NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
Họ tên : Nguyễn Viết HơnLớp: 49KTOT
Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật Ô Tô Mã ngành:
Tên đề tài : Nghiên cứu ảnh hưởng của kết cấu piston đến trạng thái bôi trơn, ma
sát, tiếng gõ, sự làm việc của hệ thống trao đổi khí của động cơ
Số trang: 94 Số chương: 4 Tài liệu tham khảo:20
Hiện vật: Một Piston, ba quyển báo cáo và một CD chứa nội dung đề tài .......................
............................................................................................................................................
Nhận xét
.....................................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................................
Kết luận: ...................................................................................................................
...................................................................................................................................
...................................................................................................................................
Nha trang, ngày… tháng … năm 2011
Cán bộ hướng dẫn
(Kí và ghi rõ họ tên)
Nha trang, ngày… tháng … năm 2011
Cán bộ phản biện
(Kí và ghi rõ họ tên)
Điểm chung
Bằng số Bằng chữ -i-
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành đồ án này, trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn tới TS Lê Bá Khang đã
tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập và thực hiện Đồ án.
Em chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Văn Nhận, Ths. Huỳnh Trọng Chương, GV
Trần Ngọc Anh đã giúp đỡ em.
Xin chân thành cảm ơn Phó giám đốc Võ Tá Dũng - Công ty Sao Mai Anh đã tạo điều
kiện thuận lợi để em thực hiện khảo sát các số liệu thực tế phục vụ Đồ án tốt nghiệp.
1.2.1. Cơ cấu truyền lực.......................................................................................... 4
1.2.2. Hệ thống trao đổi khí.................................................................................... 6
1.2.3. Hệ thống bôi trơn.......................................................................................... 6
1.3. MA SÁT, BÔI TRƠN TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG.......................7
1.3.1. Tổng quan ma sát, bôi trơn trong động cơ đốt trong....................................7
1.3.2. Ma sát trong hệ piston xilanh ....................................................................... 9
1.3.3. Các nhân tố ảnh hưởng đến ma sát, bôi trơn trong cặp tiếp xúc váy
piston-xilanh. ........................................................................................................ 14
Chương 2 ............................................................................................................. 17
ĐỘNG LỰC HỌC NHÓM PISTON THANH TRUYỀN KHI NGHIÊN
CỨU PISTON CHUYỂN ĐỘNG PHỤ .......................................................... 17
2.1. GIỚI THIỆU................................................................................................ 17
2.1.1. Giới thiệu.................................................................................................... 17
2.1.2. Các nhân tố ảnh hưởng đến chuyển động phụ. ..........................................19
2.2. ĐỘNG LỰC HỌC PISTON ....................................................................... 19
-iii-
2.2.1. Phương trình cân bằng lực và mô men tác động lên piston. ...................... 19
2.2.2. Lực dọc và lực ma sát của vòng găng-piston, F
Q
, F
R
. ................................ 23
2.2.3. Mô men ma sát. .......................................................................................... 23
2.2.4. Lực tác động từ xilanh F
T
, F
A
..................................................................... 24
2.2.5. Ma sát váy-xilanh F
.......................................................76
3.4.2. Kết quả khảo sát từ mô hình của Alessandro Ruggiero và Adolfo
enatore. ................................................................................................................. 78
Chương 4 ............................................................................................................. 82
KẾT LUẬN, ĐỀ XUẤT ..................................................................................... 82
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 83
PHỤ LỤC ............................................................................................................ 85
-iv-
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Kết cấu động cơ diesel hai kỳ................................................................3
Hình 1.2: Cơ cấu truyền lực ................................................................................... 4
Hình 1.3: Cơ cấu phân phối khí trong động cơ xăng V6 1G-FE............................ 6
Hình 1.4: Đường cong stribeck ............................................................................. 8
Hình 1.5 Phần trăm các thành phần của tổn thất ma sát......................................... 8
Hình 1.6: Thể hiện thành phần tổn thất ma sát ở cụm piston
vòng găng, thanh truyền ......................................................................................... 9
Hình 1.7: Hệ piston, xilanh, thanh truyền ............................................................ 9
Hình 1.8: Điều kiện bôi trơn ở vòng găng ........................................................... 10
Hình 1.9: Các kiểu bôi trơn hình thành trong hệ piston xilanh ...........................10
Hình 1.10: Bôi trơn thủy động giữa váy và xilanh ..............................................11
Hình 1.11: Đường cong stribeck ......................................................................... 14
Hình 2.1: Các thông số mô tả chuyển động phụ ................................................. 17
Hình 2.2: Chuyển động ngang của piston ........................................................... 18
Hình 2.3: Lực bên từ chốt đến váy piston ........................................................... 18
Hình 2.4: Lực và mô men tác động lên piston .................................................... 19
Hình 2.5: Chuyển vị của piston theo phương ngang ........................................... 22
Hình 3.1: Piston không có độ lệch ắc và có độ lệch ắc .......................................28
Hình 3.2: Dụng cụ đo ........................................................................................... 29
Hình 3.3: Tiến hành đo......................................................................................... 29
Hình 3.29: Thiết bị đo mức tiêu thụ dầu bôi trơn.................................................55
Hình 3.30: Các kiểu biên dạng của piston ........................................................... 55
Hình 3.31: Thể hiện sự so sánh khu vực ướt của hai loại biên dạng khác nhau .56
Hình 3.32: So sánh áp suất phân bố trên hai biên dạng .......................................57
Hình 3.33: Diện tích ướt theo góc quay trục khuỷu của các loại biên dạng .......57
Hình 3.34: Biên dạng với sự phân tách nhỏ nhất giữa váy và xilanh .................. 58
Hình 3.35: Lực tiếp xúc bên phía va đập của xianh ............................................ 59
Hình 3.36: Đường cong Stribeck .........................................................................59
Hình 3.37: Thông số hình học của vòng găng ..................................................... 60
Hình 3.38: Các biên dạng váy được khảo sát ...................................................... 61
Hình 3.39: Cửa sổ quan sát màng dầu trên xilanh ............................................... 61
Hình 3.40: Kết quả lực ma sát của các biên dạng theo góc quay ........................ 62
Hình 3.41: Lực ma sát và tổn thất ma sát trong suốt hành trình nạp ...................63
Hình 3.42: Hình ảnh loang dầu ở các loại biên dạng trong kì nạp ......................63
Hình 3.43: Lực ma sát và tổn thất ma sát trong hành trình nén ..........................64
-vi-
Hình 3.44: Hình ảnh loang dầu ở các loại biên dạng trong kì nén ......................65
Hình 3.45: Lực ma sát và tổn thất ma sát trong hành trình giãn nở .................... 66
Hình 3.46: Hình ảnh loang dầu ở các loại biên dạng trong kì giãn nở ................ 67
Hình 3.47: Thể hiện lực ma sát và tổn thất ma sát trong suốt hành trình xả........ 68
Hình 3.48: Hình ảnh loang dầu ở các loại biên dạng trong kì xả ........................69
Hình 3.49: Ảnh hưởng của biên dạng đến ma sát ............................................... 70
Hình 3.50: Tiếng ồn của các loại biên dạng ........................................................70
Hinh 3.51: Piston có biên dạng ovan ................................................................... 71
Hình 3.52: Mặt cắt ngang của piston thể hiện các độ ovan khác nhau ............... 72
Hình 3.53: Độ ovan khác nhau ảnh hưởng đến tổn thất ma sát ........................... 73
Hình 3.54: Ma sát thủy động với độ ovan ........................................................... 73
Hình 3.55: Ảnh hưởng của các độ ovan đến chuyển động bên............................ 74
Hình 3.56: Thể hiện lực tương tác giữa váy và xilanh ........................................ 74
Hình 3.57: Hình ảnh đường đi của piston trong một chu trình ............................ 76
Bảng 3.2: Thông số kĩ thuật của động Waukesha ........................................................54
Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật chính của động cơ ..........................................................60
Bảng 3.4: Thông số của piston .....................................................................................60
Bảng 3.5: Điều kiện thực nghiệm..................................................................................61
Bảng 3.6: Thông số hình học và dữ liệu hoạt động cho mô hình .................................79
-viii-
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU
a- khoảng cách từ đỉnh váy đến tâm chốt.
F
fA
,F
fT
- lực ma sát giữa váy piston với xilanh.
l
F
- lực tác dụng thanh truyền.
F
g
- lực khí thể.
F
IC
, F
IP
- lực quán tính theo phương ngang tác động lên chốt và trọng tâm của
piston.
IC
F
,
IP
F
- lực quán tính tác động theo phương thẳng đứng lên chốt và trọng tâm.
F
FTh
- lực ma sát thủy động
F
Qj
- lực dọc giữa piston và vòng găng
F
- áp suất tiếp xúc cục bộ.
R
p
- bán kính chốt piston.
U- tốc độ piston
W
r
- bề rộng theo mặt cắt hướng kính
V
S
- thể tích công tác
β-hệ số phụ thuộc vào diện tích của màng dầu treeb váy piston.
µ
ring-piston
hệ số ma sát giữa piston và vòng găng.
Φ- độ nghiêng của piston
Φ
x
, Φ
y
- các nhân tố áp suất dòng.
Φ
s
- nhân tố dòng chảy trượt
Ω - độ sóng bề mặt
σ - độ nhám bề mặt.
Φ
f
, Φ
fs
Eccentric piston: Piston lệch tâm
Hydrodynamic lubrication: Bôi trơn thủy động
Lateral force: Lực ngang
Lateral displacement: Dịch chuyển ngang của piston
Mixed lubrication: Bôi trơn hỗn hợp
Side impact: Va đập bên
Secondary movement of piston: Chuyển động phụ của piston
Skirt profile: Biên dạng váy piston
Thrust-side: Bên va đập
Wrist pin offset: Độ lệch ắc
-1-
MỞ ĐẦU
Ngày nay với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, nhận thức của xã hội về môi
trường được nâng cao. Sự tăng nhanh về số lượng các phương tiện giao thông sử
dụng nhiên liệu truyền thống, làm nồng độ carbon dioxide trong khí quyển gia tăng,
kết quả làm trái đất nóng lên, cùng với đó là sự cạn kiệt dần của nguồn nhiên liệu
hóa thạch. Điều này đã đặt ra thách thức cho các nhà chế tạo trong lĩnh vực động cơ,
nghiên cứu nhằm mục đích giảm lượng khí thải, nâng cao hiệu suất, tiết kiệm nhiên
liệu động cơ.
Từ nhiều nghiên cứu trên cơ sở thực nghiệm và lý thuyết, đã chứng minh rằng
ma sát trong cụm piston xilanh là nhân tố chính có ảnh hưởng lớn đến năng lượng
tổn thất, trong đó ma sát giữa các vòng găng-xilanh và váy-xilanh là nhiều nhất.
Ngoài ra nó cũng được xác nhận là một trong số nhân tố gây ra tiếng ồn, tiếng gõ và
tăng mức độ ô nhiễm khí thải.
Nhằm giảm ô nhiễm môi trường do khí thải, cũng như tiếng ồn từ động cơ. Các
4. Ảnh hưởng của độ nhớt, màng dầu bôi trơn đến ma sát trong động cơ;
5. Ảnh hưởng của tốc độ đến chuyển động phụ, ma sát trong động cơ;
Các vấn đề này hiện tài liệu trong nước và quá trình học tập rất ít được đề cập. Em
hy vọng đề tài có thể góp phần vào sự nâng cao hiểu biết thêm của sinh viên về lĩnh
vực động cơ đốt trong.
Do kiến thức bản thân và thời gian có hạn nên đề tài khó tránh khỏi thiếu sót.
Kính mong Quý thầy cùng các bạn sinh viên góp ý để bổ xung đề tài được hoàn
thiện hơn.
Em chân thành cảm ơn!
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Viết Hơn
-3-
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ, MA SÁT, BÔI TRƠN TRONG
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
1.1. ĐỊNH NGHĨA
Động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt - loại động cơ biến đổi nhiệt năng
thành cơ năng. Các loại động cơ nhiệt phổ biến hiện nay không nhận nhiệt năng từ
bên ngoài một cách trực tiếp mà được cấp nhiên liệu, sau đó nhiên liệu được đốt
cháy để tạo ra nhiệt năng [1]. Thông thường nghiên cứu động cơ đốt trong cổ điển
loại piston thanh truyền có piston chuyển động tịnh tiến trong xilanh.
1.2. CẤU TRÚC TỔNG QUÁT CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
Tổng thành động cơ đốt trong được trình bày trên hình 1.1.
Phải chịu được ứng suất cơ và ứng suất nhiệt, không bị biến dạng, chịu được ma sát
và mài mòn.
Hệ số giãn nở vì nhiệt của piston phải nhỏ, truyền nhiệt nhanh, khe hở lắp ráp chính
xác, đủ độ cứng, độ bóng.
2) Thanh truyền
Thanh truyền có nhiệm vụ nhận lực khí cháy từ piston truyền cho trục khuỷu
biến chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu.
Thanh truyền làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao, chịu áp lực, chịu lắc và va đập,
chịu ứng suất cơ lớn, chịu ăn mòn hoá học do dầu bôi trơn biến chất ở nhiệt độ cao,
chịu mài mòn ở các ổ đỡ (bạc lót đầu trên, bạc lót đầu dưới). Thanh truyền phải có
độ bền và tính tin cậy cần thiết.
3) Trục khuỷu
Trục khuỷu là một trong những chi tiết máy quan trọng nhất của động cơ đốt
trong, cường độ làm việc lớn nhất và giá thành cao nhất của động cơ đốt trong.
Công dụng của trục khuỷu là tiếp nhận lực tác dụng trên piston truyền qua thanh
truyền và biến chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục
khuỷu để truyền công suất ra ngoài.
Trong quá trình làm việc, trục khuỷu chịu tác dụng của lực khí cháy, lực quán
tính. Các lực tác dụng gây ra ứng suất uốn và xoắn trục, đồng thời còn gây ra hiện
tượng dao động dọc và dao động xoắn, làm động cơ rung động và mất cân bằng.
Ngoài ra các lực nói trên còn gây ra hao mòn lớn trên các bề mặt ma sát của cổ
chính và cổ biên.
Tuổi thọ của động cơ chủ yếu phụ thuộc vào tuổi thọ của trục khuỷu vì vậy đối
với kết cấu của trục khuỷu, phải chú ý đảm bảo các yêu cầu sau:
Có sức bền lớn, độ cứng vững lớn, trọng lượng nhỏ và ít mòn.
Có độ chính xác gia công cao, bề mặt làm việc của trục cần có độ bóng bề mặt, độ
cứng cao.
Không xảy ra hiện tượng dao động cộng hưởng trong phạm vi tốc độ sử dụng.
Kết cấu của trục khuỷu phải đảm bảo tính cân bằng và tính đồng đều của động cơ.
+ Bôi trơn các bề mặt có chuyển động trượt giữa các chi tiết nhằm giảm ma sát.
+ Rửa sạch bề mặt ma sát của các chi tiết.
+ Làm mát các chi tiết.
+ Bao kín khe hở giữa các chi tiết như cặp piston-xylanh-xécmăng để giảm lọt
khí.
Vì vậy, khi lắp ráp cụm chi tiết này phải bôi dầu rãnh xéc- măng và bề mặt xylanh .
+ Độ nhớt của dầu phải nằm trong giới hạn cho phép.
+ Bảo vệ bề mặt kim loại không bị ăn mòn.
+ Dầu bôi trơn không được: tạo cặn ở cácte, két chứa, ở các chi tiết động và
trong các đường ống, phải đảm bảo tính bôi trơn và không được tạo thành nhũ
tương khi có nước lẫn vào không được tạo bọt.
+ Dầu phải tuổi thọ cao và có giá thành phù hợp.
Hệ thống bôi trơn phải đưa chất bôi trơn tới nơi cần bôi trơn một cách liên tục, đều
đặn, với lưu lượng, trạng thái (áp suất, nhiệt độ) tính chất xác định.
1.3. MA SÁT, BÔI TRƠN TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
1.3.1. Tổng quan ma sát bôi trơn trong động cơ đốt trong
Trong động cơ do điều kiện làm việc của các cơ cấu có khác nhau nên dẫn
đến trạng thái ma sát-bôi trơn cũng khác nhau [6]. Hình 1.4 thể hiện đặc điểm bôi
trơn của các cơ cấu trong động cơ.
-8-
Hình 1.4: Đường cong Stribeck
Với sự phát triển mạnh của các ngành vật liệu, công nghệ bề mặt, công nghệ
chế tạo thì tổn thất cơ giới trong động cơ đốt trong có cụm piston vòng găng chuyển
động tịnh tiến qua lại có thể giảm còn khoảng 15% [6] của tổng năng lượng sinh ra
trong động cơ. Tổn thất này có thể phân thành ba nguồn chính : ma sát trong cụm
piston-xilanh, trục khuỷu, và các bơm. Hình 1.5: biểu diễn sự phân bố các nhân tố
tổn thất cơ giới trong động cơ.
Hình 1.5: Phần trăm các thành phần của tổn thất cơ giới
Hình 1.8: Điều kiện bôi trơn ở vòng găng
Điều kiện bôi trơn vòng găng được thể hiện trong hình 1.8 có độ nhám trên bề mặt
tiếp xúc, và chắc chắn rằng các phần tử trên hai bề mặt có độ nhám tiếp xúc với
nhau.
Căn cứ vào đường danh nghĩa h(x) mà người ta phân loại thành ba kiểu bôi trơn:
thủy động, giới hạn và hỗn hợp. Hình 1.9 : Các kiểu bôi trơn trong hệ piston xilanh.
Hình 1.9 : Các kiểu bôi trơn hình thành trong hệ piston xilanh
Bôi trơn thủy động (pure hydrodynamic lubrication)
Bôi trơn hỗn hợp (Mixed lubrication)
Bôi trơn giới hạn (Pure boundary lubrication)
1) Bôi trơn thủy động
Trong bôi trơn thủy động, cần một lượng dầu đủ trên bề mặt tiếp xúc để phân
tách hai bề mặt làm cho các mấp mô không tiếp xúc với nhau. Hình 1.10 thể
-11-
hiện tiếp xúc của bề mặt váy piston với xilanh trong điều kiện bôi trơn thủy
động.
Hình 1.10: Bôi trơn thủy động giữa váy piston và xilanh
Trong đó :
h
i
- chiều cao dầu ở đầu vào;
h
e
- chiều cao của dầu ở cửa ra ;
h
x
- chiều cao màng dầu ở khoảng x ;
u
x
u
x
p
z
u
w
y
u
v
x
u
u
t
u
ρµρ
+
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂−
=
p
z
v
w
y
v
v
x
v
u
t
v
ρµρ
+
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂−
=
∂
∂
+
∂
w
v
x
w
u
t
w
ρµρ
+
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂−
=
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
+
xQ +−=
µ
(1.2)
Áp suất phân phối trên piston có thể tính toán bởi áp dụng phương trình Định luật
Bảo toàn khối lượng và Bảo toàn động lượng bởi một phần tử thủy lực bên dưới mặt
tiếp xúc của váy-xilanh. Sử dụng phương pháp điều kiện biên và giả thuyết rằng
chất lỏng không nén được, hệ thống giảm thành phương trình 2-D của Reynolds.
Phương trình Reynold liên hệ với áp suất (p) chiều dày màng dầu (h), thông số : tốc
độ piston (U) và độ nhớt (µ).
t
h
x
h
U
z
ph
zx
ph
x ∂
∂
+
∂
∂
=
∂
∂
∂
∂
+
∂
−=
(1.4)
Trong đó:
β
σβη
π
6
.)..(
15
28
2'
=K
-13-
Trong các biểu thức trên p
c
là áp suất tiếp xúc danh nghĩa giữa các bề mặt, d là
khoảng cách trung bình của hai bề mặt (tức là váy piston và lót xilanh).
η
- mật độ độ nhám trên một đơn vị diện tích;
β - mấp mô cao nhất hướng kính trên đường cong;
β(z) - phân phối xác suất độ cao của mấp mô;
z - độ lệch giữa chiều cao trung bình mấp mô và chiều cao trung bình bề mặt.
Hơn thế nữa mô đun E
’
của Young và độ lệch chuẩn của các chiều cao mấp mô (σ)
được đưa vào các giá trị hỗn hợp khi E
1
2
2
1
σσσ
+=
3) Bôi trơn hỗn hợp
Bôi trơn hỗn hợp bao gồm bôi trơn thủy động và giới hạn. Nó là khu vực chuyển
tiếp giữa bôi trơn thủy động và bôi trơn giới hạn, trong đó có áp suất đáng kể của
dầu bôi trơn, nhưng nó không đủ để loại trừ sự tiếp xúc mấp mô giữa hai bề mặt.
Trong nhiều trường hợp giá trị ma sát thấp nhất đạt được khi hai bề mặt tiếp xúc
được nằm trong bôi trơn hỗn hợp (đường cong Stribeck trong hình 1.11), vì điều
này cung cấp sự cân bằng sự tối ưu giữa ma sát của thủy động và giới hạn.
Trong khi hoạt động piston di chuyển kết thúc hành trình với vận tốc thấp, bôi trơn
giới hạn và khi giữa xilanh với vận tốc cao, bôi trơn thủy động. Nó trải qua nhiều
lần ở chế độ bôi trơn hỗn hợp
Đường cong Stribeck
Mối quan hệ giữa ba trạng thái bôi trơn được cho bởi đường cong Stribeck (hình
1.11) ma sát giới hạn giảm phụ thuộc với tốc độ trượt, trong khi ma sát thủy động
tăng với tốc độ trượt.
Copyright: Tài liệu đại học ©