Bài tập về công nghệ bôi trơn

TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ BÔI TRƠN
I- Lịch sử phát triển trước thế kỷ 20
Hiện tượng ma sát đã được con người biết đến và sử dụng từ lâu đời.
Sáng chế đầu tiên vào khoảng năm 4000 trước công nguyên là các thanh lăn
và xe đẩy dùng chuyên chở các vật nặng. Trải qua nhiều thiên niên kỷ, người
ta đã cải tiến và bổ sung để các công cụ đó, tuy thô sơ nhưng tiện dụng và
giảm nhẹ sức lao động của con người.
Về mặt lý thuyết, phát minh đầu tiên thuộc về Leonard de Vinci
(1452-1519) trên các hiệu ứng ma sát và khái niệm về hệ số ma sát. Những
sơ đồ về nguyên lý nhằm giảm hệ số ma sát của ông vẫn mang tính thực
tiễn cho đến ngày nay. Cuộc cách mạng khoa học lần thứ nhất (1500-1750)
ghi nhận sự phát triển quan trọng của ngành ma sát học trong cơ khí, đáp
ứng yêu cầu chế tạo trang thiết bị ngày càng phức tạp. Tiêu biểu trong thời
kỳ này là các công trình của Bernard de Berlidor (1697-1761) về kỹ thuật
hướng dẫn và nâng của Euler (1707-1783) về tính toán hệ số góc ma sát, về
hiệu ứng độ nhấp nhô bề mặt.
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 được đặt ra đầy đủ
hơn trong công trình của Charles Augustin Coulomb (1736-1806). Ma sát học
đã kể đến tính chất vật liệu và hiệu ứng bôi trơn, mối quan hệ tải trọng và đặc
tính tĩnh và động các cặp ma sát. Từ đó ma sát học ngày càng được nghiên
cứu rộng và sâu hơn; có thể kể đến các công trình của G.A Hirn (18151890), N.P Petrov (1826-1920), B.Tower (1845-1904) … Trong lĩnh vực
bôi trơn và cơ học ở giai đoạn này, nổi bật là các công trình về việc mô
hình hoá các dòng chảy chất lỏng đơn giản của Stokes, hình thành phương
trình tổng quát chuyển động của chất lỏng của L.H Navier (1785-1836),

1


luật chảy của J.M Poiseulle (1799-1869). Và đặc biệt là phương trình tổng
quát nổi tiếng trong bôi trơn thuỷ động được công bố năm 1886 bởi

Osborne Reynolds (1842-1912).
Phương trình Reynolds đánh dấu bước phát triển nhảy vọt và nó là nền
móng trong mọi nghiên cứu về bôi trơn cho đến hiện nay. Xuất phát từ
phương trình Navier-Stokes và với các giả thiết về dòng chảy của màng dầu
bôi trơn, dạng quen biết của nó là:
g
d
h
Lý thuyết của Reynolds đã được sử dụng rộng rãi bắt đầu từ thế kỷ 20
trong việc nghiên cứu các cơ hệ bôi trơn: Các hệ thống ổ thuỷ động, bôi trơn
thuỷ 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 như hoá học, gia công cơ khí, phương 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 chat
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 như một ngành đầu tiên được nghiên cứu rất mạnh
trong khoa học về ma sát học. Trước hết là các công trình về phương pháp
giải phương trình Reynolds. Năm 1905, A.G Michell (1870-1959) đã chỉ ra
được sự giảm áp suất ở phần biên của màng dầu bôi trơn giữa hai tấm phẳng
kích thước hữu hạn. Vào năm 1904, J. W Sommerfield (1868-1951) đưa ra
phương pháp giải bằng giải tích cho ổ dài vô hạn với điều kiện biên mang tên
của ông. Tuy nhiên do chưa 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
2


(1874-1923) 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 hoà 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 phương pháp tương tự điện, năm 1931, A. Kingsbury (18631943) đã trình bày phương pháp giải gần đúng phương trình Reynolds. Đối
với ổ có chiều dài nhỏ so với đường kính, giải pháp bỏ qua gradient áp suất
theo chu vi của F. W Ocvirk (1913-1967) đã được đề ra năm 1953. Cuối cùng,
giải tổng quát và trọn vẹn phương trình Reynolds dạng vi phân đạo hàm riêng
người ta sử dụng phương pháp số; các phương pháp đầu tiên đã được trình
bày bởi Cameron và Wood năm 1949 rồi đến Pincus, Raimondi và Boyd năm
1958. Đến nay nhờ sự phát triển phi thường các công cụ tính toán nên các lời
giải cho các kết cấu bôi trơn đã được giải quyết nhanh chóng.
Các hiệu ứng khác trong bôi trơn cũng được nghiên cứu cụ thể. Mặc dù
hiệu ứng nhiệt được Kingsbury đề cập từ năm 1933 nhưng phải đến năm
1962 phương trình tổng quát nhiệt thuỷ động mới được viết ra lần đầu bởi
D.Dowson. Tuy nhiên để tính nhiệt cho tất cả các trường hợp cho đến nay
vẫn còn nội dung cần giải quyết.
Việc sử dụng chất bôi trơn có độ nhớt thấp hay tăng tốc độ trượt trong
bôi trơn thuỷ động được 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 được trình bày bởi Slezkin và Targ năm 1946 và của D.
Wilcock năm 1950. Trong bôi trơn lưu biến động, tính chất chảy của loại vật
liệu này đã được đặc trưng bởi luật của Bingham từ đầu thế kỷ, những ứng
dụng trong bôi trơn được 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; nhưng do
3


phương 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 tính năng đặc biệt là bôi trơn thuỷ tĩnh và khí
tĩnh, các bề mặt ma sát hoàn toàn bị tách rời, ngay cả 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. Rayleigh đã giới thiệu các tính toán đầu tiên về khả
năng tải và mômen ma sát của một ổ trục bôi trơn thuỷ tĩnh. Tuy dạng bôi trơn
này yêu cầu cần một phức hợp thiết bị thuỷ lực kèm theo, nhưng nó ngày
càng ứng dụng phổ biến, đặc biệt với các ổ trục chịu tải lớn và đòi hỏi độ
chính xác cao.
Trong trường hợp màng dầu bôi trơn có áp suất đủ lớn gây ra sự biến
dạng các bề mặt ma sát, người ta có dạng bôit trơn thuỷ động đàn hồi. Ví dụ
trong bôi trơn ổ lăn, ổ chịu tải lớn hay cặp bánh răng. Các cơ sở nghiên cứu
trong trường hợp này là lý thuyết của H.R Hertz (1857-1894) với tiếp xúc
chưa có chất bôi trơn và mô hình hoá dòng chảy trong tiếp xúc hẹp của
Martin năm 1916. Nó được bổ sung bằng 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 hang loạt nghiên cứu.
Nhằm tổng quát hoá các nội dung nghiên cứu về bôi trơn, mới đây năm
19701, các kết quả nghiên cứu của M. Godet và cộng sự tại INSA Lyon
(Pháp) với mô hình ba vật thể (trios corps) đặc trưng cho hai bề mặt ma sát,
việc xác định các đặc tĩnh của lớp vật liệu đó cho phép xác định đầy đủ hơn
các thông số của toàn bộ vùng tiếp xúc.
II- Phân loại các dạng bôi trơn
Nghiên cứu về kỹ thuật bôi trơn thực sự là một lĩnh vực rộng. Trước
khi trình bày các nội dung nghiên cứu chúng tôi đưa ra ở đây các phân loại cơ
bản về bôi trơn.

4

Theo dạng ma sát, ngoài ma sát khô được đề cập ở phần mòn – ma sát
chúng ta có bôi trơn nửa ướt (thường gắn với việc cung cấp dầu mỡ định kỳ)
và bôi trơn ướt.
Theo vật liệu bôi trơn có chất bôi trơn rắn (graphit hay bisunfure
molybdenfe), chất bôi trơn lỏng (nước, dầu, mỡ) và chất bôi trơn khi.
Với bôi trơn ma sát được nghiên cứu nhiều nhất có hai dạng chủ yếu là
bôi trơn thuỷ động và bôi trơn thuỷ động tĩnh.
Trong bôi trơn thuỷ động tuỳ theo số Reynolds R = ρVh/µ có bôi trơn
tuyến tính, bôi trơn lưu biến động phi tuyến (thường đối với chất bôi trơn mỡ có
R nhỏ hay độ nhớt cao) và bôi trơn rối (đối với chất bôi trơn là nước hay khí).
Bôi trơn ở áp lực cao sinh ra biến dạng của các bề mặt ma sát có bôi
trơn thuỷ động đàn hồi (bôi trơn ổ lăn, ổ chịu tải lớn hay cặp bánh răng).
Ngoài ra để nâng cao một số đặc tính của kết cấu bôi trơn, có thể kể ra
các hướng nghiên cứu quan trọng như bôi trơn dùng bạc tự lựa, bôi trơn với
bề mặt bôi trơn không cứng tuyệt đối, trường hợp tải trọng thay đổi, ảnh
hưởng của nhiệt độ, …
Qua cách phân loại tương đối như trên có thể thấy rằng: Nói chung một
kết cấu bôi trơn thường là tổng hợp của các kiểu phân loại trên. Do vậy, để
tính toán một kết cấu bôi trơn cần phải giải quyết đồng thời nhiều bài toán
liên quan.

5


CHƯƠNG I
VẬT LIỆU BÔI TRƠN
I- Dầu gốc từ dầu gốc khoáng
1- Giới thiệu
Nguyên liệu chủ yếu để sản xuất ra dầu bôi trơn là các hydrocacbon tự
nhiên và tổng hợp khác nhau. Dầu gốc từ dầu khoáng được sản xuất từ dầu mỏ

bằng quá trình tinh chế chọn lọc. Bản chất của dầu thô và quá trình lọc dầu sẽ
quyết định tính vật lý và hoá học của dầu gốc tạo thành .
2. Tính chất vật lý và hoá học của dầu gốc
Các phân đoạn dầu thô thích hợp cho sản xuất dầu gốc sẽ cho ra các sản
phẩm có khoảng nhiệt độ sôi khác nhau nhờ quá trình chưng cất chân không.
Chúng chứa các hidrocacbon sau:
- Prafin mạch thẳng và mạch nhánh.
- Hydrocacbon no đơn và đa vòng (napten) có các cấu trúc vòng
xyclohexan gắn với mạch nhánh paraffin.
- Các hydrocacbon thơm đơn vòng và đa vòng chủ yếu chứa các mạch
nhánh ankyl.
- Các hợp chất chứa vòng napten, vòng thơm và mạch nhánh trong cùng
một phân tử.
- Các hợp chất hữu cơ có chứa các di nguyên tử, chủ yếu là các hợp chất
chứa lưu huỳnh, nitơ và nhôm.
Các parafin mạch thẳng dài là loại sáp rắn nên hàm lượng của chúng
trong dầu bôi trơn phải giảm tới mức nhỏ nhất. Mặt khác izoparafin (paraffin
mạch nhánh) lại là thành phần rất tốt trong dầu bôi trơn vì chúng có độ ổn
định nhiệt và tính nhiệt tốt.
Trong thực tế dầu gốc khoáng là hỗn hợp của các phân tử đa vòng có đính
mạch nhánh paraffin. Việc phân loại dầu gốc khoáng thành dầu gốc parafin,
neptan hoặc aromat tuỳ thuộc vào loại dầu hydrocacbon nào chiếm ưu thế.

6


3. Cách gọi tên và phân loại dầu gốc
Về mặt lịch sử, cách gọi tên tạo ra sự riêng biệt các phân đoạn dầu
chưng cất và dầu cặn theo độ nhớt. Do đó các phân đoạn dầu cất trung tính
(N) được phân theo độ nhớt tiêu chuẩn của chúng ở 100 oF theo độ Saybolt

(SVS). Tương tự như vậy, các phân đoạn dầu cặn (BS) được phân loại theo
độ nhớt Saybolt ở 210oF.
Nói chung dầu gốc được phân loại thành:
- Dầu có chỉ số độ nhớt cao (HVI)
- Dầu có chỉ số độ nhớt trung bình (MVI)
- Dầu có chỉ số độ nhớt thấp (LVI)
Hiện nay không có quy định và ranh giới chính xác để quy định dầu về
từng loại trên. Tuy nhiên, dầu có chỉ số độ nhớt (VI) > 85 thường được coi là
dầu HVI, còn nếu (VI) < 30 thì được coi là dầu LVI. Dầu MVI nằm giữa hai
khoảng đó. Tuy vậy, kỹ nghệ hydrocracking có thể tạo ra dầu gốc có chỉ số độ
nhớt rất cao (VHVI) hoặc siêu cao (VHVI). Dầu LVI được sản xuất từ phân
đoạn dầu nhờn neptan. Nó được dung khi mà chỉ số độ nhớt và độ ổn định
oxy hoá không chú trọng lắm.
II- Phụ gia
1. Đặc tính chung của phụ gia
Phụ gia là những hợp chất hữu cơ, cơ kim và vô cơ, thậm chí là các
nguyên tố, được thêm vào các chất bôi trơn. Thường mỗi loại phụ gia được dùng
ở nồng độ từ 0,01÷ 5%. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp một phụ gia có thể
được đưa vào ở một khoảng nồng độ dao động từ vài phần triệu (ppm) đến 10%.
Phần lớn các loại dầu nhờn cần nhiều loại phụ gia để thoả mãn tất cả
các yêu cầu tính năng. Một số phụ gia nâng cao những phẩm chất đã có sẵn
của dầu, một số khác tạo cho dầu những tính chất mới cần thiết. Các loại phụ
gia khác nhau có thể hỗ trợ lẫn nhau, gây ra hiệu ứng tương hỗ, hoặc chúng
có thể dẫn đến phản ứng đối kháng.
7


Vì có khả năng cải thiện tính năng của dầu bôi trơn và các chất lỏng bôi
trơn nên phụ gia tạo điều kiện rất tốt cho việc cải tiến các loại xe và máy móc
công nghiệp.

2- Một số phụ gia đặc trưng
2.1- Phụ gia cải thiện chỉ số độ nhớt
Thường sử dụng là các polymer không tập trung. Nó cho phép tăng độ
nhớt, ngay cả ở nhiệt độ thấp và như vậy làm tăng chỉ số độ nhớt của dầu.
Các sản phẩm sử dụng là các polymethacrylatess và các polymer gốc
olefin. Tuy nhiên các hợp chất này có liên kết phân tử yếu, vì vậy dưới tác
động lớn về cơ học hay nhiệt độ cao có thể bị gãy mạch và gây ra hiệu ứng
phi Newton của dầu.
2.2- Phụ gia giảm nhiệt độ đông đặc
Nhiều loại dầu có nhiệt độ đông đặc từ -25oC đến 3oC, khi đó mất khả
năng bôi trơn. Vì vậy trong môi trường nhiệt độ thấp cần giảm nhiệt độ trên.
Các phụ gia sử dụng ở đầy nhằm mục đích giảm kích thước tinh thể paraffin
hay biến đổi hình dạng của nó. Các sản phẩm sử dụng là các ankin thơm, các
polyester, polyamine và polyolefin.
2.3- Phụ gia tăng độ linh động
Phụ gia thuộc loại này nhằm tăng khả năng linh động và thẩm thấu của
dầu trên các bề mặt ma sát. Các sản phẩm thường dùng là các muối như
sulfonates, các thiosphotphates và các phenates.
2.4- Phụ gia chống mòn và chịu áp
Phụ gia thuộc loại này nhằm bảo vệ màng dầu ngăn cách các bề mặt
tiếp xúc từ nhiệt độ môi trường đến nhiệt độ trung bình khi làm việc. Người ta
thường dùng các este photphoric, các dithiophotphat kim loại (ví dụ ZnDDP),
các dẫn xuất este béo và axit béo.
2.5- Phụ gia chống oxy hoá dầu bôi trơn
Phụ gia chống oxy hoá hoạt động theo 3 cơ chế sau:
8


- Tạo huyền phù cho các chuỗi phân tử tự do, thường sử dụng các hợp chất
phenol và các amin.

- Phá huỷ cấu trúc peroxit sinh ra từ hiện tượng gỉ, thường sử dụng các
dithiôphtphat và dithiocarbamat. Ức chế hoạt động và hạn chế xúc tác các ion
kim loại, thường sử dụng các phenol và phenat.
Trên cơ sở dầu gốc và các phụ gia nói trên, người ta đưa ra một tỷ lệ
tương đối khi pha chế dầu bôi trơn. Đối với hai loại dầu SAE 30 và SAE 40,
chúng ta có thể thấy tỷ lệ như bảng dưới đây:
Chất cấu thành

% Trọng lượng

Dầu gốc

71,5-96,5

Chất tẩy rửa

2-10

Chất phân tán không tro

1-9

Kẽm điankylđithiophotphat

0,5-3,0

Phụ gia chống mài mòn và oxy hoá

0,1-2,0

Chất biến tính ma sát

0,1-3,0

Chất hạ điểm đông

0,1-1,5

Chất ức chế tạo bọt

2-15ppm

III- Đánh giá thông số chất bôi trơn
1- Đánh giá thông số bôi trơn
1.1- Định nghĩa độ nhớt
Độ nhớt của dầu là một chỉ tiêu rất quan trọng khi đánh giá tính năng
dầu bôi trơn.
Độ nhớt của chất lỏng là lực tiếp tuyến trên một đơn vị diện tích cần
dùng trong quá trình chuyển động tương đối với vận tốc một đơn vị giữa hai
mặt phẳng nằm ngang ngăn cách bởi một lớp dầu dầy một đơn vị.
1.2- Đơn vị độ nhớt
Từ quan hệ:

9


Chúng ta rút ra phương trình thứ nguyên của độ nhớt động lực học là:
µ = ML-1T-1
Trong cơ học chất lỏng, người ta đưa vào tính toán tỷ sổ v = µ/ρ. Tỷ
số giữa độ nhớt động học và khối lượng riêng của chất lỏng; v được gọi là độ

nhớt động học, thứ nguyên của nó là v = L2T-1.
Đơn vị độ nhớt động lực học trong hệ tiêu chuẩn SI là Pa.s
(Pascal.giây) tương ứng là Poiseuille (PI). Đó chính là hệ số tỷ lệ của chất
lỏng mà trong đó có ứng suất trượt là 1N/m2 ứng với gradient vận tốc 1m/s.
Trong hệ C.G.S đơn vị độ nhớt động lực học là Poise (Po), thực tế
người ta thường dùng là (cPo – centipoise) hoặc (m.Pa – milipascal.giây) nó
tương ứng với độ nhớt đơn vị của nước ta ở 20oC.
Trong hệ C.G.S đơn vị độ nhớt động học là Stockes (St) trong thực tế
thường dùng là centistockes (cSt). Không tồn tại đơn vị độ nhớt động học tiêu
chuẩn SI, đưa ra các đơn vị độ nhớt:
Độ nhớt

Đơn vị thứ
nguyên
µ (Độ nhớt động ML-1T-1
lực học)
2

ν (Độ nhớt động L T
học)

-1

C.G.S

SI

Poise (Po)

Pascal.seconde

Chuyển đổi
tương đương
1 cPo

= g/cm.s
Stockes (St)

(Pa.s) = kg/m.s
m2/s

= 1mPa.s
1 cSt

= cm2/s

= 1 mm2/s

1.3- Đo độ nhớt
Để đo độ nhớt của chất lỏng người ta sử dụng các nhớt kế, chúng được
chia làm hai loại: nhớt kế tuyệt đối và nhớt kế kinh nghiệm.
1.3.1- Nhớt kế tuyệt đối
a- Nhớt kế mao dẫn
Người ta cho một lượng chất bôi trơn nhất định chảy qua ống mao dẫn
chuẩn đặt đứng.

10


Lưu lượng của chất lỏng được xác định theo luật chảy đưa ra bởi Hagen

(1939) và Poiseuille (1840) như sau:
Trong đó: Q- Lưu lượng; R- bán kính; ℓ- chiều dài ống; µ- độ nhớt
động lực học; Δp- độ chênh áp giữa hai đầu ống.
Quan hệ này đúng với chất lỏng không nén được ở chế độ chảy tầng và
chảy liên tục. Đối với một ống mao dẫn mà tỷ số giữa l/d > 100 (d- đường
kính). Quan hệ này không tính đến hiệu ứng quán tính.
Trong một số nhớt kế kiểu mao dẫn, dòng chảy được thiết lập ở áp suất
không đổi dưới tác động của trọng lượng chất lỏng (ống để đứng):
Δp = ρgh
Trong đó: ρ- khối lượng riêng; g-gia tốc trọng trường; h- chiều cao ống.
Trong trường hợp này: ν có thể được suy ra từ thời gian chảy t của thể
tích chất lỏng V theo quan hệ;
Nhớt kế này có tên là nhớt kế Ubbelohde, cho độ chính xác khá cao,
xấp xỉ 0,3%.
b- Nhớt kế Couette
Trong các loại nhớt kế này, người ta đo mômen cản của chất lỏng trượt
giữa 2 xy lanh đồng trục quay tương đối.
Couette (1890) đã trình bày một nghiên cứu hoàn chỉnh về kiểu dòng
chảy trên và chỉ mômen cản ma sát Ca, liên quan tới µ qua quan hệ:
μ = K . Ca
Như vậy nếu đo được mômen cản Ca người ta hoàn toàn có thể xác định
được nhớt động lực học μ từ quan hệ trên.
Trong công thức này, ω1, R1, ω2, R2 lần lượt là vận tốc góc và bán kính
của xy lanh trong và xy lanh ngoài. L- chiều dài xy lanh.
Trong trường hợp độ chênh bán kính là rất nhỏ
Ta có thể coi:
11


R1 ≈ R2 ≈ R và C = R2 – R1

Từ đó:
Nhớt kế này cho kết quả chính xác, với khe hở
tương đối C/R nhỏ, cho phép đo được độ nhớt ở độ biến dạng trượt cao.
Thực vậy, trong trường hợp này độ biến dạng:
c- Nhớt kế đĩa phẳng – côn
Sơ đồ máy đo độ nhớt
đĩa phẳng- mặt phẳng

Sơ đồ máy đo độ nhớt
đĩa côn - mặt phẳng

Trong nhớt kế này người ta đo (tương tự như trên) mômen cản ma sát
của chất lỏng chảy giữa một đĩa hoặc một mặt côn với một mặt phẳng.
Trong trường hợp của một đĩa phẳng quay trên mặt phẳng, mômen ma
sát có quan hệ sau:
Trong đó: ω - vận tốc góc; R- bán kính đĩa; h- khoảng cách giữa đĩa
phẳng và mặt phẳng.
Trong trường hợp của một côn quay trên mặt phẳng có quan hệ sau:
Trong trường hợp này h0- chiều cao của đỉnh côn với mặt phẳng; αnửa góc côn.
Chú ý rằng với kiểu nhớt kế này: h, h 0 bị thay đổi sẽ dẫn đến độ chính
xác đo bị thay đổi. Nhớt kế loại này thường dùng đo chất lỏng có độ nhớt cao.
d- Nhớt kê bi rơi
Khi một viên bi rơi trong chất lỏng, nó đạt tới vận tốc tới hạn V mà giá
trị phụ thuộc độ nhớt μ của chất lỏng. Vận tốc này được đưa ra bởi quan hệ:
Trong đó: r- bánh kính bi; g- gia tốc trọng trường; ρ b và ρℓ- lần lượt là
khối lượng riêng của bi và chất lỏng.
Vận tốc được đo từ thời gian rơi trong chất lỏng của viên bi trên một
quãng đường xác định. Kiểu nhớt kế thường dùng để đo chất lỏng có độ nhớt
lớn hoặc chất lỏng chịu áp lực cao.

12


1.3.2- Đo độ nhớt kinh nghiệm
Trong thực tế sử dụng dầu hiện nay, người ta còn sử dụng độ nhớt
Saybolt (ở Mỹ), Redwood (ở Anh) và Engler (ở châu Âu). Các loại độ nhớt
này được đo và biểu diễn bằng thời gian chảy của một thể tích chất lỏng xác
định qua một ống chuẩbn. Các loại độ nhớt trên gọi là độ nhớt kinh nghiệm
Tên độ nhớt

ENGLER

SAYBOLT

Thể tích

Biểu diễn

Nhiệt độ

Đơn vị

dầu (cm3)

độ nhớt
Tỷ số thời gian chảy của 200cm3

đo
200C

độ nhớt

200

dầu với thời gian chảy của 200cm3

500C

Engler

nước qua ống chuẩn

1000C

Thời gian chảy bằng giây của

1500C
700F

60cm3 dầu qua ống chuẩn

1000F

Saybolt

1300F

S.U.S

60

0

REDWOOD

50

Thời gian chảy của 50cm dầu qua

270 F
700F

ống chuẩn

1000F

3

Redwood

1400F
2000F

1.4- Sự thay đổi của độ nhớt theo nhiệt độ
Các nghiên cứu và thực nghiệm cho thấy độ nhớt nói chung phụ thuộc
vào nhiệt độ có thể biểu diễn bằng công thức:
Trong đó E = a + bT + cT 2 và μ0 là độ nhớt động lực học ở nhiệt độ cho
trước, T là nhiệt độ tuyệt đối, các hệ số a-b-c phụ thuộc vào chất bôi trơn.
Sự thay đổi của độ nhớt theo áp suất.
Độ nhớt của dầu phục thuộc vào áp

suất được biểu diễn qua công thức:
μ = μ0eap
Trong đó μ0 là độ nhớt động lực học
tại một áp suất cụ thể, α là hệ số áp

Biến thiên của độ nhớt

nhớt áp và phụ thuộc vào bản chất

theo nhiệt độ (ISO VG 32)

13


của chất bôi trơn, trong các trường hợp chung nó nằm trong khoảng:
5.10-9 Pa-1 < α < 40.10-9 Pa-1
ρ là áp suất.
Chỉ số độ nhớt
Định nghĩa chỉ số độ nhớt
Cho đến nay đã có một vài chỉ số của độ nhớt đã được nêu ra, chỉ có
chỉ số do Dean và Davis đưa ra là được sử dụng phôt biến. Năm 1929, các
tác giả đã sắp xếp (phân loại) dầu theo giá trị của độ nhớt động học (SSU)
ở 2100F (980C). Trong tất cả các loại dầu có cùng độ nhớt ở 210 0F, lấy 2
dầu có độ nhớt nhỏ nhất và lớn nhất ở 100 0F (37,80C). Dầu thứ nhất tương
ứng với các dầu paraffin có độ nhớt thay đổi rất ít so với nhiệt độ. Thứ 2 là
các loại dầu nepten có độ nhớt thay đổi nhiều nhiệt độ. Dầu thứ nhất có chỉ
số là 100, dầu thứ 2 có chỉ số là 0. Tại châu Âu và Mỹ từ năm 1975, các
nhiệt độ ban đầu này là 40 0C và 100 0C. Để xác định chỉ số độ nhớt của dầu
có độ nhớt U tại 40 0C và P tại 100 0C, ta tìm các độ nhớt L và H ở 40 0C của
dầu parafin và nepten có cùng độ nhớt P ở 100 0C. Chỉ số độ nhớt VI

(Viscosite Index) được tính;
Theo định nghĩa này, có rất nhiều loại dầu có chỉ số độ nhớt lớn hơn
100, tương ứng với các loại dầu thay đổi rất ít theo nhiệt độ. Với các loại dầu
này một cách tính khác được đưa ra bởi A.S.T.M có dạng:
Công thức này dùng chính xác hơn đối với dầu có chỉ số độ nhớt cao,
thường trên 100.
2- Tiêu chuẩn dầu mỡ bôi trơn
Ngoài bảng tiêu chuẩn trên để đánh giá chất lượng dầu mỡ bôi trơn,
Viện dầu khí Hoa Kỳ (API) đã phân loại và mô tả dầu động cơ và dầu công
nghiệp bằng ký hiệư tương ứng với phạm vi sử dụng chúng. Hệ thống phân
loại dầu động cơ ra hai loại lớn “S” và “C” với các cấp khác nhau cho mỗi
loại. Chúng được cho dưới các bảng sau:

14


“S” Phân loại cho động cơ xăng
Ký hiệu chữ
SA
SB
SC

SD
SE

SF

SG

SH

Chất lượng dầu và hướng dẫn bảo dưỡng
+ Dầu không có phụ gia
+ Sử dụng cho động cơ xăng và điêzen trong điều kiện tải trọng
rất nhẹ
+ Dầu có khả năng chống oxy hoá và bào mòn
+ Sử dụng cho động cơ xăng với tải trọng tối thiểu
+ Dầu hạn chế tạo cặn, mài mòn, gỉ và ăn mòn
+ Sử dụng trong bảo dưỡng bảo hành động cơ xăng giai đoạn
1964-1967
+ Dầu bảo vệ động cơ tốt cấp API- SC
+ Sử dụng trong bảo dưỡng bảo hành động cơ xăng giai đoạn
1968-1971
+ Dầu chống đóng cặn ở nhiệt độ cao, chống oxy hoá, gỉ và ân
mòn trong động cơ xăng tốt hơn cấp API-SD
+ Sử dụng trong bảo dưỡng bảo hành động cơ xăng giai đoạn
1970-1970
+ Dầu chống đóng cặn ở nhiệt độ cao, chống oxy hoá, gỉ và ân
mòn trong động cơ xăng tốt hơn cấp API-SD
+ Sử dụng trong bảo dưỡng bảo hành động cơ xăng giai đoạn
1980
+ Độ ổn định oxy hoá, chống tạo cặn và chống mài mòn tốt hơn
cấp dầu API-SF
+ Vượt qua tính năng của các phẩm cấp API-CC hay CD cho
động cơ điêzen
+ Vượt các yêu cầu tối thiểu cấp API-SG
+ Dùng để thay thế khi yêu cầu hạn chế đóng cặn, oxy hoá, mài
mòn, gỉ và ăn mòn

“C” Phân loại cho động cơ đốt cháy nhờ nén

Ký hiệu chữ
CA

CB

Chất lượng dầu và hướng dẫn bảo dưỡng
+ Sử dụng cho động cơ điêzen tải nhẹ
+ Dầu bảo vệ chống ăn mòn ổ trục và đóng cặn trong động cơ
điêzen, nạp tự nhiên sử dụng loại nhiên liệu có chất lượng đòi
hỏi yêu cầu khác thường về bảo vệ chống mài mòn và đóng cặn
+ Sử dụng cho động cơ điêzen tải trọng trung bình
+ Dầu bảo vệ chống ăn mòn ổ trục và đóng cặn ở nhiệt độ cao
trong động cơ điêzen, nạp tự nhiên sử dụng nhiên liệu có hàm
lượng lưu huỳnh cao
+ Sử dụng cho động cơ điêzen và động cơ xăng có tải trọng
trung bình đến nặng
+ Dầu bảo vệ chống đóng cặn ở nhiệt độ cao và ăn mòn ổ trục
trong các động cơ điêzen tăng áp nhẹ, đồng thời bảo vệ chống

15


CC
CD

CD-II

CF-4

gỉ, ăn mòn và đóng cặn nhiệt độ thấp trong động cơ xăng

+ Sử dụng trong động cơ tải trọng nặng
+ Khống chế hữu hiệu sự mài mòn và đóng cặn trong động cơ
điêzen tăng áp cao tốc và công suất sử dụng nhiên liệu có chất
lượng đa dạng.
+ Sử dụng trong động cơ điêzen 2 thì tải trọng nặng
+ Yếu tố đ ặc tr ưng cho động cơ 2 thì đòi hỏi khống chế hữu
hiệu mài mòn và đóng cặn. Dầu pha chế cho trường hợp này
cũng đáp ứng tất cả của APICD
+ Sử dụng cho động cơ điêzen hạng nặng tăng áp thường hay
tăng áp turbo vận hành trong điều kiện tốc độ thấp, tải trọng
nặng
+ Sử dụng cho động cơ tính năng cao
+ Dầu loại này được pha chế để sử dụng cho động cơ điêzen 4
thì cao tốc. Nó đặc biệt thích hợp cho xe tải hạng nặng
+ Vượt yêu cầu của dầu loại “CE” và được pha chế để thay thế
dầu loại “CE”

Cấp chất lượng API cho dầu bánh răng
Ký hiệu chữ
GL-1
GL-2
GL-3
GL-4
GL-5

Định nghĩa mục định
Dầu thuần khoáng (không có phụ gia)
Cho một số bộ truyền động, truyền trục vít áp lực hơi cao
Cho một số bộ truyền động bánh răng nón, răng thẳng hay xoắn
(cầu vào bộ truyền động) có áp lực hơi cao

Chịu áp lực tương đối cao, ML-L-2105
Các đời xe cũ
Bánh răng hypoit (hyproid) chịu tải trọng nặng vừa
Chịu áp lực cao hiện tại: ML-L-2105 B/C
Mọi cầu chủ động bánh răng hypoit (hyproid)
Một số bộ truyền bánh răng

CHƯƠNG II
CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN
Ổ ĐỠ THUỶ ĐỘNG

16


Ổ đỡ thuỷ động thường được dùng phổ biến trong các máy móc thiết bị.
Đơn giản nhất là một trục quay trong một bạc đỡ thường là bằng đồng, trong
đó có chất bôi trơn.
Trong một vài cơ cấu, nó cho một giải pháp công nghệ rất tốt. Người ta
thường dùng các mô tơ nhiệt, máy nén, trục có vận tốc quay cao, bộ biến tốc,
tàu hoả, tàu thuỷ, … Một ổ đỡ bao gồm hai chi tiết, trục nói chung bằng thép,
bán kính Ra và bạc bằng đồng bán kính Rc, chiều dài L. Vì vậy trên sơ đồ giới
thiệu ổ có thể giản lược bằng hai vòng tròn lân cận đặc trưng bằng ba độ lớn:
- Khe hở bán kính C = Rc - Ra
- Khe hở tương đối: ε = C/R
- Tỷ số L/D (chiều dài và đường kính của ổ)
W là tải trọng bên ngoài tác dụng lên trục. Ở vị trí dừng trục và bạc tiếp
xúc với nhau cả hai cùng chịu tác dụng của W, khi đó khoàng cách OcOa
bằng khe hở bán kính, ở vị trí khởi động trục lăn trượt trong ổ vào quãng
không gian hội tụ tao bởi bề mặt trục và bạc. Đến lúc nào đó tốc độ quay đặt
1 giá trị nhất định thì trong ổ hình thành trường áp suất chống lại tải trọng

bên ngoài.
Với tốc độ quay ổn định và tải trọng không đổi thì tâm trục Oa có một ví
trí cố định bên trong bạc.
1. Tính ổ bằng phương pháp tra bảng
Nhận thấy rằng từ bảng trên, nếu biết được kích thước kết cấu và thông
số là m việc của ổ, ta có thể xác định được các đặc tính có thứ nguyên bằng
cách tra các đặc tính không thứ nguyên tương ứng và sau đó thực hiện chuyển
đổi theo các công thức đã xác định ở phần trên. Cách làm này có thể được gọi
là cách tính ổ bằng phương pháp tra bảng. Trình tự tính ổ theo phương pháp
này được trình bày như sau:
1.1. Trình tự tính ổ
Cho ổ có các thông số làm việc sau:
17


Cho dầu có:

Kích thước ổ:

+ Độ nhớt động lực học µ(Pa.s)

+ Chiều dài ổ L (m)

+ Khối lượng riêng ρ (kg / m3 )

+ Đường kính ổ D (m)

+ Nhiệt dung riêng Cp (J/kg.oC)

+ Khe hở bán kính C (m)

+ Số vòng quay N (vg/s)
+ Tải trọng lên ổ W (N)

Các bước thực hiện:
1. Tính số Sommerfeld:
2

µLDN  R 
S=
 ÷
W C

2. Căn cứ vào số Sommerfeld ta tra bảng được các thông số:
+ Góc chất tải: φ
+ Hệ số ma sát không thứ nguyên: f a = f a .

C
R

+ Lưu lượng dọc trục không thứ nguyên: Q
+ Mô men ma sát không thứ nguyên:

Ca =

Ca
R
µLDNR  ÷
C

=

1R
fa
SC

3. Trên cơ sở các thông số không thứ nguyên trên ta xác định được:
+ Chiều dày màng dầu nhỏ nhất: h min = C(1 − ε)

[m]

+ Lưu lượng dọc trục: Q = Q.LCV

[m3/s]

+ Mô men ma sát: Ca

[N.m]

+ Công suất tổn hao: P = Ca .ω

[W]

+ Độ tăng nhiệt độ của dầu: ∆T =

λP
ρCp Q

[ độ C]

Trong đó λ là hệ số hấp thụ nhiệt của dầu (thường lấy λ = 0,85 ÷0,9)

* Chú ý:

18


+ Đơn vị các thông số theo hệ SI,
+ Tuỳ thuộc khả năng công nghệ mà chọn các thông số: khe hở bán kính
C, hmin, ε một cách hợp lý).
+ Để đảm bảo ổ làm việc tốt, cần tăng tải trọng W lên một hệ số an toàn
nào đó khi tính số Sommerfeld.
2. Tính ổ bằng phương pháp tra bảng
Hình 2.25 trình bày một ổ có hình dạng hình học cố định, nó được tạo
bởi nhiều mưởng. Tải trọng và mô men ma sát đối với một mưởng sẽ được
nhân với số mưởng để nhận được đặc tính kết cấu của ổ.
Lưu lượng có khác vì cần phải tính đến điều kiện cung cấp dầu của ổ và
của chất lỏng, nó ra khỏi mưởng và được cung cấp lại cho mưởng tiếp theo.
Các đặc tính làm việc của ổ có thể biểu diễn dưới dạng không thứ
nguyên phụ thuộc vào độ nghiêng của mưởng thể hiện qua tỷ số
δ = (h1 − h 2 ) / h 2 và kích thước của mưởng; như góc ở tâm β bao mưởng và tỷ
số về độ lớn khác nhau của bán kính γ = (R 2 − R1 ) / R 2 . Khả năng tải không
thứ nguyên W p :
2

P  δh 2 
Wp =

÷
µN  R1 − R 2 
Mô men ma sát không thứ nguyên Cp
Cp = Cp

δh 2
µNR 42

Lưu lượng không thứ nguyên được phân ra thành ba thành phần lưu
lượng. Lưu lượng ở bán kính trong là lưu lượng hướng kính, Q r1 , lưu lượng
hướng kính ở bán kính ngoài Q r 2 , và lưu lượng vào Qe . Đối với mỗi thành
phần được biểu diễn bằng công thức sau:
19


Q = QπR 2 N(R 2 − R 1 )δh 2
Các tỷ số vị trí không thứ nguyên: θ =

r − R1
θ
và r =
sẽ áp dụng tổng
R 2 − R1
β

hợp áp suất trên một mưởng (vị trí của lực tổng hợp trên một mưởng).
Trong đó:
N: Tốc độ vòng quay (vòng/giây),
µ : là độ nhớt động lực học (Pa.s),
Ca: Mô men ma sát,
P: Là áp suất trung bình.
Áp trung bình P tính theo công thức:
P=

Wp
S

=

2Wp
(R − R 12 )β
2
2

Trong đó: S là diện tích của mưởng,
Wp là khả năng tải của mỗi mưởng.
Dưới các tải trọng này chiều dầy màng dầu phụ thuộc duy nhất vào góc
θ được cho bởi công thức:

θ 

h = h 2 1 + δ 1 − ÷÷
 B 

2.1. Tính ổ chặn thuỷ động bằng phương pháp tra bảng
Trên cơ sở giải phương trình Reynold bằng chương trình máy tính người
ta đã lập được bảng các thông số không thứ nguyên, do đó có được phương
pháp tính ổ bằng cách tra bảng các thông số không thứ nguyên. Nghĩa là từ
một số thông số cơ bản của ổ, ta tra bảng được các giá trị không thứ nguyên
như: lưu lượng không thứ nguyên, mômen ma sát không thứ nguyên, khả
năng tải không thứ nguyên,… sau đó qua các công thức liên hệ tính trở lại các
giá trị có thứ nguyên.
Cho ổ có các thông số:
+ Độ nhớt động lực học µ(Pa.s)

+ Bán kính trong R1 [m]
20


+ Góc ôm β , [độ]

+ Bán kính ngoài R2 [m]

+ Chiều dày màng dầu lớn nhất h1 [m]

+ Số vòng quay N [vg/s]

+ Chiều dày màng dầu nhỏ nhất h2 [m]

+ Số mưởng Z

2.1.1. Trình tự tính
Bước 1: Tính các tỷ số
+ δ=

h1 − h 2
R 2 − R1
và γ =
h2
R2

Bước 2: Căn cứ vào β, δ, γ tra bảng ta được các thông số không thứ
nguyên
+ Lực nâng không thứ nguyên W p

+ Mô men ma sá không thứ nguyên Cp
+ Lưu lượng dầu:
Q r1 : dầu thoát ra ở R1
Q r 2 : dầu thoát ra ở R2
Qe : dầu thoát ra theo phương chu vi (chung cho hai thành phần)
Bước 3: từ các số liệu trên ta xác định được:
2

 R 2 − R1  R 22 − R 12
β
+ Khả năng tải: W=ZW pµN 
÷
2
 δh 2 
+ Mô men ma sát:

µNR 42
C = ZC p
δh 2

+ Lưu lượng: Q r = 6Q r 2µR 2 N(R 2 − R1 )δh 2
+ Công suất tổn hao: P = C ω

21

[N]
[Nm]
[m3/s]

22