THIẾT kế NHÓM PISTON THANH TRUYỀN

5-Đường dầu ; 6- Vòng chặn chốt piston ; 7-Chốt piston- Piston được đúc bằng hợp kim nhẹ, do đó khối lượng của piston tương đối nhẹ, để giảm bớt lực quán tính chuyển động tịnh tiến.Trên

PHẦN 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG PISTON-THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ

XD4-0220

3.1.1.2 Kết cấu của piston

a.Piston

Hình 3.1 Kết cấu piston

1-Đỉnh piston ; 2,3-Rảnh lắp xéc măng khí ; 4-Rảnh lắp xéc măng dầu

5-Đường dầu ; 6- Vòng chặn chốt piston ; 7-Chốt piston

- Piston được đúc bằng hợp kim nhẹ, do đó khối lượng của piston tương đối nhẹ, để giảm bớt lực quán tính chuyển động tịnh tiến.Trên piston có bố trí 3 rãnh để lắp xéc măng, trong đó có hai xéc măng khí và một xéc măng dầu Đỉnh piston có dạng bằng nên diện tích chịu nhiệt bé Đường kính piston D = 75 [mm] Hành trình piston S =78,5 [mm]

- Đầu piston bao gồm đỉnh piston và vùng đai lắp các xéc măng dầu và xéc măng khí làm nhiệm vụ bao kín Đỉnh piston có dạng kiểu lõm Loại buồng cháy này tạo ra xoáy lốc rất mạnh trong quá trình nén để hình thành khí hỗn hợp được tốt

- Thân piston là phần phía dưới rãnh xéc măng dầu cuối cùng ở đầu piston, làm nhiệm vụ dẫn hướng cho piston chuyển động trong xylanh và chịu lực ngang N

- Chân piston có vành đai để tăng độ cứng vững Đồng thời chân piston được gọt bớt phần kim loại để giảm khối lượng cho piston

b Chốt piston

- Chốt piston là chi tiết máy nối piston với thanh truyền, nó truyền lực tác dụng của khí thể tác dụng trên piston cho thanh truyền để làm quay trục khuỷu

- Vật liệu làm chốt piston là thép cacbon và thép hợp kim có thành phần cacbon thấp

- Kết cấu của chốt piston rất đơn giản, là hình trụ rỗng để cho nhẹ Bề mặt bên trong chốt có dạng hình trụ nên dễ chế tạo Đường kính ngoài chốt piston bằng 19 [mm]

- Chốt piston được lắp tự do

c.Xéc măng

Đầu piston bố trí 3 xéc măng gồm 2 xéc măng khí và 1 xéc măng dầu

Xéc măng khí có nhiệm vụ bao kín buồng cháy, ngăn không để khí cháy lọt xuống cacte

Xéc măng dầu có nhiệm vụ ngăn dầu nhờn sục lên buồng cháy

Hình 2- 1: Xéc măng 1- Xéc măng dầu, 2- Xécmăng khí

- Vật liệu làm xéc măng là gang xám hợp kim

- Xéc măng có kết cấu đơn giản, có dạng một vòng thép hở miệng

3.1.1.3 Tính nghiệm bền của piston

a Xác định các kích thước cơ bản

Hình 3.1 Sơ đồ tính toán piston

 Chiều dày đỉnh có làm mát đỉnh: ( 0,04-0,07 ).D

Ta chọn: = 0,07.94=6.58 [ mm ]

 Khoảng cách c từ đỉnh đến xéc măng thứ nhất: (0.6-1.2)

Ta chọn: c = 1,2 6.58 = 7,896 [ mm ]

 Chiều dày s phần đầu: (0.06-0.12)D

Ta chọn: s = 0,12.94= 11,28 [ mm ]

 Chiều cao H của piston: (0.5-0.8)D

Ta chọn: H = 0,7.94= 65,8 [ mm ]

 Vị trí chốt piston: (0.35-0.45)D

Ta chọn: =0,45.94= 42,3 [ mm ]

 Đường kính chốt dcp: ( 0,25-0.35).D

Ta chọn: dcp = 0,3.94= 28,2 [ mm ]

 Đường kính bệ chốt db: ( 1,3 – 1,6 ).dcp

Ta chọn: db = 1,5.28,2= 42,3 [ mm ]

 Đường kính trong chốt d0: ( 0,6 – 0,8 ).dcp

Ta chọn: d0 = 0,7.28,2 = 19,74[ mm ]

 Chiều dày phần thân s1: (0.02-0.03)D

Ta chọn: s1 = 0,03.94= 2,82 [ mm ]

 Số xéc măng khí: 2 -3

Ta chọn: 2

 Chiều dày hướng kính t: (1/25-1/32)D

Ta chọn: t = 94.1/30= 3,13 [ mm ]

 Chiều cao a: ( 0,3 – 0,6 ).t

Ta chọn: a = 0,6.3,13 = 1.878 [ mm ]

 Số xéc măng dầu: 1 – 3

Ta chọn: 1

 Chiều dày bờ rảnh a1:

Ta chọn: a1 =1,3.1,5= 2 [ mm ]

 Đường kính D2=D-2t-2s

D2 = 94-2.3,13-2.11,28= 65,81[ mm ]

 Đường kính D1=D-2t

D1=94-2.3,13= 87,74[ mm ]

 Đường kính Di =(D+D2)/2

Di=(94+65,81)/2= 79,905 [ mm ]

b.Tính nghiệm bền đỉnh piston

Hình 3.2 Sơ đồ tính đỉnh piston

Mô men uốn đỉnh sẽ là: Mu=pz/2.(Di/π-2D/3π)

Khi đó Mu=0,019/2.(0,065/π-2.0,075/3π)= 0.039.10^-3 (MN.m)

Mô đun chống uốn của tiết diện đỉnh Wu=1/6.D δ^2

Wu= 1/6.0,065.0,0055^2 = 0,289.10^-6 (MN.m)

 Ứng suất uốn đỉnh piston : σu =pz.D^2/(4.δ^2)

σu= 4,3.0,065^2/(4.0,0055^2)= 154,8 (MN.m)

Ứng suất cho phép [σ] =100-190

Ta thấy σu < [σ] nên thỏa mãn

c Tính nghiệm bền đầu piston:

Thường phải tính ứng suất trên tiết diện nguy hiểm nhất Tiết diện này là tiết diện bé nhất nó cắt qua rãnh của xecmăng dầu ở đầu pittông Tiết diện này chịu kéo bởi lực quán

tính âm lớn nhất do khối lượng mI-I của phần pittông phía trên tiết diện này sinh ra Ngoài

ra còn chịu ứng suất nén của lực khí thể (không xét lực quán tính) trong quá trình cháy và giãn nở

* ứng suất kéo:

Trong đó:

m1- khối lượng phần đầu piston phía trên tiết diện nguy hiểm

; chọn m1 =0,6mp =0,6.0,6= 0,36 [ kg ]

Jmax- gia tốc tịnh tiến lớn nhất

F1 diện tích tiết diện nguy hiểm

Trong đó: r là khoảng cách từ tâm đỉnh piston đến mép ngàm cố định của đỉnh

=75/2 – ( 9 + 2 )= 26,55 [mm ]

D- đường kính đỉnh piston; D = 75 [mm]

s- chiều dày phần đầu piston; s = 9 [mm]

a1- chiều dày bờ rãnh; a1 = 2 [mm]

Fld :diện tích tiết diện lỗ dầu

= 8.2.9 = 144 mm2

Với:

n- số lỗ dầu; n = 8 lỗ

- đường kính lỗ dầu;  = 1.5[mm]

 F1 = [ (75 – 2)^2 – (2.26,55)^2] – 144 = 1832 mm^2

Vậy ứng suất kéo :

σk = = 2,9 [MN/m2]

Ứng suất cho phép Vậy đảm bảo điều kiện bền

* ứng suất nén:

Ứng suất cho phép đối với nhôm: Vậy đảm bảo điều kiện bền

d Tính nghiệm bền thân piston:

Mục đích chủ yếu của việc tính bền thân piston là chọn chiều cao của thân để áp suất của piston nén lên xylanh không quá lớn tạo điều kiện dễ bôi trơn và đỡ hao mòn Kiểm nghiệm theo công thức sau:

ở đây:

Nmax: lực ngang lớn nhất

Trên đồ thị động lực học, ta xác định được áp suất Nmax = 15,55 [mm], tương ứng với gía trị thực là:

Nmax = 15,55.0,0253 =0,393 [MN/m2]

Vậy giá trị lực ngang lớn nhất là:

Nmax = 0,393.1736.10^-6 = 1,7.10^-3

Kth- áp suất tiếp xúc của thân với xylanh;

Với động cơ đang khảo sát là loại động cơ tốc độ cao:

[Kth] = (0,6 – 1,2) [MN/m2]

Ta tính được chiều dài thân piston:

Với Kth = 1,2 [MN/m2]:

lth = = 0,0193 [m] = 19,3 [mm]

Với Kth = 0,6 [MN/m2]:

lth = = 0,0378 [m] = 37,8 [mm]

Như vậy để tạo điều kiện dễ hình thành màng dầu bôi trơn, chiều dài thân piston nằm trong khoảng: lth = (19,3-37,8) [mm]

Chọn lth = 35 [mm]

Khi đó áp suất sinh ra giữa thân piston với xylanh:

Kth= 1,7.10^-3/(0,035.0,075) = 0,65 MN/m^2

Như vậy với kích thước lth mới chọn đảm bảo được điều kiện bôi trơn tốt

Áp suất tiếp xúc trên bệ chốt piston cũng được xác định theo công thức tương tự:

Trong đó:

Pz- lực khí thể lớn nhất; Pz = pz.FP = 4,3.1736.10-6 = 0,007 [MN/m2] l1- chiều dài phần làm việc bệ chốt piston;(Chiều dài bệ chốt tiếp xúc với chốt) Kb- áp suất tiếp xúc cho phép;

Với việc chọn kiểu lắp chốt piston tự do, áp suất tiếp xúc cho phép:

[Kb] = (20 - 30) [MN/m2]

Với Kb = 20 [MN/m2]:

l1= = 0,021 [m]= 21 [mm]

Với Kb = 30 [MN/m2]:

l1= = 0,014[m]= 14 [mm]

Như vậy để tạo điều kiện dễ hình thành màng dầu bôi trơn, mài mòn chiều dài làm việc của bệ chốt l1 nằm trong khoảng: l1 = (14-21) [mm]

Với kích thước đường kính piston D = 75 [mm], ta chọn: l1 = 20 [mm] Với l1 như vậy đảm bảo được việc hình thành màn dầu bôi trơn

e.Tính nghiệm bền xéc măng

 Ta có D/t=20:30 Chọn D/t= 25 ;

A/t= 2,5:4 chọn A/t= 3 Trong đó t là chiều dày xéc măng, A là độ mở của xéc măng

Suy ra: t=D/25=75/25= 3 mm ; A= 3.t= 3.3= 9 mm

Ứng suất uốn σu1=

Trong đó Cm là hệ số ứng suất phần miệng xéc măng (1,74-1,87)

ξ là hệ số phân bố áp suất

E là mô đun đàn hồi

Chọn Cm =1,80 ; ξ =0,196 ;E= 1,2.10^5 [MN/m2]

Suy ra σu1= 245,2 MN/m^2

 Ứng suất lắp ghép xéc măng vào piston :

Σu2 =

Trong đó m là hệ số lắp ghép

Nếu lắp ghép bằng tay : m = 1

Nếu lắp ghép bằng đệm : m=1,57

Nếu lắp ghép bằng kìm chuyên dụng : m = 2

Σu2 = = 268,25 MN/m^2

Ứng suất khi gia công định hình

σu3= (1,25 : 1,3 )σu1

Suy ra σu3 =1,27.245,2 =311,40 MN/m^2

Ứng suất cho phép [σu3] =400 : 450 MN/m^2

σu3 < [σu3] => Thõa mãn

 Áp suất bình quân của xéc măng không đẳng áp

Ptb=

Suy ra ptb = = 0,158 MN

3.2 Nhóm thanh truyền

Nhóm thanh truyền gồm có: thanh truyền, bu lông thanh truyền và bạc lót Trong quá trình làm việc, nhóm thanh truyền truyền lực tác dụng trên piston cho trục khuỷu, làm quay trục khuỷu

3.2.1 Thanh truyền

3.2.1.1 Điều kiện làm việc và vật liệu chế tạo của thanh truyền

a Điều kiện làm việc của thanh truyền

Thanh truyền là chi tiết nối với piston và trục khuỷu nhằm biến chuyển động tĩnh tiến của piston thành chuyển động quay tròn của trục khuỷu

Trong quá trình làm việc, thanh truyền chịu tác dụng của các lực :

- Lực khí thể trong xy lanh

- Lực quán tính chuyển động tĩnh tiến cảu nhóm piston

- Lực quán tính của thanh truyền

Các lực này thay dổi theo chu kỳ,vì vậy tải trọng tác dụng lên thanh truyền là tải trọng động

Dưới tác dụng của các lực đó, thân thanh truyền bị nén, uốn dọc, uốn ngang ; đầu nhỏ thanh truyền bị biến dạng méo; nắp đầu to bị uốn và kéo

b Vật liệu chế tạo của thanh truyền

Vật liệu chế tạo thanh truyền thường là thép cacbon và thép hợp kim tùy theo từng loại động cơ

3.2.1.2 Kết cấu của thanh truyền

a Đầu nhỏ thanh truyền

Kết cấu đầu nhỏ thanh truyền phụ thuộc vào kích thước và phương pháp lắp ghép chốt piston lên thanh truyền

Khi lắp chốt tự do: đầu nhỏ thanh truyền có dạng hình trụ rỗng

Khi lắp chốt tự do, phải chú ý bôi trơn mặt chốt piston và bạc lót đầu nhỏ Thông thường dầu nhờn được đưa lên bôi trơn mặt chốt và bạc lót đầu nhỏ bằng đường dẫn dầu khoan dọc trong thân thanh truyền

Hình 3.3 Kết cấu đầu nhỏ thanh truyền

b Thân thanh truyền

Chiều dài l của thanh truyền phụ thuộc vào thông số λ :

Ta có : λ = R/l

Trong đó λ = 0,24 ; R= S/2 = 0,095/2 =0,0475 m =47,5 mm

Suy ra: l = (R/λ) = 47,5/0,24= 197,92 [mm].

Tiết diện ngang của thân thanh truyền như hình 3.4

Hình 3.4 Tiết diện thân thanh truyền

- Loại thân thanh truyền có tiết diện chữ I hình 3.4 a,b được ứng dụng rỗng rãi trong các động cơ

- Loại thân thanh truyền có tiết diện chữ nhật và ô van rất đơn giản trong chế tạo thường dùng cho động cơ mô tô, xe máy, xuồng máy và các động cơ xăng cở nhỏ

c Đầu to thanh truyền

Kết cấu đầu to thanh truyền phải đảm bảo các yêu cầu sau đây :

- Có độ cứng vững lớn để bạc lót không bị biến dạng

- Kích thước nhỏ gọn để lực quán tính nhỏ , giảm được tải trọng lên chốt khuỷu, ổ trục đồng thời giảm kích thước hộp trục khuỷu và tạo khả năng đặ trục cam gần trục khuỷu làm cho buồng cháy động cơ dùng cơ cấu xu pắp đặt nhỏ gọn hơn

- Chổ chuyển tiếp giữa thân và đầu to phải có góc lượn để tăng độ cứng vững

- Dễ dàng trong việc lắp ghép cụm piston – thanh truyền với trục khuỷu Trong hầu hết các động cơ đầu to được phân làm hai nữa : nữa trên liền với thân và nữa dưới là nắp đầu

to thanh truyền

Hình 3.5 Kết cấu đầu to thanh truyền

3.2.2 Bạc lót đầu to thanh truyền

3.2.2.1 Vật liệu chịu mòn và kết cấu của bạc lót

a Vật liệu chịu mòn

Yêu cầu đối với vật liệu chịu mòn:

-Có tính chống mòn tốt, có hệ số ma sát nhỏ

-Có độ cứng thích đáng và độ dẻo cần thiết

-Dẫn nhiệt tốt

-Giữ được dầu bôi trơn

-Chóng và khít với bề mặt trục

-Dễ đúc và dễ bám với vỏ thép

b Các nhóm vật liệu chính

- Nhóm kim loại: gồm có babít, đồng thanh - thiết, đồng thanh - chì, hợp kim nhôm, hợp kim kẽm, gang chống mòn

- Nhóm phi kim loại: gồm chất dẻo, gỗ ép

Nhóm kim loại gốm: gồm các bột kim loại ép như: sắt graphit, đồng thanh -graphit

c Kết cấu bạc lót

Đầu to thanh truyền được chia thành hai nữa nên bac lót cũng được chia thành hai nữa Bạc lót thanh truyền gồm gộp bạc bằng thép ở phía ngoài và lớp hợp kim chịu mòn

tráng lên mặt trong của bạc

Gộp bạc thường chế tạo bằng thép có hàm lượng cacbon thấp,bề mặt đúc tráng thường chỉ chế tạo thô hoặc mạ một lớp thiếc

Định vị bạc lót trên đầu to bằng bu lông thanh truyền

Theo chiều dày của lớp hợp kim chịu mòn, ta sử dụng bạc lót mỏng với những ưu điểm như sau :

- Có điều kiện để sản xuất hàng loạt,có thể lắp lẫn,dễ thay thế

- Tốn ít thời gian và vật liệu chịu mòn khi cạo rà nên giảm giá thành sữa chữa

- Tiếp xúc đều với đầu to thanh truyền

- Giảm kích thước,khối lượng đầu to,tăng được đường kính cổ khuỷu

3.2.3 Bulông thanh truyền

3.2.3.1 Điều kiện làm việc và vật liệu chế tạo

a Điều kiện làm việc

Bulông thanh truyền là một chi tiết nhỏ nhưng rất quan trọng, vì nếu bulông thanh truyền bị đứt, động cơ sẽ hư hỏng nặng

Trong khi làm việc, bulông thanh truyền chịu các lực sau:

- Lực xiết ban đầu khi lắp ghép

- Lực quán tính của khối lượng vận động tĩnh tiến và lực quán tính ly tâm của khối lượng vận động quay

b Vật liệu chế tạo

Vật liệu chế tạo bulông thanh truyền là thép hợp kim, còn thép cacbon chỉ dùng trong động cơ hai kỳ tốc độ chậm

c.Yêu cầu

- Độ bền, cứng vững, độ bền mỏi cao

- Tránh lực cắt

- Chống tự tháo

- Tránh các lực và mô men phụ

d Kết cấu bu lông thanh truyền

Hình dạng kết cấu của bulông thanh truyền có rất nhiều kiểu, chủ yếu do công dụng của động cơ và các biện pháp nâng cao sức bền mỏi của bulông như hình 3.7

Hình 3.7 Kết cấu bulông thanh truyền

3.2.4 Tính bền thanh truyền

3.2.4.1 Xác định các kích thước cơ bản đầu nhỏ thanh truyền

Đường kính ngoài bạc d1: (1,1 – 1,25 ).dcp

Ta chọn: d1 = 1,1.28,2 = 31,02 (mm)

Đường kính ngoài d2 : (1,3-1,7)dcp

Ta chọn: d2 = 1,3.28,2 = 36,66 (mm)

Chiều dài đầu nhỏ ld : (0,28-0,32).D

Ta chọn: lđ = 0,32.94 = 30,08(mm)

Chiều dày bạc đầu nhỏ : (0,08-0,085)dcp

Ta chọn = 0,085.28,2 = 2,397 (mm)

Hình 3.7 Sơ đồ tính toán đầu nhỏ thanh truyền

3.2.4.2 Xác định các kích thước cơ bản đầu to thanh truyền

Đường kính chốt khuỷu dck : (0,56-0,75)D

Ta chọn: dck = 0,56.94 = 52,64 ( mm )

Chiều dày bạc lót tb1 :

Bạc mỏng : (0,03-0,05)dck

Ta chọn : tb1 =0,045.52,64 = 2,3688 (mm)

Khoảng cách tâm bu lông c : (1,3-1,75)dck

Ta chọn: c = 1,5.52,64 = 78,96 (mm)

Chiều dài đầu to lđt : (0,45-0,95)dck

Ta chọn lđt = 0,65.52,64 = 34,216 (mm)

3.3 Trục khủy.

Trục khủy của động cơ là trục khủy đủ cổ trục nên ta có số cổ trục là:

Z =i+1 = 4+1 = 5, trong đó i là số xilanh động cơ

Đường kính ngoài của cổ khủy : dct =(0,7-0,85)D

Ta chọn: dct =0,8.94= 75,2 (mm )

Chiều dài cổ trục khủy: lct=(0,55-0,65)dct

lct = 0,6.75,2 = 45,12 (mm)

Đường kính ngoài chốt khủy : dch=(0,64-0,72)D

Ta chọn dch = 0,68.94 = 63,92(mm)

Chiều dài chiều dài chốt: Lch=(0,7-1)dch

Chọn Lch = 51 (mm)

 Chiều dày má khủy : b = (0,21-0,27)D

Ta chọn b = 0,25.94 = 23,5 (mm)

Chiều rộng má khủy: h =(1,05-1,3)D

Chọn h = 1,1.94 = 103,4 (mm)

Đường kính khoan lỗ dầu bôi trơn : d1=(3-8) mm

Ta chọn d1 = 4 (mm)