BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
NGUYỄN BÁ HỮU NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH TRƯỜNG ỨNG SUẤT TRONG TRỤC
KHUỶU ĐỘNG CƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

Chuyên ngành: Kỹ thuật tầu thủy
Mã số: 60 52 32
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT


Nguyễn Bá Hữu
MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC BẢNG
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU
Chương 1: TỔNG QUAN 1

3.2.3. Tính các thông số động học và động lực học cơ cấu trục khuỷu – thanh
truyền theo phương pháp giải tích véc tơ 34
3.2.4. So sánh kết quả tính bằng ADAMS và phương pháp giải tích véc tơ 39
3.3. TÍNH LỰC KHÍ THỂ 44
3.3.1. Tính lực khí thể tác dụng lên đỉnh piston bằng phần mềm ADAMS 44
3.3.2. Tính lực khí thể theo lý thuyết 46
3.3.3. So sánh kết quả tính lực khí thể bằng ADAMS và lý thuyết 48
3.4. TÍNH LỰC TÁC DỤNG LÊN CỔ KHUỶU 48
3.4.1. Lực tác dụng lên cổ khuỷu tính được bằng phần mềm ADAMS/Engine 49
3.4.2. Lực tác dụng lên cổ khuỷu tính được bằng lý thuyết 50
3.4.3. So sánh lực tổng tác dụng lên cổ khuỷu tính bằng ADAMS và
MATLAB 52
3.5. XÁC ĐỊNH TRƯỜNG ỨNG SUẤT TRỤC KHUỶU ĐỘNG CƠ D12 53
3.5.1. Chọn mô hình tính toán trục khuỷu 53
3.5.2. Trình tự tính 53
3.6. KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH TRƯỜNG ỨNG SUẤT 56
3.6.1. Kết quả tính ứng suất ở số vòng quay 2000 vòng/phút 56
3.6.2. Kết quả tính trường ứng suất ở tốc độ quay 2200 vòng/phút 57
3.6.3. Kết quả tính trường ứng suất ở tốc độ 2400 vòng/phút 58
3.7. THẢO LUẬN: Chương 4 61
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 61
4.1. KẾT LUẬN 61
4.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 61
PHỤ LỤC
LỜI NÓI ĐẦU
Trục khuỷu là một trong những chi tiết quan trọng, chịu tải nặng nề chế tạo khó
khăn nhất trong các chi tiết của động cơ, nó có hình học phức tạp và làm việc trong

Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của: Quí thầy cô giáo trong khoa Kỹ thuật
Giao thông, Trường Đại học Nha Trang, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp luôn động
viên, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian tôi thực hiện đề tài.
Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn!
Nha Trang, ngày ……tháng ……năm 2012
Học Viên Nguyễn Bá Hữu

Gia tốc của trọng tâm thanh truyền theo phương X
4

ry
a
Gia tốc của trọng tâm thanh truyền theo phương Y
5

d
Đường kính cổ chính trục khuỷu
6

ck
d

Đường kính cổ trục khuỷu
7

1
d

Đường kính đầu lớn thanh truyền
8

2
d

Đường kính đầu nhỏ thanh truyền
9


F
Tổng lực tác dụng lên chốt piston theo phương X
15

x
F
Lực tác dụng theo chu kỳ lên cổ khuỷu theo phương X
16

y
F
Lực tác dụng theo chu kỳ lên cổ khuỷu theo phương Y
17

xx
I
Mô men quán tính theo phương X của trọng tâm thanh truyền
18

yy
I
Mô men quán tính theo phương Y của trọng tâm thanh truyền
19

zz
I
Mô men quán tính theo phương Z của trọng tâm thanh truyền
20

xy

l
Chiều cao piston
27

p
m
Khối lượng cụm piston
28

r
m
Khối lượng thanh truyền
29

n
Tốc độ quay định mức
30

e
N
Công suất động cơ
31

1
n
Chỉ số nén đa biến trung bình
32

2
n

c
P
Áp suất cuối quá trình nén
39

a
P
Áp suất cuối quá trình nạp
40

b
P
Áp suất cuối quá trình giãn nở
41

r
P
Áp suất cuối quá trình thải
42

g
r
Vị trí trọng tâm thanh truyền
43

gx
r
Vị trí trọng tâm thanh truyền theo phương X
44


gy
V
Vận tốc của trọng tâm thanh truyền theo phương Y
51

px
V
Vận tốc của piston theo phương X
52

1
α
Gia tốc góc của trục khuỷu
53

2
α
Gia tốc góc của thanh truyền
54

xs
α
Góc xu páp xả mở sớm
55

β
Góc quay thanh truyền
56

Z


λ
Hệ số tăng áp suất
64

ψ
Hệ số tổn thất hành trình lớn nhất do trao đổi khí
65

(
)
z
ψ
Hệ số tổn thất hành trình do trao đổi khí khi piston tại điểm z(vị trí P
z
)
66

δ
Hệ số tổn thất hành trình theo góc quay trục khuỷu
67

ρ
Tỉ số giãn nở khi cháy
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Tên bảng Trang
Bảng 2.1. Bảng giá trị áp suất trên đường cong nén 14
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Tên hình vẽ, đồ thị Trang

Hình 1.1. Mô hình nghiên cứu trục khuỷu động cơ V8 (Jenson, 1970) 7
Hình 1.2. Vị trí gắn thiết bị đo tải uốn và xoắn trên các phần quan trọng của trục khuỷu
(Jenson, 1970) 7
Hình 1.3. Đồ thị tải tác dụng lên trục khuỷu (Jenson, 1970) 8
Hình 1.4. Mô hình phần tử hữu hạn trên trục khuỷu - bánh đà trong phân tích (Moure
latos, 1995) 9
Hình 1.5. Mô hình phần tử hữu hạn trục khuỷu trong phân tích 3D của Henry (1992) 9
Hình 1.6. Mô hình phần tử hữu hạn trong phân tích trục khuỷu Chien (2005) 10
Hình 1.7. Mô hình khối phần tử hữu hạn (SFEM) và mô hình thanh - khối lượng phần tử hữu
hạn (BMM) của trục khuỷu động cơ diesel một dãy 6 xylanh (Lê Trung Dũng, 1999) 11
Hình 2.1. Các thông số cơ cấu trục khuỷu thanh truyền 15
Hình 2.2: Mô hình tính kết cấu trục khuỷu 19
Hình 2.3: Tải phân bố trên cổ khuỷu 21
Hình 2.4: Phần tử solid 186 23
Hình 3.1: Mô hình cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền động cơ D12 trong ADAMS 28

Hình 3.17: Vận tốc dài thanh truyền theo phương X ở tốc độ quay 2200 vòng/phút tính
bằng phương pháp giải tích véc tơ 34
Hình 3.18: Vận tốc dài thanh truyền theo phương X ở tốc độ quay 2400 vòng/phút tính
bằng phương pháp giải tích véc tơ 35
Hình 3.19: Gia tốc dài thanh truyền theo phương X ở tốc độ quay 2000 vòng/phút tính
bằng phương pháp giải tích véc tơ 35
Hình 3.20: Gia tốc dài thanh truyền theo phương X ở tốc độ quay 2200 vòng/phút tính
bằng phương pháp giải tích véc tơ 35
Hình 3.21: Gia tốc dài thanh truyền theo phương X ở tốc độ quay 2400 vòng/phút tính
bằng phương pháp giải tích véc tơ 36
Hình 3.22: Vận tốc piston ở tốc độ quay 2000 vòng/phút tính 36
bằng phương pháp giải tích véc tơ 36
Hình 3.23: Vận tốc piston ở tốc độ quay 2200 vòng/phút tính 36
bằng phương pháp giải tích véc tơ 36
Hình 3.24: Vận tốc piston ở tốc độ quay 2400 vòng/phút tính 37

bằng phương pháp giải tích véc tơ 37
Hình 3.25: Gia tốc piston ở tốc độ quay 2000 vòng/phút tính 37
bằng phương pháp giải tích véc tơ 37
Hình 3.26: Gia tốc piston ở tốc độ quay 2200 vòng/phút tính 37
bằng phương pháp giải tích véc tơ 37
Hình 3.27: Gia tốc piston ở tốc độ quay 2400 vòng/phút tính 38
bằng phương pháp giải tích véc tơ 38
Hình 3.28: Lực tác dụng lên cổ khuỷu theo phương X ở tốc độ quay 2400 vòng/phút
tính bằng phương pháp giải tích véc tơ 38
Hình 3.29: Lực tác dụng lên cổ khuỷu theo phương Y ở tốc độ quay 2400 vòng/phút
tính bằng phương pháp giải tích véc tơ 38
Hình 3.30: So sánh vận tốc dài thanh truyền ở tốc độ quay 2000 vòng/phút 39
Hình 3.31: So sánh vận tốc dài thanh truyền ở tốc độ quay 2200 vòng/phút 39
Hình 3.32: So sánh vận tốc dài thanh truyền ở tốc độ quay 2400 vòng/phút 40

Hình 3.54: Lực tác dụng lên cổ khuỷu ở tốc độ quay 2400 vòng/phút tính bằng
MATLAB 51
Hình 3.55: So sánh lực tác dụng lên cổ khuỷu ở số vòng quay 2000 vòng/phút theo
ADAMS và MATLAB 52
Hình 3.56: So sánh lực tác dụng lên cổ khuỷu ở số vòng quay 2200 vòng/phút theo
ADAMS và MATLAB 52
Hình 3.57: So sánh lực tác dụng lên cổ khuỷu ở số vòng quay 2400 vòng/phút theo
ADAMS và MATLAB 53
Hình 3.58: Mô hình hình học và mô hình phần tử hữu hạn trong ANSYS 54
Hình 3.59: Chọn kích thước phần tử trong chia lưới 54
Hình 3.60: Mô hình phần tử hữu hạn trục khuỷu động cơ D12 54
Hình 3.61: Áp đặt điều kiện biên 55
Hình 3.62: Áp đặt điều kiện biên và tải 56
Hình 3.63: Trường ứng suất tương đương von Mises ở tốc độ quay 2000 vòng/phút 56
Hình 3.64: Chuyển vị tổng (mm) ở tốc độ quay 2000 vòng/phút 57
Hình 3.65: Biến dạng theo phương X ở tốc độ quay 2000 vòng/phút 57
Hình 3.66: Trường ứng suất tương đương von Mises ở tốc độ quay 2200 vòng/phút 57
Hình 3.67: Chuyển vị tổng (mm) ở tốc độ quay 2200 vòng/phút 58
Hình 3.68: Biến dạng theo phương X ở tốc độ quay 2200 vòng/phút 58
Hình 3.69: Trường ứng suất tương đương von Mises ở tốc độ quay 2400 vòng/phút 58
Hình 3.70: Chuyển vị tổng (mm) ở tốc độ quay 2400 vòng/phút 59
Hình 3.71: Biến dạng theo phương X ở tốc độ quay 2400 vòng/phút 59

MỞ ĐẦU
Trục khuỷu là một trong những chi tiết quan trọng, chịu tải nặng nề, chế tạo khó
khăn nhất trong các chi tiết của động cơ. Nó có hình học phức tạp và làm việc trong
điều kiện chịu tác động của các loại tải động trong suốt quá trình khai thác động cơ.

ra đến mức nhỏ nhất.
Vì vậy việc xác định một cách chính xác ứng suất trong trục khuỷu là rất cần
thiết làm cơ sở cho việc đánh giá độ bền mỏi và tối ưu hóa kết cấu trục khuỷu góp
phần nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ của trục khuỷu nói riêng và động cơ nói chung,
đảm bảo an toàn khi khai thác động cơ.
1

Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. VẬT LIỆU VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO TRỤC KHUỶU
1.1.1. Vật liệu
Do trục khuỷu có hình dạng đặc biệt nên nó có quan hệ chặt chẽ với việc chọn
đúng loại vật liệu và dùng phương pháp thích hợp để chế tạo ra chúng. Trục khuỷu là
bộ phận quan trọng, chịu tác động của nhiều yếu tố lực phức tạp và có tính chu kỳ vì
vậy phải dùng các loại vật liệu có các chỉ tiêu độ bền cao. Loại vật liệu thường dùng để
chế tạo trục khuỷu hiện nay là thép các-bon có thành phần các-bon trung bình như các
loại thép 40 - 50. Trong các động cơ tốc độ cao hoặc phụ tải lớn thường dùng thép hợp
kim măng gan hoặc thép hợp kim Niken-Crôm. Thông thường các loại thép 30, 40, 45,
50, dùng để chế tạo trục khuỷu của động cơ tàu thủy và tĩnh tại, các loại thép 40XH,
20XMA, thường dùng để chế tạo trục khuỷu động cơ tàu thủy và tĩnh tại tốc độ cao,
trục khuỷu của động cơ ô tô máy kéo thường chế tạo bằng các loại thép 40, 45, 50
Γ
,
40X, trục khuỷu của động cơ tốc độ cao thường cường hóa, yêu cầu trọng lượng nhỏ
gọn, ngoài các loại thép hợp kim kể trên ra còn thường dùng các loại thép hợp kim qúy
như các loại thép 30XMA, 40XH, 18XBHA, 50XHMA, ở châu Âu trục khuỷu của
động cơ đốt trong thường được chế tạo bằng hợp kim crom-niken, còn ở châu Mỹ thường

trong khi chế tạo động cơ người ta không qui định loại vật liệu chế tạo trục khuỷu mà
chỉ qui định độ bền, tiêu chuẩn độ bền cần thiết, qui định toàn bộ đặc tính các tính chất
cơ học của vật liệu, xác định theo giới hạn chảy. Dựa trên các tiêu chuẩn độ bền do
nhà máy luyện kim qui định, tùy theo các kích thước của trục và tiết diện của phôi rèn
người ta chọn loại thép thích hợp. Trong thời gian gần đây các loại trục khuỷu thường
được đúc bằng gang graphit cầu, ta có được các sản phẩm đúc bằng gang graphit cầu
bằng cách thấm vào gang nấu chảy các phụ chất của magiê hay các chất pha đặc biệt
khác, so với thép việc sử dụng gang graphit cầu để chế tạo trục khuỷu mang lại rất
nhiều ưu điểm:
- Giảm được giá thành chế tạo do chi phí về vật liệu giảm và thời gian gia công
cũng giảm đáng kể.
- Có khả năng sử dụng được những hình dáng kết cấu hợp lý nhất của trục
khuỷu, cho phép giảm tập trung ứng suất và tăng độ bền của trục khuỷu.
- Nâng cao tính chống mòn của cổ trục nhờ trong gang có pha graphit và khả
năng bôi trơn bằng dầu của bề mặt cổ trục được tốt hơn.
- Nâng cao tính tin cậy của trục khuỷu nhờ gang có độ dai khi chịu tải trọng có
chu kỳ tương đối cao và độ nhạy cảm đối với tập trung ứng suất nhỏ hơn thép.
- Khả năng gia công tốt với độ cứng HB
≤
265.
Bên cạnh những ưu điểm trên trục khuỷu đúc bằng gang cũng có nhược điểm:
- Tính cơ học thấp hơn thép rèn.
- Khó phát hiện được những khuyết tật trong lòng phôi đúc. 3

1.1.2. Công nghệ chế tạo
Độ bền của trục khuỷu không chỉ phụ thuộc vào vật liệu chế tạo mà nó phụ
thuộc rất nhiều vào công nghệ chế tạo ra nó. Có thể nâng cao độ bền trục khuỷu chủ


ba cho đến sáu lần.
- Tính công nghệ: Việc áp dụng các nguyên công nhiệt luyện sơ bộ trước khi
gia công làm cho kim loại và hợp kim có độ mềm dẻo cao, thuận tiện cho gia công cơ
khí, cải thiện đáng kể công nghệ của vật liệu.
- Tính chất lý hóa đặc biệt: Nhờ có nhiệt luyện mà hợp kim có thể phát huy được
những tính chất lý hóa đặc biệt mà ở điều kiện bình thường không thể có được.
Công nghệ nhiệt luyện được chia thành: Nhiệt luyện sơ bộ và nhiệt luyện kết
thúc. Nhiệt luyện sơ bộ là công nghệ được thực hiện trước công đoạn gia công cơ khí
nhằm tạo cho vật liệu có cơ tính phù hợp với chế độ gia công, nó bao gồm ủ và thường
hóa. Nhiệt luyện kết thúc (hay còn gọi là nhiệt luyện hóa bền) là công nghệ cuối cùng
áp dụng cho mỗi chi tiết nhằm nâng cao độ cứng, độ bền, nó gồm có tôi và ram. Đối
với chi tiết trục khuỷu sau khi gia công cơ khí có hai nguyên công được sử dụng để
hóa bền chi tiết đó là tôi + ram cao và tôi cao tần + ram thấp. Sở dĩ phải thực hiện
thành hai bước vì trục khuỷu là chi tiết làm việc rất khắc nghiệt: chịu mô men xoắn,
mô men uốn lớn, chịu lực tập trung lớn và đổi chiều, chịu va đập mạnh, chịu ma sát,
chịu mài mòn. Nên trục khuỷu yêu cầu lõi phải dẻo dai, bề mặt cứng khi tôi + ram cao
sẽ cho tổ chức hoàn toàn xoocbit ram. Đây là tổ chức tương đối mềm độ cứng khoảng
25 HRC, độ bền giảm đi chút ít nhưng lại đạt được sự kết hợp tốt nhất của các chỉ tiêu
cơ tính: Độ bền, độ dẻo, độ dai. Đây là tổ chức rất phù hợp để làm lõi của chi tiết. Để
bề mặt có độ thấm tôi sâu 2,5 ÷ 4,5 mm mà không làm biến đổi tổ chức của lõi ta cần
phải tôi cao tần với nguồn điện có tần số trong khoảng 2500 ÷ 8000 H
Z
. Khi tôi cao
tần + ram thấp sẽ cho tổ chức mactenxit ram. Đây là tổ chức có độ cứng rất cao
khoảng 56 ÷ 58 HRC, đồng thời ứng suất sau khi tôi được giảm đi đáng kể do có tính
dẻo dai tốt hơn, khó bị phá hủy giòn hơn. Nếu vì lý do nào đó cần thay thế, vật liệu
khác C45 ta có thể sử dụng thép 40X vì chúng có cơ tính cũng như các chế độ nhiệt
luyện tương tự nhau.
1.2. ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC VÀ CÁC DẠNG HỎNG CỦA TRỤC KHUỶU

- Do chế tạo chi tiết không đúng, lắp đặt sai, các khe hở không đúng giữa cổ trục
và bạc lót.
- Hư hỏng do sửa chữa không đúng gây ra tiếng kêu khi hoạt động, các cổ trục
không nằm trên đường thẳng do đó nó gây ra ứng suất tập trung cao.
1.2.2. Các dạng hỏng của trục khuỷu
a) Hư hỏng trục khuỷu có quy luật
Trong quá trình làm việc trục khuỷu hư hỏng tùy thuộc vào từng loại động cơ. Ở
động cơ một xy-lanh lượng hao mòn cổ chính bằng một nửa hao mòn cổ biên, ở động
cơ nhiều xy-lanh cổ trục giữa thường mòn nhiều hơn các cổ biên, ở vị trí tiếp xúc với
6

bạc nếu có hạt mài thì hạt mài đọng lại gây ra mòn ở giữa nhiều hơn, hao mòn nhiều
hay ít phụ thuộc chủ yếu vào tác dụng có chu kỳ của áp lực khí thể và thời gian làm
việc nhiều hay ít của động cơ. Hao mòn ở động cơ xăng và diesel khác nhau do đồ thị
phụ tải hai loại động cơ này khác nhau.
b) Hư hỏng trục khuỷu không có quy luật
Hư hỏng không bình thường do các dạng kết cấu đặc biệt của trục khuỷu. Do
thanh truyền chế tạo lệch tâm nên lực phân bố không đều dẫn đến mòn không đều, vị
trí lỗ khoan dầu cũng ảnh hưởng đến quá trình mòn của trục.
c) Hư hỏng trục khuỷu do mỏi
Trục khuỷu là bộ phận có cấu tạo phức tạp và chịu tác dụng của các loại tải động
theo chu kỳ nên lâu ngày rất dễ hình thành các vết nứt tế vi ở những nơi tập trung ứng
suất lớn, như vị trí các góc lượn, cạnh các lỗ dẫn dầu, các vết nứt tế vi dần dần phát
triển lớn lên đến một lúc nào đó sẽ làm gãy trục. Trong quá trình sửa chữa không
đúng, không có góc lượn hoặc góc lượn không đúng, do lắp ráp các cổ trục không
đồng tâm gây ra tải trọng phụ trong quá trình hoạt động của trục khuỷu, ngoài các
nguyên nhân cơ bản trên nếu chúng ta vận hành động cơ không tốt như thường xuyên
tăng tải đột ngột, ép động cơ luôn làm việc thường xuyên quá tải đó cũng là những
nguyên nhân dẫn đến hư hỏng trục khuỷu.
1.3. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

hoàn chỉnh của động cơ, trong nghiên cứu này dựa trên phân tích bằng phương pháp
phần tử hữu hạn.
9Hình 1.4. Mô hình phần tử hữu hạn trên trục khuỷu - bánh đà trong phân tích (Moure
latos, 1995)
Uchida và Hara (1984) dùng phần tử hữu hạn để nghiên cứu động cơ V6
0
60
đã
thu được ứng suất ở các góc lượn từ đó thiết kế để giảm chiều dài bán kính má khuỷu
và giảm độ dày má khuỷu giữa cổ chính và cổ khuỷu. Henry và cộng sự (1992) đã
nghiên cứu độ bền và tính toán độ bền mỏi của trục khuỷu phân tích trên mô hình 3D.

Hình 1.5. Mô hình phần tử hữu hạn trục khuỷu trong phân tích 3D của Henry (1992)
Guagliano (1993) tính toán hệ số ứng suất tập trung trong trục khuỷu động cơ
diesel, kiểm tra thực nghiệm ứng suất tập trung ở những vị trí góc lượn, tính toán trên
mô hình 3D được thực hiện theo đặc tính đàn hồi tuyến tính của vật liệu và các điều
kiện tải khác nhau, tính toán cho kết quả tương đối chính xác giữa tính toán theo lý
10

thuyết và thực nghiệm. Chien và cộng sự (2005) ghiên cứu ảnh hưởng của ứng suất dư
đến độ bền mỏi của trục khuỷu, sự tập trung ứng suất gần góc lượn được phân tích
bằng phần tử hữu hạn dùng mô hình 2D trong phần mềm ABAQUS.

Hình 1.6. Mô hình phần tử hữu hạn trong phân tích trục khuỷu Chien (2005)
1.3.2. Trong nước
Trong nước có công trình nghiên cứu của tác giả Lê Trung Dũng (1999) đề cập
đến phương pháp nghiên cứu động lực học của thanh truyền động cơ đốt trong bằng