Khảo sát ứng suất cơ học của thanh truyền động cơ HINO JO8CF DIESEL 6 xi lanh khi tăng áp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN THẾ GIỚI

KHẢO SÁT ỨNG SUẤT CƠ HỌC CỦA THANH TRUYỀN
ĐỘNG CƠ HINO - J08CF DIESEL 6 XI LANH KHI TĂNG ÁP

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC – 60520116

S K C0 0 4 7 3 2

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN THẾ GIỚI

KHẢO SÁT ỨNG SUẤT CƠ HỌC CỦA THANH TRUYỀN
ĐỘNG CƠ HINO - J08CF DIESEL 6 XI LANH KHI TĂNG ÁP

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 60520116

Tp. Hồ Chí Minh, 10/2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN THẾ GIỚI

KHẢO SÁT ỨNG SUẤT CƠ HỌC CỦA THANH TRUYỀN
ĐỘNG CƠ HINO-J08CF DIESEL 6 XI LANH KHI TĂNG ÁP

Hướng dẫn khoa học:
PGS.TS. NGUYỄN HỮU HƢỜNG

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC
Họ và tên: Nguyễn Thế Giới

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 2/12/1980

Nơi sinh: Đồng Nai

Quê quán: Ninh Bình

Dân tộc: Kinh

Nơi thường trú: 327/26/21 Quang Trung, P.10, Q.Gò Vấp, Tp. Hồ Chí Minh.
Điện thoại: 0933451267
Email:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung cấp chuyện nghiệp:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian: 1996-1999

Nơi đào tạo: Trường Trung Học Kỹ Thuật Công Nghiệp 4
Ngành học: Cơ Khí Ô tô.
2. Đại học:
Hệ đào tạo: chính quy

Thời gian đào tạo: 2000-2004

Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh.
Ngành học: Cơ Khí Động Lực
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Thời gian

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

2004 – 2008

Trường Trung Cấp Nghề Bình Thạnh

Giáo viên

Số: 131, Nơ Trang Long, Quận Bình
Thạnh, Tp HCM
2008 - nay

Trường Cao Đẳng Giao Thông Vận
Tải TP HCM
Số: 252 Lý Chính Thắng, Phường 9,
Quận 3, TP HCM

i

Giảng Viên


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 23 tháng 10 năm 2015
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Thế Giới

ii


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình được học tập và nghiên cứu, tôi đã được sự giúp đỡ tận tình và

tạo mọi điều kiện thuận lợi của Qúy Thầy Cô Khoa Cơ khí động lực, trường Đại
học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh.
Tôi xin chân thành cảm ơn Qúy Thầy Cô đã giúp đỡ trong thời gian làm Luận
văn tốt nghiệp, đặc biệt là PGS.TS Nguyễn Hữu Hường đã hướng dẫn nhiệt tình để
tôi có thể thực hiện và hoàn thành Luận văn này. Nhân dịp này, tôi xin tỏ lời cảm ơn
Trung Tâm Tiêu chuẩn Kỹ thuật Đo lường Chất lượng Khu vực 3 đã giúp đỡ tôi
thực hiện thí nghiệm cho đề tài.
Tôi xin chân thành cảm ơn Qúy Thầy phản biện có những ý kiến đóng góp hữu
ích để tôi có thể hoàn thiện hơn đề tài Luận văn.
Xin cảm ơn gia đình và các bạn đồng nghiệp đã động viên tôi trong suốt quá
trình học tập, thực hiện và hoàn thành Luận văn tốt nghiệp.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 23 tháng 10 năm 2015
Học viên thực hiện

NGUYỄN THẾ GIỚI

iii


TÓM TẮT
Để có thể tăng công suất cho động cơ thế hệ cũ đang sử dụng ở Việt Nam, tác
giả đặt mục đích nghiên cứu khả năng tăng áp cho một động cơ diesel. Trong đề tài
này tác giả đã khảo sát khả năng chịu lực cho chi tiết quan trọng khi tăng áp là
thanh truyền của động cơ Hino J08CF. Nghiên cứu tính toán lý thuyết xác định
được ứng suất tác động lên thanh truyền ở thời kỳ sinh công là lớn nhất. Với việc
sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp mô phỏng bằng phần mềm ANSYS
xác định ứng suất tác động lên thanh truyền. Qua thực nghiệm với thiết bị thử ứng
suất đánh giá kết quả tính tính toán và mô phỏng phần mền ANSYS là chính xác.
Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm cho thấy rằng có thể lắp đặt bộ tăng áp để

nâng áp suất từ 86 bar lên 100 bar và công suất động cơ được tăng lên 25% mà
thanh truyền vẫn đủ bền. Tuy nhiên, nghiên cứu này chưa đề cập đến ảnh hưởng
bền của các chi tiết khác trong động cơ khi tăng áp. Đây là kết quả nghiên cứu ban
đầu làm cơ sở khoa học cho việc tính toán ứng suất và thiết kế thanh truyền động cơ.
Trong tương lai, cần nghiên cứu tiếp ảnh hưởng đến các chi tiết khác trong động cơ
Hino J08CF để có thể ứng dụng vào thực tế ở Việt Nam; rộng hơn nữa là nghiên
cứu tăng áp cho những động cơ khác.

ABSTRACT
The main objective of this study is to explore the augmentation of a diesel
engine in order to increase the power of old-generation engines in Vietnam. In this
research, the author investigates the augmentation of an essential part – the
connecting rod of the engine Hino J08CF. It is determined by the analysis that the
stress on the connecting rod reaches highest level during the power phase. The
application of finite element method in ANSYS software calculates stress on the
connecting rod. In practice, using a stress-test equipment shows that the calculation
is accurate. The study shows that this engine can use turbo-charger to increase
pressure from 86 to 100 bar and 25% of power while keeping the connecting rod
solid. However, the weakpoint of this thesis is that it has not carried out other parts
in this operating condition yet. The same performance is not only expected in other
parts of the mentioned engine but also in the others that are being used in Vietnam.

iv


MỤC LỤC
Trang tựa

TRANG

Quyết định giao đề tài
Lý lịch khoa học

i

Lời cam đoan

ii

Lời cảm ơn

iii

Tóm tắt

iv

Mục lục

v

Danh sách các chữ viết tăt

vii

Danh sách các hình

viii

Danh sách các bảng

x

Chƣơng 1.TỔNG QUAN ..........................................................................................1
1.1 Dẫn nhập .............................................................................................................1
1.2 Các nghiên cứu trong nước và ngoài nước .........................................................2
1.2.1 Các kết quả nghiên cứu trong nước .............................................................2
1.2.2 Các kết quả nghiên cứu ngoài nước .............................................................3
1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài...........................................................................4
1.4 Đối tượng nghiên cứu .........................................................................................5
1.5 Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................5
1.6 Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................5
1.7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ...........................................................6
Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................7
2.1 Động học của cơ cấu piston trục khuỷu thanh truyền giao tâm [6]....................7
2.1.1 Quy luật động học của piston ......................................................................7
2.1.2 Quy luật động học của thanh truyền ..........................................................11
2.1.2.1 Góc lắc  ............................................................................................11
2.1.2.2 Vận tốc góc tt ....................................................................................11
2.1.2.3 Gia tốc góc  tt .....................................................................................12
2.2 Tính sức bền của thân thanh truyền ..................................................................13

v


2.3 Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để xác định trạng thái ứng suất của
thanh truyền động cơ [7] ........................................................................................14
2.4 Các phương trình cơ bản [7].............................................................................15
2.4.1 Chuyển vị, biến dạng và ứng suất trong phần tử - ma trận độ cứng phần tử
và véc tơ phần tử ................................................................................................15

2.4.2 Ghép nối các phần tử - ma trận cứng và véc tơ tải tổng thể ......................17
2.4.3 Phép chuyển trục tọa độ .............................................................................19
2.5 Nhận xét............................................................................................................21
Chƣơng 3. XÁC ĐỊNH TRƢỜNG ỨNG SUẤT CƠ HỌC THANH TRUYỀN
ĐỘNG CƠ HINO J08CF ........................................................................................22
3.1 Một số đặc điểm của thanh truyền động cơ Hino J08CF .................................22
3.1.1 Kết cấu động cơ Hino J08CF .....................................................................22
3.1.1 Kết cấu thanh truyền động cơ Hino J08CF................................................25
3.1.2 Xác định vật liệu của thanh truyền ............................................................29
3.2 Khảo sát trường ứng suất cơ học của thanh truyền động cơ Hino J08CF bằng
phương pháp nghiên cứu lý thuyết tính toán và phương pháp phần tử hữu hạn. ..31
3.2.1 Khảo sát trường ứng suất cơ học của thanh truyền động cơ Hino J08CF
bằng phương pháp tính toán truyền thống ..........................................................31
3.2.2 Xây dựng mô hình tính thanh truyền trong Ansys ....................................52
Chƣơng 4. THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ ............................................................64
4.1 Phương pháp thí nghiệm...................................................................................64
4.2 Kết quả thử nghiệm ..........................................................................................67
4.3 So sánh kết quả nghiên cứu ..............................................................................67
Chƣơng 5. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ..........................69
5.1 Kết quả đạt được...............................................................................................69
5.2 Những vấn đề tồn tại ........................................................................................69
5.3 Hướng phát triển ...............................................................................................69
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................71
PHỤ LỤC .................................................................................................................72

vi


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TĂT
ĐCT

Điểm chết trên

ĐCD

Điểm chết dưới

ANSYS

Analysis System - also

CAD

Computer-aided design

CAE

Computer Aided Engineering

PRO-E 4.0

Pro Engineer 4.0

CREO

Commercial Real Estate Organization

SOLIDWORKS

3D solid modeling CAD software

TDC

top dead center

BDC

bottom dead center

PTHH

Phần Tử Hữu Hạn

C70

Thép có thép có trung bình 0,70 %Cácbon

C45Mn

Thép có thép có trung bình 0,45 %Cácbon và
Mangan

vii


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 2.1: Sơ đồ cơ cấu piston-trục khuỷu-thanh truyền giao tâm. .............................8
Hình 3.1: Mặt cắt ngang động cơ Hino J08CF [8] ................................................... 22
Hình 3.2: Mặt cắt doc động cơ Hino J08CF [8] ........................................................23
Hình 3.3: Cấu tạo thanh truyền động cơ HINO J08CF .............................................26
Hình 3.4: Kích thước của đầu nhỏ thanh truyền mỏng .............................................26
Hình 3.5: Tiết diện thân thanh truyền . .....................................................................27
Hình 3.6: Kích thước cơ bản thanh truyền động cơ Hino J08CF .............................29
Hình 3.7: Máy quang phổ phát xạ HORIBA, model GD PROFILER 2 ...................30
Hình 3.8: Đồ thị công khai triển p –φ động cơ Hino J08CF .....................................37
Hình 3.9: Lực tác dụng lên cơ cấu thanh truyền trục khuỷu .....................................38
Hình 3.10: Đồ thị chuyển vị piston theo góc quay trục khuỷu .................................39
Hình 3.11: Đồ thị vận tốc piston theo góc quay trục khuỷu .....................................40
Hình 3.12: Đồ thị gia tốc piston theo góc quay trục khuỷu ......................................40
Hình 3.13: Đồ thị tổng lực tác dụng lên chốt piston .................................................42
Hình 3.14: Đồ thị lực pháp tuyến tác dụng lên thành xilanh ....................................43
Hình 3.15: Đồ thị lực tác dụng dọc trục thanh truyền...............................................43
Hình 3.16: Đồ thị công khai triển p –φ động cơ Hino J08CF ...................................46
Hình 3.17:Đồ thị chuyển vị piston theo góc quay trục khuỷu ..................................47
Hình 3.18: Đồ thị vận tốc piston theo góc quay trục khuỷu .....................................48
Hình 3.19: Đồ thị gia tốc piston theo góc quay trục khuỷu ......................................48
Hình 3.20: Đồ thị tổng lực tác dụng lên chốt piston .................................................49
Hình 3.21: Đồ thị lực pháp tuyến tác dụng lên thành xilanh ....................................50
Hình 3.22: Đồ thị lực tác dụng dọc trục thanh truyền...............................................50
Hình 3.23: Chọn kiểu phân tích cấu trúc tĩnh trong ANSYS ....................................52
Hình 3.24: Khai báo thông số vật liệu ......................................................................53
Hình 3. 25: Mô hình hình học thanh truyềnđộng cơ Hino- J08CF ...........................54

viii

Hình 3.26: Mô hình động cơ Hino- J08CF trong Ansys ...........................................54
Hình 3.27: Lưới phần tử thanh truyền động cơ Hino- J08CF ...................................55
Hình 3.28: Lưới phần tử mô hình cơ cấu trục khuỷu thanh truyền động cơ HinoJ08CF ........................................................................................................................55
Hình 3.29: Chọn áp đặt tải ........................................................................................56
Hình 3.30: Xác định mặt cần đặt lực.........................................................................57
Hình 3.31: Xác định phương và lực đặt trên đầu nhỏ thanh truyền ..........................57
Hình 3.32: Chọn mặt cố định ....................................................................................58
Hình 3.33: Xác định mặt cần cố định........................................................................59
Hình 4.1: Sơ đồ thí nghiệm thanh truyền .................................................................. 64
Hình 4.2: Quy trình thử nghiệm nén, uốn và vị trí đặt lực........................................65
Hình 4.3: Máy kéo nén vạn năng INSTRON –USA, model 1500HDX ...................66
Hình 4.4: Đồ thị ứng suất và biến dạng của thanh truyền khi nén ở 100KN ............68

ix


DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của động cơ Hino J08CF [8] ......................................24
Bảng 3.2: Kết quả thử nghiệm vật liệu thanh truyền. (xem phụ lục phiếu kết quả thử
nghiệm vật liệu).........................................................................................................30
Bảng 3.3: Kết quả tính chu trình nhiệt động của động cơ Hino- J08CF ...................33
Bảng 3.4:Bảng giá trị nhiệt độ và áp suất trên đường cong nén. ..............................34
Bảng 3.5: Bảng giá trị nhiệt độ áp suất và nhiệt độ trên đường cong giản nở. .........35
Bảng 3.6 Chuyển vị, vận tốc, gia tốc của piston theo góc quay trục khuỷu. ...........39
Bảng 3.7: Lực tác dụng lên cơ cấu thanh truyền- trục khuỷu trong quá trình cháy
giãn nở động cơ J08CF. ............................................................................................41

Bảng 3.8: Kết quả tính chu trình nhiệt động của động cơ Hino J08CF ....................44
Bảng 3.9: Bảng giá trị nhiệt độ và áp suất trên đường cong nén khi tăng áp ...........45
Bảng 3.10: Bảng giá trị nhiệt độ áp suất và nhiệt độ trên đường cong giản nở khi
tăng áp. ......................................................................................................................45
Bảng 3.11:Bảng động học cơ cấu thanh truyền - trục khuỷu ....................................47
Bảng 3.12: Lực tác dụng lên cơ cấu thanh truyền trục khuỷu ..................................48
Bảng 4.1 So sánh giá trị ứng suất tính theo phần mềm Ansys và thí nghiệm........... 68

x


Chƣơng 1

TỔNG QUAN
1.1 Dẫn nhập
Động cơ đốt trong đang thể hiện vị trí, vai trò ưu việt của mình trong nhiều
lĩnh vực vận tải khác nhau. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền khoa học kỹ
thuật, động cơ đốt trong cũng không ngừng được cải tiến và hoàn thiện theo hướng
đạt hiệu quả cao nhất phù hợp với các yêu cầu mục đích của từng phương tiện, như:
giảm thiểu ô nhiễm môi trường, tiếng ồn…
Thanh truyền là một trong những chi tiết quan trọng kết nối piston và trục
khuỷu. Thanh truyền dùng để truyền áp lực khí cháy từ piston tới trục khuỷu, do đó
thanh truyền chịu tải động lớn. Việc chế tạo thanh truyền tương đối khó khăn trong
các chi tiết của động cơ. Nó có đặc điểm hình học phụ thuộc vào từng loại động cơ,
tốc độ piston, số kỳ và mục đích sử dụng. Thanh truyền làm việc trong điều kiện
chịu tác động của các loại tải động trong suốt quá trình khai thác.
Trong quá trình làm việc thanh truyền chịu tác dụng của áp lực khí thể sinh ra
trong suốt quá trình cháy, các lực quán tính của các khối lượng chuyển động tịnh
tiến, lực ma sát và trọng lực. Các lực này sinh ra mômen uốn, thay đổi cả về trị số
lẫn phương chiều theo vị trí piston trong chu trình làm việc.

Do tác dụng của những lực và mômen nêu trên nên thanh truyền luôn làm việc
trong điều kiện chịu ứng suất nén, ứng suất uốn và đôi khi cả ứng suất kéo. Hình
dáng kết cấu thanh truyền tạo nên ứng suất tập chung lớn nhất tại mặt ngoài nơi
chuyển tiếp giữa thân và đầu thanh truyền.
Điều kiện làm việc của thanh truyền phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: giá trị
và tính chất của áp lực trên đỉnh piston, độ cứng, việc lựa chọn các loại vật liệu,
chất lượng công nghệ lắp ghép.
Do xu hướng tăng cường độ làm việc của động cơ như: tăng tốc độ quay, sử
dụng các biện pháp nhằm nâng cao công suất, giảm kích thước hình học, tiết kiệm
vật liệu, làm cho ứng suất trong thanh truyền tăng lên. Điều này dẫn đến giảm tính
1


tin cậy khi làm việc của thanh truyền trong quá trình sử dụng. Vì vậy thanh truyền
phải luôn đảm bảo về độ tin cậy trong những điều kiện làm việc khác nhau, đảm
bảo độ bền, độ cứng, tính chống mài mòn, đảm bảo thời hạn sử dụng, kích thước
hình dáng hình học đảm bảo ứng suất gây ra đến mức nhỏ nhất.
Để xác định một cách chính xác giá trị và vị trí ứng suất trong thanh truyền là
rất cần thiết, làm tối ưu hóa thanh truyền, cơ sở cho việc nâng cao độ tin cậy, tuổi
thọ thanh truyền nói riêng và đảm bảo an toàn khi khai thác của động cơ nó chung.
Đồng thời đưa ra đặc điểm hình học phù hợp nhằm nâng cao khả năng tiết kiệm vật
liệu.
1.2 Các nghiên cứu trong nƣớc và ngoài nƣớc
1.2.1 Các kết quả nghiên cứu trong nƣớc
Có nhiều đề tài nghiên cứu trong nước về khảo sát ứng suất thanh truyền trong
đó gồm một số đề tài gần với nghiên cứu như:
Đề tài thạc sĩ “Khảo sát trạng thái ứng suất cơ học của thanh truyền động cơ
ZIL 130” của Đỗ Văn Quý trường Đại học kỹ thuật Lê Quý Đôn năm 2012 [1]. Đề
tài khảo sát ứng suất ứng suất cơ học của thanh truyền dựa việc xác định áp suất
cháy cực đại và dùng phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp mô phỏng động bằng

phần mền ANSYS. Với phương pháp mô phỏng trong mô trường cơ học đặt áp suất
trên đỉnh piston, trọng lực lên thanh truyền và mômen lên trục khuỷu. Tuy nhiên đề
tài chưa xây dựng phương pháp xác định ứng suất cơ học thanh truyền động cơ.
Đề tài thạc sĩ “Xác định trường ứng suất cơ-nhiệt của thanh truyền động cơ xe
xích PT76 có xét đến ảnh hưởng của lực ma sát trượt” của Nguyễn Văn Thanh
trường Đại học Kỹ Thuật Lê Quý Đôn năm 2012 [2]. Phương pháp mô phỏng phần
mền ANSYS trong môi trường cơ nhiệt đặt nhiệt độ được chọn cố định cho piston
là 2000c, thanh truyền, chốt piston là 1000c và trục khuỷu 800c kết hợp đặt áp suất
trên đỉnh piston, trọng lực lên thanh truyền và mômen lên trục khuỷu. Đề tài phát
triển trên đề tài thạc sĩ “Khảo sát trạng thái ứng suất cơ học của thanh truyền động
cơ ZIL 130” của Đỗ Văn Quý trường Đại học kỹ thuật Lê Quý Đôn năm 2012. Đề

2


tài xác định được ảnh hưởng của nhiệt độ đến ứng suất thanh truyền tuy nhiên ảnh
hưởng lớn nhất đến ứng suất thanh truyền do lực ma sát trượt.
Cho đến thời điểm hiện nay chưa có nghiên cứu trong nước về khảo sát ứng
suất cơ học của thanh truyền động cơ HINO - J08CF diesel 6 xi lanh khi tăng áp.
1.2.2 Các kết quả nghiên cứu ngoài nƣớc
Quá trình nghiên cứu thanh truyền được thế giới nghiên cứu từ rất lâu. Trong
những năm trước 1980, quá trình phân tích kết cấu trở nên phổ biến, thay thế dần
quá trình kiểm tra cơ lí tính. Vào những năm 1980, việc phân tích kết cấu trở thành
một công cụ thiết kế. Những năm 1990, cùng với sự phát triển của các phần mềm
thiết kế 3D (CAD) và các phần mềm tính toán (CAE), quá trình tính toán kết cấu
góp phần làm giảm thời gian thiết kế sản phẩm. Từ năm 2000 đến nay, quá trình
phân tích, tính toán kết cấu đã hoàn toàn thay thế quá trình kiểm tra cơ lí tính ở một
vài sản phẩm. Mặc dù chấp nhận nó như là một công cụ thiết kế nhưng việc phân
tích tính toán kết cấu trong sản xuất vẫn chưa phổ biến. Trên thế giới hiện nay có
một số công trình nghiên cứu về kết cấu thanh truyền như sau:

Pranav G. Charkha và Tiến sĩ Santosh B. Jaju với nghiên cứu “Phân tích &
Tối ưu hóa kết nối thanh truyền” [3]. Trong nghiên cứu này, tác giả đã tiến hành
nghiên cứu trên động cơ xăng bốn thì, thanh truyền kết cấu thép C-70 và mô hình
hóa bằng cách sử dụng phần mềm ANSYS. Nghiên cứu này bao gồm hai loại phân
tích: phân tích ứng suất thanh truyền trạng thái tĩnh và phân tích ứng suất mỏi thanh
truyền. Mục tiêu chính của nghiên cứu này, xác định ứng suất thanh truyền và tăng
hiệu quả kinh tế bằng việc giảm khối lượng thanh truyền. Phân tích ứng suất thanh
truyền trạng thái tĩnh đạt tải trọng tĩnh lên thanh truyền đạt được và kết quả giảm
9,24% khối lượng thanh truyền.
Pravardhan S. Shenoy và Ali Fatemi với nghiên cứu “Tối ưu hóa kết nối
thanh truyền nhằm giảm chi phí và trọng lượng” tạp chí SAE quốc tế năm 2005 [4].
Nghiên cứu này, thực hiện trên thanh truyền kết cấu thép C-70 nhằm giảm khối
lượng vật liệu và chi phí sản xuất bằng cách phân tích phần tử hữu hạn để tối ưu hóa.

3


Kết quả nghiên cứu thanh truyền tối ưu đó là nhẹ hơn 10% đến 25% và ít tốn kém
so với thanh truyền hiện có.
Tiến sĩ K. Tirupathi Reddy, Syed Altaf Hussain thuộc Trường Cao đẳng Kỹ
thuật & Công nghệ Cơ khí, Nandyal- Ấn Độ với nghiên cứu “Phân tích và mô
phỏng mô hình của thanh truyền” [5]. Trong dự án này, thanh truyền với kết cấu
thép C-45 được thay thế bằng nhôm hợp kim và gia cố bằng nhôm cacbua cho xe
máy Suzuki GS150R. Từ bản vẽ 2D thanh truyền của nhà sản xuất được mô hình
hóa bằng cách sử dụng phần mềm PRO-E 4.0 và phân tích được thực hiện bằng
cách sử dụng phần mềm ANSYS. Phân tích phần tử hữu hạn của thanh truyền được
thực hiện bằng cách lựa chọn hai nguyên liệu, nhôm gia cường với Boron Carbide
và nhôm 360. Sự kết hợp tốt nhất các thông số như ứng suất, biến dạng, yếu tố an
toàn và giảm trọng lượng thực hiện trong phần mềm ANSYS. So với thép C-45,
nhôm cacbua, nhôm 360, nhôm cacbua được tìm thấy có hệ số an toàn làm việc là

gần với yếu tố lý thuyết về an toàn, để giảm trọng lượng 33,17%.
Năm 2011 với nghiên cứu “Stress Analysis of Connecting Rod of Nissan Z24
Engine by the Finite Elements Method” của Mohammad Ranjbarkohan,
Mohammad Reza Asadi và Behnam Nilforooshan Dardashti. Với phương pháp tính
toán bằng phương pháp ADAMS xác định ứng suất thanh truyền động cơ Nissan
Z24 và mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu. Từ đó, xác định độ bền, thời
gian làm việc tối đa của thanh truyền và nâng cao hiệu quả kinh tế qua thiết kế.
Các nghiên cứu trên tạp trung vào việc xác định ứng suất thanh truyền theo
hướng cắt giảm vật liệu. Tuy nhiên vẫn chưa có công trình nghiên cứu xác định ứng
suất thanh truyền khi động cơ tăng áp.
1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Hiện nay, một số động cơ cũ đang được khai thác sử dụng ở Việt Nam tuy
nhiên không mang lại hiệu quả kinh tế cao. Việc nghiên cứu khảo sát ứng suất cơ
học của thanh truyền động cơ HINO - J08CF diesel 6 xi lanh khi tăng áp là mục tiêu
nghiên cứu của đề tài.

4


Đề tài xây dựng phương pháp xác định ứng suất thanh truyền động cơ khi chịu
lực khí cháy cực đại trong buồng đốt và khi tăng áp. Tính toán ứng suất bằng
phương pháp phần tử hữu hạn, mô phỏng bằng phần mền ANSYS và thực nghiệm
kiểm tra bằng thiết bị đo thử ứng suất INSTRON–USA, model 1500HDX tại trung
tâm Quatest 3 Việt Nam. Từ đó, xác định khả năng gắn bộ tăng áp của động cơ
HINO-J08CF.
1.4 Đối tƣợng nghiên cứu
Lý thuyết động cơ đốt trong.
Lý thuyết phương pháp phần tử hữu hạn.
Động cơ HINO-J08CF.
Phần mền thiết cơ khí CREO, phần mền mô phỏng ANSYS.

1.5 Phạm vi nghiên cứu
Tính toán ứng suất cơ học thanh truyền của động cơ HINO J08CF với khi
chưa tăng áp và sau tăng áp.
Xây dựng chương trình mô phỏng tính ứng suất thanh truyền của động cơ
HINO J08CF trên phần mền ANSYS.
Thực nghiệm với thiết bị đo thử ứng suất INSTRON –USA, model 1500HDX
tại trung tâm Quatest 3 Việt Nam.
1.6 Phƣơng pháp nghiên cứu
Để thực hiện đề tài khảo sát ứng suất cơ học của thanh truyền động cơ HINOJ08CF diesel 6 xi lanh khi tăng áp, hướng tiếp cận của đề tài được đề xuất các bước
như sau:
1. Nghiên cứu lý thuyết động cơ đốt trong.
2. Tính toán ứng suất thanh truyền dựa trên lý thuyết động học và động lực
học cơ cấu piston trục khuỷu thanh truyền.
3. Nghiên cứu tính toán ứng suất bằng phương pháp phần tử hữu hạn.
4. Nghiên cứu các phần mền thiết kế cơ khí CREO, SOLIDWORKS,...
5. Nghiên cứu phần mền mô phỏng tính toán ứng suất như ANSYS, phần
mền mô phỏng động cơ ESP, Matlab...
5


6. Thực nghiệm kiểm tra ứng suất thanh truyền động cơ HINO-J08CF với
thiết bị đo thử ứng suất INSTRON –USA, model 1500HDX tại trung tâm
Quatest 3
1.7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đề tài “Khảo sát ứng suất cơ học của thanh truyền động cơ HINO -J08CF
diesel 6 xi lanh khi tăng áp” xây dựng phương pháp tính toán ứng suất cơ học thanh
truyền khi không tăng áp và tăng áp.
Kết quả nghiên cứu xác định khả năng chịu ứng suất lớn hơn của thanh truyền
động cơ HINO -J08CF cho phép tăng áp, nâng cao công suất động cơ.
Đề tài định hướng giải quyết nhu cầu nâng cao công suất động cơ diesel thế hệ

cũ trên ô tô và tàu thủy.

6


Chƣơng 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Động học của cơ cấu piston trục khuỷu thanh truyền giao tâm [6]
2.1.1 Quy luật động học của piston
2.1.1.1Chuyển vị của piston
Nghiên cứu quy luật chuyển động của piston là nhiệm vụ chủ yếu của động
học để thuận tiện trong việc khảo sát, ta đặt giả thiết trong quá trình làm việc, vận
tốc góc của trục khuỷu là một hằng số (=const).
Trên (hình 2.1) giới thiệu cơ cấu piston – trục khuỷu- thanh truyền giao tâm.
Trong cơ cấu này, đường tâm xy lanh và đường tâm trục khuỷu trực giao. Chuyển
vị x tính từ điểm chết trên (ĐCT) của piston tùy thuộc vào vị trí của trục khuỷu (trị
số của x thay đổi tùy vào trị số của góc quay trục khuỷu )
Từ hình vẽ ta có :

X  AB '  AO   DO  DB '
 1  R    R cos   l cos  
Trong đó :

X - Chuyển vị của piston tính từ ĐCT theo góc quay trục khuỷu .
l -Chiều dài của thanh truyền, được tính bằng khoảng cách từ tâm đầu nhỏ
(điểm B ' ) đến tâm đầu to (điểm C ).

R - Bán kính quay của trục khuỷu.
 - Góc quay của trục khuỷu tương ứng với x tính từ ĐCT

 - Góc lệch giữa đường tâm thanh truyền và đường tâm xilanh ứng với .

Gọi   R là thông số kết cấu (  =0,250,29), từ trên ta có .
l

7


 l  
l

x   l     cos   cos    .R  A.R


   

(2.1)

l  
l


A   l     cos   cos  
 




Trong đó.

A

DCT

X

B'
S



l

B

DCD

DCT

C

D

R



O

DCD

Hình 2.1: Sơ đồ cơ cấu piston-trục khuỷu-thanh truyền giao tâm.

2.1.1.2Vận tốc của piston
Đạo hàm công thức (2.1) theo thời gian, ta có công thức để tính vận tốc piston.
v

Từ quan hệ.
Do đó.

dx
d l
d
 R.sin 
 sin 
dt
dt 
dt

ta rút ra. cos 

(2.2)

d
d
 .cos 
dt
dt

d
cos  d



dt
cos  dt

Gọi tốc độ góc của trục khuỷu là  và bỏ qua sự thay đổi về tốc độ góc ta có.
d
   cos t
dt

Vì vậy.

d
cos 
   
dt
cos 

(2.3)

Thay (2.2) vào (2.3) rồi rút gọn ta có.

8


S

K

L

0

0

2

1

5

4