Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ tới đặc tính của ổ đầu to thanh truyền

LỜI CAM ĐOAN
---------------***---------------

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sỹ kỹ thuật “Nghiên cứu ảnh
hƣởng của nhiệt độ tới đặc tính của ổ đầu to thanh truyền” là công trình
nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu sử dụng đƣợc chỉ rõ nguồn trích dẫn trong
mục tài liệu tham khảo. Kết quả nghiên cứu của luận văn này chƣa từng đƣợc
công bố ở một công trình nào khác.
Tác giả

Lê Ngọc Hùng


Mục lục

Mục lục
Trang
Mục lục……………………………………………………………..

1

Một số ký tự sử dụng trong luận văn………………………………

3

Danh mục sơ đồ và hình vẽ………………………………………...

5

Mở đầu……………………………………………………………..

8

Chƣơng 1- TỔNG QUAN VỀ BÔI TRƠN HỆ BIÊN - KHUỶU
1.1. Lịch sử phát triển……………………………………………

11

1.2. Bôi trơn thủy động…………………………………………..

17

1.3. Bôi trơn hệ biên – Khuỷu trong động cơ nhiệt……………….

20

1.4. Kết luận chƣơng 1……………………………………………

32

Chƣơng 2- LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN BÔI TRƠN
Ổ ĐẦU TO THANH TRUYỀN
2.1. Giới thiệu……………………………………………………...

33

2.2. Phƣơng trình Reynolds tổng quát…………………………….

34

2.3. Phƣơng trình chiều dày màng dầu …………………………...

38

2.4. Phƣơng trình nhiệt trong màng dầu…………………………..

44

2.5. Phƣơng trình nhiệt trong vật rắn……………………………...

46

2.6. Mô hình hóa tính toán bôi trơn cho ổ đầu to thanh truyền cơ

52

nhiệt có tính đền ảnh hƣởng của nhiệt độ lên màng dầu
2.7. Kết luận chƣơng 2……………………………………………..
Chƣơng 3- KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ THỰC NGHIỆM

59
60

3.1. Giới thiệu …………………………………………………….

60

3.2. Phƣơng pháp đo nhiệt độ……………………………………….

61

3.3. Ảnh hƣởng của nhiệt độ lên bạc động………………………...

65

3.4. Kết luận chƣơng 3……………………………………………..

85

1


Mục lục

Kết luận và kiến nghị……………………………………………...

86

Phụ lục……………………………………………………………..

88

Tài liệu tham khảo…………………………………………………

110

2


Một số ký tự sử dụng trong luận văn

MỘT SỐ KÝ TỰ SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN
Kí hiệu

Diễn giải

C

Nhiệt dung riêng của dầu nhờn

h

Chiều dày màng dầu

h0

Chiều dày màng dầu tối thiểu

J

Đƣơng lƣợng nhiệt Joule

K

Hệ số dẫn nhiệt

L

Ul/4k

l

Chiều dày bạc

n


x 

Độ dốc của bạc h  h0 1  n 
l 



pe

  0cUh0 

Tham biến Peclet 
 JK 

P

Áp suất





ph0 



U



p

Áp suất không thứ nguyên  

q

Thông lƣợng nhiệt

s

Kích thƣớc chiều dài nút lƣới theo hƣớng x

T

Nhiệt độ



p

T/T0

T0

Nhiệt độ vào

ΔT

Độ tăng nhiệt độ

T

ΔT/ T0

t
-U

Kích thƣớc chiều dài nút lƣới theo hƣớng z
Vận tốc trƣợt bề mặt theo hƣớng x

3


Một số ký tự sử dụng trong luận văn

u

Thành phần của vận tốc theo hƣớng x



u/U

u



Thành phần của vận tốc theo hƣớng z





 /U

X

Ux’/2x

X,y,z

Tọa độ

x’


x




tọa độ thông lƣợng

x / h0

y

y / h0

Z

Uz/2k



z

z / h0

α

η0U2/JKT0

β
γ

Hệ số nhiệt độ độ đặc

(    0 e T )

Hệ số nhiệt độ độ nhớt

(   0eT )



 / 0

0

Độ nhớt của dầu bôi trơn đƣờng vào



k

Hệ số khuếch tán nhiệt

p

 / 0

0

Độ đặc của dầu bôi trơn đầu vào



EHD

Elastohydrodynamic

THD

ThermoHydrodynamic

TEHD

Thermo ElastoHydroDynamic

4


Danh mục sơ đồ và hình vẽ

DANH MỤC SƠ ĐỒ VÀ HÌNH VẼ
Tên hình vẽ và đồ thị

Hình

Trang

Thông số lớp màng bôi trơn và hệ số ma sát là hàm số của
1.1

ηN/P chỉ ra các vùng bôi trơn chất lỏng khác nhau khi

18

không có trợ giúp của bơm ngoài.
1.2

Sơ đồ biểu diễn chêm dầu

19

1.3

Sơ đồ hệ thống bôi trơn cƣỡng bức

20

1.4

Sơ đồ khối hệ thống bôi trơn hệ biên khuỷu.

22

1.5

23

1.6

Kết cấu trục khuỷu và các lỗ dẫn dầu.
Bôi trơn nhóm pittông -thanh truyền

1.7

Sơ đồ nguyên lý bôi trơn bằng phƣơng pháp vung té dầu

26

1.8

Sơ đồ hệ thống bôi trơn cƣỡng bức cácte ƣớt

28

2.1

35

2.2

Hệ tọa độ trục khai triển bạc
Mặt cắt ổ đỡ

2.3

Miền khai triển ổ

38

2.4

Miền khai triển bạc cố định

42

2.5

Sơ đồ cân bằng lực tác dụng lên thanh truyền

43

2.6

Khai triển miền màng dầu dứt gãy

44

2.7

Sơ đồ của một xilanh động cơ nhiệt

52

2.8

Sơ đồ công suất của một động cơ xăng chạy 6500v/ph

53

2.9 (a)

Sơ đồ thuật toán Murty

56

2.9 (b)

Sơ đồ thuật toán Murty

56

2.9 (c)

Sơ đồ thuật toán Murty

56

3.1

Sơ đồ bàn thử dùng trong thực nghiệm

61

3.2

Thiết bị đo sức kéo/nén thanh truyền và vị trí lỗ khoan

62

3.3

Hình ảnh một số máy móc phụ trợ

62

24

38

5

Danh mục sơ đồ và hình vẽ

3.4

Sơ đồ gắn thiết bị đo cảm biến

64

3.5

Lƣới của trục và thanh truyền

66

3.6

Lƣới của màng dầu

66

3.7

Diễn biến áp lực tối đa trong chu kỳ động cơ tại 6500 rpm

68

3.8

diễn biến chiều dày tối thiểu màng dầu trong suốt chu kỳ
động cơ tại 6500 rpm

68

3.9

Phân bố tổng chiều dày màng trong mặt trung bình của bạc
tại góc quay trục khuỷu 1800.

69

3.10

Phân bố áp suất trong mặt phẳng giữa của bạc tại góc quay
trục khuỷu 1800

69

3.11

Phân bố áp suất giữa mặt phẳng bạc tại góc quay trục
khuỷu 4400.

70

3.12

Phân bố tổng chiều dày màng giữa mặt phẳng bạc cho góc
quay trục khuỷu 4400.

71

3.13

Phân bố của chuyển vị có biến dạng nhiệt và tổng chiều dày
màng tại góc quay trục khuỷu 1800.

71

3.14

Phân bố của chuyển vị biến dạng nhiệt và tổng chiều dày
màng tại góc quay trục khuỷu 4400.

72

3.15

Tiến triển của nhiệt độ tại bề mặt chuyển tiếp màng- trục và
màng- thanh truyền tại góc quay trục khuỷu 4400.

72

3.16

Diễn biến của quỹ đạo tâm hình học của trục nhƣ một hàm
của góc quay trục khuỷu

73

3.17

Diễn biến của tổng tiêu tán trong chu kỳ động cơ với
6500rpm

74

3.18

Diễn biến hệ số rò rỉ trong chu kỳ động cơ với 6500 rpm

74

6


Danh mục sơ đồ và hình vẽ

3.19

Phân bố nhiệt độ trong màng dầu của góc quay trục khuỷu

75

3.20

7200 (trƣờng hợp A,B,C)

75

3.21
3.22
3.23
3.24
3.25

Phân bố nhiệt độ trong màng dầu của góc quay trục khuỷu
7200 (trƣờng hợp C).
Phân bố nhiệt độ trong trục ở góc quay trục khuỷu 7200
(trƣờng hợp B,C)
Phân bố nhiệt độ trong thanh truyền ở góc quay trục khuỷu
7200 (trƣờng hợp A,B,C)

3.26

76

77
79
79
80

3.27

Phân bố nhiệt độ trong màng ở góc quay trục khuỷu 800
(trƣờng hợp C)

80

3.28

Phân bố nhiệt độ trong màng ở góc quay trục khuỷu 1800
(trƣờng hợp C)

81

Phân bố nhiệt độ trong màng ở góc quay trục khuỷu 2600
3.29

81

(trƣờng hợp C)
Phân bố nhiệt độ trong màng ở góc quay trục khuỷu 3600

3.30

81

(trƣờng hợp C)
Phân bố nhiệt độ trong màng cho góc trục khuỷu 4400

3.31

82

(Trƣờng hợp C)
Phân bố nhiệt độ trong màng ở góc quay trục khuỷu 5400

3.32

82

(trƣờng hợp C)
Phân bố nhiệt độ trong màng ở góc quay trục khuỷu 6200

3.33

82

(trƣờng hợp C)

7


Mở đầu

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Vấn đề nhiệt thủy động THD (ThermoHydrodynamic) đã có nhiều công
trình nghiên cứu và công bố, tuy nhiên TEHD (ThermoElastoHydroDynamic) vẫn
còn là đề tài mới mẻ, đặc biệt trong ngành cơ khí chế tạo ở nƣớc ta. Trong nghiên
cứu này, tác giả muốn phát triển nghiên thêm biến dạng đàn hồi (tức TEHD)

Bản thân tác giả hiện đang đảm trách công tác duy tu, bảo dƣỡng,
khảo sát và lắp đặt sửa chữa thiết bị khai thác dầu khí tại Giàn công nghệ trung
tâm số 2 thuộc mỏ Bạch hổ; thuộc Liên doanh dầu khí Việt Nga Vietsovpetro, vậy nên tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt
độ tới đặc tính của ổ đầu to thanh truyền”.
2. Tính cấp thiết của đề tài
Một trong những vấn đề đặt ra trong hoạt động sản xuất của liên

doanh dầu khí Việt Nga Vietsovpetro là làm thế nào để vận hành và bảo dƣỡng
các thiết bị một cách tối ƣu nhất. Từ yêu cầu đó tác giả muốn đi sâu nghiên
cứu các ảnh hƣởng trong quá trình bôi trơn; sự ma sát, mòn và các ảnh hƣởng
khác tác động lên hệ thống máy móc làm giảm tuổi thọ nhằm nâng cao năng
suất làm việc của máy. Một trong các yếu tố ảnh hƣởng đó, ảnh hƣởng của
nhiệt độ lên màng dầu bôi trơn trong hệ thống bôi trơn nói chung và cho hệ
biên khuỷu nói riêng rất đáng kể. Để ứng dụng có hiệu quả kiến thức về bôi
trơn, ảnh hƣởng nhiệt độ đối với việc thiết kế các cặp đôi ma sát, đòi hỏi chúng
ta phải có thông số kỹ thuật chính xác, những hiểu biết sâu rộng trong lĩnh vực
này.
Tác giả mong muốn những kết quả nghiên cứu của mình trong đề
tài luận văn này sẽ đƣợc vận dụng vào thực tế sản xuất, nhằm nâng cao hiệu
suất làm việc của thiết bị, hạn chế tối đa các sai sót trong chế tạo cũng nhƣ
trong công tác bảo dƣỡng hay các ảnh hƣởng khác không tốt từ môi trƣờng tới
thiết bị trong quá trình vận hành.
8


Mở đầu

3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
a. Đối tƣợng nghiên cứu.
Cụm ổ đầu to thanh truyền trong động cơ nhiệt.
b. Phạm vi của đề tài
-

Tác động của chất lỏng trong tiếp xúc (phƣơng trình Reynolds)

-

Cân bằng giữa các lực bên ngoài và tích hợp của các trƣờng áp
lực trong màng dầu.

-

Phƣơng trình chiều dày màng dầu

-

Phƣơng trình nhiệt biến dạng cho trục và bạc.

-

Trƣờng nhiệt độ trong màng dầu và chất rắn.

4. Mục tiêu của đề tài
Nghiên cứu và phân tích các ảnh hƣởng của áp suất, nhiệt độ và
phân bố chiều dày màng dầu bôi trơn trong ổ đầu to thanh truyền. Trên cơ đó
xác định các yếu tố ảnh hƣởng đến màng dầu bôi trơn, xác định chính xác vị trí
nhiệt độ tối đa, chiều dày màng dầu tối thiểu phân bố trong bạc. Từ đó làm
bƣớc khởi đầu cho việc đi sâu nghiên cứu tiếp theo, nhằm thiết kế, chế tạo
hoàn chỉnh tối ƣu nhất một cụm ổ đầu to thanh truyền trong động cơ nhiệt có
tốc độ cao.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Ý nghĩa khoa học: đóng góp vào việc nghiên cứu các ảnh hƣởng
của các trƣờng nhiệt độ và phân bố chiều dày màng dầu bôi trơn ổ đầu to thanh
truyền trong động cơ nhiệt tốc có độ cao.
- Ý nghĩa thực tiễn: kết quả nghiên cứu sẽ là tiền đề cho việc
nghiên cứu tiếp theo, để có thể hoàn thiện thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh cụm ổ
đầu to thanh truyền làm việc trong động cơ nhiệt có tốc độ cao với tính năng

bôi trơn tối ƣu nhất, Đối với công việc hiện tại của tác giả; cần nắm vững
những tác động của các trƣờng nhiệt độ, trƣờng áp suất trong chế độ bôi trơn

9


Mở đầu

cụm ổ đầu to thanh truyền, cũng nhƣ hạn chế các tác hại của những ảnh hƣởng
đó tới việc duy tu bảo dƣỡng tại Liên doanh dầu khí Vietsovpetro, nâng cao
tuổi thọ của máy và hiệu suất trong sản xuất tại đơn vị.
6. Phƣơng pháp nghiên cứu và cơ sở tài liệu
Luận văn đƣợc nghiên cứu trên cơ sở:
- Kết quả nghiên cứu và thực nghiệm các chế độ bôi trơn trong
bôi trơn thủy động đàn hồi.
- Các tài liệu về thủy động đàn hồi (EHD) và nhiệt thủy động đàn
hồi (TEHD) và các tài liệu liên quan về bôi trơn và ma sát học khác.
7. Cấu trúc của luận văn
Luận văn gồm có ba phần: phần mở đầu, phần nội dung, phần kết
luận. Trong đó phần nội dung gồm ba chƣơng. Toàn bộ luận văn đƣợc trình
bày trong 115 trang, với 52 sơ đồ và hình vẽ.
Trong quá trình xây dựng đề tài này, tác giả nhận đƣợc sự hƣớng
dẫn tận tình và quan tâm giúp đỡ của các thầy cô giảng dạy bộ môn Máy và
ma sát học –Viện Cơ khí trƣờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội, các bạn đồng
nghiệp trong Liên doanh dầu khí Việt Nga –Vietsovpetro.
Với kinh nghiệm còn ít, trình độ còn hạn chế và bản đề tài chắc
chắn còn nhiều thiếu sót, tác giả mong nhận đƣợc sự quan tâm góp ý của tất cả
các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp để sau này khi có điều kiện nghiên
cứu sâu hơn tác giả có thể giải quyết tốt và hoàn thiện hơn.
Đề tài đƣợc hoàn thành tại bộ môn máy và ma sát học, Viện Cơ khí

trƣờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của TS Trần
Thị Thanh Hải. Nhân dịp này tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và chân
thành cảm ơn tới TS Trần Thị Thanh Hải ngƣời đã cung cấp tài liệu và
hƣớng dẫn phƣơng pháp nghiên cứu trong quá trình thực hiện đề tài, cùng các
thầy cô và các bạn đồng nghiệp về sự giúp đỡ quí báu đó.

10


Chƣơng 1

TỔNG QUAN VỀ BÔI TRƠN HỆ BIÊN – KHUỶU
1.1. Lịch sử phát triển về bôi trơn
Thực ra, con ngƣời đã biết ứng dụng các kiến thức về bôi trơn vào
cuộc sống từ rất lâu. Con tàu và bánh xe đã đƣợc sử dụng khoảng 3500 năm
trƣớc công nguyên nhằm giảm ma sát trong vận chuyển. Ngƣời cổ đại Ai cập
biết sử dụng nƣớc để bôi trơn các xe trƣợt dùng vận chuyển các bức tƣợng
nặng vào năm 1880 trƣớc công nguyên. Trong một số ngôi mộ cổ ở Ai cập
còn để lại các dấu tích, con ngƣời đã biết dùng mỡ động vật làm chất bôi trơn
trong các ổ bánh xe.
Thời đại đế Chế La Mã, các kỹ sƣ quân đội thiết kế và chế tạo các
máy móc phục vụ chiến tranh và các phƣơng pháp phòng thủ đều quan tâm
đến việc ứng dụng các kiến thức bôi trơn. Leonardo Da Vanci (1452-1519) là
nhà khoa học đầu tiên đã rút ra một giả thiết khoa học quan trọng về ma sát
đó là tỷ số giữa lực ma sát và tải trọng pháp tuyến. Do phát minh của ông
chƣa có tác động đến lịch sử nên cuốn sách viết về phát minh này của ông đã
không đƣợc xuất bản trong vài trăm năm. Đến năm 1669, nhà vật lý ngƣời
Pháp Guillaume Amontons đã công bố định luật ma sát sau khi nghiên cứu
hiện tƣợng khô giữa hai bề mặt phẳng. Thứ nhất, lực ma sát cản trở sự trƣợt
trên bề mặt tiếp xúc chung tỷ lệ với tải trọng pháp tuyến. Thứ hai, độ lớn của

lực ma sát không phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc danh nghĩa. Các quan sát
này đã đƣợc nhà vật lý ngƣời Pháp Charles Augustin Coulomb (1785) kiểm
nghiệm và bổ sung thêm định luật thứ ba, đó là lực ma sát động không phụ
thuộc vào vận tốc và phân biệt rõ ma sát tĩnh và động.
Sự phát triển của bôi trơn xảy ra mạnh mẽ vào những năm 1500,
đặc biệt là các phát minh vật liệu chế tạo ổ. Năm 1684, Robert Hooke [14] đã
khám phá ra sự kết hợp giữa trục thép và vòng kim loại tốt hơn trục gỗ và

11


Chƣơng 1

vòng gang trong ổ bánh xe. Sự phát triển tiếp theo của Tribology gắn liền với
sự phát triển của công nghiệp vào cuối thế kỷ 18 và sự lớn mạnh của công
nghiệp khai thác dầu ở Anh, Mỹ, Cannada. Vào năm 1668, Isaac Newton đã
phát hiện ra các định luật về dòng chất lỏng nhớt, nhƣng mãi đến cuối thế kỷ
19 ngƣời ta mới hiểu rõ bản chất khoa học của vấn đề ổ lăn. Nguyên tắc bôi
trơn thủy động đƣợc Beauchamp Tower nghiên cứu thực nghiệm vào năm
1884 và đƣợc Osborne Reynolds chứng minh về mặt lý thuyết vào năm 1886
đáp ứng yêu cầu về thiết kế ổ có độ tin cậy cao trong máy móc hiện đại.
Công nghiệp phát triển với tốc độ ngày càng cao đã đẩy nhanh tốc
độ nghiên cứu và ứng dụng về ma sát và bôi trơn. Vấn đề đƣợc đặt ra đầy đủ
hơn trong công trình của Charles Augustin Coulomb (1736-1806): ma sát học
đã kể đến đến tính chất vật liệu và hiệu ứng bôi trơn, mối quan hệ tải trọng,
đặc tính tĩnh và động các cặp ma sát. Từ đó ma sát học ngày càng đƣợc
nghiên cứu rộng và sâu hơn; có thể kể đến các công trình của G.A. Hirn
(1815-1890), N.P.Petrov (1826-1920), B.Tower (1845-1904) v.v…Trong lĩnh
vực bôi trơn và cơ học ở giai đoạn này, nổi bật là các công trình về việc mô
hình hóa các dòng chảy chất lỏng đơn giản của Stockes, hình thành phƣơng

trình tổng quát chuyển động của chất lỏng của L.H.Navier (1785-1836), luật
chảy của J.M.Poiseuille (1799-1869).Và đặc biệt là phƣơng trình tổng quát
nổi tiếng trong bôi trơn thủy động đƣợc công bố năm 1886 bởi Osborne
Reynolds (1842-1912).
Phƣơng trình Reynolds đánh dấu bƣớc phát triển nhảy vọt và nó là
nền móng trong mọi nghiên cứu về bôi trơn cho đến hiện nay. Xuất phát từ
phƣơng trình Navier-Stockes và với giả thiết về dòng chảy của màng dầu bôi
trơn, dạng quen biết của nó là:

12


Chƣơng 1

Lý thuyết của Reynolds đã đƣợc sử dụng rộng rãi bắt đầu từ thế
kỷ 20 trong việc nghiên cứu các cơ hệ bôi trơn: các hệ thống ổ thủy động, bôi
trơn thủy động đàn hồi, bôi trơn với các chế độ dòng chảy và vật liệu khác
nhau. Hơn nữa nó còn thúc đẩy các lĩnh vực nghiên cứu liên quan đến kỹ
thuật bôi trơn nhƣ hóa học, gia công cơ khí, phƣơng pháp tính toán.
Quá trình nghiên cứu từ thế kỷ 20.
Nghiên cứu về ma sát học (Tribology) là khoa học nhóm lại đồng
thời các yếu tố của ba lĩnh vực khoa học: Bôi trơn, ma sát và mài mòn. Thực
chất nó là nội dung nghiên cứu về các thành phần “sống”, tức là các bộ phận
tiếp xúc có chuyển động trong các máy móc và thiết bị công nghiệp.
Kỹ thuật bôi trơn nhƣ một ngành đầu tiên đƣợc nghiên cứu rất
mạnh mẽ trong khoa học về ma sát học.Trƣớc hết là các công trình về
phƣơng pháp giải phƣơng trình Reynolds. Năm 1905, A.G. Michell (18701959) đã chỉ ra đƣợc sự giảm áp suất ở phần biên của màng dầu bôi trơn giữa
hai tấm phẳng kích thƣớc hữu hạn. Vào năm 1904 J.W Sommerfield A(18681951) [10] đƣa ra phƣơng pháp giải tích cho ổ dài vô hạn với điều kiện biên
mang tên ông. Tuy nhiên do chƣa có tính đến sự gián đoạn của màng dầu nên
áp suất ở vùng ra của màng dầu không thực tế (áp suất âm). Năm 1914

L.F.Gumbel (1874-1932) đã đề nghị bỏ qua miền áp suất âm ở trên khi tính ổ.
Sau đó, năm 1923 H.B.Swift (1894-1960) đã xác định có vùng áp suất bão
hòa của màng dầu và định ra điều kiện biên của Reynolds. Đó chính là cơ sở
cho thuật toán giải số của Christopherson có từ năm 1941.
Bằng phƣơng pháp tƣơng tự đến năm 1931, A. kingsbury (18631943) đã trình bày phƣơng pháp giải gần đúng phƣơng trình Reynolds. Đối
với ổ có chiều dài nhỏ so với đƣờng kính, giải pháp bỏ qua gradien áp suất
theo chu vi của F.W Ocvirk (1913-1967) đã đƣợc đề ra năm 1953. Cuối cùng,
giải pháp tổng quát và trọn vẹn phƣơng trình Reynolds dạng vi phân đạo hàm

13


Chƣơng 1

riêng sử dụng phƣơng pháp số, các phƣơng pháp đầu tiên đã đƣợc trình bày
bởi Cameron và Wood năm 1949 rồi đến Pincus, Raimondi và Boyd năm
1958. Đến nay, nhờ vào sự phát triển phi thƣờng các công cụ tính toán nên
các lời giải cho các kết cấu bôi trơn đã đƣợc giải quyết nhanh chóng.
Các hiệu ứng khác trong bôi trơn cũng đƣợc nghiên cứu cụ thể.
Mặc dù hiệu ứng nhiệt đƣợc Kingsbury đề cấp năm 1933, nhƣng phải đến
năm 1962 phƣơng trình tổng quát nhiệt thủy động mới đƣợc viết ra lần đầu
bởi D. Dowson [19]. Tuy nhiên để tính nhiệt cho tất cả các trƣờng hợp đến
nay vẫn còn nhiều nội dung cần giải quyết.
Việc sử dụng chất bôi trơn có độ nhớt thấp hay tăng tốc độ trƣợt
trong bôi trơn thủy động sinh ra hiệu ứng làm thay đổi chế độ chảy của màng
dầu. Các phân tích đầu tiên về bôi trơn với dòng chảy xoắn và rối thuộc về
nghiên cứu của G.I. Taylor năm 1923. Công thức tính đến lực quán tính của
màng dầu ở đây đƣợc trình bày bởi Slezkin và Targ năm 1946 và của Wilcok
năm 1950. Trong bôi trơn lƣu biến động, tính chất chảy của loại vật liệu này
đã đƣợc đặc trƣng của Bingham từ đầu thế kỷ, những ứng dụng trong bôi trơn

đƣợc ghi nhận trong các công trình của R.Powell và H.Eyring năm 1944 và
A.Sisko năm 1958. Có rất nhiều công trình nghiên cứu về hiệu ứng trên chế
độ chảy của màng dầu trong bôi trơn; nhƣng do phƣơng trình mô tả dạng phi
tuyến, nên việc xem xét cơ hệ bôi trơn ở đây vẫn luôn là vấn đề thời sự.
Một dạng bôi trơn với các đặc tính đặc biệt là bôi trơn thủy tĩnh và
khí tĩnh, các bề mặt ma sát hoàn toàn bị tách rời, ngay ở trạng thái tĩnh, bởi
màng chất lỏng có áp suất cao. Nó cho phép tăng độ chính xác và tin cậy của
thiết bị. Năm 1917, L.Rayligh đã gới thiệu các tính toán đầu tiên về khả năng
tải và mô men ma sát của một ổ trục bôi trơn thủy tĩnh. Tuy dạng bôi trơn này
yêu cầu một phức hợp thiết bị thủy lực kèm theo, nhƣng nó ngày càng ứng
dụng phổ biến, đặc biệt với các ổ trục chịu tải lớn đòi hỏi độ chính xác cao.

14


Chƣơng 1

Trong trƣờng hợp màng dầu bôi trơn có áp suất đủ lớn gây ra sự
biến dạng các bề mặt ma sát, ngƣời ta có dạng bôi trơn thủy động đàn hồi. Ví
dụ trong bôi trơn ổ lăn, ổ chiụ tải lớn hay cặp bánh răng. Cơ sở nghiên cứu
trong trƣờng hợp này là lý thuyết của H.R.Hertz (1857-1894) với tiếp xúc
chƣa có chất bôi trơn và mô hình hóa dòng chảy trong tiếp xúc hẹp của
Martin 1916. Nó đƣợc bổ sung bằng tính toán của Gatcobe và của Grubin
năm 1946. Cũng nhờ vào phƣơng tiện tính toán số, song đây là dạng bôi trơn
phức tạp, nên hiện nay còn tồn tại sự sai khác giữa lý thuyết và thực tế; và cơ
sở của dạng bôi trơn này vẫn là mục đích của hàng loạt nghiên cứu.
Nhằm tổng quát hóa các nội dung nghiên cứu về bôi trơn, mới đây
năm 1970, các kết quả nghiên cứu của M.Godet và cộng sự tại INSA Lyon
(Pháp) với mô hình ba vật thể (Trois corps) đặc trƣng cho hai bề mặt ma sát,
việc xác định các đặc tính của lớp vật liệu đó cho phép xác định đầy đủ hơn

các thông số của toàn bộ vùng tiếp xúc.
Để đi sâu nghiên cứu về lĩnh vực các ảnh hƣởng chế độ bôi trơn
các nhà nghiên cứu đã đƣa ra một số giải pháp tính toán nhƣ:[4] Downson và
Higginson (1961) đã đạt đƣợc giải pháp số đẳng nhiệt dầu bôi trơn thủy động
đàn hồi của tiếp xúc đƣờng bởi giải phƣơng trình Reynolds tƣơng ứng và
phƣơng trình đàn hồi. Phƣơng pháp trực tiếp (Hamrock và Downson 1976),
phƣơng pháp Newton-Raphson (Okamura 1982) và phƣơng pháp lƣới
(Lubrecht 1986). Phƣơng pháp Newton-Raphson gần đây đã trở thành rất
thông dụng, nó đã đƣợc cải thiện rất thành công bởi Houper và Hamrock
(1986). Họ đã phát triển một thuật toán đƣa giải pháp hội tụ thậm chí dƣới tải
trọng cực kỳ nặng (tới 4.8Gpa). Chang và một số cộng sự khác (1989) phối
hợp phƣơng pháp Newton-Raphson và phƣơng pháp sử dụng nút lƣới vào
một môi trƣờng làm việc.

15


Chƣơng 1

Sterlich (1961) một trong những ngƣời đầu tiên đã nghiên cứu,
khảo sát ảnh hƣởng nhiệt độ trong tiếp xúc tải trọng động đàn hồi (EHL).
Cheng và Sternlich (1965) đã đạt đƣợc giải pháp số của mô hình nhiệt tải
trọng động EHL. Murch và Wilson (1975) đã trình bày có một ảnh hƣởng rất
đáng kể của nhiệt độ lên bề dày màng tối thiểu, đặc biệt ở tốc độ quay cao.
Ghoh và Hamrock (1985) đã đặt cơ sở mô hình tải trọng động đàn hồi, ảnh
hƣởng của hiệu ứng nhiệt độ lên chiều dày tối thiểu màng dầu. Gần đây,
Sadeghi (1990) đã trình bày một giải pháp số đầy đủ của nhiệt tải trọng động
EHL tiếp xúc khi quay-trƣợt. Ông đã báo cáo về ảnh hƣởng đáng kể của nhiệt
lên chiều dày màng bôi trơn. Wolff (1991-1992) đặt cơ sở mô hình nhiệt tải
trọng động nhận đƣợc hình dạng chêm vát của màng dầu dƣới điều kiện vận

tốc quay cao và trƣợt (s=1.9). Tất cả những trình bày rõ ràng nhƣ vậy nên ảnh
hƣởng của nhiệt độ trong dầu bôi trơn thủy động và thủy động đàn hồi EHD
là rất quan trọng và chúng không thể bỏ qua. Từ đó vấn đề nghiên cứu ảnh
hƣởng của nhiệt độ lên màng dầu bôi trơn trong các cơ cấu chuyển động đã
mở ra một chƣơng mới và luôn luôn đƣợc cập nhật với các nghiên cứu
chuyên sâu. Đặc biệt tháng 6 năm 2007. TS Trần thị Thanh Hải trƣờng Đại
học Bách khoa Hà Nội, Việt Nam, cùng Các GS Bonneau, Zeghlou [3] đã
thực hiện thực nghiệm mô tả sự tƣơng tác khác nhau giữa ổ đầu to thanh
truyền, sử dụng vật liệu quang đàn hồi để xác định sơ đồ áp suất, tải trọng và
đo chiều dày màng dầu cùng sự gián đoạn của chuyển vị khi mở và trƣợt
trong bề mặt đối tiếp giữa thân và nắp bạc của bạc ổ đầu to thanh truyền.
Phân tích ảnh hƣởng của tốc độ quay và cƣờng độ sức căng ban đầu bulon
nối hai nắp bạc với góc quay trục khuỷu khác nhau. Để đi sâu nghiên cứu chế
độ bôi trơn cho một ổ đầu to thanh truyền, chi tiết mà thƣờng hoạt động trong
môi trƣờng bôi trơn thủy động, sau đây ta đi nghiên cứu phƣơng pháp bôi
trơn dạng này.

16


Chƣơng 1

1.2. Bôi trơn thủy động
1.2.1. Khái niệm về bôi trơn thủy động
Bôi trơn thuỷ động đôi khi gọi là bôi trơn màng chất lỏng. Bôi
trơn thuỷ động thƣờng đƣợc thực hiện ở vận tốc cao, sử dụng chất bôi trơn có
độ nhớt lớn để tạo nên khả năng chịu tải cao của trục và ổ. Màng chất lỏng
này có thể đƣợc tạo nên do chuyển động tịnh tiến khứ hồi hoặc dao động theo
hƣớng vuông góc với nhau với biên độ thay đổi hoặc không đổi. Cơ chế chịu
tải này dựa vào hiện tƣợng chất lỏng nhớt không thể trào ra ngoài ngay tức

khắc khi hai bề mặt tiến lại gần nhau. Chất lỏng này cần một khoảng thời
gian nhất định để các bề mặt tiếp xúc với nhau, tuy nhiên do sức cản nén của
chất lỏng, áp suất tạo nên trong lòng chất lỏng sẽ đủ để đỡ tải trọng. Khi bỏ
tải hoặc khi hai bề mặt tách xa nhau, chất lỏng bị hút vào và tạo nên lớp
màng chất lỏng cho chu kỳ chịu tải tiếp theo. Hiệu ứng màng ép đƣợc ứng
dụng để giảm ma sát ở chỗ tiếp xúc.
Bôi trơn thuỷ động là một biện pháp bôi trơn lý tƣởng để tạo nên
lớp màng bôi trơn dày khoảng (5 μm ÷ 500 μm) cao hơn chiều cao nhấp nhô
của bề mặt ổ, loại trừ tiếp xúc trực tiếp tại đỉnh các nhấp nhô. Hệ số ma sát
giữa hai bề mặt có thể giảm đến 0,001. Ma sát tăng khi tăng vận tốc trƣợt do
sức cản nhớt tăng.
Trong bôi trơn thuỷ động, mòn do dính không xảy ra trong quá
trình khởi động và tắt máy. Tuy nhiên mòn hoá học có thể xảy ra do tƣơng
tác của bề mặt vật rắn với chất bôi trơn. Để giảm mòn hoá học ngƣời ta tạo ra
trên bề mặt tiếp xúc một lớp màng trơn.
Tóm lại bôi trơn thủy động là chế độ bôi trơn mà dầu đƣợc rút vào
giữa hai bề mặt và chảy thành lớp, bề dày lớp dầu lớn hơn độ lồi lõm của các
bề mặt. Chế độ bôi trơn này là hiệu quả nhất vì giảm tối đa ma sát giữa hai bề

17


Chƣơng 1

mặt kim loại, chỉ còn ma sát nhớt của các lớp dầu. Máy móc trong các điều
kiện làm việc bình thƣờng đƣợc tính toán để bôi trơn ở chế độ này.

Hình 1-1: Thông số lớp màng bôi trơn và hệ số ma sát là hàm số của
ηN/P chỉ ra các vùng bôi trơn chất lỏng khác nhau khi không có trợ giúp của
bơm ngoài.

1.2.2. Phân nhóm ổ làm việc trong chế độ bôi trơn thủy động
Trên cơ sở thực nghiệm và sử dụng trong thực tế, có thể phân ổ
trƣợt ra thành 2 nhóm chính sau:
-Nhóm thứ nhất (I) bao gồm các ổ bôi trơn cục bộ, hoặc không
đƣợc bôi trơn.
-Nhóm thứ hai (II) bao gồm các lại ổ làm việc ở chế độ bôi trơn
ƣớt hoặc nửa ƣớt.
Các ổ nhóm thứ nhất thƣờng có dạng bề mặt phức tạp, dầu bôi
trơn đƣợc cấp dƣới dạng bề mặt phức tạp, dầu bôi trơn đƣợc cấp dƣới hình
thức rãnh dầu hoặc túi dầu.Việc bôi trơn ổ đƣợc thực hiện theo chu kỳ hoặc
liên tục từ các nguồn dầu hay túi dầu. Trong trƣờng hợp đặc biệt, dầu bôi trơn
đƣợc cấp do một nguồn tập trung có áp lực.

18


Chƣơng 1

Các nhóm ổ thứ hai, thƣờng có độ nhẵn bề mặt cao. Để giữ đƣợc
khả năng tải của màng dầu, kết cấu ổ đơn giản, nhƣng kết cấu hệ bôi trơn lại
phức tạp hơn. Theo chế độ áp lực, chúng phải đảm bảo bôi trơn ƣớt và khả
năng truyền nhiệt tốt. Dựa vào chế độ làm việc, ngƣời ta còn phân mỗi nhóm
thành các nhóm nhỏ hoặc cụm nhỏ.
Các ổ làm việc ở chế độ không có bôi trơn hoặc bôi trơn theo chu
kỳ với khối lƣợng nhỏ (tức là ở chế độ ma sát khô hoặc hạn chế) thuộc vào
nhóm (I-1). Phần lớn loại ổ này ở dạng liền hoặc giống nhƣ ống đỡ. Vật liệu
cho nhóm ổ này là gang hoặc đồng thanh. Chúng đƣợc sử dụng khi vận tốc
nhỏ và áp lực riêng không lớn. Thí dụ: trục tay quay, trục máy công tác công
suất nhỏ.
Các ổ thuộc nhóm (I-2) là những ổ đƣợc bôi trơn liên tục bằng

mỡ, bằng phớt dầu, đệm dầu. Chúng là loại ổ dễ tháo đƣợc. Ngƣời ta thƣờng
sử dụng trong các thiết bị rèn, dập, đúc, cán….
Các ổ thuộc nhóm (I-3) là những ổ làm việc ở chế độ bôi trơn thủy
động. Chúng chịu tải nặng, vừa với trục có vận tốc nhỏ, thay đổi. Ngƣời ta sử
dụng chúng trong động cơ và hộp tốc độ.
Những ổ nhóm (I-1) là ổ thủy động, chịu tải nhẹ và vận tốc trƣợt
lớn, chúng thƣờng đƣợc dùng trong các turbin hơi nƣớc, khí và bơm ly tâm.
Các ổ thuộc nhóm (II-2) là những ổ làm việc ở chế độ bôi trơn
y
B

h1
P1 = 0

h(x)
O


h2

U
B

Hình 1-2: Sơ đồ biểu diễn chêm dầu

19

P2 = 0
X

Chƣơng 1

thủy động, chúng chịu tải trọng nặng, vừa với trục có vận tốc nhỏ ngƣời ta
thƣờng sử dụng cho máy làm việc ở chế độ nặng.
1.3. Bôi trơn hệ biên - khuỷu trong động cơ nhiệt
1.3.1. Nhiệm vụ của hệ thống bôi trơn
Hệ thống bôi trơn trong động cơ nhiệt nói chung và trong hệ biên–
khuỷu nói riêng có nhiệm vụ đƣa dầu nhờn đến bôi trơn các bề mặt ma sát.
Lọc sạch các chất cặn bẩn trong dầu nhờn khi dầu nhờn tẩy rửa các bề mặt
ma sát này. Ngoài ra, hệ thống bôi trơn còn có nhiệm vụ làm mát dầu nhờn để
đảm bảo các tính năng lý - hoá của chúng trong giới hạn cho phép, đảm bảo
việc bôi trơn có hiệu quả.

Hình 1.3. Sơ đồ hệ thống bôi trơn cưỡng bức.
1.Các te dầu; 2. Phao hút dầu; 3. Bơm bánh răng; 4. Van an toàn; 5.
Bầu lọc dầu; 6. Van an toàn; 7. Két làm mát; 8. Đồng hồ báo áp suất;
9. Đường dầu chính; 10. Bôi trơn trục khuỷu; 11. Bôi trơn trục cam.
Hệ thống bôi trơn sử dụng trên các loại động cơ nhiệt đều sử dụng
dầu nhờn để làm tiêu hao công suất do ma sát gây ra tại ổ trục, hệ biên –
khuỷu và một số bề mặt chuyển động khác. Đƣa nhiệt lƣợng do ma sát sinh ra

20


Chƣơng 1

ra ngoài, thải vào môi trƣờng xung quanh, nhờ đó làm giảm đƣợc lƣợng mài
mòn của các chi tiết máy, bảo vệ các chi tiết máy trong động cơ không bị gỉ.
Sau đây ta xem xét sơ đồ hệ thống bôi trơn cƣỡng bức điển hình thƣờng đƣợc

sử dụng trong các động cơ nhiệt
Hệ thống bôi trơn trong hệ biên – khuỷu động cơ nhiệt có ba
nhiệm vụ chính sau đây:
 Bôi trơn các bề mặt ma sát, làm giảm tổn thất ma sát.
Hệ thống bôi trơn của các loại động cơ nhiệt đều dùng dầu nhờn
đệm vào giữa các bề mặt chuyển động tƣơng đối với nhau, nhằm mục đích ngăn
cản hoặc giảm bớt sự tiếp xúc trực tiếp giữa hai bề mặt ma sát (giữa bạc và
ngõng trục, giữa bạc và ắc piston..). Tuỳ theo chất và lƣợng của lớp dầu bôi trơn
mà ma sát trƣợt đƣợc chia làm ba loại: ma sát khô (không có dầu), ma sát ƣớt
(luôn luôn có dầu ngăn cách hai bề mặt ma sát), ma sát tới hạn (nửa khô, nửa
ƣớt).
 Làm mát ổ trục.
Sau một thời gian làm việc, công sinh ra từ quá trình cháy, do tổn
thất ma sát sẽ chuyển thành nhiệt năng. Chính nhiệt năng này làm cho nhiệt
độ của ổ trục tăng lên rất cao. Nếu không có dầu nhờn, các bề mặt ma sát
nóng dần lên quá nhiệt độ giới hạn cho phép, sẽ làm nóng chảy các hợp kim
chống mài mòn, bong tróc, cong vênh chi tiết...Dầu nhờn trong trƣờng hợp
này đóng vai trò làm mát ổ trục, tải nhiệt do ma sát sinh ra khỏi ổ trục, đảm
bảo nhiệt độ làm việc bình thƣờng của ổ trục. So với nƣớc, tuy rằng dầu nhờn
có nhiệt hoá hơi khoảng 4070 Kcal/kg. Trong khi đó nhiệt độ hoá hơi của
nƣớc là 590 Kcal/kg, khả năng dẫn nhiệt của dầu nhờn cũng rất nhỏ: 0,0005
cal/ 0C.g.s, của nƣớc là 0,0015 cal/0C.g.s. nghĩa là khả năng thu thoát nhiệt
của dầu nhờn rất thấp so với nƣớc. Thế nhƣng, nƣớc không thể thay thế đƣợc
chức năng của dầu nhờn, do còn phụ thuộc vào một số đặc tính lý hoá khác.

21


Chƣơng 1

Vì lý do đó, để dầu nhờn phát huy đƣợc tác dụng làm mát các mặt
ma sát. Đòi hỏi bơm dầu nhờn của hệ thống bôi trơn phải cung cấp cho các bề
mặt ma sát một lƣợng dầu đủ lớn.


Tẩy rửa bề mặt ma sát.
Khi hai chi tiết kim loại ma sát với nhau, các mạt kim loại sẽ sinh

ra trên các bề mặt ma sát, làm tăng mài mòn. Nhƣng nhờ có lƣu lƣợng dầu đi
qua bề mặt ma sát đó, các mạt kim loại và cặn bẩn ở trên bề mặt đƣợc dầu
mang đi, làm cho bề mặt sạch, giảm lƣợng mài mòn.
1.3.2. Các cơ cấu bôi trơn trong hệ biên - khuỷu
Hệ thống bôi trơn gồm có: bơm dầu, lọc dầu, cácte dầu và đƣờng
ống dẫn dầu, két làm mát dầu, van an toàn. Dầu từ cácte đƣợc hút bằng bơm
qua bầu lọc vào đƣờng dầu dọc trong thân máy vào trục khuỷu lên trục cam,
từ trục khuỷu tiếp theo dầu vào các bạc thanh truyền theo lỗ phun lên vách xi
lanh, từ trục cam vào các bạc trục cam rồi theo các đƣờng dẫn tự chảy xuống
các te.(hình 1.4)
10

9

8

11
7

6

5

12

4
3
13

2
1

Hình 1.4 Sơ đồ khối hệ thống bôi trơn hệ biên khuỷu.
1 - Phao hút; 2- Cácte; 3- Bơm dầu; 4- Van an toàn; 5- Trục cân bằng;
6- Trục khuỷu; 7- Đường dầu chính; 8- Trục tuabin; 9- Trục cam;10- Đường
dầu lên chốt pittông; 11- Đồng hồ áp suất; 12- Két làm mát; 13- Lọc dầu.

22


Chƣơng 1

1.3.3. Bôi trơn trục khuỷu
Trục khuỷu của động cơ nhiệt thƣờng đƣợc đúc liền một khối
bằng thép hợp kim bao gồm các cổ khuỷu và các chốt khuỷu. Bên trong trục
khuỷu có khoan các đƣờng đầu để bôi trơn bề mặt ma sát nhƣ chốt khuỷu, má
khuỷu...Đầu trục khuỷu có phay hai rãnh then để lắp bánh răng dẫn động
bơm cao áp, puly dẫn động bơm nƣớc và máy phát. Bánh đà đƣợc lắp ở đuôi
trục khuỷu bằng các bulông. Dầu từ đƣờng dầu chính trong thân máy đi đến
các cổ trục khuỷu đến bôi trơn cổ trục, trong trục khuỷu có khoan các lỗ dẫn
dầu lên bôi trơn chốt khuỷu (hình 1.5)

1

2

3

4

5

6

Hình 1.5. Kết cấu trục khuỷu và các lỗ dẫn dầu.
1 - Puly; 2 - Bánh răng; 3 - Cổ trục khuỷu; 4 - Chốt khuỷu;
5 - Má khuỷu; 6 - Bánh đà
1.3.4. Bôi trơn nhóm piston –thanh truyền
Pittông thƣờng đƣợc đúc bằng hợp kim nhôm, do đó khối lƣợng
của pittông tƣơng đối nhẹ. Trên pittông có 3 rãnh để lắp xécmăng, vì tốc độ
động cơ cao nên chỉ cần hai xécmăng khí để làm kín và một xécmăng dầu.
Chân pittông có vành đai để tăng độ cứng vững cho pittông khi làm việc. Để
bôi trơn bạc đầu nhỏ thanh truyền và bề mặt làm việc của xylanh - pittông
đầu to thanh truyền có khoan một lỗ để phun dầu lên thành xylanh (hình 1.5)

23


Chƣơng 1

1

2

3

4

5

6
7
O53

Hình 1.6 Bôi trơn nhóm pittông -thanh truyền.
1- Xécmăng khí; 2 - Pittông; 3- Chốt pittông; 4- Xécmăng dầu;
5- Đầu nhỏ; 6- Bulông; 7- Nắp đầu to.
1.3.5. Các phƣơng pháp bôi trơn trong động cơ nhiệt
Trong động cơ nhiệt, có nhiều bề mặt chuyển động tƣơng đối với
nhau tạo thành từng cặp nhƣ trục khuỷu - đầu to thanh truyền, chốt pittông đầu nhỏ thanh truyền, pittông-xylanh v.v…
Kết cấu các cặp chi tiết, số lƣợng, cách bố trí trong mỗi động cơ
khác nhau. Do vậy, để cung cấp đủ dầu nhờn một cách liên tục đến các bề
mặt ma sát của chi tiết máy khi làm việc có chuyển động tƣơng đối của động
24