Nghiên cứu mô phỏng số bôi trơn thủy động ổ đầu to thanh truyền của động đốt trong

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình riêng của tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của
TS. Trần Thị Thanh Hải và TS. Nguyễn Tiến Lưỡng. Các kết quả nêu trong luận án là
trung thực và chưa được ai công bố trong bất trì công trình, luận án nào khác.

Hà Nội, ngày 12 tháng 10 năm 2018
Tác giả luận án

Thay mặt Tập thể người hướng dẫn

TS. Trần Thị Thanh Hải

Nguyễn Đình Tân

i


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên tôi xin bày tỏ long biết ơn chân thành và sâu sắc của mình tới tập thể Thầy
cô hướng dẫn khoa học là TS. Trần Thị Thanh Hải và TS. Nguyễn Tiến Lưỡng. Các thầy
cô đã gợi mở cho tôi các ý tưởng khoa học, luôn tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian
thực hiện luận án.
Đồng thời tôi cũng xin cảm ơn đến các thầy cô, anh chị em trong bộ môn Máy &
Ma sát học – Viện Cơ khí – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đã nhiệt tình có những góp
ý xây dựng để tôi hoàn thành luận án của mình.
Tôi xin trân trọng cảm ơn tới Ban giám hiệu, Viện đào tạo sau đại học, Viện Cơ khí
– Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học
tập và nghiên cứu từ năm 2011 đến nay.
Qua đây, tôi cũng xin cảm ơn đến Giáo sư Aurélian FATU và các thầy cô, anh em
tại Viện PPRIME • UPR 3346, Trường Đại học Poitiers, Cộng hòa Pháp đã giúp đỡ và chỉ
bảo tôi về trang thiết bị thực nghiệm, các kỹ thuật phân tích trong thời gian tôi nghiên cứu

thực nghiệm trong khuôn khổ luận án để tôi có thể hoàn thành luận án của mình.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, anh chị em đồng nghiệp trường
Cao đẳng Điện tử - Điện lạnh Hà Nội đã tạo điều kiện, giúp đỡ và động viên để tôi hoàn
thành luận án này.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, những người thân luôn động viên về
tinh thần, thời gian và vật chất để tôi có động lực trong quá trình học tập và nghiên cứu để
có thể hoàn thành luận án này.

Hà Nội, tháng 10 năm 2018
Tác giả

Nguyễn Đình Tân

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN....................................................................................................................... ii
MỤC LỤC ...........................................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ....................................................... vi
DANH MỤC HÌNH VẼ ....................................................................................................viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...............................................................................................viii
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ...................................................................................................... 1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................................. 2
4. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................... 2
5. Nội dung nghiên cứu ...................................................................................................... 2
6. Ý nghĩa khoa học của đề tài ........................................................................................... 2

7. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài ........................................................................................... 3
8. Các kết quả mới ............................................................................................................. 3
Chương 1: TỔNG QUAN.................................................................................................... 4
1.1. Ổ đầu to thanh truyền.................................................................................................. 4
1.1.1. Khái niệm ............................................................................................................. 4
1.1.2. Các Hiện tượng, nguyên nhân hư hỏng ............................................................... 4
1.1.3. Khe hở bán kính ................................................................................................... 5
1.1.4. Khe hở dọc ........................................................................................................... 6
1.2. Những vấn đề về công nghệ thiết kế sơ bộ ổ đỡ bôi trơn thủy động ......................... 6
1.2.1. Xác định chiều dày màng dầu ............................................................................. 6
1.2.2. Chọn ổ theo khe hở .............................................................................................. 7
1.2.3. Xác định chế độ bôi trơn ...................................................................................... 8
1.3. Tổng quan tình hình nghiên cứu ................................................................................. 8
1.3.1. Trên thế giới ......................................................................................................... 9
1.3.1.1. Nghiên cứu mô phỏng số bôi trơn ổ đầu to thanh truyền ............................. 9
1.3.1.2. Nghiên cứu thực nghiệm ổ đầu to thanh truyền .......................................... 16
1.3.2. Trong nước......................................................................................................... 19
1.4. Kết luận ..................................................................................................................... 21
Chương 2: LÝ THUYẾT BÔI TRƠN THỦY ĐỘNG .................................................... 22
2.1. Phương trình Reynolds tổng quát ............................................................................. 22
2.2 Phương trình Reynolds cho ổ đỡ thuỷ động .............................................................. 25
2.2.1 Chiều dày màng dầu ........................................................................................... 25

iii


2.2.2 Phương trình Reynolds ....................................................................................... 27
2.2.3. Hiện tượng xâm thực ......................................................................................... 29
2.2.3.1. Nguyên nhân ............................................................................................... 29
2.2.3.2. Mô hình hóa hiện tượng xâm thực .............................................................. 30

2.2.4 Điều kiện biên Reynolds .................................................................................... 31
2.2.5 Áp dụng điều kiên biên Reynolds cho ổ đỡ thủy động ....................................... 31
2.3. Phương trình cân bằng tải ......................................................................................... 32
2.4. Kết luận ..................................................................................................................... 33
Chương 3: MÔ PHỎNG SỐ BÔI TRƠN Ổ ĐẦU TO THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ
5S-FE ................................................................................................................................... 34
3.1 Mô hình hóa bôi trơn ổ đầu to thanh truyền .............................................................. 34
3.1.1 Bài toán 1 ............................................................................................................ 34
3.1.1.1. Rời rạc miền khai triển ổ ............................................................................ 35
3.1.1.2. Hàm nội suy và hàm trọng số ..................................................................... 35
3.1.1.3. Phép biến đổi tọa độ.................................................................................... 36
3.1.1.4. Tích phân Gauss.......................................................................................... 37
3.1.1.5. Tính các đạo hàm phụ thuộc thời gian ........................................................ 38
3.1.2. Bài toán 2 ........................................................................................................... 39
3.1.3 Giải hệ phương trình cân bằng tải bằng phương pháp lặp Newton-Raphson ..... 40
3.2. Thuật toán ................................................................................................................. 41
3.3 Ổ đầu to thanh truyền động cơ xăng 5S-FE ............................................................... 44
3.3.1. Thanh truyền động cơ 5S-FE ............................................................................. 44
3.3.2. Đo đường kính trung bình của ổ đầu to thanh truyền của động cơ 5S-FE ........ 46
3.3.2.1 Mục đích ...................................................................................................... 46
3.3.2.2 Giới thiệu thiết bị đo .................................................................................... 46
3.3.2.3 Tiến trình đo................................................................................................. 47
3.3.3 Kết quả thực nghiệm ........................................................................................... 47
3.3.4. Tải tác dụng lên ổ đầu to thanh truyền động cơ 5S-FE ..................................... 49
3.4 Kết quả mô phỏng số ................................................................................................. 50
3.4.1. Áp suât màng dầu .............................................................................................. 50
3.4.2. Chiều dày màng dầu .......................................................................................... 55
3.4.3. Độ lệch tâm trục – bạc ....................................................................................... 56
3.5.Kết luận ...................................................................................................................... 58

iv


Chương 4: SO SÁNH KẾT QUẢ CỦA CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG SỐ VỚI
PHẦN MỀM ACCEL ........................................................................................................ 59
4.1. Tính toán số bôi trơn ổ đầu to thanh truyền của động cơ 5S-FE bằng phần mềm tính
toán ACCEL .................................................................................................................... 59
4.1.1. Mục đích tính toán ............................................................................................. 59
4.1.2. Tiến trình tính toán ............................................................................................ 59
4.2. So sánh kết quả mô phỏng số và kết quả trên phần mềm ACCEL ........................... 60
4.2.1. Áp suất màng dầu .............................................................................................. 60
4.2.2. Chiều dày màng dầu .......................................................................................... 61
4.2.3. Độ lệch tâm trục – bạc ....................................................................................... 62
4.3. Kết luận ..................................................................................................................... 62
KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................... 63
1. Kết luận chung ............................................................................................................. 63
2. Kiến nghị...................................................................................................................... 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 66
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ........................... 72

v


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Kí hiệu

Diễn giải

e

Độ lệch tâm của tâm bạc so với tâm trục

εx

Độ lệch tâm tương đối của tâm bạc so với tâm trục theo phương x

εy

Độ lệch tâm tương đối của tâm bạc so với tâm trục theo phương y

ρ

Khối lượng riêng của dầu bôi trơn

ρ0

Khối lượng riêng của hỗn hợp bôi trơn dầu – khí

µ

Độ nhớt động lực học của dầu bôi trơn

ω

Vận tốc góc của trục khuỷu

d

khoảng cách từ lỗ dầu đến tâm của trục khuỷu

C

Khe hở bán kính (mm)

D

Đường kính của ổ (mm)

R

Bán kính ổ (mm)

L

Chiều dài ổ

Λ

Hệ số xác định chế độ bôi trơn cho ổ

Rq

Sai lệch hình học trung bình của bề mặt

Ra

Sai lệch số học trung bình

h

Chiều dày màng dầu

hmin

Chiều dày màng dầu nhỏ nhất

u, v, w

Vận tốc của dầu bôi trơn theo phương x, y, z

U1,V1,W1,U2, V2,W2

Vận tốc của bề mặt 1 và bề mặt 2 theo phương x, y, z

P

Áp suất thủy động của dầu bôi trơn

∆P

Sai lệch áp suất

Pmax

Áp suất thủy động lớn nhất của dầu bôi trơn

σ

Ứng suất tiếp tuyến của bề mặt

W

Hàm trọng lượng

F

Biến trạng thái

Fx; Fy

Tải trọng tác dụng lên ổ

r

Chiều dày lớp hỗn hợp bôi trơn dầu - khí

Ω

Miền khai triển ổ

Ω

+

Điểm màng dầu bắt đầu gián đoạn

Ω

-

Điểm màng dầu bắt đầu hồi phục

t

Thời gian

∆t

Bước thời gian

vi


J

Ma trận Jacobi

EHD

Elastohydrodynamic

THD

ThermoHydrodynamic

TEHD

Thermo ElastoHydroDynamic

vii

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Các bộ phận của thanh truyền ................................................................................. 4
Hình 1.2 Một số hư hỏng thường gặp của ổ đầu to thanh truyền .......................................... 5
Hình 1.3 Màng dầu bôi trơn trong ổ đỡ thanh truyền ............................................................ 6
Hình 1.4 Chiều dày màng dầu nhỏ nhất có thể chấp nhận được............................................ 7
Hình 1.5 Lựa chọn ổ theo khe hở bán kính............................................................................ 8
Hình 1.6 Mô hình rời rạc ổ đầu to thanh truyền .................................................................. 12
Hình 1.7 Ứng suất trong thanh truyền chịu tác dụng của lực siết bu-lông ......................... 12
Hình 1.8 Biến dạng của ổ đầu to thanh truyền chịu siết bu-lông ....................................... 13
Hình 1.9 Hình dạng ban đầu của các bạc lót do lực xiết bu lông ....................................... 13
Hình 1.10 Hình dạng của bạc lót trong một chu kỳ của hoạt động ..................................... 13
Hình 1.11 Mô hình ổ đầu to thanh truyền ............................................................................ 14
Hình 1.12 Sự dịch chuyển của bạc lót trong ổ đầu to thanh truyền ..................................... 15
Hình 1.13 (a) Tiếp xúc tròn xoay và (b) Mô hình ổ đầu to thanh truyền............................. 15
Hình 1.14 Thanh truyền và hệ thống đo đặc tính bôi trơn ô đầu to ..................................... 16
Hình 1.15 Băng thử để khảo sát bôi trơn ổ đầu đo thanh truyền ......................................... 17
Hình 1.16 Sơ đồ lực tác dụng lên ổ đầu to thanh truyền...................................................... 17
Hình 1.17 Ứng suất trong thanh truyền .............................................................................. 18
Hình 1.18 Trượt tương đối của bạc lót trong ổ ................................................................... 18
Hình 1.20 Thiết bị thực nghiệm ........................................................................................... 19
Hình 1.19 Thiết bị nghiên cứu bôi trơn ổ đầu to thanh truyền của Pierre-Eugene .............. 19
Hình 2.1 Hệ tọa độ ............................................................................................................... 23
Hình 2.2 Mặt cắt ổ đỡ .......................................................................................................... 26
Hình 2.3 Hệ tọa độ xác định chiều dày màng dầu ............................................................... 27
Hình 2.4 Miền khai triển ổ ................................................................................................... 28
Hình 2.5 Hiện tượng xâm thực màng dầu xảy ra trên 1 ổ đỡ .............................................. 29
Hình 2.6 Vùng khai triển màng dầu ..................................................................................... 30
Hình 2.7 Phân bố áp suất trong tiết diện giữa ổ theo phương dọc trục................................ 32

Hình 2.8 Sơ đồ cân bằng lực tác dụng lên thanh truyền ...................................................... 32
Hình 3.1 Rời rạc miền khai triển ổ ...................................................................................... 35
Hình 3.2 Phép biến đổi hệ tọa độ ......................................................................................... 36
Hình 3.3 Các điểm Gauss .................................................................................................... 37
Hình 3.4 Lưu đồ thuật toán chương trình chính .................................................................. 42
Hình 3.5 Lưu đồ thuật toán chương trình xử lý dữ liệu đầu vào ......................................... 43

viii


Hình 3.6 Lưu đồ thuật toán chương trình giải bài toán 1..................................................... 43
Hình 3.7 Lưu đồ thuật toán chương trình giải bài toán 2..................................................... 44
Hình 3.8 Thanh truyền động cơ 5S-FE ................................................................................ 45
Hình 3.9 Hình ảnh tổng thể máy TALYRON 365 ............................................................... 46
Hình 3.10 Hình ảnh chụp màn hình phần mềm đang làm việc ............................................ 46
Hình 3.11 Ổ đỡ, trục mẫu đi kèm theo máy Talyron 365 .................................................... 47
Hình 3.12 Đo đường kính ổ đầu to thanh truyền ................................................................. 47
Hình 3.13 Kết quả đo đường kính ổ đầu to thanh truyền 25Nm+300 .................................. 48
Hình 3.14 Kết quả đo đường kính ổ đầu to thanh truyền 25Nm+300 tại một tiết diện ........ 48
Hình 3.15 Trung tâm điều khiển băng thử MEGAPASCALE ............................................ 49
Hình 3.16 Tải tác dụng lên ổ đầu to thanh truyền động cơ 5S-FE ...................................... 49
Hình 3.17 Chia lưới ổ đầu to thanh truyền .......................................................................... 50
Hình 3.18 Phân bố áp suất theo phương chu vi tại 3700 của trục khuỷu khi khe hở bán kính
C = 24µm ............................................................................................................................. 50
Hình 3.19 Phân bố áp suất theo phương chiều dài tại 3700 của trục khuỷu khi khe hở bán
kính C = 24µm ..................................................................................................................... 51
Hình 3.20 Phân bố áp suất tại góc 3700 của trục khuỷu khi khe hở bán kính C = 24µm .... 51
Hình 3.21 Phân bố áp suất tại tiết diện giữa ổ theo phương chu vi tại các góc 200, 3200,
3500, 3700 của trục khuỷu khi khe hở bán kính C = 24µm .................................................. 52
Hình 3.22 Vị trí mòn trên nửa bạc lót dưới do hiện tượng xâm thực ................................. 52

Hình 3.23 Phân bố áp suất tại góc 200 của trục khuỷu khi khe hở bán kính C = 24µm ...... 53
Hình 3.24 Phân bố áp suất tại góc 7000 của trục khuỷu khi khe hở bán kính C = 24µm .... 53
Hình 3.25 Phân bố áp suất tại góc 3200 của trục khuỷu khi khe hở bán kính C = 24µm ... 54
Hình 3.26 Phân bố áp suất tại tiết diện giữa ổ theo phương chu vi tại góc 3700 của trục
khuỷu với C = 24µm, C = 38µm, C = 55µm, C = 69µm ..................................................... 54
Hình 3.27 Áp suất màng dầu lớn nhất khi C = 24µm, C = 38µm, C = 55µm, C = 69µm .. 55
Hình 3.28 Chiều dầy màng dầu nhỏ nhất hmin, áp suất màng dầu lớn nhất pmax theo góc
quay của trục khuỷu với C = 24µm ..................................................................................... 56
Hình 3.29 Độ lệch tâm tương đối của thanh truyền và trục khi khe hở bán kính C = 24µm
............................................................................................................................................. 57
Hình 3.30 Độ lệch tâm tương đối của thanh truyền và trục khi thay đổi khe hở bán kính .. 57
Hình 4.1 Giao diện màn hình tính toán của phần mềm ACCEL ......................................... 59
Hình 4.2 Áp suất lớn nhất pmax theo góc quay của trục khuỷu ............................................ 60
Hình 4.3 Chiều dày màng dầu nhỏ nhất hmin theo góc quay của trục khuỷu ....................... 61
Hình 4.4 So sánh độ lệch tâm tương đối khi tính toán và khi tính bằng ACCEL ở khe hở
bán kính C=24µm ................................................................................................................ 62

ix


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Thông số ổ đỡ ....................................................................................................... 31
Bảng 3.1 Tọa độ và trọng số của các điểm Gauss ............................................................... 38
Bảng 3.2 Thành phần và các tính chất cơ lý của hợp kim chịu mòn ................................... 45
Bảng 3.3 Đường kính ổ đầu to thanh truyền theo siết bu-lông thanh truyền ....................... 49
Bảng 4.1 Sai lệch áp suất lớn nhất pmax từ kết quả mô phỏng và từ phần mềm ACCEL .... 60
Bảng 4.2 Sai lệch chiều dày màng dầu nhỏ nhất hmin từ kết quả mô phỏng và từ phần mềm
ACCEL ................................................................................................................................ 61

x

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Thanh truyền là một trong các bộ phận quan trọng của động cơ, trong đó đầu to
thanh truyền (ổ đầu to thanh truyền: được tạo bởi thân thanh truyền, nắp thanh truyền và
trục khuỷu) làm việc trong điều kiện khắc nghiệt (tải trọng lớn và thay đổi liên tục, vận tốc
lớn, nhiệt độ cao, …). Do vậy các nghiên cứu theo hướng giảm ma sát, mài mòn và bôi
trơn ổ đầu to thanh truyền trên thế giới đã có những kết quả đáng kể và ngày càng được
hoàn thiện. Tuy nhiên tại Việt Nam vấn đề này chưa được quan tâm đúng mức.
Việc tính toán các đặc tính bôi trơn ổ đầu to thanh truyền là rất phức tạp vì phải giải
quyết đồng thời phương trình Reynolds (là phương trình vi phân cấp 2 đạo hàm riêng) và
phương trình cân bằng tải. Hơn nữa trong quá trình làm việc, ổ đầu to thanh truyền phải
chịu tác dụng đồng thời của các lực khí thể, lực quán tính, nhiệt độ cao, biến dạng đàn hồi,
hiện tượng xâm thực trong màng dầu.
Khi chế độ bôi trơn ổ đầu to thanh truyền không đảm bảo dẫn đến các dạng hư
hỏng rất nguy hiểm như mòn, dính bạc lót gây kẹt cứng thanh truyền phá hủy động cơ.
Kết cấu của ổ đầu to thanh truyền đảm bảo cho ổ làm việc ở chế độ bôi trơn thủy
động với các hiệu ứng như đàn hồi (thủy động đàn hồi) hoặc hiệu ứng nhiệt (nhiệt thủy
động đàn hồi) tùy thuộc vào tải trọng tác dụng và tốc độ của trục khuỷu. Để xây dựng một
chương trình tính toán mô phỏng với đầy đủ các yếu tố trong chế độ bôi trơn như trên, mà
ở Việt Nam ta chưa có nghiên cứu mô phỏng số về bôi trơn ổ đầu to thanh truyền. Do đó
NCS bắt đầu nghiên cứu ổ ở chế độ bôi trơn thủy động. Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tính
tới các hiệu ứng đàn hồi, hiệu ứng nhiệt, hiệu ứng quán tính...Điều này là phù hợp với sự
phát triển của các nghiên cứu về vấn đề này trên thế giới.
Để góp phần trong việc làm chủ được các nghiên cứu về vấn đề bôi trơn ổ đầu to
thanh truyền tại Việt Nam, trước hết cần phải làm chủ được các tính toán bôi trơn ổ đầu to
thanh truyền ở chế độ bôi trơn thủy động.
Đó là các lý do dẫn tới luận án chọn hướng nghiên cứu “Nghiên cứu mô phỏng số
bôi trơn thủy động ổ đầu to thanh truyền của động đốt trong”. Nhằm góp phần từng bước

làm chủ các nghiên cứu về bôi trơn ổ đầu to thanh truyền tại Việt Nam. Qua đó đưa ra các
lưu ý khi bảo trì, bảo dưỡng, lắp ráp ổ đầu to thanh truyền động cơ đối với các doanh
nghiệp sửa chữa, lắp ráp động cơ đốt trong nói chung, ô tô nói riêng tại Việt Nam.

2. Mục tiêu nghiên cứu
- Mô phỏng số các đặc tính bôi trơn của ổ đầu to thanh truyền (phân bố áp suất,
chiều dày màng dầu và độ lệch tâm của tâm bạc và tâm trục) ở chế độ bôi trơn thủy động
với điều kiện biên Reynolds có tính đến hiện tượng gián đoạn màng dầu trong một chu kỳ
làm việc của động cơ đốt trong ở một chế độ làm việc phù hợp.

1


- Xác định sự thay đổi đường kính ổ đầu to thanh truyền động cơ 5S-FE khi thay
đổi lực siết bu-lông thanh truyền từ 25Nm đến 25Nm+900.
- Xác định đặc tính bôi trơn ổ đầu to thanh truyền trên phần mềm thương mại
ACCEL của cộng hòa Pháp ở các lực siết bu-lông thanh truyền khác nhau.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Ổ đầu to thanh truyền của động cơ 5S-FE lắp trên xe ô tô Toyota Camry 2.5.
- Việc nghiên cứu được giới hạn ở các chế độ làm việc ổn định của động cơ (30%
tải, n = 3000 vòng/phút).
- Giả thiết động cơ được bôi trơn ở chế độ bôi trơn thủy động có tính đến hiện
tượng gián đoạn màng dầu.

4. Phương pháp nghiên cứu
- Tổng kết các nghiên cứu đã có liên quan đến bôi trơn ổ đầu to thanh truyền.
- Xây dựng bài toán, mô hình hóa hệ trục bạc của ổ đầu to thanh truyền; Giải
phương trình Reynolds ở chế độ bôi trơn thủy động có tính tới hiện tượng gián đoạn màng
dầu.

- Đo đường kính trung bình của ổ đầu to thanh truyền của động cơ 5S-FE ở các lực
siết bu-lông thanh truyền khác nhau.
- Tính toán mô phỏng các đặc tính bôi trơn ổ đầu to thanh truyền của động cơ 5SFE trên phần mềm ACCEL
- So sánh kết quả thu được của chương trình mô phỏng số của luận án với kết quả
mô phỏng thu được từ phần mềm ACCEL.

5. Nội dung nghiên cứu
- Tổng kết các nghiên cứu đã có liên quan đến bôi trơn ổ đầu to thanh truyền.
- Xây dựng bài toán, mô hình hóa hệ trục bạc của ổ đầu to thanh truyền; Giải
phương trình Reynolds ở chế độ bôi trơn thủy động có tính tới hiện tượng gián đoạn màng
dầu.
- Đo đường kính trung bình của ổ đầu to thanh truyền của động cơ 5S-FE ở các lực
siết bu lông thanh truyền khác nhau.
- Nghiên cứu sử dụng phần mềm ACCEL để tính toán mô phỏng các đặc tính bôi
trơn ổ đầu to thanh truyền của động cơ 5S-FE.
- So sánh kết quả thu được của chương trình mô phỏng số của luận án với kết quả
mô phỏng thu được từ phần mềm ACCEL.

6. Ý nghĩa khoa học của đề tài
- Các tính toán mô phỏng số bôi trơn thủy động ổ đầu to thanh truyền động cơ đốt
trong góp phần giải quyết bài toán bôi trơn ổ đầu to thanh truyền của động cơ tương ứng
với tải tác dụng theo chu kỳ làm việc. Góp phần từng bước làm chủ nghiên cứu bôi trơn ổ

2


đầu to thanh truyền tại Việt Nam.
- Là cơ sở khoa học cho các nghiên cứu tiếp theo về bôi trơn cho ổ đầu to thanh
truyền của động cơ đốt trong tại Việt Nam.

7. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
- Xây dựng được phần mềm tính toán mô phỏng bôi trơn thủy động cho ổ đầu to
thanh truyền động cơ đốt trong. Ứng dụng phần mềm để tính toán mô phỏng áp suất, chiều
dày màng dầu bôi trơn và quỹ đạo tâm trục ổ đầu to thanh truyền động cơ 5S-FE theo chu
kỳ làm việc.
- Đưa ra khuyến cáo với các cơ sở bảo dưỡng, sửa chữa ô tô về lực siết bu lông
thanh truyền phù hợp khi thay thế, sửa chữa, bảo dưỡng ổ đầu to thanh truyền để đảm bảo
ổ làm việc ở chế độ bôi trơn tốt nhất.

8. Các kết quả mới
- Xây dựng được chương trình tính toán các đặc tính bôi trơn (trường áp suất, chiều
dày màng dầu và quỹ đạo tâm trục) ổ đầu to thanh truyền động cơ đốt trong với điều kiện
biên Reynolds và có xét tới sự gián đoạn của màng dầu. Góp phần làm chủ việc nghiên cứu
trong nước về vấn đề bôi trơn ổ đầu to thanh truyền động cơ, tiến tới phục vụ ngành công
nghiệp bảo dưỡng, sửa chữa, chế tạo phụ tùng và công nghiệp sản xuất ô tô nội địa.
- Đưa ra ảnh hưởng của lực siết bu lông thanh truyền tới đặc tính bôi trơn ổ đầu to
thanh truyền động cơ 5S-FE từ đó đưa ra khuyến cáo với cơ sở bảo dưỡng, sửa chữa ô tô
về lực siết bu-lông thanh truyền phù hợp khi thực hiện bảo dưỡng, sửa chữa, lắp ráp cơ cấu
trục khuỷu thanh truyền.

3


Chương 1: TỔNG QUAN
1.1. Ổ đầu to thanh truyền
1.1.1. Khái niệm
Liên kết trục khuỷu - thanh truyền, còn được gọi là "ổ đầu to thanh truyền" là liên
kết giữa đầu to thanh truyền và trục khuỷu. Ổ đầu to thanh truyền là bộ phận quan trọng,
có ảnh hưởng rất lớn đến độ tin cậy và tuổi thọ của động cơ. Đã có nhiều nghiên cứu thực
nghiệm và lý thuyết về liên kết này, giúp tối ưu hóa các thông số hình học cũng như vật

liệu của các chi tiết tạo thành ổ đầu to thanh truyền, cũng như kiểm soát tốt hơn các chất
bôi trơn.
Thanh truyền được cấu tạo bởi 6 chi tiết: Thân, nắp, hai bạc lót và 2 bu lông thanh
truyền như hình 1.1 a.

a) Cấu tạo thanh truyền

b) Bạc lót thanh truyền

Hình 1.1 Các bộ phận của thanh truyền
Các bạc lót thanh truyền (hình 1.1 b) được làm bằng thép mỏng và hợp kim chống
mòn là ba bít thiếc hay hợp kim của đồng, thiếc, chì, ăngtimon. Mặt trong của bạc lót có
phay rãy để chứa dầu bôi trơn.Vỏ thép của bạc lót có các gờ (ắc gô) để định vị khi lắp ráp
nhằm giữ cho bạc không quay, trong đầu to thanh truyền.Đường kính ngoài của vỏ bạc lớn
hơn đường kính của đầu to thanh truyền từ 0.03- 0.04mm.
1.1.2. Các Hiện tượng, nguyên nhân hư hỏng
- Bạc lót bị mòn rộng, mòn ô van: Do lực tác dụng không đều nhau, do điều kiện
bôi trơn kém. Sẽ làm tăng khe hở lắp ghép, giảm áp suất dầu bôi trơn, gây ra va chạm khi
động cơ làm việc.
- Lớp hợp kim chống ma sát bị cháy, bong tróc, biến dạng dẻo do thiếu dầu bôi
trơn, sửa chữa không đúng yêu cầu kỹ thuật.
- Bề mặt bạc lót có nhiều vết sước, lõm, rỗ do tạp chất cơ học, hóa học, hiện tượng
mỏi gây ra.
- Cổ biên bị mòn.

4


Trước khi nghiên cứu, tác giả đã đi khảo sát thực tiễn tại các gara ô tô trên các địa
bàn như Hà Nội, Quảng Ninh,…Nhằm xác định các hư hỏng thường gặp của các chi tiết ổ

đầu to thanh truyền của các động cơ ô tô hoạt động trong các điều kiện khác nhau. Bên
cạnh đó tác giả cũng đã lựa chọn loại động cơ để nghiên cứu mô phỏng số.

Hình 1.2 Một số hư hỏng thường gặp của ổ đầu to thanh truyền
1.1.3. Khe hở bán kính
Điều kiện thanh truyền chuyển động được trên trục khuỷu, thì đầu to thanh truyền
phải tồn tại khe hở bán kính (khe hở dầu) và khe hở dọc.
Khe hở bán kính là hiệu số hai kích thước gữa đường kính trong của bạc lót đầu to
và đường kính ngoài của trục khuỷu. Khe hở này rất quan trọng, nó rất nhỏ để đảm bảo
hình thành được màng dầu trong quá trình động cơ làm việc. Để hiểu rõ về tầm quan trọng
của khe hở này. Chúng ta xét hai trường hợp sau đây:

5


Hình 1.3 Màng dầu bôi trơn trong ổ đỡ thanh truyền
Xét một trục chuyển động trong ổ đỡ,
+ Khi trục đứng yên thì trục và ổ tiếp xúc.
+ Khi trục quay, có một lượng dầu được cung cấp vào ổ để bôi trơn (do bơm dầu
cung cấp). Do dầu có độ nhớt nhất định, nên dầu bám vào bề mặt của trục một lớp mỏng,
lớp dầu này được trục cuốn xuống phía bên dưới, nó có khuynh hướng chèn gữa trục và ổ.
Khi trục quay đạt được một tốc độ nào đó thì nhớt được cuốn xuống khe hở hẹp (giống như
hình một cái chêm) nên nó tạo thành một áp suất có khuynh hướng nâng trục đi lên, khi
hợp lực do áp suất nâng trục tạo nên lớn hơn tải trọng tác dụng lên trục, thì trục nổi lên.
Lúc này trục chuyển động trong ổ thông qua một lớp dầu chèn ở bên dưới.
Để hình thành được lớp màng dầu này thì phải đảm bảo đủ 3 điều kiện sau:
+ Khe hở lắp ghép phải hẹp .
+ Trục phải chuyển động đạt một tốc độ nhất định, đó là tốc độ chạy Ralenti do nhà
chế tạo qui định .
+ Dầu phải có một độ nhớt nhất định (phải tốt).

1.1.4. Khe hở dọc
Là khe hở giữa mép đầu to thanh truyền và má khuỷu, trị số khe hở này rất nhỏ, nó
vào khoảng 0,08 – 0,14mm, vừa đủ cho thanh truyền chuyển động. Nếu khe hở lớn thanh
truyền dễ bị đưa sang một bên, lúc này đầu nhỏ thanh truyền không nằm giữa trục pít tông,
nên pít tông bị lệch làm tăng ma sát và điều kiện bôi trơn trục pít tông kém đi.

1.2. Những vấn đề về công nghệ thiết kế sơ bộ ổ đỡ bôi trơn thủy
động
1.2.1. Xác định chiều dày màng dầu [10]
Chiều dày màng dầu rất mỏng là nguyên nhân dẫn đến sự tiếp xúc giữa trục và ổ,
có thể dẫn tới mòn và phá hủy ổ. Chiều dày màng dầu phải lớn hơn tổng nhấp nhô bề mặt
để tạo ra cơ chế bôi trơn thủy động.

6


Hình 1.4 Chiều dày màng dầu nhỏ nhất có thể chấp nhận được
Với các điều kiện vận hành thông thường, các giá trị nhỏ nhất của chiều dày màng
dầu được tính sơ bộ cho các đường kính trục khác nhau trên hình 1.4. Các giá trị này được
thiết lập bởi Martin bằng việc sử dụng các giá trị thô và hệ số an toàn bằng 3 trên tổng độ
nhấp nhô bề mặt của trục và bạc.
1.2.2. Chọn ổ theo khe hở [10]
Khe hở bán kính là một thông số rất quan trọng. Đối với các điều kiện vận hành
cho trước khe hở bán kính lớn sẽ làm tăng rò rỉ và giảm chiều dày chất bôi trơn. Ngược lại,
khe hở nhỏ hơn cho thấy ma sát tăng lên, có thể dẫn đến hoàn toàn mất khe hở do thay đổi
về sự giãn nở. Các công thức kinh nghiệm được đề xuất.
O’Connor đưa ra quan hệ sau:
2C = 7.10-4D+7,6.10-3
(1.1)
Các bề mặt được mài:

2C = 3.10-3D+10-1
(1.2)
Với các bề mặt gia công thông thường, C và D tương ứng là khe hở bán kính và đường
kính của ổ (mm). Khi kể đến tốc độ quay của trục, đường kính được chọn như trên hình
1.5. Theo tiêu chuẩn ISO: dung sai lắp ghép H7/d8 hoặc H7/e8 dùng cho ổ thông thường.
Còn đối với ổ phức tạp:
- Chế đội tải tĩnh: H7/g6
- Chế độ tải động: H7/h6
Những Quan hệ này được sử dụng kèm theo những chú ý, vì đôi khi dẫn tới những thiết kế
không đảm bảo. Chỉ những phân tích về sự thay đổi đặc tính bôi trơn như là chiều dày

7


màng dầu nhỏ nhất, năng lượng tiêu hao hoặc tốc độ dòng chảy mới cho phép chúng ta
quyết định chọn khe hở trung bình và dung sai chế tạo một cách tốt nhất.

Hình 1.5 Lựa chọn ổ theo khe hở bán kính
1.2.3. Xác định chế độ bôi trơn [53]
Dựa vào độ nhám bề mặt ổ, đưa ra hệ số Λ để xác định chế độ bôi trơn cho ổ.
Λ=

hmin

�Rqa +Rqb

(1.3)
Trong đó: hmin chiều dầy màng dầu nhỏ nhất (µm)
R qa sai lệch hình học trung bình của bề mặt a (µm)

R qb sai lệch hình học trung bình của bề mặt b (µm)

(Giá trị sai lệch hình học trung bình R q lớn hơn sai lệch số học trung bình R a khoảng 1,25
lần)
Dựa vào giá trị Λ ta xác định được chế độ bôi trơn hiện tại của cặp ma sát:
- Chế độ bôi trơn thủy động: 5 ≤ Λ ≤ 100

- Chế độ bôi trơn thủy động đàn hồi: 3 ≤ Λ ≤ 10
- Chế độ bôi trơn hỗn hợp: 1 ≤ Λ < 3
- Chế độ bôi trơn giới hạn: Λ < 1

1.3. Tổng quan tình hình nghiên cứu
Nghiên cứu bôi trơn ổ đầu to thanh truyền của động đốt trong là vấn đề đã được
nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm. Tuy nhiên ở Việt Nam vấn đề nghiên cứu này
chưa được quan tâm nghiên cứu nhiều. Để có cái nhìn tổng quan, tiếp theo luận án trình
bày về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về vấn đề nghiên cứu của đề tài.

8


1.3.1. Trên thế giới
Từ đầu những năm 1980 đến nay đã có rất nhiều nghiên cứu lý thuyết và thực
nghiệm về vấn đề này.
Tác giả trình bày bày ngắn gọn những nghiên cứu chính về bôi trơn ổ đầu to thanh
truyền bắt đầu từ các nghiên cứu được thực hiện cho điều kiện tĩnh bằng cách đặt giả thiết
độ lệch tâm không đổi hoặc tải cố định. Tiếp đó là các nghiên cứu cho ổ chịu tải động.
Ổ đầu to thanh truyền của động cơ đốt trong là ổ chịu tải trọng động. Trong trường
hợp này tải tác dụng thay đổi theo modul và theo thời gian. Quỹ đạo của trục trong bạc
được xác định tại từng thời điểm để nhận được chiều dày màng dầu và trường áp suất thủy
động của ổ.

1.3.1.1. Nghiên cứu mô phỏng số bôi trơn ổ đầu to thanh truyền
Các nghiên cứu mô phỏng số được tiến hành ở chế độ bôi trơn thủy động hoặc bôi
trơn thủy động đàn hồi là sự kết hợp giữa lý thuyết bôi trơn và pháp pháp số như phương
pháp phần tử hữu hạn hay phương pháp sai phân hữu hạn.
a) Nghiên cứu mô phỏng số bôi trơn ổ chịu tải trọng tĩnh
Phương tiện tính cho phép giải bài toán bôi trơn bằng phương pháp số được phát
triển từ những năm 60 của thế kỷ trước và cho chúng ta kết quả ngày càng sát thực tế như
hiện nay.
Năm 1968, Reddy và các cộng sự [52] đã vận dụng lý thuyết của Chung và Visser
đưa ra năm 1965 để đưa ra giải pháp sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải quyết
bài toán bôi trơn. Đây là các tác giả đầu tiên giới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn trong
các nghiên cứu về bôi trơn.
Năm 1972, Nicolas [24] sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để nghiên cứu cho
ổ chịu tải trọng bất kỳ. Sau đó Nicolas và J. Frêne đưa ra so sánh kết quả lý thuyết với các
kết quả thực nghiệm của nhóm nghiên cứu đã thực hiện.
Năm 1973, OH và Huebrer [58] lần đầu tiên tính tới biến dạng của cấu trúc. Các tác
giả đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải phương trình Reynolds với các
phương trình đàn hồi, chất lỏng với giả thiết là đẳng nhớt. Tác giả đã biểu diễn lực nút {F}
như hàm {σ} bởi ma trận độ cứng [K]. Các lực nút được xác định bằng cách tích phân
trường áp suất bỏ qua áp suất âm. Nghiên cứu sử dụng phương pháp Newton-Rapson để
xác định và sau đó nghịch đảo ma trận Jacobin [J]. Tuy nhiên phương pháp này có hạn chế
vì thời gian tính toán lâu. Hơn nữa sơ đồ lặp cho bài toán phân kỳ nhanh khi biến dạng của
bề mặt lớn so với khe hở bán kính.
Năm 1979, Fantino, Frêne [17] lần đầu tiên nghiên cứu ổ thanh truyền đàn hồi chịu
tải trọng tĩnh. Phương trình Reynolds được giải bằng phương pháp sai phân hữu hạn sử
dụng phương pháp lặp Gauss-Seidel. Ổ nghiên cứu có chiều dài hữu hạn. Các kết quả cho
thấy áp suất tương ứng với chiều dày màng dầu.
9

Năm 1983, Pierre-Eugene, và các cộng sự [52] đã tiến hành so sánh các kết quả
tính toán lý thuyết và các kết quả thực nghiệm trong điều kiện tải tĩnh. Các kết quả tính
toán của Fantino rất tương thích với thực nghiệm của Pi cho thanh truyền bằng vật liệu
nhựa. Tải tác dụng lên ổ có giá trị tối đa là 10KN
b) Nghiên cứu mô phỏng số bôi trơn ổ chịu tải trọng động
Năm 1979, Fantino và cộng sự [17] đã công bố nghiên cứu về "Ảnh hưởng của sự
biến dạng đàn hồi của ổ đầu to thanh truyền tới màng dầu”. Thanh truyền được coi là một
vật rắn và dầu bôi trơn có độ nhớt thay đổi theo áp lực. Để giải phương trình Reynolds, các
tác giả sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn và phương pháp lặp Gauss-Seidel với hệ số
1,88. Phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng để xác định các biến dạng của ổ. Việc
tính toán được thực hiện bằng cách sử dụng phương pháp của Rhode và Li [54]. Kết quả
thu được là trường áp lực và chiều dày màng dầu.
Năm 1981, cũng chính Fantino [18] đưa ra giải pháp EHD cho ổ của thanh truyền
dưới tác dụng của tải trọng động, phương trình Reynols được giải với điều kiện biên của
Gumbel.
Năm 1983, Fantino và cộng sự [19] đã tính toán quỹ đạo tâm trục trong ổ thanh
truyền trong trường hợp chịu tải trọng động. Ổ đầu to thanh truyền được xem là ổ ngắn đàn
hồi. Tác giả đã so sánh chiều dày màng dầu và mômen ma sát giữa thanh truyền tuyệt đối
cứng và thanh truyền đàn hồi.
Năm 1984, Booker và Shu [33] đã đưa ra cách tiếp cận mới cho việc tính toán chế
độ bôi trơn thủy động đàn hồi. Các phương pháp tiếp cận dựa trên phương pháp phần tử
hữu hạn và áp dụng trực tiếp cho tất cả các hình dạng màng dầu với bất kỳ tải trọng phức
tạp nào tác dụng lên bề mặt. Cùng năm, Goenka [42] trình bày một công thức phần tử hữu
hạn để phân tích chế độ bôi trơn. Công thức này làm giảm đáng kể thời gian tính toán.
Năm 1985, Fantino và Frêne [20] đưa ra so sánh tính toán bôi trơn cho thanh truyền
của động cơ xăng và diezel. Tiếp đó, Booker và Labouff [12] công bố một nghiên cứu về ổ
cứng và ổ đàn hồi chịu tải trọng động.
Năm 1986, Goenka và Oh [43] cũng đề cập đến vấn đề bôi trơn thủy động đàn hồi.
Phương pháp của các tác giả dựa trên mô hình của Rohde và Li [54]. Phương pháp
Newton-Raphson và hai phương pháp số (phần tử hữu hạn và sai phân hữu hạn) được sử

dụng để giải gần đúng phương trình Reynolds.
Năm 1988, Mcivor và Fenner [21] đã nghiên cứu và cho thấy rằng việc sử dụng
loại phần tử giúp giảm đáng kể thời gian tính toán. Các tác giả đã so sánh hai loại phần tử:
phần tử tứ giác với 8 nút và phần tử tam giác với 3 nút. Kết quả tính toán cho thấy, với
phần tử 8 nút nhanh hơn. Năm 1992 Fenner và cộng sự đã sử dụng đa giác lưới 8 nút để
phân tích màng dầu [57] để nghiên cứu về ổ chịu tải trọng nặng. Sự biến dạng đàn hồi làm

10


tăng đáng kể phạm vi và chiều dày của màng dầu và dẫn đến giảm đáng kể áp lực lớn nhất
trong tiếp xúc.
Năm 1991, Aitken và McCallion [14] [15] [16] đã nghiên cứu và cho thấy sự biến
dạng đàn hồi của bề mặt ổ đầu to thanh truyền chịu tải trọng động ảnh hưởng lớn đến chiều
dày màng dầu. Tiếp theo là lực quán tính cũng ảnh hưởng đến chiều dày màng dầu. Các tác
giả đã thực hiện so sánh kết quả chiều dày màng dầu thực nghiệm và kết quả chiều dày
màng dầu mô phỏng số trong trường hợp có và không có biến dạng đàn hồi của ổ.
Guines [27] năm 1994 và Bonneau cùng các cộng sự [25] năm 1995, đã nghiên cứu
vấn đề bôi trơn EHD tính đến tác dụng của lực quán tính trong ổ đầu to thanh truyền chịu
tải trọng động. Các tác giả sử dụng phương pháp Newton-Raphson và các phần tử đẳng
tham số 8 nút để phân tích dầu bôi trơn, phần tử đẳng tham số 20 nút để phân tích các cấu
trúc 3D đàn hồi. Biến dạng của ổ được chia thành hai phần. Một là do áp lực thủy động,
hai là do lực quán tính. Để xác định các vùng liên tục và gián đoạn của màng dầu, các tác
giả sử dụng thuật toán Murty. Các thuật toán của Mcivor và Fenner [21] phù hợp với mô
hình thanh truyền đàn hồi trong động cơ tốc độ cao, và rút ngắn được thời gian tính toán.
Ozasa [65], Susuki [62] năm 1995 và Ozasa [66] năm 1997, đã tiến hành nghiên
cứu thực nghiệm trên thanh truyền động cơ diesel và so sánh với kết quả tính toán lý
thuyết. Nghiên cứu này trình bày một mô hình bôi trơn thủy động đàn hồi của ổ đầu to
thanh truyền có đề cập tới những ảnh hưởng của lực quán tính và lỗ cấp dầu. Vị trí lỗ cấp
dầu và áp lực cấp dầu được coi là một điều kiện biên trong lý thuyết bôi trơn EHD. Lưu

lượng dầu và mômen ma sát cũng được tính toán. Các tác giả đã đưa ra các kết quả của
chiều dày màng dầu ở tốc độ khác nhau, áp lực tối đa và phân bố nhiệt độ trong ổ.
Năm 1999 và 2000, Okamoto cùng cộng sự [73] [74] đã nghiên cứu "Ảnh hưởng
của chiều rộng ổ đầu to và chiều rộng bạc lót đến hoạt động của ổ đầu to thanh truyền động
cơ diesel. Qua đó áp lực thủy động lực, chiều dày màng dầu phụ thuộc vào chiều rộng của
bạc lót. Cũng trong năm 1999 Cho cùng cộng sự [63] đã nghiên cứu về ảnh hưởng của
nhiệt độ đến chiều dày tối thiểu của màng dầu trong ổ đầu to thanh truyền. Các tác giả đã
so sánh các kết quả lý thuyết và thực nghiệm. Các phương trình năng lượng được giải
quyết. Chiều dày nhỏ nhất của màng dầu trong mỗi chu kỳ được xác định có tính đến hiệu
ứng nhiệt.
Piffeteau [60] năm 1999, sau đó năm 2000 Piffeteau cùng cộng sự [61], và Souchet
Piffeteau năm 2001 [28] đã đưa ra thuật toán dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn để
giải quyết vấn đề nhiệt thủy động đàn hồi (TEHD) trong ổ đầu to thanh truyền chịu tải
trọng động. Mô hình này được dựa trên mô tả một chiều của dòng chảy hai chiều và biến
dạng nhiệt. Các tác giả giải quyết đồng thời các phương trình màng mỏng kết hợp với độ
biến dạng đàn hồi, phương trình năng lượng trong màng dầu và phương trình nhiệt trong

11


chất rắn. Nhiệt độ theo hướng trục của ổ được cho là không đổi. Hiện tượng gián đoạn
màng dầu không được tính đến. Năm 2001, Bonneau và Hajjam [26] đã đưa ra thuật toán
dựa trên mô hình của JFO (Jakobson-Floberg và Olsson) và rời rạc các phương trình bằng
phương pháp phần tử hữu hạn. Thuật toán này cho phép xác định vùng gián đoạn và tái tạo
của màng dầu trong chế độ bôi trơn EHD. Các tác giả đưa ra một phương trình Reynolds
sửa đổi có thể áp dụng cho cả vùng liên tục và vùng gián đoạn của màng dầu. Các kết quả
tính toán ổ đầu to thanh truyền của động cơ F1 vận hành trong điều kiện khắc nghiệt được
đưa ra.
Năm 2001, Stefani và Rebora [13] nghiên cứu "Ảnh hưởng của lực siết bu-lông lắp
ráp giữa 2 nửa thân và nắp của thanh truyền động cơ ở chế độ thủy động đàn hồi". Các tác

giả đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn và Newton-Raphson để giải phương trình
Reynolds và phương trình cân bằng tải. Các kết quả nghiên cứu là việc so sánh các giả
thiết khác nhau về ổ cứng tuyệt đối và ổ đàn hồi có tính tới lực siết bu-lông. Các phần tử
hữu hạn rời rạc của thanh truyền nghiên cứu được thể hiện trong hình 1.6.

Hình 1.6 Mô hình rời rạc ổ đầu to thanh truyền [26]
Trong nghiên cứu này, hai loại phần tử được sử dụng cho lưới sai phân: phần tử
đẳng tham số 8 nút để rời rạc màng dầu và 20 nút để rời rạc ổ. Các tác giả cho rằng, nếu sự
biến dạng của ổ tăng lên thì chiều dày nhỏ nhất của màng dầu sẽ giảm xuống. Năm 2003,
Stefani [34] đưa ra nghiên cứu mới về tác dụng của tải trọng và lực quán tính lên ổ đầu to
thanh truyền. Các vấn đề được giải quyết là ứng suất trong thanh truyền (Hình. 1.7) và biến
dạng của thanh truyền chịu tác dụng của lực siết bu-lông (Hình. 1.8).

Hình 1.7 Ứng suất trong thanh truyền chịu tác dụng của lực siết bu-lông [34]

12


Hình 1.8 Biến dạng của ổ đầu to thanh truyền chịu siết bu-lông [34]
Năm 2004, Stefani và Rebora [35] đã đưa ra thuật toán tính toán trên mô hình mở
và trượt giữa nắp và thân thanh truyền. Thuật toán này được sử dụng để phân tích các mô
hình 2 hay 3 chiều của ổ đỡ động cơ. Nắp và thân thanh truyền được chia lưới riêng biệt.
Tại bề mặt tiếp xúc giữa 2 nửa các phần tử bề mặt tiếp xúc điểm – điểm.
Cùng năm (2004), Wang và cộng sự [30] đã nghiên cứu ổ đầu to thanh truyền bao
gồm thân, bạc lót, nắp và bu lông. Việc tính toán sẽ dựa trên biến dạng ban đầu do lực siết
bu-lông (Hình 1.9). Nghiên cứu đã xét tới ảnh hưởng của lực quán tính và biến dạng của
thanh truyền đến các thông số bôi trơn. Tất cả các thông số này có ảnh hưởng đáng kể tới
hiệu quả hoạt động của ổ. Các tác giả sử dụng phần mềm Abaqus để tính toán biến dạng
đàn hồi và ứng suất của các bề mặt tiếp xúc. Trong toàn chu kỳ, hình dạng của hai bạc lót
là khác nhau (Hình 1.10).

Hình 1.9 Hình dạng ban đầu của các bạc lót do lực xiết bu lông [30]

Hình 1.10 Hình dạng của bạc lót trong một chu kỳ của hoạt động [30]
Trong một nghiên cứu khác Wang và cộng sự [31], đã xác định hiệu suất của ổ đầu
to thanh truyền với hình dạng không tròn. Họ sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn để

13


giải phương trình Reynolds. Quỹ đạo trọng tâm thanh truyền, chiều dày màng dầu và áp
lực màng dầu trong chu kỳ được tính toán và kết quả được so sánh với mô hình ổ đầu to
thanh truyền đàn hồi nguyên khối.
Cùng năm 2004, Michaud [59] đã nghiên cứu mở rộng vấn đề TEHD hai chiều
bằng một mô hình ba chiều trong trường hợp ổ chịu tải trọng động. Mô hình này được xây
dựng bằng cách viết các phương trình Reynolds ba chiều trong vùng liên tục và vùng gián
đoạn của màng dầu, các phương trình năng lượng ba chiều và nhiệt ba chiều được đưa ra
để tính toán áp suất và nhiệt độ màng dầu và nhiệt độ của ổ.
Năm 2005, Fatu [11] đã nghiên cứu mô phỏng số và thực nghiệm bôi trơn ổ động
cơ trong các điều kiện làm việc khắc nghiệt. Mục đích của nghiên cứu này nhằm giúp các
nhà thiết kế ổ trục có các công cụ tính toán nhanh và hiệu quả. Sự thay đổi của độ nhớt,
ảnh hưởng của hiệu ứng nhớt và chất lỏng phi Newton được nghiên cứu trong các trường
hợp phức tạp của ổ đầu to thanh truyền.
Năm 2006, Ligier và Antoni [49] nghiên cứu hiện tượng trượt trong ổ đầu to thanh
truyền. Tổng độ dịch chuyển bằng tổng các dịch chuyển của các giao diện tiếp xúc của các
thành phần trong chu kỳ nạp. Các tác giả đã đưa mô hình phần tử hữu hạn 2D của bạc lót
và ổ đầu to thanh truyền (Hình 1.11a). Sự tiếp xúc giữa các bạc lót và ổ được mô hình hóa
bằng cách sử dụng định luật Coulomb và luật Coulomb sửa đổi, cho phép xác định độ trượt
đàn hồi do biến dạng đàn hồi của độ nhám bề mặt tiếp xúc (Hình 1.11b).

Hình 1.11 Mô hình ổ đầu to thanh truyền [49]
Năm 2006, Tran [38] đã nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số bôi trơn ổ đầu to
thanh truyền có tính đến sự phân cách có chất bôi trơn hoặc không giữa hai nửa của ổ đầu
to thanh truyền. Một mô phỏng số mới cho vấn đề EHD trong màng dầu và tiếp xúc giữa
hai nửa đầu to thanh truyền được đưa ra: các phương trình Reynolds, chiều dầy màng dầu,
cân bằng tải, tiếp xúc với định luật ma sát Coulomb trong bề mặt phân cách giữa hai nửa
thanh truyền được rời rạc bởi phương pháp phần tử hữu hạn và được giải bằng phương
pháp Newton-Raphson.
Năm 2007, Antoni cùng cộng sự [55] đã nghiên cứu lý thuyết về sự trượt tương đối
tiếp tuyến với bề mặt tiếp xúc giữa hai nửa thanh truyền dưới tải trọng theo chu kỳ. Mô
hình nghiên cứu là ổ đầu to thanh truyền của động cơ. Trong mô hình này, các bạc lót có

14


thể bị dịch chuyển về phía trong của ổ (Hình 1.12). Antoni và cộng sự đã cho thấy sự dịch
chuyển giữa hai nửa phụ thuộc vào vị trí theo phương chu vi của quay tải.

Hình 1.12 Sự dịch chuyển của bạc lót trong ổ đầu to thanh truyền [55]
Năm 2008, Antoni cùng cộng sự [56] đã nghiên cứu về sự trượt tương đối giữa hai
chi tiết tròn xoay. Nghiên cứu sử dụng mô hình ổ hai chiều, bao gồm hai chất rắn tròn tiếp
xúc ma sát. Một ứng suất do sự dịch chuyển tương đối của các chi tiết được phân tích. Khi
đó, các bạc lót phải chịu một tải hướng kính tập trung, và thay đổi theo chu kỳ (Hình 1.13).

Hình 1.13 (a) Tiếp xúc tròn xoay và (b) Mô hình ổ đầu to thanh truyền [56]
Năm 2012, Thomas Lavie [64] đưa ra phương pháp tối ưu hóa bôi trơn ổ đầu to
thanh truyền. Tổn thất năng lượng do ma sát tại ổ đầu to thanh truyền là không nhỏ, nó ảnh
hưởng tới người sử dụng. Hơn nữa, các tiêu chuẩn về gây ô nhiễm môi trường của các loại
động cơ ngày càng khắt khe, cần phải thực hiện các cải tiến trên tất cả các thanh truyền để
làm giảm tổn thất năng lượng. Tác giả đã phát triển xây dựng một phần mềm TEHD sử để

tính toán tổn hao công suất do bôi trơn ổ đầu to thanh truyền. Các tính toán được kiểm
chứng, đánh giá bằng thực nghiệm trên băng thử Megapascal với điều kiện hoạt động thực
tế của các thanh truyền trong động cơ.
Năm 2013, T.L. NGUYEN [48] đã nghiên cứu Mô hình hóa sự tương tác giữa các
bạc lót và thân thanh truyền. Nghiên cứu này đã đưa ra giải pháp giải quyết vấn đề tiếp xúc
giữa các bạc lót với các bộ phận còn lại của thanh truyền bằng cách kết hợp phần mềm tính
toán EHD (ACCEL) với phần mềm tính toán ma sát tiếp xúc giữa các bạc lót và thanh
truyền (ABAQUS). Một số tính toán tham số đã được thực hiện trong trường hợp ổ đầu to
thanh truyền, đã chứng minh được sự ảnh hưởng của điều kiện làm việc và các đặc điểm
khác của bề mặt bạc lót (hệ số ma sát, độ dày bạc, vv) đến bôi trơn ổ và sự trượt tương đối
giữa bạc lót và thanh truyền.

15