Nghiên cứu mô phỏng số bôi trơn thủy động ổ đầu to thanh truyền của động đốt trong NCS nguyễn đình tân (tt)

GIỚI THIỆU LUẬN ÁN
1. Tính cấp thiết của luận án nghiên cứu
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 đích đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a) Mục đích nghiên cứu của luận án
- 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 5S-FE
với một chế độ 30% tải.
- Xác định sự thay đổi đường kính ổ đầu to thanh truyền động cơ 5S-FE khi thay đổi lực xiết
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 xiết bu lông thanh truyền khác nhau.
b) 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.
1


- 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.
3. 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 xiết bu
lông thanh truyền khác nhau.
- Tính toán mô phỏng các đặc tính bôi trơn ổ đầu to thanh truyền của động cơ 5S-FE 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.
4. Bố cục của luận án
Nội dung chính của luận án được trình bày trong 4 chương

- Chương 1: Tổng quan
- Chương 2: Lý thuyết bôi trơn ổ đầu to thanh truyền
- Chương 3: Mô phỏng số bôi trơn ổ đầu to thanh truyền động cơ 5S-FE
- Chương 4: So sánh với kết quả tính toán bằng phần mềm ACCEL
- Kết luận chung và kiến nghị
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
a) Ý nghĩa khoa học
- 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 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.
b) Ý nghĩa thực tiễn
- 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 xiết 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.
6. Các đóng góp mới của luận án
- 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.
2


- 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 phù hợp khi
thực hiện bảo dưỡng, sửa chữa, lắp ráp cơ cấu trục khuỷu thanh truyền.
NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN
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, kiểm soát tốt hơn các chất bôi trơn cũng như vật liệu
của các chi tiết tạo thành ổ đầu to thanh truyền.
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.
1.1.3. Khe hở bán kính
Để thanh truyền chuyển động được trên trục khuỷu, thì ổ đầu to thanh truyền phải tồn tại
khe hở bán kính.
Khe hở bán kính là hiệu số hai kích thước giữa 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.
1.1.4. Khe hở dọc
Ngoài khe hở bán kính thì ổ đầu to thanh truyền còn phải tồn tại khe hở dọc. 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 dịch chuyển
lệch sang một bên, lúc này đầu nhỏ thanh truyền không nằm giữa trục piston, nên piston bị lệch làm

tăng ma sát và điều kiện bôi trơn trục piston giảm.
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
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. [10]
1.2.2. Chọn ổ theo khe hở bán kính
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 dẫn đến làm tăng rò rỉ và giảm chiều dày chất bôi trơn. Ngược lại, khe hở
bán kính nhỏ hơn cho thấy ma sát tăng lên, có thể dẫn đến hoàn toàn mất khe hở do thay đổi về sự
giãn nở. [10]
3


1.2.3. Xác định chế độ bôi trơn
Dựa vào độ nhám bề mặt ổ, đưa ra hệ số Λ để xác định chế độ bôi trơn cho ổ. [53]
hmin
Λ=
�R qa + R qb
Trong đó: hmin chiều dày màng dầu nhỏ nhất
R qa sai lệch hình học trung bình của bề mặt a

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

(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. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
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.
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.
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.
Để kiểm chứng các tính toán mô phỏng số, cách tốt nhất là so sánh kết quả mô phỏng số và kết quả
thực nghiệm. Có hai phương pháp thực nghiệm
- Nghiên cứu thực nghiệm sử dụng thanh truyền thật trong động cơ: Cách này cho ta nhận được các
kết quả tương ứng với bôi trơn trong điều kiện làm việc thực tế của thanh truyền. Các khó khăn gặp
phải là động cơ có thể làm việc ở tốc độ rất cao, nên đòi hỏi thiết bị phải có độ cứng vững và chính
xác rất cao để xác định được áp suất màng dầu rất cao và chiều dày màng dầu rất nhỏ.
- Nghiên cứu thực nghiệm sử dụng thanh truyền mô phỏng: Mô hình thực nghiệm làm việc theo
nguyên lý hệ biên khuỷu, hệ thống động học của thiết bị bớt phức tạp hơn và điều kiện làm việc của
ổ cũng kém khắc nghiệt hơn so với thanh truyền thật. Phương pháp này có lợi thế là có thể được
thực hiện ngay trong phòng thí nghiệm mà vẫn kiểm chứng được các tính toán số.

4

1.3.2. Trong nước
Ở Việt Nam có rất ít nghiên cứu về bôi trơn ổ đầu to thanh truyền, chủ yếu là các nghiên cứu
về các ổ chặn, ổ trượt thông thường hoạt động ở chế độ bôi trơn thủy động, có rất ít nghiên cứu về
bôi trơn ổ đầu to thanh truyền.
1.4. Kêt luận
Trong chương 1, luận án đã giới thiệu về ổ đầu to thanh truyền của động cơ đốt trong, các
vấn đề về công nghệ thiết kế sơ bộ ổ đỡ bôi trơn thủy động. Tiếp đó luận án đã trình bày tổng quan
về tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước về vấn đề liên quan. Từ các nghiên cứu đã trình
bày, tác giả đưa ra một số kết luận sau đây:
- Ổ đầu to thanh truyền là bộ phận quan trọng của động cơ đốt trong, nó làm việc trong điều
kiện rất khắc nghiệt, dễ bị hư hỏng khi không được bôi trơn hợp lý.
- Bài toán về bôi trơn ổ đầu to thanh truyền là một bài toán rất phức tạp và khó vì tải tác
dụng lên ổ là tải thay đổi theo chu kỳ.
- Trong một số nghiên cứu, ổ đầu to thanh truyền được coi là vật rắn tuyệt đối. Biến dạng
không ảnh hưởng đến chiều dày màng dầu và áp suất trong màng dầu. Trong các nghiên cứu đã
công bố, các nhà khoa học đã xem xét các ảnh hưởng của biến dạng đàn hồi ổ đầu to thanh truyền.
Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng. Chiều dày màng dầu và áp lực trong màng dầu bị ảnh hưởng bởi
hiệu ứng thủy động, thủy động đàn hồi, hiệu ứng quán tính, hiệu ứng nhiệt, sự thay đổi độ nhớt của
dầu bôi trơn cũng như hiện tượng gián đoạn và tái tạo màng dầu.
- Trên thế giới đã nghiên cứu nhiều về vấn đề bôi trơn ổ đầu to thanh truyền. Tuy nhiên tại
Việt Nam vấn đề này chưa được quan tâm nghiên cứu nhiều. Do vậy nước ta rất cần phát triển các
nghiên cứu về bôi trơn nói chung và bôi trơn ổ đầu to thanh truyền nói riêng để làm chủ về mặt
khoa học công nghệ, tiến tới hỗ trợ cho ngành công nghiệp phụ trợ, ngành công nghiệp sản xuất chế
tạo phụ tùng, và tiến xa hơn là ngành công nghiệp chế tạo ô tô tại Việt Nam.
Chương 2: LÝ THUYẾT BÔI TRƠN THỦY ĐỘNG
2.1. Phương trình Reynolds tổng quát
Trong bôi trơn thuỷ động [10], khi coi vận tốc tại bề mặt tiếp xúc luôn tiếp xúc với chính nó
và bằng cách đặt gốc của hệ trục tọa độ trên một bề mặt tiếp xúc, tức là H1 = 0 và H2 = h. Xét trong

hệ toạ độ Đề các Oxyz (Hình 2.1)
Các giả thiết:
- Môi trường liên tục.
- Chất lỏng Newton.
- Dòng chảy tầng.
- Bỏ qua các lực khối.
- Bỏ qua các lực quán tính của dòng chảy chất lỏng.
- Không có sự trượt giữa chất lỏng và các bề mặt tiếp xúc với nó.
- Bỏ qua độ cong của màng mỏng chất lỏng.
- Chiều dày của màng chất lỏng rất nhỏ so với kích thước của bề mặt tiếp xúc.

5


y

V2

y

U2
W2

2
1 O
z

U1

W1

x

O

h

x

Hình 2.1 Hệ tọa độ
Điều kiện biên được viết:
Trên mặt 1, với y = 0 có u = U1; v = 0; w = W1,
Trên mặt 2, với y = h có u = U2; v = V2; w = W2.
Trong đó: u, v, w: vận tốc của chất lỏng 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.
∂  ρh 3 ∂p  ∂  ρh 3 ∂p 
∂h
∂h

 + 
 = 6 ρ (U 1 − U 2 ) + 6 ρ (W1 − W2 )
∂x  µ ∂x  ∂z  µ ∂x 
∂x
∂z
∂
∂
∂p
+ 6h [ρ (U 1 + U 2 )] + 6h [ρ (W1 + W2 )] + 12 ρV2 + 12h
∂x
∂z

∂t
2.2. Phương trình Reynolds cho ổ đỡ thuỷ động
2.2.1. Chiều dày màng dầu

(2.1)

Hình 2.3 Hệ tọa độ xác định chiều dày màng dầu
Xét trục và bạc trong hệ tọa độ xoy như hình 2.3 thì phương trình chiều dày màng dầu có
dạng sau:
h (θ ') =−
C (1 ε x cos θ ' − ε y sin θ ')

(2.24)

Trong đó εx và εy là độ lệch tâm tương đối theo hai trục x và y.
Trong đó:
6


Rc: bán kính bạc
Ra: bán kính trục

φ: góc chất tải
θ: toạ độ trụ trong hệ Oxyz
C: khe hở bán kính: C=Rb-Rt
e: độ lệch tâm

ωt, ωb: vận tốc góc của trục và bạc
x, z: toạ độ theo phương chu vi và chiểu dài ổ
W : tải trọng

2.2.2 . Phương trình Reynolds
Do bán kính Ra và Rc xấp xỉ nhau, giả thiết có thể bỏ qua độ cong của màng dầu và khai
triển theo hình 2.4. Phương trình Reynolds có dạng

Hình 2.4 Miền khai triển ổ

∂  h3 ∂p  ∂  h3 ∂p  U ∂h ∂h

+ 
 =+
∂x  12 µ ∂x  ∂z  12 µ ∂z  2 ∂x ∂t

(2.31)

Với U là vận tốc dài của bề mặt trục
2.2.3. Hiện tượng gián đoạn màng dầu
Gián đoạn màng dầu trong bôi trơn thuỷ động là hiện tượng phá huỷ màng bôi trơn do sự
xuất hiện của khí hoặc hơi hoặc cả hai trong đó.
Việc phá huỷ màng bôi trơn tạo ra vùng gián đoạn sẽ đi liền với việc phục hồi màng dầu
diễn ra sau đó:

Hình 2.6 Vùng khai triển màng dầu

U

∂r ∂r
+2 = 0
∂x ∂t

(2.33)

.
2.2.4 Điều kiện biên Reynolds
Áp dụng phương trình bảo toàn khối lượng cho miền 𝛀𝟎 , 𝜴+ trên hình 2.6 có sự bảo toàn lưu lượng
7


khối qua các bề mặt có được điều kiện biên 𝜴+ , 𝜴− về chiều dày của 𝜴+ , 𝜴− :

ρ .h.(α − 1) +

ρh 3 ∂p
12 µ ∂n

(2.37)

2.2.5 Áp dụng điều kiên biên Reynolds cho ổ đỡ thủy động
Mô hình hóa hiện tượng xâm thực và áp đặt điều kiện biên Reynolds cho một ổ đỡ thủy động có các
thông số cho trong bảng 2.1
Bảng 2.1: Thông số ổ đỡ
Thông số
Đường kính ổ (D)
Chiều dài ổ (L)
Khe hở hướng kính (C)
Độ lệch tâm tương đối (ε)
Áp suất vùng gián đoạn (𝑝𝑐 )
Độ nhớt động lực học (µ)
Vận tốc quay (n)

Giá trị
70
70
0,038
0,33
0

Đơn vị
mm
mm
mm

0,039

Pa.s

25

vg/s

Pa

Hình 2.5: Phân bố áp suất trong tiết diện giữa ổ theo phương dọc trục
Kết quả chỉ ra trên hình 2.5 cho thấy áp suất tại điểm có chiều dày màng dầu nhỏ nhất:
𝒑𝑹 = 𝟏𝟒, 𝟕𝟐 𝒃𝒂𝒓 (𝒌𝒉𝒊 𝒅ù𝒏𝒈 đ𝒊ề𝒖 𝒌𝒊ệ𝒏 𝒃𝒊ê𝒏 𝑹𝒆𝒚𝒏𝒐𝒍𝒅𝒔) 𝒕𝒓𝒐𝒏𝒈 𝒌𝒉𝒊 𝒑𝒔 = 𝟎 (khi dùng điều
kiện
biên
Sommerfeld),
vị
trí

màng
dầu
bị
gián
đoạn
𝟕𝝅

𝒙𝑬 = 𝟎, 𝟏𝟐𝟖(𝒎) � 𝟔 � > 𝒙𝑺 = 𝟎, 𝟏𝟏𝟎 (𝒎)(𝝅) (giữa ổ theo phương chu vi)

2.3. Phương trình cân bằng tải
Để tính toán bôi trơn thủy động tại giao diện giữa các bề mặt trong ổ đầu to thanh truyền,
thanh truyền sẽ được chia nhỏ thành các thành phần tĩnh. Vào mỗi thời điểm, hệ thống và các thành
phần riêng biệt của nó sẽ được cân bằng.
Với bề mặt của ổ phương trình cân bằng có dạng:

 pcosθ dS − Fx =0
∫
 S

∫ psin θ dS − Fy =0
 S

(2.42)

8


Fx và Fy là lực ngoài tác dụng dọc theo x và y, được xác định trên biểu đồ phụ tải của áp suất cháy
trong một chu kỳ động cơ
2.5. Kết luận

Trong chương 2 luận án đã trình bày lý thuyết tổng quan về lý thuyết bôi trơn thủy động bao gồm:
-Xây dựng phương trình Reynolds tổng quát từ các phương trình cơ học của màng dầu.
- Xây dựng phương trình chiều dày màng dầu và phương trình Reynolds viết cho ổ đỡ thủy động
nói chung.
- Mô hình hóa hiện tượng xâm thực và đưa ra điều kiện biên Reynolds cho ổ đỡ thủy động.
-Áp đặt điều kiện biên Reynolds và mô phỏng hiện tượng xâm thực cho một ổ đỡ thủy động ở chế
độ xác định. Kết quả chỉ ra vị trí cụ thể màng dầu bị xâm thực trong một tiết diện ổ.
-Xây dựng phương trình cân bằng tải trọng với ổ đầu to thanh truyền.
Các phương trình xây dựng trong chương này là cơ sở quan trọng để tác giả mô hình hóa bôi trơn
cho ổ đầu to thanh truyền trong chương tiếp theo.
Chương 3: MÔ PHỎNG SỐ BÔI TRƠN Ổ ĐẦU TO THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ 5S-FE
3.1 Mô hình hóa bôi trơn ổ đầu to thanh truyền
Bài toán bôi trơn thủy động áp dụng điều kiện biên Reynolds giải quyết hai bài toán luân phiên
nhau cho đến khi các kết quả hội tụ:
- Bài toán 1: Biết độ lệch tâm: Xác định vị trí các vùng màng dầu liên tục và vùng gián đoạn.
- Bài toán 2: Biết vị trí các vùng màng dầu liên tục và vùng gián đoạn: cân bằng tải trọng và xác
định độ lệch tâm.
3.1.1 Bài toán 1
Biểu thức tích phân trọng số của phương trình vi phân [2.36] có dạng như sau:
E (=
D)



 ∂  h3 ∂D 





∂  h3 ∂D   U ∂ h ∂ h

U ∂ D ∂ D 
+
Ω 0
d=
∂ x ∂ t  

∫ W  − F  ∂ x  12µ ∂ x  + ∂ y  12µ ∂ y   + 2 ∂ x + ∂ t + (1 − F )  2

Ω



(3.1)
Với Ω là toàn bộ miền khai triển màng dầu, W là hàm trọng số khả vi trên miền Ω. Để giải
quyết bài toán 1 phải chọn hàm trọng số W khác với hàm nội suy N theo phương pháp PetrovGalerkin.
Tại mỗi nút trong các phần tử của miền Ω dẫn đến một phương trình đại số tuyến tính viết dưới
dạng ma trận như sau:
R = [M] D + B = 0
(3.23)
Ma trận [M] có cấp n, phần tử Mjk được viết:
=
M jk

nne ∂W
 h3 nne  ∂Wmj ∂N mk
∂Wmj ∂N mk 
mj
+

+
ω
F
N mk (1 − Fk )

∑
∑
∑
∑

 k
m
∂z ∂z 
=
=
n 1=
m 1
k 1 ∂x
 6 µ=k 1  ∂x ∂x
1 nne

−2
Wmj N mk (1 − Fk (t ) )  d et J m
∑
∆t k =1

(3.24)
ne

npg

Đại lượng B trong phương trình (3.2) được tính như sau:

9


ne

npg

∑∑ω

B j=

n 1=
m 1
=

m

−2


 ∂hm
h (t ) − hm ( t − ∆t ) 
+ 2 m
 Wmj  U
−
∂x
∆t




1 nne

Wmj N mk ( (1 − Fk (t − ∆t ) ) Dk (t − ∆t ) )  d et J m
∑
∆t k =1


(3.25)
Giải hệ phương trình trên bằng phương pháp lặp ta thu được miền liên tục và gián đoạn của màng
dầu.
3.1.2. Bài toán 2
Ta có ma trận Jacobi của vecto lực:

 S T px S T p y 
ST 

J u f (u ) =
−  T   px p y  =
− T
T
 R px R p y 
R 

(3.31)

∂p
∂p

=
; py
∂x
∂y

=
px

Viết lại phương trình 3.23 dưới dạng:
M ( x , y ) p = − B( x , y )

(3.32)

Đạo hàm phương trình 3.32 với các thành phần x , y ta có:

 − M x p + Bx , M y p + By 
M  px , p y  =

(3.33)

∂M
∂M
∂B
∂B
=
Mx
=
=
,My
; Bx =

; By
∂x
∂y
∂x
∂y
Với
Giải hệ phương trình 3.7 ta thu được vector ( px , p y ) từ đó thay vào phương trình 3.5 ta tính được
ma trận Jacobi J u f (u ) . Sau đó vector u = ( x , y ) được tính từ các bước nội suy theo công thức sau:

u

( k +1)

(k )
(k )
=
u − J u −1 f (u )  f (u ) − W 



(3.35)

Trong đó vector W=(Fx,Fy) là vector lực tác dụng tại thời điểm t.
3.2. Thuật toán
Để giải quyết liên tiếp các bài toán 1 và bài toán 2 ở các bước thời gian khác nhau tác giả xây dựng
một lưu đồ thuật toán như trong các hình 3.4, hình 3.5, hình 3.6, hình 3.7.
Bước xử lý dữ liệu ban đầu trong lưu đồ hình 3.4 được cụ thể trong hình 3.5 trong đó gồm quá trình
đọc dữ liệu hình học của ổ đầu to thanh truyền như đường kính ổ, khe hở bán kính; dữ liệu về điều
kiện làm việc như tốc độ và tải trọng ban đầu tác dụng lên ổ đầu to; dữ liệu về dầu bôi trơn như độ
nhớt động học, khối lượng riêng. Sau đó là quá trình chia lưới cho ổ đầu to thanh truyền, tính toán

và lưu trữ các giá trị tọa độ nút, chiều dày màng dầu tại các nút và đặt các giá trị biến trạng thái Fk
ban đầu cho mỗi nút.
Sau quá trình xử lý dữ liệu ban đầu chương trình đi vào vòng lặp liên tục theo bước thời gian ∆t cho
đến khi hết 720o làm việc của trục khuỷu. Trong mỗi bước thời gian cần phải giải liên tiếp hai bài
toán 1 và 2 cho đến khi điều kiện hôi tụ về độ lệch tâm tương đối và tải trọng thỏa mãn công thức:

10


�

𝑘+1 −𝑒 𝑘 ||
||𝑒𝑥,𝑦
𝑥,𝑦
𝑘+1 ||
||𝑒𝑥,𝑦

𝑘+1 −𝐹𝑘 ||
||𝐹𝑥,𝑦
𝑥,𝑦
𝑘+1 ||
||𝐹𝑥,𝑦

≤ 𝑒𝑟𝑟

≤ 𝑒𝑟𝑟

Ở đây err=10-6

(3.36)

Bài toán 1 xác định vùng liên tục và gián đoạn theo lưu đồ hình 3.6, các ma trận M và B được tính
theo công thức 3.24 và 3.25. Qua mỗi bước lặp ta xác định được biến trạng thái của từng nút theo
giá trị D(i,j) của nút đó. Quá trình lặp kết thức khi điều kiện hội tụ của biến D thỏa mãn biểu thức:
𝒌
||𝑫𝒌+𝟏
𝒙,𝒚 −𝑫𝒙,𝒚 ||

||𝑫𝒌+𝟏
𝒙,𝒚 ||

≤ 𝒆𝒓𝒓

(3.37)

Bài toán 2 xác định giá trị của tải trọng ứng với kết quả của bài toán 1 theo công thức 3.26 và giá trị
của độ lệch tâm tương đối theo công thức 3.35 với lưu đồ trong hình 3.7. Giá trị tải trọng và độ lệch
tâm này chính là giá trị ở bước lặp thứ k+1 trong các công thức 3.36 và 3.37.
Để giải quyết liên tiếp các bài toán 1 và bài toán 2 ở các bước thời gian khác nhau tác giả xây dựng
một lưu đồ thuật toán cho chương trình chính như trong hình 3.4

Hình 3.4 Lưu đồ thuật toán chương trình chính
3.3 Ổ đầu to thanh truyền động cơ xăng 5S-FE
3.3.1. Thanh truyền động cơ 5S-FE
Thanh truyền động cơ 5S-FE (hình 3.8) bao gồm thân thanh truyền, nửa trên ổ đầu to thanh
truyền lắp với nửa dưới ổ bằng hai bu-lông ghép nối. Vỏ ngoài bạc lót làm bằng thép các bon thấp,
phầnhợp kim chịu mòn dùng ba bít nền thiếc cóthành phần và các tính chất cơ lý của hợp kim chịu
mòn trong bảng 3.2.

11

Hình 3.8 Thanh truyền động cơ 5S-FE
Độ nhám bề mặt bạc lót theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1720 – 85 về bạc lót thanh truyền
yêu cầu Ra ≤ 1,25µm và độ nhám của trục khuỷu theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1705 – 85 về
trục khuỷu động cơ yêu cầu Ra ≤ 0,2µm.
Bảng 3.2 Thành phần và các tính chất cơ lý của hợp kim chịu mòn
Độ lớn
Đơn vị
Tính chất cơ học
-Độ cứng Brinell

24

HB

-Ứng suất nén

111,5

MPa

Thành phần hóa học
-Thiếc (Sn)

75%

-Sắt (Fe)

≤0,08%

-Đồng (Cu)

3%

-Arsenic (As)

≤0,15%

-Antimony (Sb)

12%

3.3.2. Đo đường kính trung bình của ổ đầu to thanh truyền của động cơ 5S-FE
3.3.2.1 Mục đích
- Xác định khe hở bán kính của ổ đầu to thanh truyền động cơ 5S-FE.
- Xác định sự thay đổi đường kính trung bình của ổ đầu to thanh truyền của động cơ 5S-FE khi thay
đổi siết bu-lông thanh truyền.
3.3.2.2 Giới thiệu thiết bị đo
Máy TALYRON 365 Là máy đo khuyết tật hình dạng hình học của bề mặt các chi tiết có biên dạng
trụ tròn như truc, hay ổ đỡ. Các thông số đo được trên máy bao gồm: Kích thước bán kính, đường
kính, độ tròn, độ nhám, ....
3.3.2.3 Tiến trình đo
1. Đo đường kính trunng bình của bánh lệch tâm
- Bánh lệch tâm được chế tạo có đường kính đúng bằng đường kính trục khuỷu của động cơ 5S-FE
- Đặt chế độ, tiến hành đo đường kính của bánh lệch tâm 18 lần với bước đo 1,5mm theo chiều dài
của bánh.
2. Đo đường kính trunng bình của ổ đầu to thanh truyền
12

- Ổ đầu to thanh truyền của động cơ 5S-FE, được tháo ra từ động cơ. Bạc lót ổ được mua mới để lắp
thay thế.
- Lần lượt tiến hành lắp hai nửa thanh truyền ở 4 siết bu-lông thanh truyền rồi đo đường kính ổ theo
thứ tự 25Nm, 25Nm+300, 25Nm+600, 25Nm+900
26.0330
26.0320
26.0310
26.0300
26.0290
26.0280
26.0270
0

5

10

15

20

Hình 3.13 Kết quả đo đường kính ổ đầu to thanh truyền 25Nm+300
3.3.3 Kết quả thực nghiệm
Trong hình 3.3 trình bày kết quả đo bán kính ổ đầu to thanh truyền 5S-FE tại siết bu-lông thanh
truyền 25Nm+300. Quá trình đo được thực hiện ở 18 tiết diện theo chiều trục, bán kính thay đổi từ
giá trị nhỏ nhất là 26,0277 (mm) đến giá trị lớn nhất 26,032 (mm).
Bảng 3.3 Đường kính ổ đầu to thanh truyền theo siết bu-lông thanh truyền
TT Lực xiết bu lông Bán kính trung
Bán kính bánh lệch Khe hở bán kính

bình ổ (mm)
tâm (mm)
(mm)
1
25Nm
26,029
26,005
0,024
0
2
25Nm+30
26,043
26,005
0,038
0
3
25Nm+60
26,060
26,005
0,055
0
4
25Nm+90
26,073
26,005
0,069
3.3.4. Tải tác dụng lên ổ đầu to thanh truyền động cơ 5S-FE
Tải trọng tác dụng lên thanh truyền trong thiết bị thực nghiệm sẽ mô phỏng lại quá trình làm việc
của động cơ qua bốn kỳ: hút, nén, nổ, xả. Tải trọng gồm hai lực, lực kéo nén Fx và lực uốn Fy. Các
lực này được hệ thống đo của băng thử MEGAPASCALE (Hình 3.15) lưu trữ vào một file dữ liệu

từ đó tác giả xây dựng được biểu đồ tải theo các góc của trục khuỷu trong một chu kỳ làm việc như
hình 3.16.

Hình 3.15 Trung tâm điều khiển băng thử khi thực nghiệm MEGAPASCALE
13


Hình 3.16 Tải tác dụng lên ổ đầu to thanh truyền
3.4 Kết quả mô phỏng số
Với giải thuật đã trình bày trong mục 3.2, ổ đầu to thanh truyền được chia thành các phần tử chữ
nhật 4 nút trong đó phương chu vi được chia thành 60 phần và phương dọc trục được chia thành 20
phần. Tác giả đã viết chương trình tính toán đặc tính bôi trơn ổ đầu to thanh truyền bằng ngôn ngữ
lập trình Fortran 95 (Phụ lục 3.2). Kết quả thu được gồm áp suất màng dầu, chiều dày màng dầu và
độ lệch tâm tương đối. Kết quả thu được gồm áp suất màng dầu, chiều dày màng dầu và độ lệch tâm
tương đối.

b, Hệ tọa độ thanh truyền
a, Chia lưới ổ đầu to thanh truyền
Hình 3.17 Chia lưới ổ đầu to thanh truyền
3.4.1. Áp suât màng dầu
Hình 3.18 biểu diễn phân bố áp suất của ổ đầu to thanh truyền theo phương chu vi tại ba tiết diện
L/2, L/5, L/10 của chiều dài ổ khi khe hở bán kínhC = 24µm ở vị trí 3700 của trục khuỷu thuộc kì
nổ. Phân bố áp suất bắt đầu ở vị trí 1080 và kết thúc ở 2970 theo phương chu vi. Ta thấy, phần chân
của phân bố áp suất biến thiên nhỏ tuy nhiên đỉnh của phân bố rất cao tại 2790 của trục khuỷu áp
suất lớn nhất là 57.7 MPa, đến 2340 của trục khuỷu áp suất lớn nhất là 7.4 MPa.

Hình 3.18 Phân bố áp suất theo phương chu vi tại 3700 của trục khuỷu
khi khe hở bán kính C = 24µm
14

Hình 3.19 Phân bố áp suất theo phương chiều dài tại 3700 của trục khuỷu
khi khe hở bán kính C = 24µm
Hình 3.19 biểu diễn phân bố áp suất theo phương chiều dài ổ tại ba tiết diện theo chiều dài ổ tại
2790, 2520 và 2160 của phương chu vi khi khe hở bán kính C = 24µm ở vị trí 3700 của trục khuỷu.
Theo hình, áp suất phân bố đối xứng theo phương chiều dài qua vị trí giữa ổ. Tại một tiết diện, tốc
độ biến thiên của áp suất nhỏ tuy nhiên sự chênh lệch giữa các tiết diện khác nhau rất lớn.
Hình 3.20 biểu diễn phân bố áp suất của ổ đầu to thanh truyền với C = 24µm ở vị trí 3700 của trục
khuỷu. Theo đó, phần chịu lực chính tập trung tại một vùng diện tích nhỏ về phía nửa cuối của ổ
theo chiều quay.

Hình 3.20 Phân bố áp suất tại góc 3700 của trục khuỷu khi khe hở bán kính C = 24µm
Hình 3.21 biểu diễn phân bố áp suất tại tiết diện giữa ổ theo phương chu vi tại các góc 200, 1700,
3200, 3500, 470o của trục khuỷu với khe hở bán kính C = 24µm. Theo biểu đồ, phân bố áp suất dịch
chuyển theo góc quay của trục khuỷu cùng với các kỳ làm việc hút – nén - nổ - xả. Ta thấy, càng
gần với kỳ nổ đỉnh phân bố áp suất càng nhọn, cao hơn so với các vùng khác. Phân bố đạt cực đại
giảm về hai phía kể từ vị trí xảy ra sự nổ (khoảng 370o) với áp suất lớn nhất lần lượt là
pmax,370o(nổ) = 57.7 MPa, pmax,350o(nén) = 26.6 MPa, pmax,20o(hút) = 11.4 MPa. Trải qua một chu kỳ làm
việc phân bố áp suất chủ yếu tập trung phần phía sau của ổ theo chiều quay.

15


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
Hình 3.23 và hình 3.24 biểu diễn phân bố áp suất tại góc 200 và 7000 của trục khuỷu là điểm thuộc
nửa đầu kỳ hút và nửa cuối kỳ xả với khe hở bán kính C = 24µm. Tại điểm thuộc kỳ hút lực tác
dụng FX = - 2962 (N), FY = - 607 (N). Tại điểm thuộc kỳ xả lực tác dụng FX= - 3000 (N),
FY = 680 (N). Phân bố áp suất ở cả hai điểm này chia ra hai nửa của ổ nhưng phía sau rất thấp (p20o
= 64KPa, p700o = 0.2 MPa), phần chịu tải chính tập trung nửa đầu của ổ với pmax,20o = 11.4 MPa,

pmax,700o = 12.1 MPa.

Hình 3.23 Phân bố áp suất tại góc 200 của trục khuỷu khi khe hở bán kính C = 24µm

Hình 3.24 Phân bố áp suất tại góc 7000 của trục khuỷu khi khe hở bán kính C = 24µm

Hình 3.25 Phân bố áp suất tại góc 3200 của trục khuỷu khi khe hở bán kính C = 24µm
16


Hình 3.25 biểu diễn phân bố áp suất tại góc 3200 của trục khuỷu là điểm thấp nhất thuộc kỳ nén với
C = 24µm. Tại điểm này lực tác dụng FX = 0 (N), FY = 1934 (N).Phân bố áp suất trải ra hai đầu ổ
tuy nhiên đỉnh của phân bố thấp nhất pmax = 7.3 MPa.
Hình 3.14 biểu diễn sự thay đổi phân bố áp suất theo khe hở bán kínhtại tiết diện giữa ổ theo
phương chu vi tại góc 370o của trục khuỷu.Khe hở bán kính lần lượt là C = 24µm, C = 38µm,
C = 55µm, C = 69µm. Ta thấy, khi tăng khe hở hướng kính, đỉnh của phân bố áp suất tăng, áp suất
lớn nhất theo khe hở hương kính lần lượt là:pmax,C=24µm = 57.7 MPa, pmax,C=38µm = 60.5 MPa,
pmax,C=55µm = 63.6 MPa, pmax,C=69µm = 68.7 MPa.

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
Hình 3.26 biểu diễn thay đổi của áp suất màng dầu lớn nhất pmax theo các góc quay của trục khuỷu
tại bốn khe hở bán kính C = 24µm, C = 38µm, C = 55µm, C = 69µm. Theo đồ thị, khi độ lệch tâm
tăng, áp suất lớn nhất pmax tăng, giá trị tăng lớn nhất tại góc 3700 của trục khuỷu.

Hình 3.27 Áp suất màng dầu lớn nhất khi C = 24µm, C = 38µm, C = 55µm, C = 69µm
3.4.2. Chiều dày màng dầu
Hình 3.28 biểu diễn sự thay đổi của chiều dày màng dầu nhỏ nhất hmin và áp suất màng dầu lớn nhất
pmax theo góc quay của trục khuỷu qua bốn kỳ hút-nén-nổ-xả khi khe hở bán kính C = 24µm. Theo
đó áp suất màng dầu lớn nhất và chiều dày màng dầu nhỏ nhất tại vị trí xảy ra sự nổ:

pmax = 57.7 MPa, hmin = 3,334 µm. Tại vùng áp suất pmax tăng thì chiều dày màng dầu nhỏ nhất hmin
giảm. Chiều dày màng dầu nhỏ nhất đạt giá trị lớn nhất hmin,max = 8,0431 µm tại góc 800 của trục
khuỷu.

17


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
3.4.3. Độ lệch tâm trục – bạc
Hình 3.17 biểu diễn quỹ đạo của tâm trục khuỷu quanh tâm thanh truyền theo một chu kỳ tải. Quỹ
đạo của tâm trục quanh tâm ổ đầu to thanh truyền theo một chu kỳ tải là một đường cong khép kín
bắt đầu từ 00 của trục khuỷu, độ lệch tâm tương đối εx,0o = - 0.6656, εy,0o = - 0.3895 thuộc góc phần
tư thứ I. Sau đó tâm trục dịch chuyển theo thứ tự các góc phần tư I-II-III-II-III-IV khi tải tác dụng
thay đổi.

Hình 3.29 Độ lệch tâm tương đối của thanh truyền và trục khi khe hở bán kính C = 24µm

Hình 3.30 Độ lệch tâm tương đối của thanh truyền và trục khi thay đổi khe hở bán kính
18


Hình 3.18 biểu diễn quỹ đạo của tâm trục quanh tâm thanh truyền tại các khe hở bán kính khác
nhau. Khi tăng khe hở bán kính thì quỹ đạo tâm trục có dạng tương đồng nhau, tuy nhiên nó có xu
hướng dịch chuyển về phía có ɛx≈1: εx,370o = 0.8200, εy,370o = 0.3304.
3.5.Kết luận
Trong chương 3 luận án đã nghiên cứu các vấn đề để tiến hành xây dựng thành công một
chương trình tính toán số các đặc tính bôi trơn thủy động ổ đầu to thanh truyền. Bao gồm các vấn đề
sau đây.
- Xây dựng mô hình tính toán bôi trơn thủy động cho ổ đầu to thanh truyền cũng như thuật toán để

giải bài toán.
- Lập trình bằng ngôn ngữ Fortran 95.
Các kết quả đã được trình bày bao gồm. Các kết quả thực nghiệm gồm khe hở bán kính của
ổ đầu to thanh truyền và sơ đồ tải tác dụng lên thanh truyền của động cơ 5S-FE. Các kết quả này là
các thông số đầu vào của tính toán mô phỏng áp suất, chiều dày màng dầu bôi trơn và độ lệch tâm
giữa trục và bạc của ổ đầu to thanh truyền.
Kết quả đo bán kính ổ đầu to thanh truyền cho thấy bán kính ổ tăng khi thay đổi lực vặn vít
từ 25Nm tới 25Nm+30o, 25Nm+60o, 25Nm+90o, dẫn tới khe hở bán kính tăng tương ứng từ
C = 24µm tới C = 38µm, C = 55µm, C = 69µm.
Theo chu kỳ làm việc hút-nén-nổ-xả, phân bố áp suất màng dầu ổ đầu to thanh truyền dịch
chuyển theo góc quay của trục khuỷu, chủ yếu tập trung phần phía sau của ổ theo chiều quay. Càng
gần với kỳ nổ đỉnh phân bố càng nhọn, cao hơn so với các vùng khác. Phân bố đạt cực đại tại vị trí
xảy ra kỳ nổ (khoảng 370o) với pmax,370o(nổ) = 57.7 MPa, pmax,350o(nén) = 26.6 MPa, pmax,20o(hút) = 11.4
MPa.
Khi tăng khe hở hướng kính đỉnh của phân bố áp suất tăng, phía chân của phân bố có xu
hướng thu nhỏ lại: pmax,C=24µm, 370o = 57.7 MPa, pmax,C=38µm, 370o = 60.5 MPa, pmax,C=55µm, 370o = 63.6
MPa, pmax,C=69µm, 370o = 68.7 MPa. Ta thấy khi khe hở hướng kính tăng từ C = 24µm tới C = 69µm
tương ứng với các siết bu-lông thanh truyền 25Nm và 25Nm+90o thì áp suất lớn nhất của ổ tăng
19,07%.
Quỹ đạo của tâm trục quanh tâm ổ đầu to thanh truyền theo một chu kỳ tải là một đường
cong khép kín bắt đầu từ 00 của trục khuỷu, độ lệch tâm tương đối εx,0o=-0.6656, εy,0o=-0.3895 thuộc
góc phần tư thứ I. Sau đó tâm trục dịch chuyển theo thứ tự các góc phần tư I-II-III-II-III-IV khi tải
tác dụng thay đổi.
Chương 4: SO SÁNH VỚI KẾT QUẢ TÍNH TOÁN BẰNG PHẦN MỀM ACCEL
4.1. Tính toán số bôi trơn ổ đầu to thanh truyền của động cơ 5S-FE bằng phần mềm tính toán
ACCEL
Phần mềm tính toán ACCEL là phần mềm thương mại dùng để tính toán các đặc tính bôi
trơn nhiệt thủy động đàn hồi cho ổ đầu to thanh truyền của các loại động cơ. Đây là phần mềm được
các nhà khoa học của Viện PPRIME • UPR 3346, Trường Đại học Poitiers, Cộng hòa Pháp xây
dựng và phát triển từ những năm 90 của thế kỷ trước cho đến nay. Hiện nay phần mềm này vẫn

đang được các nhà khoa học nghiên cứu để phát triển sao kết quả ngày càng sát với thực tế hoạt
động của động cơ.

19


4.1.1. Mục đích tính toán
- Xác định các đặc tính bôi trơn ổ đầu to thanh truyền của động cơ 5S-FE
- Là cơ sở để xác định tính đúng đắn của chương trình mô phỏng số của luận án
4.1.2. Tiến trình tính toán
- Đo và vẽ thiết kế thanh truyền của động cơ 5S-FE trên phần mềm Catia
- Chia lưới cho thanh truyền tạo thành file có đuôi .DNS
- Tạo ma trận tuân thủ cho thanh truyền
- Nhập dữ liệu đầu vào trong màn hình tính toán.
- Nhập file biểu đồ tải trọng tác dụng lên thanh truyền
- Chạy chương trình tính toán
- Mở kết quả trong thư mục chứa kết quả (có thể chuyển thành file EXCEL)
4.2.1. Áp suất màng dầu
Hình 4.2 biểu diễn mối tương quan giữa áp suất lớn nhất Pmax khi dùng phần mềm ACCEL và kết
quả mô phỏng.Ta nhận thấy, khi khe hở hướng kính tăng dạng đường cong pmax của hai kết quả
tương đồng nhau. Giá trị pmax từ kết quả tính, tại các góc quay khác nhau của trục khuỷu lớn hơn giá
trị thu được từ phần mềm ACCEL. Giá trị sai lệch này lớn nhất tại điểm xảy ra sự nổ (Bảng 4.1). Sự
sai lệch này là do áp suất thủy động gây biến dạng đàn hồi bề mặt ma sát, thay đổi hình dạng của
tiếp xúc. Ngoài ra, phần mềm ACCEL còn tính đến hiệu ứng nhiệt và các hiệu ứng thực tế khác làm
thay đổi chiều dầy màng dầu góp phần làm thay đổi áp suất.
Bảng 4.1 Sai lệch áp suất lớn nhất pmax từ kết quả mô phỏng và từ phần mềm ACCEL
C (µm)
24
38
55

69
∆pmax(MPa)
15,18
18,69
14,76
17,92

Hình 4.2 Áp suất lớn nhất pmax theo góc quay của trục khuỷu

20


4.2.2. Chiều dày màng dầu
Hình 4.3 biểu diễn chiều dày màng dầu nhỏ nhất theo góc quay của trục khuỷu với các khe hở bán
kính khác nhau C = 24µm, C = 38µm, C = 55µm, C = 69µm từ kết quả tính toán và kết quả tính từ
phần mềm ACCEL. Ta nhận thấy, các kết quả tính toán so với kết quả tính bằng phần mềm ACCEL
có sự sai khác về hình dạng cũng như giá trị. Sự sai khác này là do trong phần mềm ACCEL đã tính
đến ảnh hưởng của các biến dạng đàn hồi, biến dạng nhiệt, hiệu ứng quán tính, sự thay đổi độ nhớt
theo nhiệt độ…trong khi chương trình tính toán của tác giả chưa kể đến các yếu tố trên. Tại đầu kì
hút, cuối kì xả, và sườn xuống của kỳ nén, các giá trị của chiều dày màng dầu nhỏ nhất hmin ở hai
kết quả tương đối gần nhau do tải trọng tại các vùng này nhỏ. Bảng 4.2 chỉ ra chiều dày màng dầu
nhỏ nhất và giá trị ʌ đánh giá chế độ bôi trơn từ kết quả mô phỏng và từ phần mềm ACCEL. Từ kết
quả này ta nhận thấy khi khe hở bán kính C = 69 µm giá trị ʌ = 2.6079 < 3 là giá trị giới hạn cho
chế độ bôi trơn thủy động và thủy động đàn hồi.
Bảng 4.2 Sai lệch chiều dày màng dầu nhỏ nhất hmin từ kết quả mô phỏng và
từ phần mềm ACCEL
C(µm)
24
38
55

69
hmin(µm)
3.3340
3.1974
2.9027
2.6925
hminACCEL (µm)
5.5220
5.3106
5.0935
4.1556
% sai lệch
39,62
39,79
43,01
35,21
ʌ
3.4654
3.3327
3.1965
2.6079

Hình 4.3 Chiều dày màng dầu nhỏ nhất hmin theo góc quay của trục khuỷu

21


4.2.3. Độ lệch tâm trục – bạc

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
Hình 4.4 biểu diễn mối độ lệch tâm của ổ đầu to thanh truyền theo một chu kỳ làm việc từ kết quả
tính toán và kết quả tính từ phần mềm ACELL. Theo đó, dạng đường cong biểu diễn độ lệch tâm
của hai kết quả có sự tương đồng.Tuy nhiên đường cong độ lệch tâm trong ACCEL có xu hướng
chuyển dịch sang bên trái và bị elip hóa. Độ lệch tâm trong trường hợp này có giá trị tương đối lớn
hơn 1 do biến dạng đàn hồi, biến dạng nhiệt có xu hướng làm ovan ổ tạo ra những vị trí có khe hở
lớn hơn khe hở bán kính.
4.3. Kết luận
Khi khe hở bán kính tăng, dạng đường cong pmax từ kết mô phỏng và từ phần mềm ACCEL tương
đồng nhau. Giá trị pmax từ kết quả mô phỏng, tại các góc quay khác nhau của trục khuỷu lớn hơn giá
trị thu được từ phần mềm ACCEL: ∆pmax,C=24µmc = 15,18 MPa, ∆pmax,C=38µm = 18,69 MPa,
∆pmax,C=55µm = 14,76 MPa, ∆pmax,C=69µm = 17,92 MPa.
Chiều dày màng dầu nhỏ nhất theo góc quay của trục khuỷu với các khe hở bán kính khác nhau
C = 24µm, C = 38µm, C = 55µm, C = 69µm từ kết quả tính toán của tác giả và kết quả tính từ phần
mềm ACCEL có sự sai khác về hình dạng cũng như giá trị do phần mềm ACCEL có tính đến biến
dạng đàn hồi, biến dạng nhiệt và một số điều kiện thực tế khác. Tuy nhiên, tại đầu kì hút, cuối kì xả,
và sườn xuống của kỳ nén các giá trị của hmin ở hai kết quả tương đối gần nhau.
Dạng đường cong biểu diễn độ lệch tâm từ kết quả tính toán của tác giả và kết quả tính từ phần
mềm ACCEL có sự tương đồng. Tuy nhiên đường cong độ lệch tâm trong ACCEL có xu hướng
chuyển dịch sang bên trái và bị elip hóa, độ lệch tâm trong trường hợp này có giá trị tương đối lớn
hơn 1 do ổ bị biến dạng.
KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận chung
Thông qua nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm các nội dung liên quan để hoàn thành luận án này,
tác giả nhận thấy nghiên cứu về công nghệ bôi trơn trong kỹ thuật nói chung và động cơ đốt trong
nói riêng là một vấn đề có ý nghĩa quan trọng quyết định độ tin cậy, tuổi thọ, hiệu suất vận hành của
thiết bị. Từ các kết quả nghiên cứu cho phép nhà chế tạo đánh giá và hiệu chỉnh các thông số thiết
kế cho các bề mặt ma sát phù hợp với điều kiện làm việc, môi trường cụ thể nhằm giảm tối đa các
hỏng hóc, tổn hao công suất của các thiết bị máy móc.
Trong khuôn khổ của luận án, tác giả đã giới thiệu về ổ đầu to thanh truyền của động cơ cũng như

22


những vấn đề về công nghệ bôi trơn trong việc thiết kế các ổ đỡ nói chung và ổ đầu to thanh truyền
nói riêng. Tiếp đến tác giả đã tổng kết các kết quả nghiên cứu, tính toán đã có cho ổ đầu to thanh
truyền của động cơ đốt trong, sau đó xây dựng mô hình tính áp suất, chiều dày màng dầu, độ lệch
tâm giữa trục và bạc từ các phương trình Reynolds tổng quát, phương trình chiều dày màng dầu,
phương trình cân bằng tải, kết hợp với điều kiện biên Reynolds có tính đến hiện tượng gián đoạn
màng dầu. Tiếp theo, tác giả tiến hành đo kiểm các thông số của ổ như đường kính trung bình của ổ
đầu to thanh truyền, đo tải tác dụng lên thanh truyền của động cơ 5S-FE. Các thông số này được sử
dụng đưa vào phần mềm tính toán ACCEL là phần mềm do nhóm nghiên cứu của Đại học Poiters,
Cộng hòa Pháp viết cho các hãng xe hơi để giải quyết bài toán bôi trơn cho ổ thanh truyền và phần
mềm tính toán tác giả đã xây dựng để mô phỏng một số thông số đặc tính bôi trơn của ổ đầu to
thanh truyền động cơ 5S-FE. Các nội dung này đã được hệ thống, xây dựng cụ thể trong các phần
của luận án. Luận án đã đạt được một số kết quả như sau:
1. Đã đưa ra được ảnh hưởng của lực siết bu lông tới đặc tính bôi trơn ổ đầu to thanh truyền.
Theo khuyến cáo của nhà sản xuất, khi lắp ráp thanh truyền vào trục khuỷu thì siết bu lông thanh
truyền lần 1 là 25Nm sau đó xiết thêm góc 900. Kết quả cho thấy khi tăng lực siết bu lông thanh
truyền trong khoảng 25Nm đên 25Nm+900 thì khe hở bán tăng dần từ C = 24µm tới C=69µm.
2. Xây dựng được chương trình tính toán mô phỏng các đặc tính bôi trơn thủy động gồm trường áp
suất, chiều dày màng dầu và độ lệch tâm giữa trục và bạc của ổ đầu to thanh truyền của động cơ đốt
trong. Áp dụng tính toán đặc tính bôi trơn ổ đầu to thanh truyền của động cơ 5S-FE trên cơ sở biểu
đồ tải tác dụng theo chu kỳ quay của trục khuỷu trên băng thử MEGAPASCALE.
- Phân bố áp suất:
Mô phỏng trường áp suất, chiều dày màng dầu, độ lệch tâm giữa trục và bạc của ổ đầu to thanh
truyền của động cơ xăng 5S-FE theo chu kỳ làm việc hút, nén, nổ, xả. Theo chu kỳ làm việc hútnén-nổ-xả, phân bố áp suất của ổ đầu to thanh truyền dịch chuyển theo góc quay của trục khuỷu,
chủ yếu tập trung phần phía sau của ổ theo chiều quay.Trong vùng từ khoảng 1000 - 2100 của thanh
truyền liên tục có sự hình thành và phá hủy của các bọt khí do hiện tượng xâm thực màng dầu theo
chu kỳ dẫn tới phá hủy lớp hợp kim chống mòn gây ra hiện tượng mòn xâm thực của bạc lót.
Áp suất lớn nhất tăng khoảng 19,07% khi tăng lực siết bu lông thanh truyền từ 25Nm đên

25Nm+900.
- Chiều dày màng dầu
Chiều dày màng dầu nhỏ nhất giảm khoảng 19,21% khi tăng lực siết bu lông thanh truyền từ 25Nm
đên 25Nm+900.
-Độ lệch tâm trục khuỷu và bạc đâu to thanh truyền
Quỹ đạo của tâm trục khuỷu quanh tâm thanh truyền theo một chu kỳ tải là một đường cong khép
kín chuyển động theo thứ tự I-II-III-II-III-IV khi tải tác dụng thay đổi. Khi tăng khe hở bán kính, độ
lệch tâm tương đối khi xảy ra sự nổ càng tiến gần tới 1.
- So sánh kết quả tính toán với kết quả tính toán bằng phần mềm ACCEL.
Dạng đường cong áp suất lớn nhất pmax và độ lệch tâm giữa trục và bạc từ kết quả mô phỏng và từ
phần mềm ACCEL tương đồng, có sự sai khác về giá trị theo chu kỳ tải và lớn nhất tại điểm xảy ra
kỳ nổ. Dạng đường cong chiều dầy màng dầu nhỏ nhất hmin giữa hai kết quả có sự sai khác, tuy
nhiên tại đầu kì hút, cuối kì xả, và sườn xuống của kỳ nén các giá trị của hmin ở hai kết quả tương
đối gần nhau.
23


Các kết quả thu được của luận án cho thấy chương trình mô phỏng số bôi trơn ổ đầu to thanh truyền
có độ tin cậy để đánh giá sự bôi trơn của ổ đầu to thanh truyền ở chế độ bôi trơn thủy động.
-Thông số đánh giá chế độ bôi trơn
Giá trị Λ giảm khi tăng siết bu-lông thanh truyền tại lực siết bu-lông thanh truyền 25 Nm+600 giá trị
Λ = 3,1965 > 3 tại siết bu-lông thanh truyền 25 Nm+900 thì Λ = 2,6079 < 3 (Λ = 3 là giá trị giới
hạn của chế độ bôi trơn thủy động và thủy động đàn hồi).
-Khuyến cáo với nhà sản xuất và bảo dưỡng sửa chữa
Từ các kết quả trên tác giả khuyến cáo trong quy trình lắp ráp ổ đầu to thanh truyền chỉ siết bu lông
thanh truyền bằng một lực đến 25Nm+600.
2. Kiến nghị
Mô phỏng số các đặc tính bôi trơn ổ đầu to thanh truyền của động cơ là việc rất khó khăn. Để kết
quả mô phỏng gần với thực tế làm việc của động cơ cần phải tính tới nhiều hiệu ứng khác như hiệu
ứng đàn hồi, hiệu ứng nhiệt và hiệu ứng quán tính.

Do vậy, hướng phát triển tiếp theo của luận án lần lượt theo các nghiên cứu sau đây:
- Nghiên cứu mô phỏng số bôi trơn thủy động đàn hồi ổ đầu to thanh truyền của động đốt trong.
- Nghiên cứu mô phỏng số bôi trơn nhiệt thủy động đàn hồi ổ đầu to thanh truyền của động cơ đốt
trong.
- Nghiên cứu mô phỏng số bôi trơn ổ đầu to thanh truyền của động cơ đốt trong có kể đến hiệu ứng
quán tính.
Để các nghiên cứu tiếp theo về bôi trơn ổ đầu to thanh truyền được thuận lợi và dễ ràng hơn,
tác giả xin kiến nghị Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Bộ Khoa học công nghệ có hướng xây
dựng phòng thí nghiệm bôi trơn với đội ngũ các nhà khoa học chuyên sâu, đam mê khoa học để có
được các thiết bị thực nghiệm cũng như các phần mềm tính toán xứng tầm với các nước tiên tiến
góp phần giúp ngành công nghệ chế tạo phụ tùng đón đầu xu thế ngành công nghệ ô tô đang phát
triển ở nước ta.

24