Tính Toán Cơ Cấu Piston - Trục Khuỷu - Thanh Truyền Động Cơ B6 Trên Xe Mazda 323

Cơ cấu piston có nhiệm vụ chuyển đổi chuyển động thẳng của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu. Điều kiện làm việc của piston rất khắc nghiệt, phải chịu tải trọng cơ học, tải trọng nhiệt, ma sát và ăn mòn. Áp suất khí thể trong buồng đốt rất cao và thay đổi liên tục, tạo ra lực va đập lớn lên piston. Nhiệt độ của piston, đặc biệt là phần đỉnh, rất cao do tiếp xúc trực tiếp với sản phẩm cháy. Ma sát và ăn mòn cũng là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tuổi thọ của piston. Do đó, vật liệu và thiết kế piston phải đáp ứng các yêu cầu về độ bền, khả năng chịu nhiệt và chống mài mòn.

Piston bao gồm ba phần chính: đỉnh piston, đầu piston và thân piston. Đỉnh piston cùng với xilanh và nắp máy tạo thành buồng đốt. Đầu piston có các rãnh lắp xéc măng (xéc măng khí và xéc măng dầu) để bao kín buồng đốt. Thân piston dẫn hướng cho piston trong xilanh. Kết cấu đỉnh piston có nhiều dạng: đỉnh bằng, đỉnh lồi, đỉnh lõm. Số lượng rãnh xéc măng khí thường từ 3 đến 5, rãnh xéc măng dầu từ 1 đến 3. Thân piston thường có hình dạng ô van hoặc vát ở hai đầu bệ chốt để tránh kẹt khi bị biến dạng. Vị trí của lỗ bệ chốt cũng ảnh hưởng đến sự phân bố áp suất trên piston.

Độ bền của trục khuỷu chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như tải trọng, vật liệu, hình dạng, kích thước và quá trình gia công. Tải trọng bao gồm lực khí thể, lực quán tính và mô men xoắn. Vật liệu phải có độ bền cao, khả năng chịu mỏi tốt. Hình dạng và kích thước phải được tối ưu hóa để giảm ứng suất tập trung. Quá trình gia công phải đảm bảo độ chính xác và độ bóng bề mặt. Ngoài ra, dầu bôi trơn đóng vai trò quan trọng trong việc giảm ma sát và mài mòn giữa cổ trục và trục khuỷu.

Sử dụng phần mềm CATIA để mô phỏng và phân tích ứng suất trên trục khuỷu là một phương pháp hiệu quả để đánh giá độ bền của chi tiết. Mô hình 3D của trục khuỷu được xây dựng và đưa vào môi trường phân tích. Các điều kiện biên (tải trọng, ràng buộc) được áp đặt để mô phỏng điều kiện làm việc thực tế. Kết quả phân tích cho thấy sự phân bố ứng suất trên trục khuỷu, giúp xác định các vị trí có ứng suất cao và tiềm ẩn nguy cơ hỏng hóc. Từ đó, có thể đưa ra các cải tiến thiết kế để giảm ứng suất và tăng độ bền cho trục khuỷu.

Tải trọng tác dụng lên thanh truyền bao gồm lực khí thể, lực quán tính của piston, lực quán tính của thanh truyền và mô men xoắn. Lực khí thể là lực do áp suất trong buồng đốt tác dụng lên đỉnh piston. Lực quán tính của piston là lực do sự thay đổi vận tốc của piston. Lực quán tính của thanh truyền là lực do sự thay đổi vận tốc của thanh truyền. Mô men xoắn là mô men do lực tiếp tuyến tác dụng lên trục khuỷu. Việc xác định chính xác các tải trọng này là rất quan trọng để đảm bảo tính chính xác của quá trình tính toán và thiết kế thanh truyền.

Vật liệu thanh truyền phải có độ bền cao, độ cứng vững tốt và khối lượng nhẹ. Các vật liệu thường được sử dụng là thép hợp kim, nhôm hợp kim và titan hợp kim. Hình dạng thanh truyền phải được thiết kế để giảm thiểu ứng suất tập trung và đảm bảo độ bền. Tiết diện ngang của thân thanh truyền thường có hình chữ I hoặc chữ H. Đầu to và đầu nhỏ thanh truyền phải được thiết kế để chịu được tải trọng lớn và đảm bảo bôi trơn tốt.

Quá trình xây dựng mô hình 3D bắt đầu bằng việc tạo ra các mô hình chi tiết của piston, trục khuỷu và thanh truyền. Các mô hình này phải đảm bảo độ chính xác về kích thước và hình dạng. CATIA cung cấp các công cụ mạnh mẽ để tạo ra các mô hình phức tạp từ các bản vẽ 2D hoặc từ dữ liệu quét 3D. Sau khi các mô hình chi tiết được tạo ra, chúng được lắp ráp thành cơ cấu hoàn chỉnh trong môi trường lắp ráp của CATIA.

Sau khi lắp ráp, cơ cấu được đưa vào môi trường mô phỏng chuyển động của CATIA. Các điều kiện biên (lực, vận tốc, ràng buộc) được áp đặt để mô phỏng điều kiện làm việc thực tế. Quá trình mô phỏng giúp kiểm tra tính khả thi của chuyển động, phát hiện các va chạm và đánh giá hiệu suất của cơ cấu. CATIA cũng cung cấp các công cụ phân tích ứng suất, biến dạng và độ bền của các chi tiết trong quá trình chuyển động, giúp tối ưu hóa thiết kế và lựa chọn vật liệu phù hợp.

Sử dụng CATIA, độ biến dạng của piston, trục khuỷu và thanh truyền được phân tích dưới các điều kiện tải trọng khác nhau. Kết quả cho thấy các vùng chịu ứng suất cao nhất và các dạng biến dạng chủ yếu. Độ biến dạng của piston ảnh hưởng đến khả năng bao kín buồng đốt. Độ biến dạng của trục khuỷu ảnh hưởng đến độ bền và tuổi thọ của chi tiết. Độ biến dạng của thanh truyền ảnh hưởng đến khả năng truyền lực và ổn định của cơ cấu.

Kết quả mô phỏng bằng CATIA được đối chiếu với kết quả tính toán kiểm nghiệm để đánh giá độ chính xác của mô hình và phương pháp phân tích. Sự sai lệch giữa hai kết quả có thể do các yếu tố như đơn giản hóa mô hình, sai số trong quá trình tính toán và sai số của phần mềm. Việc đối chiếu giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác và cải thiện phương pháp mô phỏng và tính toán.

Nghiên cứu đã xác định được các vùng chịu ứng suất cao nhất trên piston, trục khuỷu và thanh truyền. Đã đánh giá được ảnh hưởng của các yếu tố tải trọng và vật liệu đến độ bền của các chi tiết. Đã xây dựng được mô hình 3D chính xác của cơ cấu và mô phỏng chuyển động. Đã đối chiếu kết quả mô phỏng với kết quả tính toán kiểm nghiệm.

Hướng phát triển trong tương lai có thể tập trung vào việc tối ưu hóa hình dạng của các chi tiết bằng các thuật toán tối ưu. Nghiên cứu sử dụng vật liệu mới có độ bền cao và khối lượng nhẹ. Áp dụng các phương pháp phân tích tiên tiến hơn như phân tích phần tử hữu hạn phi tuyến và phân tích độ tin cậy. Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của quá trình gia công đến độ bền của các chi tiết.