Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu vật liệu và kết cấu gối đỡ giảm chấn cho động cơ xe từ cao su tự nhiên

Luận án tiến sĩ nghiên cứu nghiên cứu vật liệu và kết cấu sản phẩm trên cơ sở cao su tự nhiên để làm gối đỡ giảm chấn cho động, phát triển phương pháp mới, đánh giá hiệu quả ứng

• Tác giả: Lê Ngọc Tú
• Người hướng dẫn: TS. Chu Chiến Hữu
• Trường học: Viện Khoa Học Và Công Nghệ Quân Sự
• Chuyên ngành: Hóa Hữu Cơ
• Đề tài: Nghiên Cứu Vật Liệu Cao Su Tự Nhiên Cho Gối Đỡ Giảm Chấn Động Cơ Xe
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Rung động và các biện pháp chống rung động
• 1.2. Vật liệu chống rung: Yêu cầu cơ bản và phân loại
• 1.3. Yêu cầu cơ bản của vật liệu chống rung
• 1.4. Phân loại vật liệu chống rung
• 1.5. Khả năng chống rung của vật liệu cao su
• 1.6. Cơ sở khoa học chống rung của vật liệu cao su
• 1.7. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chống rung của vật liệu cao su
• 1.8. Các phương pháp nâng cao khả năng chống rung cho vật liệu cao su
• 1.9. Cao su tự nhiên và ứng dụng của nó trong chế tạo vật liệu chống rung
• 1.9.1. Cao su tự nhiên
• 1.9.2. Cao su styren butadiene (SBR) và blend NR/SBR
• 1.9.3. Lưu hóa các sản phẩm từ cao su tự nhiên
• 1.10. Chống rung cho động cơ diesel trên xe ô tô ZIL131
• 1.10.1. Xác định tần số dao động của gối đỡ động cơ xăng trên xe ZIL131 và gối đỡ động cơ D245
• 1.10.2. Tính toán thiết kế gối đỡ động cơ diesel D245.9E2 trên xe ZIL131
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Nguyên liệu, hóa chất
• 2.2. Tổng hợp và biến tính phụ gia cho cao su chống rung
• 2.2.1. Biến tính nanosilica bằng phản ứng ghép với Bis-(3-trietoxysilylpropyl) tetrasulfide (TESPT)
• 2.2.2. Tổng hợp Etylenglycol dimetacrylat (EGDM)
• 2.2.3. Xây dựng quy trình chế tạo vật liệu cao su chống rung
• 2.3. Khảo sát xây dựng đơn vật liệu cao su chống rung
• 2.4. Quy trình chế tạo vật liệu cao su chống rung
• 2.5. Phương pháp nghiên cứu thành phần hóa học của cao su chống rung do nước ngoài chế tạo cho gối đỡ động cơ xăng và động cơ diesel
• 2.5.1. Phương pháp trực tiếp
• 2.5.2. Phương pháp nhiệt phân
• 2.5.3. Phương pháp phân tích, đo đạc bản chất hóa học, chỉ tiêu kỹ thuật của vật liệu
• 2.6. Tính toán và thiết kế gối đỡ cho động cơ diesel
• 2.6.1. Tính toán tối ưu hoá độ cứng gối đỡ cho động cơ diesel
• 2.6.2. Thiết kế gối đỡ cho động cơ diesel
• 2.7. Các phương pháp đánh giá khả năng chống rung của vật liệu cao su và gối đỡ chống rung
• 2.7.1. Đo rung bằng phương pháp gõ búa
• 2.7.2. Đo rung bằng bàn rung
• 2.7.3. Đo rung trên giá thử
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Nghiên cứu về hệ thống gối đỡ của động cơ xăng trên xe ô tô ZIL131 và hệ thống gối đỡ của động cơ diesel dùng để thay thế
• 3.2. Nghiên cứu các đặc tính kỹ thuật
• 3.3. Nghiên cứu bản chất vật liệu chế tạo gối đỡ động cơ
• 3.4. Nghiên cứu tổng hợp nguyên liệu phục vụ chế tạo gối đỡ động cơ
• 3.5. Nghiên cứu biến tính nanosilica bằng tác nhân TESPT
• 3.6. Nghiên cứu tổng hợp chất phụ gia etylenglycol dimetacrylat
• 3.7. Nghiên cứu chế tạo vật liệu cao su chống rung để làm gối đỡ cho động cơ diesel
• 3.8. Xây dựng yêu cầu kỹ thuật cho vật liệu cao su chống rung
• 3.9. Nghiên cứu xây dựng đơn vật liệu để chế tạo cao su chống rung
• 3.10. Chế tạo và thử nghiệm gối đỡ cho động cơ diesel
• 3.10.1. Chế tạo gối đỡ cho động cơ diesel
• 3.10.2. Kiểm tra các tính chất cơ lý và khả năng chống rung của gối đỡ động cơ diesel
• 3.10.3. Thử nghiệm gối đỡ trên giá thử động cơ
• 3.11. Những đóng góp mới của luận án
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về vật liệu cao su tự nhiên

Nghiên cứu về vật liệu cao su tự nhiên cho gối đỡ giảm chấn động cơ xe bắt đầu với việc xác định các yêu cầu cơ bản của vật liệu chống rung. Cao su tự nhiên được xem là một trong những lựa chọn hàng đầu nhờ vào tính năng đàn hồi và khả năng giảm chấn hiệu quả. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chống rung của vật liệu cao su bao gồm cấu trúc phân tử, độ nhớt và tỷ lệ thành phần hóa học. Đặc biệt, việc nghiên cứu chất liệu giảm chấn từ cao su tự nhiên cho thấy khả năng hấp thụ năng lượng tốt, giúp giảm thiểu rung động từ động cơ đến khung xe. Theo một nghiên cứu, công nghệ cao su có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của gối đỡ, từ đó nâng cao tuổi thọ của động cơ và giảm thiểu tiếng ồn trong quá trình vận hành.

1.1. Đặc tính của cao su tự nhiên

Cao su tự nhiên (NR) có nhiều đặc tính ưu việt như độ đàn hồi cao, khả năng chống mài mòn và khả năng chịu nhiệt tốt. Những đặc tính này làm cho cao su tự nhiên trở thành lựa chọn lý tưởng cho việc chế tạo gối đỡ. Nghiên cứu cho thấy rằng tính năng gối đỡ của cao su tự nhiên có thể được cải thiện thông qua việc kết hợp với các chất phụ gia như nanosilica. Việc này không chỉ tăng cường độ bền mà còn nâng cao khả năng giảm rung động. Các thử nghiệm cho thấy rằng gối đỡ làm từ vật liệu cao su tự nhiên có thể giảm thiểu rung động lên đến 30% so với các loại gối đỡ truyền thống.

II. Nghiên cứu và phát triển gối đỡ cho động cơ diesel

Việc phát triển gối đỡ cho động cơ diesel là một phần quan trọng trong nghiên cứu này. Gối đỡ không chỉ cần đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật mà còn phải đảm bảo khả năng giảm rung động hiệu quả. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng vật liệu cao su tự nhiên có thể cải thiện đáng kể khả năng chống rung của gối đỡ. Các thử nghiệm thực tế cho thấy rằng gối đỡ chế tạo từ cao su tự nhiên có thể chịu được tải trọng lớn mà không bị biến dạng. Điều này rất quan trọng trong việc đảm bảo tuổi thọ của động cơ và sự ổn định của xe. Hơn nữa, việc thiết kế gối đỡ cần phải tính đến các yếu tố như tần số dao động và độ cứng của vật liệu để đạt được hiệu suất tối ưu.

2.1. Thiết kế gối đỡ cho động cơ diesel

Thiết kế gối đỡ cho động cơ diesel yêu cầu sự tính toán chính xác về các thông số kỹ thuật. Các yếu tố như độ cứng, khả năng giảm chấn và khả năng chịu tải cần được xem xét kỹ lưỡng. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa các thông số này có thể giúp cải thiện hiệu suất của gối đỡ. Các thử nghiệm cho thấy rằng gối đỡ được thiết kế với tỷ lệ cao su tự nhiên và các chất phụ gia như nanosilica có thể đạt được độ bền cao hơn và khả năng giảm rung động tốt hơn. Điều này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất của động cơ mà còn giảm thiểu tiếng ồn và rung động trong quá trình vận hành.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng vật liệu cao su tự nhiên trong chế tạo gối đỡ cho động cơ diesel mang lại nhiều lợi ích. Các thử nghiệm cho thấy rằng gối đỡ chế tạo từ cao su tự nhiên có khả năng giảm rung động hiệu quả, giúp bảo vệ động cơ và nâng cao tuổi thọ của xe. Hơn nữa, việc áp dụng công nghệ chế tạo hiện đại đã giúp cải thiện đáng kể chất lượng của gối đỡ. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc kết hợp các chất liệu giảm chấn khác nhau có thể tạo ra những sản phẩm có tính năng vượt trội hơn. Điều này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các sản phẩm chống rung trong ngành công nghiệp ô tô.

3.1. Đánh giá hiệu quả của gối đỡ

Đánh giá hiệu quả của gối đỡ chế tạo từ vật liệu cao su tự nhiên cho thấy sự cải thiện rõ rệt trong khả năng giảm rung động. Các thử nghiệm thực tế cho thấy rằng gối đỡ này có thể giảm thiểu rung động lên đến 40% so với các loại gối đỡ truyền thống. Điều này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất của động cơ mà còn giảm thiểu tiếng ồn và rung động trong quá trình vận hành. Hơn nữa, việc sử dụng công nghệ cao su trong chế tạo gối đỡ cũng giúp tiết kiệm chi phí và thời gian sản xuất, từ đó nâng cao tính cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1. Rung động và các biện pháp chống rung động Bất kỳ hoạt động nào của các loại động cơ, thiết bị máy móc cũng đều sinh ra các loại rung động. Rung động là dao động cơ học của vật thể đàn hồi, sinh ra khi trọng tâm và trục đối xứng của chúng xê dịch trong không gian hoặc do sự thay đổi có tính chu kỳ hình dạng mà chúng có ở trạng thái tĩnh [8]. Rung động của máy đơn giản là sự di chuyển qua lại của máy hoặc các bộ phận máy.

Rung động máy thường có thể cố ý được tạo ra nhờ thiết kế của máy và tùy vào mục đích sử dụng của máy như sàng rung, phễu nạp liệu, băng tải, máy đánh bóng, máy đầm hay dầm đất. Nhưng hầu hết, rung động máy là không mong muốn và thường gây ảnh hưởng nghiêm trọng cho người và máy. Rung động và cộng hưởng có thể làm nứt, gẫy các chi tiết máy như đai ốc, bu lông, trục,… Tiếng ồn, kết quả của rung động, tác động đến người vận hành máy trong một thời gian dài có thể gây mờ mắt, ù tai, làm việc kém hiệu quả và một số bệnh nghề nghiệp khác. Rung động không được cách ly sẽ truyền qua bất kỳ vật rắn nào như sàn nhà xưởng, tường, các đường ống… gây ra nhiều thiệt hại.

Tiếng ồn và rung động trong sản xuất là các tác hại nghề nghiệp nếu cường độ của chúng vượt quá giới hạn cho phép [8]. Khái niệm cách ly rung động được hiểu là giảm thiểu ảnh hưởng của rung động. Đệm cách ly rung động ở dạng cơ bản nhất là một bộ phận có tính đàn hồi kết nối giữa thiết bị và chân đế (hình 1. Chức năng của đệm cách ly là để giảm biên độ dịch chuyển được truyền từ chân đế đang rung đến thiết bị (hình 1.a) hoặc làm giảm độ lớn của lực được truyền từ thiết bị đến chân đế (hình 1.

Hệ (a) là để cách ly hệ thống thiết bị từ nền kích rung. Ứng dụng này bao gồm cách ly động đất trong xây dựng các tòa nhà, cách ly các công cụ có độ chính xác cao khỏi bề mặt đang rung động và cách ly chỗ ngồi của hành luan an 8 khách khỏi rung động của ô tô gây ra bởi đường gập ghềnh. Dịch chuyển u phát sinh ra từ chân đế và dịch chuyển x được truyền đến thiết bị (khối lượng m), với 𝜔 là vận tốc góc, rad/s: 𝑢 = 𝑢0 𝑠𝑖𝑛𝜔𝑡. Hệ (b) là để cách ly các hệ thống rung động khỏi nền móng.

Các ứng dụng loại này bao gồm sự giảm động lực chuyển động đến nền được tạo ra bởi sự rung máy móc hạng nặng và đồ gia dụng. Lực dao động F được gây ra bởi thiết bị (khối lượng m) và lực FT được truyền đến chân đế: 𝐹 = 𝐹0 𝑠𝑖𝑛𝜔𝑡.1 Sơ đồ mô tả hệ cách ly rung động [31] Tính hiệu quả của một linh kiện chống rung thường được đánh giá qua hai cách: khả năng truyền qua và hiệu quả cách ly. Khả năng truyền qua là một đại lượng tỷ lệ không thứ nguyên giữa động năng ra và động năng vào. Trong khi đó, hiệu quả cách ly được định nghĩa là tỷ lệ giữa độ hao hụt ứng suất so với ứng suất tác dụng.

Hai khái niệm trên về cơ bản là giống nhau, là hai cách để nói về cùng một vấn đề, ví dụ như hiệu quả cách ly 90% tương đương khả năng truyền là 0,1 hay hiệu quả cách ly 75% tương đương khả năng truyền là 0,25. Các linh kiện chống rung gắn với cùng một bộ phận sẽ hoạt động như nhau với tần số tự nhiên, độ ổn định và các tính chất chống rung tương đương nhau. luan an 9 Các biện pháp kỹ thuật phòng chống tiếng ồn và giảm rung động có thể được chia thành ba nhóm chính sau [50]: - Biến đổi tần số dao động riêng: thay đổi tính đàn hồi và khối lượng của các bộ phận máy móc để thay đổi tần số dao động riêng của chúng tránh cộng hưởng; - Phân tán năng lượng: bọc lót các bề mặt thiết bị chịu rung động bằng các vật liệu hút hoặc chống rung động có ma sát nội lớn như bitum, cao su, chất dẻo, matit đặc biệt; - Cách ly rung động: sử dụng bộ phận giảm chấn bằng lò xo hoặc cao su để cách ly rung động. Khi thiết kế, chế tạo các trang thiết bị thì thường cả ba biện pháp trên đều được áp dụng đồng thời để giảm thiểu ảnh hưởng của sự rung động.

Tuy nhiên, trong thực tế, biện pháp thứ hai và thứ ba cũng thường được áp dụng để tiếp tục giảm thiểu tác hại của rung động đến trang thiết bị, máy móc và con người trong quá trình sử dụng. Vật liệu chống rung: Yêu cầu cơ bản và phân loại 1. Yêu cầu cơ bản của vật liệu chống rung Vật liệu chống rung được sử dụng để hấp thụ năng lượng nhằm chống rung động trong các hệ thống cơ khí và kết cấu. Tính chất đàn hồi có ảnh hưởng rất nhiều đến khả năng chống rung.

Hiệu suất chống rung của vật liệu là tỷ lệ của phần năng lượng rung động truyền vào vật liệu và khả năng tiêu tán năng lượng bên trong vật liệu đó [35]. Khi thiết kế vật liệu để chống rung cho một kết cấu nào đó, phải xét đến đặc điểm rung động của kết cấu và các phương pháp, cách thức triệt tiêu rung động [18],[19]. Hiện nay, trong kỹ thuật có hai giải pháp ứng dụng vật liệu chống rung là loại tự do và loại ràng buộc (hình 1. Giải pháp tự do là dạng áp dụng vật liệu chống rung trên một hoặc cả hai mặt của kết cấu (mặt còn lại của lớp vật liệu giảm rung là tự do).

Giải pháp ràng buộc là dạng luan an 10 áp dụng vật liệu chống rung giữa hai bộ phận kết cấu theo một phương thức nào đó (cả hai mặt của lớp vật liệu giảm rung đều bị ràng buộc).2 Giải pháp kết cấu chống rung Cho dù đó là giải pháp tự do hay ràng buộc thì khả năng chống rung của kết cấu cũng phụ thuộc chủ yếu vào tổn hao cơ học và mô đun động của vật liệu (được chia thành mô đun lưu trữ và mô đun tổn hao). Do đó, việc nghiên cứu cơ chế hình thành tổn hao cơ học và mô đun động lực của vật liệu và tối ưu phương pháp chế tạo vật liệu là vấn đề cốt lõi, mấu chốt của việc chế tạo ra vật liệu chống rung có tính năng ưu việt. Tổn hao cơ học tanδ: Được coi là thông số cơ bản để đánh giá khả năng tiêu tán năng lượng trong vật liệu đàn hồi. Tanδ, thu được bằng cách chia mô- đun tổn hao (E") cho mô-đun lưu trữ (E') [37], trong đó, mô-đun lưu trữ cho biết khả năng tích trữ năng lượng trong vật liệu khi chịu ứng suất trong quá trình biến dạng và nó cũng là sự phản ánh độ cứng của vật liệu.

Phần ảo 𝐸 ′′ được gọi là mô-đun tổn hao, phản ánh năng lượng bị tiêu hao do nhiệt năng tiêu thụ trong quá trình biến dạng của vật liệu. Thông thường giá trị tanδ yêu cầu càng lớn càng tốt, tanδ càng lớn thì nội ma sát của vật liệu chống rung càng lớn, biên độ suy giảm theo đó cũng tăng theo, tác dụng chống rung động của kết cấu chống rung càng rõ ràng. Tuy nhiên, đối với vật liệu chống rung, không thể đơn phương theo đuổi giá trị tổn hao cơ học lớn. Vì đối với các sản phẩm vật liệu làm chống rung hiện nay, giá trị tổn hao cơ học càng lớn thì khoảng nhiệt độ chống rung tối ưu càng hẹp và sự phụ thuộc vào nhiệt độ càng lớn.

Đồng thời, tổn hao cơ học của vật liệu và đặc tính cơ học là một cặp thông số đối lập nhau, khi tổn hao cơ học của vật liệu chống rung càng lớn thì luan an 11 độ bền kéo của nó có thể trở nên rất kém. Độ bền mỏi của vật liệu chống rung có tổn hao cơ học cao sẽ thấp hơn so với vật liệu chống rung có tổn hao cơ học thấp. Do vậy, khi thiết kế vật liệu chống rung, cần phải xem xét cả các đặc tính kỹ thuật khác, không nên chỉ xem xét phiến diện, tập trung vào đặc tính chống rung [37]. Mô-đun tổn hao và mô-đun lưu trữ: Đối với kết cấu chống rung dạng tự do, để có được hiệu quả chống rung tốt, cần đồng thời tăng mô-đun tổn hao của vật liệu chống rung và tổn hao cơ học tanδ.

Đối với vật liệu chống rung ràng buộc, hiệu quả chống rung thực tế chủ yếu phụ thuộc vào giá trị cao hay thấp của tổn hao cơ học và mô-đun tổn hao chỉ cần thỏa mãn phù hợp với kết cấu. Trong các ứng dụng thực tế, đối với các vật liệu chống rung ràng buộc, khi áp dụng cho các ứng dụng rung tần số trung bình và thấp, mô đun tổn hao nhỏ sẽ đạt được hiệu quả tốt hơn [59]. Khi áp dụng ở tần số trên trung bình và cao, giá trị mô-đun tổn hao nên tương đối lớn.3 liệt kê phạm vi nhiệt độ áp dụng của các loại vật liệu chống rung khác nhau, cung cấp một số tham khảo cho việc nghiên cứu chế tạo vật liệu chống rung [37].3 Sơ đồ phạm vi ứng dụng của các loại kết cấu vật liệu chống rung khác nhau luan an 12 Giá trị tổn hao cơ học tanδ và giá trị mô-đun động của vật liệu chống rung thường có sự mâu thuẫn với nhau. Vật liệu có tổn hao cơ học tanδ càng cao thì mô-đun động càng thấp và ngược lại.

Để giải quyết được mâu thuẫn này chỉ có cách là lựa chọn phương thức kết hợp vật liệu chống rung với kết cấu chống rung. Vật liệu chống rung cung cấp khả năng tiêu hao năng lượng chống rung (giá trị tổn hao cơ học tanδ cao) và kết cấu chống rung cung cấp các đặc tính cơ học tốt (giá trị mô-đun động cao). Phân loại vật liệu chống rung Vật liệu chống rung có thể được phân loại theo mục đích sử dụng và phân loại theo tính chất vật liệu.4 là phân loại theo tính chất vật liệu chống rung. Theo cách phân loại này, vật liệu chống rung bao gồm vật liệu chống rung đàn hồi, vật liệu chống rung kim loại, vật liệu chống rung dạng chất lỏng và dạng nhựa đường.

Ngoài ra, trong những năm gần đây, các vật liệu chống rung mới như vật liệu chống rung gradient, vật liệu chống rung polyme tinh thể lỏng, vật liệu chống rung từ trường thông minh, vật liệu chống rung áp điện và vật liệu chống rung điện tử cũng đã được phát triển.4 Phân loại vật liệu chống rung theo tính chất vật liệu Bảng 1.