

(Chia lưới ở dạng Tetrahedrons vì đây là dạng dễ quan sát và kiểm nghiệm đối với chi tiết nhiều khối như trục khuỷu)

- Bước 6: Xuất kết quả và xuất các biểu đồ

3.3.4. Khai báo lực trên Thanh truyền

- Bước 1: Mở môi trường “Transient Structural”

- Bước 3: Chia lưới mô hình 3D (chia ở dạng Automatic)

- Bước 5: Khai báo lực ma sát tác dụng lên piston

3.4. Kết quả kiểm nghiệm cơ cấu trục khuỷu thanh truyền động cơ xăng qua phần mềm Ansys

3.4.1. Kết quả kiểm nghiệm trục khuỷu

+ Trường hợp 1: Tốc độ động cơ 4200 vg/ph

+ Trường hợp 2: Tốc độ động cơ 4200 vg/ph sau khi thay đổi

+ Trường hợp 3: Tốc độ động cơ 6000 vg/ph

+ Trường hợp 4: Tốc độ động cơ 6000 vg/ph sau khi thay đổi

* Nhận xét: Sự phân bố ứng suất diễn ra trên trục khuỷu ở các tốc độ động cơ sau khi thay đổi đều tăng lên được thể hiện qua bảng 3.10. Các vùng ứng suất lớn nhất chủ yếu xuất hiện tại nơi tiếp xúc giữa má khuỷu và chốt khuỷu, giữa má khuỷu và cổ khuỷu. Tuy nhiên, các giá trị ứng suất tính toán vẫn nằm trong giới hạn ứng suất cho phép của thép hợp kim.

3.4.2. Kết quả kiểm nghiệm piston

* Nhận xét: Sự phân bố ứng suất diễn ra trên piston ở các tốc độ động cơ sau khi thay đổi từ 0,002MPa đến 6,92MPa được thể hiện qua bảng 3.11. Các vùng ứng suất lớn nhất chủ yếu xuất hiện tại đỉnh piston, và các rãnh xéc măng. Tại vị trí đỉnh piston có sự phân bố ứng suất từ 1,1MPa đến 3,3MPa.

3.4.3. Kết quả kiểm nghiệm thanh truyền

* Nhận xét: Kết quả ứng suất tính toán max là 0,02MPa nằm trong giới hạn cho phép của thép cacbon. Vùng ứng suất nguy hiểm tập trung chủ yếu tại các đầu của thanh truyền. Vị trí kết nối giữa đầu thanh truyền và thân thanh truyền là vị trí ứng suất cao nhất dễ bị phá hủy nhất, có giá trị bằng 0,0207MPa. Để khắc phục sự nguy hiểm tại vị trí này ta cần tăng độ cứng của đầu thanh truyền và phần tiếp xúc với thân thanh truyền bằng cách tăng kích thước hoặc tôi cứng hoặc mạ Crom tại vị trí trên.

3.5. Kết luận chương 3

Quá trình thiết kế, kiểm nghiệm và khai báo các tác động lên cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền - pison đã cho ra các giá trị ứng suất biểu hiện qua các hình vẽ trên. Những vùng ứng suất nguy hiểm có khả năng gây phá hủy chi tiết được thể hiện rõ ràng qua hình ảnh và số liệu. Từ đó cho thấy hai phần mềm Solidwords và Ansys là những công cụ hỗ trợ rất hữu ích trong quá trình thực hiện đề tài này, cũng như trong công việc nghiên cứu phát triển linh kiện, sản phẩm cơ khí. 

KẾT LUẬN

Qua phần trình bày mô phỏng và tính toán cơ cấu khuỷu trục thanh truyền ở trên ta nhận thấy tầm quan trọng của việc ứng dụng các phần mềm trong thiết kế. Nó mang lại cho người thiết kế cách nhìn tổng quan và khả năng thiết kế chính xác các chi tiết và đồng thời kiểm tra bền chi tiết trên phần mềm Ansys giúp giảm bớt đi công đoạn thiết kế và chạy thử trước khi sản xuất. Tiết kiệm thời gian và công sức cho người thiết kế.

Trong đề tài này em đi sâu tìm hiểu kết cấu của nhóm khuỷu trục thanh truyền và phần mềm Solidworks. Trong đó phần tìm hiểu kết cấu nhóm trục khuỷu em nêu ra đặc điểm kết cấu của từng nhóm piston, trục khuỷu, thanh truyền. Tính toán bền cho cơ cấu khuỷu trục thanh truyền động cơ 1NZ-FE. Về phần mềm Ansys em đi sâu tìm hiểu tính năng của phần mềm và các ứng dụng của nó tạo điều kiện thiết kế và tính toán cho cơ cấu khuỷu trục thanh truyền động cơ 1NZ-FE.

Thông qua đồ án tốt nghiệp giúp em hiểu sâu hơn về tầm quan trọng của cơ cấu khuỷu trục thanh truyền, tính năng trợ giúp thiết kế của phần mềm Solidworks. Do thời gian hạn chế, nhiều phần chưa được trang bị trong thời gian học tập tại trường, nhất là phần tìm hiểu về Ansys để mô phỏng kiểm nghiệm cơ cấu. Em phải tự đọc tài liệu để nghiên cứu các chức năng và thiết kế chi tiết trong Ansys, tài liệu tham khảo còn hạn chế và chưa cập nhật đủ thông tin cần thiết nên đề tài vẫn còn hạn chế về mặt trình bày trong phương pháp mô phỏng, kiểm nghiệm. Qua đó nhận thấy bản thân em cần phải cố gắng học hỏi tìm tòi hơn nữa để đáp ứng yêu cầu của người cán bộ kỹ thuật trong thời đại “công nghệ ứng dụng” hiện nay.

Cũng qua quá trình tìm hiểu, nghiên cứu để thực hiện đề tài cùng với sự giúp đỡ nhiệt tình từ thầy giáo hướng dẫn đã có những định hướng cho em tiếp thu thêm một lượng kiến thức không nhỏ, nó giúp ích cho bản thân người thực hiện đề tài sau này khi ra trường tự tin hơn. Em xin chân thành cảm ơn các Thầy giáo trong khoa cơ khí đã giúp đỡ em tận tình để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Đinh Xuân Thành (2012), “Nghiên cứu giảm khí thải độc hại cho động cơ diesel tăng áp lắp trên xe buýt”, Luận án Tiến sỹ kỹ thuật, Đại học Bách khoa Hà Nội.

[2]. Donghee Han, Seung K. Han, Bong H. Han and Woo T. Kim, “Development of 2.0L Turbocharged DISI Engine for Downsizing Application”, SAE paper No. 2007-01-0259.

[3]. William P. Attard, Steven Konidaris, Elisa Toulson and Harry C. Watson, “The Feasibility of Downsizing a 1.25 Liter Normally Aspirated Engine to a 0.43 Liter Highly Turbocharged Engine”, SAE paper No. 2007-24-0083.

[4]. Grant Lumsden, Dave OudeNijeweme, Neil Fraser and Hugh Blaxill, “Development of a Turbocharged Direct Injection Downsizing Demonstrator Engine”, SAE paper No. 2009-01-1503.

[5]. Võ Nghĩa, Lê Anh Tuấn (2004), “Tăng áp Động cơ đốt trong”, NXB KH&KT Hà Nội.

[6]. Nguyễn Tất Tiến (2000), “Nguyên Lý Động Cơ Đốt Trong”, Hà Nội: NXB Giáo dục.

"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"