ĐỒ ÁN TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG XÂY DỰNG ĐỒ THỊ CÔNG, ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC ĐỘNG CƠ XZ4 0112. 1.1. XÂY DỰNG ĐỒ THỊ CÔNG. 1.1.1. CÁC SỐ LIỆU CHỌN TRƯỚC KHI TÍNH TOÁN. pr= 0,108 (MNm2 ) Áp suất khí sót. Pr=(1,051,1)Pth và Pth=(1,021,04)Po pa= 0,080 (MNm2 ) Áp suất cuối quá trình nạp động cơ không tăng áp Pa=(0,80,9) Pk. n1=1,35 Chỉ số nén đa biến trung bình n1=(1,34÷1,39). n2=1,25 Chỉ số giãn nở đa biến trung bình n2=(1,23÷1.27) ρ=1,00 Tỉ số giản nở sớm. 1.1.2. XÂY DỰNG ĐƯỜNG CONG NÉN. Phương trình đường nén: p.Vn1 = cosnt => pc.Vc n1 = pnx.Vnx n1 Rút ra ta có: 1 . n nx c nx c V V p p = Đặt : c nx V V i = .Ta có: 1 1 . nx c n i p = p Trong đó: pnx và Vnx là áp suất và thể tích tại một điểm bất kỳ trên đường nén. i là tỉ số nén tức thời. = = 1 . n pc pa 0,080.9,21,35=1,60 (MNm2 ) 1.1.3. XÂY DỰNG ĐƯỜNG CONG GIÃN NỞ. Phương trình đường giãn nở: p.Vn2 = cosnt => pz.Vc n2 = pgnx.Vgnx n2 Rút ra ta có: 2 . n gnx z gnx z V V p p = . Với : Vz = VC (vì ρ=1) và đặt : c gnx V V i = . Ta có: 2 1 . nx z n i p = p .
XÂY DỰNG ĐỒ THỊ CÔNG, ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC ĐỘNG CƠ XZ4- 0112
XÂY DỰNG ĐỒ THỊ CÔNG
1.1.1 CÁC SỐ LIỆU CHỌN TRƯỚC KHI TÍNH TOÁN pr= 0,108 (MN/m 2 ) - Áp suất khí sót [Pr=(1,05-1,1)Pth và Pth=(1,02-1,04)Po] pa= 0,080 (MN/m 2 ) - Áp suất cuối quá trình nạp
[động cơ không tăng áp Pa=(0,8-0,9) Pk] n1=1,35 - Chỉ số nén đa biến trung bình [n1=(1,34÷1,39)] n2=1,25 - Chỉ số giãn nở đa biến trung bình [n2=(1,23÷1.27)] ρ=1,00 - Tỉ số giản nở sớm
1.1.2 XÂY DỰNG ĐƯỜNG CONG NÉN
Phương trình đường nén: p.V n1 = cosnt => pc.Vc n1 = pnx.Vnx n1
1 n c nx p i p Trong đó: pnx và Vnx là áp suất và thể tích tại một điểm bất kỳ trên đường nén i là tỉ số nén tức thời p c = p a n 1 =0,080.9,2 1,35 =1,60 (MN/m 2 )
1.1.3 XÂY DỰNG ĐƯỜNG CONG GIÃN NỞ
Phương trình đường giãn nở: p.V n2 = cosnt => pz.Vc n2 = pgnx.Vgnx n2
Với : V z = V C (vì ρ=1) và đặt : c gnx
Trong đó pgnx và Vgnx là áp suất và thể tích tại một điểm bất kỳ trên đường giãn nở
Cho i tăng từ 1 đến ta lập được bảng xác định tọa độ các điểm trên đường nén và đường giãn nở
Bảng 1-1: Bảng giá trị đồ thị công
V i V(dm 3 ) V(mm) Đường nén Đường giản nở i n1 Pc/(i n1 ) Pn(mm) i n2 Pz/(i n2 ) Pgn(mm)
1.5Vc 1.5 0.0735 30.0 1.729 0.926 35.6 1.660 3.132 120.5 2Vc 2 0.098 40.0 2.549 0.628 24.1 2.378 2.186 84.1 2.5Vc 2.5 0.1225 50.0 3.445 0.464 17.9 3.144 1.654 63.6 3Vc 3 0.147 60.0 4.407 0.363 14.0 3.948 1.317 50.7 3.5Vc 3.5 0.1715 70.0 5.426 0.295 11.3 4.787 1.086 41.8 4Vc 4 0.196 80.0 6.498 0.246 9.5 5.657 0.919 35.4 4.5Vc 4.5 0.2205 90.0 7.618 0.210 8.1 6.554 0.793 30.5 5Vc 5 0.245 100.0 8.782 0.182 7.0 7.477 0.695 26.7 5.5Vc 5.5 0.2695 110.0 9.988 0.160 6.2 8.423 0.617 23.7 6Vc 6 0.294 120.0 11.233 0.142 5.5 9.391 0.554 21.3
6.5Vc 6.5 0.3185 130.0 12.515 0.128 4.9 10.379 0.501 19.3 7Vc 7 0.343 140.0 13.832 0.116 4.4 11.386 0.457 17.6 7.5Vc 7.5 0.3675 150.0 15.182 0.105 4.1 12.412 0.419 16.1 8Vc 8 0.392 160.0 16.564 0.097 3.7 13.454 0.386 14.9 8.5Vc 8.5 0.4165 170.0 17.977 0.089 3.4 14.514 0.358 13.8 9Vc 9 0.441 180.0 19.419 0.082 3.2 15.588 0.334 12.8 9.2Vc 9.2 0.4508 184.0 20.004 0.080 3.1 16.023 0.325 12.5
XÁC ĐỊNH CÁC ĐIỂM ĐẶC BIỆT VÀ HIỆU CHỈNH ĐỒ THỊ CÔNG
• Điểm r(Vc,Pr) Vc-thể tích buồng cháy Vc=0,049 [l]
Pr-áp suất khí sót, phụ thuộc vào tốc độ động cơ chọn Pr=0,108 [MN/m 2 ] vậy : r(0,049 ;0,108)
• Điểm b(Va;Pb) với Pb: áp suất cuối quá trình giãn nở
Các điểm đặc biệt: r(Vc ; pr) = (0,049 ; 0,108) ; a(Va ; pa) = (0,451 ; 0,080) b(Va ; pb) = (0,451 ; 0,320) ; c(Vc ; pc) = (0,049 ; 1,60) z(Vc ; pz) = (0,049 ; 5,2)
* VẼ ĐỒ THỊ CÔNG: Để vẽ đồ thị công ta thực hiện theo các bước như sau:
+ Chọn tỉ lệ xích: p = 200 5, 2 = 0, 026 ( MN m / 2 / mm )
+ Vẽ hệ trục tọa độ trong đó: trục hoành biểu diễn thể tích xi lanh, trục tung biểu diễn áp suất khí thể
Từ dữ liệu cho trước, ta xác định được tọa độ các điểm trên hệ trục tọa độ và làm cơ sở cho việc mô hình hóa đồ thị Nối các điểm bằng các đường cong thích hợp, cụ thể đường cong nén và đường cong giãn nở, để tạo thành một đường nối liên tục và mượt mà Phương pháp này giúp tối ưu hóa diễn đạt dữ liệu trên đồ thị, cải thiện tính trực quan và hỗ trợ SEO bằng cách nhấn mạnh các từ khóa liên quan đến tọa độ, đồ thị và nội suy đường cong.
Vẽ đường biểu diễn quá trình nạp và quá trình thải bằng hai đường thẳng song song với trục hoành đi qua hai điểm Pa và Pr, từ đó ta có được đồ thị lý thuyết mô tả sự biến đổi của hệ theo thời gian Hai đường thẳng phân biệt rõ hai giai đoạn nạp và thải, giúp hình dung mối quan hệ giữa Pa và Pr và phân tích các tham số động học một cách trực quan.
+ Hiệu chỉnh đồ thị công:
- Vẽ đồ thị brick phớa trờn đồ thị cụng Lấy bỏn kớnh cung trũn R bằng ẵ khoảng cách từ Va đến Vc (R=S/2)
- Tỉ lệ xích đồ thị brick: 86 0, 5266 ( / )
- Lấy về phía phải điểm O’ một khoảng : OO’
- Giá trị biểu diễn : OO’ 0, 24.43 9,8
- Dùng đồ thị Brick để xác định các điểm:
• Mở sớm (b’) đóng muộn (r’’) xupap thải
• Mở sớm (r’) đóng muộn (d ) xupap hút
- Áp suất cực đại của chu trình thực tế thường nhỏ hơn áp suất cực đại trong tính toán : pz’ = 0,85.pz = 0,85.5,2 = 4,42 (MN/m 2 )
Vẽ đường đẳng áp pz’ = 4,42 (MN/m 2 ) Điểm z’ được xác định bằng trung điểm của đoạn thẳng giới hạn bởi đường đẳng tích Vc và đường cháy giản nở
Áp suất cuối quá trình nén thực tế (pc’’) thường lớn hơn áp suất cuối quá trình nén lý thuyết do sự đánh lửa sớm gây ra pc’’ = pc + Δp, với Δp là mức tăng áp suất phát sinh từ hiện tượng đánh lửa sớm và các yếu tố động lực khác trong buồng đốt Hiểu được sự chênh lệch này giúp tối ưu hóa thiết kế và vận hành động cơ, cải thiện hiệu suất và độ bền của hệ thống nén.
Nối các điểm c’, c’’, z’ lại thành đường cong liên tục và dính vào đường giãn nở
Áp suất cuối pb’’ của quá trình giãn nở thực tế thường thấp hơn áp suất cuối của quá trình giãn nở lý thuyết do mở sớm xupap thải Nguyên nhân là xupap thải mở trước khi quá trình giãn nở kết thúc khiến khí thoát ra sớm và làm giảm áp suất cuối cùng Sự chênh lệch này ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ và đặc tính làm việc của hệ thống xả, vì vậy cần được xem xét trong thiết kế và vận hành để tối ưu hiệu suất và tiêu hao nhiên liệu.
Nối các điểm b’, b’’ và tiếp dính với đường thải prx
Để xác định điểm r'' trên đồ thị Brick, ta nối từ điểm r đến r'' Điểm r'' được xác định trên đồ thị Brick bằng cách gióng một đường thẳng song song với trục tung ứng với góc 3 độ, và đường thẳng này cắt đường nạp pax tại r'', từ đó xác định vị trí của r'' trên đồ thị.
*) Sau khi hiệu chỉnh ta nối các điểm lại thì được đồ thị công thực tế
Hình 1.1- Đồ thị công à P =0,0295 [ MN/m².mm] à v =0,002875 [dm³/mm] à s =0,5842 [mm/mm] o o'
1Vc 2Vc 3Vc 4Vc 5Vc 6Vc 7Vc 8Vc 9Vc 10Vc Vc [dm³]
ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CƠ CẤU TRỤC KHUỶU THANH TRUYỀN
Động cơ đốt trong kiểu piston hoạt động với vận tốc lớn, nên nghiên cứu tính toán động học và động lực học của cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền (KTTT) là rất cần thiết để tìm quy luật vận động và xác định lực quán tính tác dụng lên các chi tiết trong cơ cấu Phân tích KTTT cho phép làm rõ đường đi, gia tốc và các lực tác động lên từng liên kết, từ đó phục vụ cho việc tính toán cân bằng động và độ bền của các chi tiết, cũng như ước lượng hao tổn và mài mòn của động cơ Nhờ đó, thiết kế và vận hành động cơ đốt trong được tối ưu hóa, nâng cao hiệu suất và tuổi thọ hệ thống truyền lực.
Trong động cơ đốt trong kiểu piston cơ cấu KTTT có 2 loại loại giao tâm và loại lệch tâm
Ta xét trường hợp cơ cấu KTTT giao tâm
1.2.1 ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CƠ CẤU GIAO TÂM :
Cơ cấu KTTT giao tâm là cơ cấu mà đường tâm xilanh trực giao với đường tâm trục khuỷu tại 1 điểm (hình vẽ)
Hình 1.2 Sơ đồ cơ cấu KTTT giao tâm
1.2.1.1 XÁC ĐỊNH ĐỘ DỊCH CHUYỂN (X) CỦA PISTON BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒ THỊ BRICK
-Theo phương pháp giải tích chuyển dịch x của piston được tính theo công thức :
O - Giao điểm của đường tâm xi lanh và đường tâm trục khuỷu
C - Giao điểm của đường tâm thanh truyền và đường tâm chốt khuỷu
B' - Giao điểm của đường tâm xy lanh và đường tâm chốt piston
A - Vị trí chốt piston khi piston ở ĐCT
B - Vị trí chốt piston khi piston ở ĐCD
R - Bạn kênh quay cuía trủc khuyíu (m) l - Chiều dài của thanh truyền (m)
S - Haỡnh trỗnh cuớa piston (m) x - Độ dịch chuyển của piston tính từ ĐCT ứng với góc quay trục khuỷu (m)
- Góc lắc của thanh truyền ứng với góc
-Các bước tiến hành vẽ như sau:
+ Đồ thị Brick cú nửa đường trũn tõm O bỏn kớnh R = S/2 Lấy bỏn kớnh R bằng ẵ khoảng cách từ Va đến Vc
+ Lấy về phía phải điểm O’ một khoảng
+ Từ tâm O’ của đồ thị brick kẻ các tia ứng với 10 0 ; 20 0 …180 0 Đồng thời đánh số thứ tự từ trái qua phải 0,1,2…18
+ Chọn hệ trục tọa độ với trục tung biểu diễn góc quay trục khuỷu, trục hoành biểu diễn khoảng dịch chuyển của piston
Gọi các điểm tương ứng với các góc 10°, 20°, …, 180° được chia trên cung tròn của đồ thị và hạ xuống bằng các đường kẻ từ từng điểm này để cắt trục tung của đồ thị x = f(α); từ các giao điểm này, ta xác định chuyển vị tương ứng.
+ Nối các giao điểm ta có đồ thị biểu diễn hành trình của piston x = f(α)
1.2.1.2 ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN TỐC ĐỘ CỦA PISTON V=f(α)
* Vẽ đường biểu diễn tốc độ theo phương pháp đồ thị vòng của Nguyễn Đức Phú
+ Xác định vận tốc của chốt khuỷu: ω 30
+ Chọn tỷ lệ xích vt = s c2,5.0,526633, 07 (mm/s/mm)
+ Vẽ nửa đường tròn tâm O bán kính R1 phía dưới đồ thị x() với
+ Vẽ đường tròn tâm O bán kính R2 với:
2.333, 07 = 9,89.(mm) + Chia nửa vòng tròn tâm O bán kính R 1 thành 18 phần bằng nhau và đánh số thứ tự 0,1,2
+ Chia vòng tròn tâm O bán kính R 2 thành 18 phần bằng nhau và đánh số thứ tự 0’, 1’, 2’…18’ theo chiều ngược lại
Từ các điểm 0, 1, 2, …, ta kẻ các đường thẳng vuông góc với AB và cắt bởi các đường thẳng song song với AB đi qua các điểm 0’, 1’, 2’, … tương ứng để tạo thành các giao điểm Nối các giao điểm ấy lại, ta được đường cong giới hạn vận tốc của piston Khoảng cách từ đường cong này đến nửa đường tròn biểu diễn trị số tốc độ của piston ứng với các góc α.
*) Biểu diễn v = f(x) Để khảo sát mối quan hệ giữa hành trình piston và vận tốc của piston ta đặt chúng cùng chung hệ trục toạ độ
Hình 1.4 - Đồ thị vận tốc v= f ( )
Hình 1.3 - Đồ thị chuyển vị
Trên đồ thị chuyển vị x = f(α) lấy trục Ov ở bên phải đồ thị song song với trục Oα, trục ngang biểu diễn hành trình của piston
Từ các điểm 0, 10, 20, , 180 trên đồ thị Brick ta hạ xuống các đường cắt Ox tại các vị trí 0, 1, 2, , 18 Từ các điểm này ta đặt các đoạn tương ứng từ đồ thị vận tốc, nối các đầu còn lại của các đoạn với các giao điểm đã hạ xuống để thu được đường biểu diễn v = f(x).
1.2.1.3 ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN GIA TỐC J = f ( ) x Để vẽ đường biểu diễn gia tốc của piston ta sử dụng phương pháp Tole
+ Chọn hệ trục tọa độ với trục Ox là trục hoành, trục tung là trục biểu diễn giá trị gia tốc + Chọn tỉ lệ xích: j &6, 64 (m/s 2 mm)
+ Trên trục Ox lấy đoạn AB = S=2R mm
Giá trị biểu diễn: AB= 86 163, 3
+ Từ điểm A tương ứng với điểm chết trên lấy lên phía trên một đoạn:
Từ điểm B tương ứng với điểm chết dưới lấy xuống dưới một đoạn:
Nối C với D Đường thẳng CD cắt trục hoành Ox tại E Từ E lấy xuống dưới một đoạn EF12385, 7
Ta nối CF và FD, phân định CF thành 8 phần bằng nhau và đánh số 0,1,2,…; phân định FD thành 8 phần bằng nhau và đánh số 0’,1’,2’,… Vẽ các đường bao trong tiếp tuyến tại các điểm 11’, 22’, 33’,… Nhờ đó ta có đường cong biểu diễn mối quan hệ j = f(x).
Hình 1.5 - Đồ thị gia tốc J = f ( ) x
1.2.2 TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC
1.2.2.1 ĐƯỜNG BIỂU DIỄN LỰC QUÁN TÍNH CỦA KHỐI LƯỢNG CHUYỂN ĐỘNG TỊNH TIẾN− P J = f ( ) x
Vẽ theo phương pháp Tole với trục hoành đặt trùng với P 0 ở đồ thị công, trục tung biểu diễn giá trị P j
Vẽ đường biểu diễn lực quán tính được tiến hành theo các bước như sau:
+ Chọn tỉ lệ xớch trựng với tỉ lệ xớch đồ thị cụng: à 𝑃𝑗 = à 𝑝 = 0,026 [ 𝑀𝑁
+ Xác định khối lượng chuyển động tịnh tiến: m’ = mpt + m1
Trong đó: m’ - Khối lượng chuyển động tịnh tiến (kg) mpt = 0,7 (kg) - Khối lượng nhóm piston m1-Khối lượng thanh truyền qui về tâm chốt piston (kg)
Theo công thức kinh nghiệm: m1 = (0,275 ÷ 0,35).mtt Lấy m1 = 0,28.0,8 = 0,224 (kg). mtt = 0,8 (kg) - Khối lượng nhóm thanh truyền
=> m’ = 0,7 + 0,224 = 0,924 (kg) Để đơn giản hơn trong tính toán và vẽ đồ thị ta lấy khối lượng trên một đơn vị diện tích của một đỉnh piston: m F pt m' = 0,924.4 2
= 198,4 (kg/m 2 ) Áp dụng công thức tính lực quán tính: pj = - m.j , ta có: pjmax = - m.jmax = -198,4 21331 = -4,23 (MN/m 2 ) pjmin = -m.jmin = 198,4.13073,8 = 2,59 (MN/m 2 ) Đoạn: EF = - m.jEF = 198,4.12385,7 = 2,46 (MN/m 2 )
1.2.2.2 KHAI TRIỂN CÁC ĐỒ THỊ a) Khai triển đồ thị công trên tọa độ p-V thành p=f(α) Để biểu diễn áp suất khí thể pkt theo góc quay của trục khuỷu α ta tiến hành như sau: + Vẽ hệ trục tọa độ p - α Trục hoành đặt ngang với đường biểu diễn p0 trên đồ thị công + Chọn tỉ lệ xích: = 2(độ/mm) à 𝑝 = 0,026 [ 𝑀𝑁
+ Dùng đồ thị Brick để khai triển đồ thị p-v thành p-α
Từ các điểm chia trên đồ thị Brick, ta dựng các đường thẳng song song với trục Op để cắt đồ thị công tại các điểm nằm trên các đường biểu diễn quá trình nạp, nén, cháy - giãn nở và xả Các điểm cắt này cho phép xác định tham số vận hành và trạng thái quá trình một cách trực quan, từ đó cải thiện độ chính xác của phân tích đồ thị Brick và hỗ trợ hiệu chỉnh chu trình làm việc Việc triển khai các đường cắt trên đồ thị Brick giúp tối ưu hóa hiệu suất, dự báo hành vi hệ thống và diễn giải chi tiết các giai đoạn nạp nén cháy giãn nở xả dựa trên các giao điểm có được.
+ Qua các giao điểm này ta kẻ các đường song song với trục hoành gióng sang hệ toạ độ p- α Từ các điểm chia tương ứng 0 0 , 10 0 , 20 0 ,… trên trục hoành của đồ thị p-α ta kẻ các đường thẳng đứng cắt các đường trên tại các điểm ứng với các góc chia trên đồ thị Brick và phù hợp với các quá trình làm việc của động cơ Nối các điểm lại bằng đường cong thích hợp ta được đồ thị khai triển p-α b) Khai triển đồ thị p J = f ( ) x thành p J = f ( ) Đồ thị − p J = f ( ) x biểu diễn đồ thị công có ý nghĩa kiểm tra tính năng tốc độ của động cơ Khai triển đường p J = f ( ) x thành p J = f ( ) cũng thông qua đồ thị brick để chuyển tọa độ Việc khai triển đồ thị tương tự khai triển P-V thành P=f(α) Nhưng lưu ý ở tọa độ p-α phải đặt đúng trị số dương của pj c) Vẽ đồ thị p 1 = f ( )
Theo công thức p 1 = p kt + p j Ta đã có p kt =f (α) và p J = f ( ) Vì vậy việc xây dựng đồ thị p 1 = f(α) được tiến hành bằng cách cộng đại số các toạ độ điểm của 2 đồ thị p kt =f(α) và p j =f(α) lại với nhau ta được tọa độ điểm của đồ thị p 1 =f(α) Dùng một đường cong thích hợp nối các toạ độ điểm lại với nhau ta được đồ thị p 1 =f(α)
Hình 1.6 - Đồ thị khai triển Pkt , Pj, P1
1.2.2.3 VẼ ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN LỰC TIẾP TUYẾN T = f(α), LỰC PHÁP TUYẾN Z=f(α)
Các đồ thị: T = f(α), Z = f(α), N = f(α) được vẽ trên cùng một hệ toạ độ Áp dụng các công thức:
Quá trình vẽ các đường này được thực hiên theo các bước sau:
+ Chọn tỉ lệ xích: = 2(độ/mm) à 𝑝 = 0,026 [ 𝑀𝑁
+ Căn cứ vào trị số R 0, 24
= L = Tra các bảng phụ lục 2p, 7p, 11p trong sách Kết Cấu Và
Tính Toán Động Cơ đốt Trong - Tập 1 ta có các giá trị của: ( )
Dựa vào đồ thị khai triển p= f(α) ta có các giá trị của p 1 Từ đó ta lập được bảng sau:
Bảng 1-2: Bảng giá trị T, N, Z-α α (độ) P1 (mm) sin(α + β) cosβ T (mm) cos(α + β) cosβ Z(mm) tanβ N(mm)
Vẽ hệ trục tọa độ Decac, trong đó trục hoành biểu thị giá trị góc quay trục khuỷu và trục tung biểu diễn giá trị của các đại lượng T, N, Z Từ bảng 1-2 ta xác định tọa độ các điểm trên hệ trục và nối các điểm bằng các đường cong thích hợp để tạo đồ thị thể hiện mối quan hệ T = f(α) và Z = f(α).
+ Việc vẽ đồ thị biểu diễn lực tiếp tuyến T= f ( ) , lực pháp tuyến Z= f ( ) và lực ngang
Tham số N cho ta mối quan hệ giữa các thành phần của hệ thống và tạo nền tảng cho các bước tính toán, thiết kế sau này Việc xác định N giúp bảo đảm cả ổn định ngang lẫn ổn định dọc của động cơ, đồng thời đánh giá các tải tác dụng lên chốt khuỷu và đầu to của thanh truyền N cũng là cơ sở để thiết kế các hệ thống khác như hệ thống làm mát và hệ thống bôi trơn, đồng thời làm nền cho các hệ thống phụ trợ khác của động cơ.
1.2.2.4 VẼ ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN ΣT = f(α) Để vẽ đồ thị tổng T ta thực hiện theo những bước sau:
+ Lập bảng xác định góc i ứng với góc lệch các khuỷu theo thứ tự làm việc
+ Góc lệch khuỷu trục của 2 xi lanh làm việc kế tiếp nhau: 180 0
+ Thứ tự làm việc của động cơ là: 1-3-4-2 Ta có bảng xác định góc lệch công tác và thứ tự làm việc của các khuỷu trục
Bảng 1-3: Thứ tự làm việc của động cơ
Xi lanh Tên kỳ làm việc αi o
1 Nạp Nén Cháy-giãn nở Thải 0
2 Nén Cháy-giãn nở Thải Nạp 180
3 Thải Nạp Nén Cháy-Giãn nở 540
4 Cháy-giãn nở Thải Nạp Nén 360
+ Sau khi lập bảng xác định góc i ứng với các khuỷu theo thứ tự làm việc, dựa vào bảng tính N, T, Z và lấy tỉ lệ xích μΣT = 0,1474 [ 𝑀𝑁
Chúng ta lập bảng tính cho tổng T = f(α) Trị số của T_i đã được tính trước; căn cứ vào đó ta tra bảng để lấy các giá trị T_i đã được dịch chuyển theo α Sau khi xác định T_i cho tất cả các chỉ số, ta cộng tất cả các giá trị này lại để có tổng T = T_1 + T_2 + T_3 + T_4 Quá trình này cho phép xác định nhanh giá trị tổng T cho mọi α dựa trên các giá trị T_i đã điều chỉnh theo α.
Bảng 1-4: Bảng giá trị ∑T-α α1 T1 α2 T2 α3 T3 α4 T4 ΣT ΣTve
+ Nhận thấy tổng T lặp lại theo chu kỳ 180 0 vì vậy chỉ cần tính tổng T từ 0 0 đến 180 0 sau đó suy ra cho các chu kỳ còn lại
+ Vẽ đồ thị tổng T bằng cách nối các tọa độ điểm a i = ( i ; T i ) bằng một đường cong thích hợp cho ta đường cong biểu diễn đồ thị tổng T
Hình 1.8 Đồ thị T = f ( ) + Sau khi đã có đồ thị tổng T = f ( ) ta vẽ T tb (đại diện cho mô men cản) Phương pháp xác định T tb như sau:
1.2.2.5 ĐỒ THỊ PHỤ TẢI TÁC DỤNG LÊN CHỐT KHUỶU Đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu dùng để xác định lực tác dụng lên chốt khuỷu ở mỗi vị trí của chốt khuỷu Sau khi có đồ thị này ta tìm được trị số trung bình của phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu, cũng có thể dễ dàng tìm được lực lớn nhất và bé nhất, dùng đồ thị phụ tải có thể xác định được khu vực chịu tải ít nhất để xác định vị trí lỗ khoan dẫn dầu bôi trơn và để xác định phụ tải khi tính sức bền ổ trục
Để vẽ đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu, các bước tiến hành như sau: xác định hệ trục toạ độ TO’Z; trục hoành O’T có chiều dương từ tâm O’ về phía phải và trục tung O’Z có chiều dương hướng xuống dưới.
+ Chọn tỉ lệ xớch àT = 0,026 [ 𝑀𝑁
+ Dựa vào bảng tính T= f ( ) , Z= f ( ) Ta có được toạ độ các điểm a i =( T i ;Z i ) ứng với các góc α = 10 0 ; 20 0 …720 0 Cứ tuần tự như vậy ta xác định được các điểm từ 0=( T 0;Z 0 ) cho đến 72 = ( T 72 ; Z 72 )
+ Nối các điểm trên hệ trục toạ độ bằng một đường cong thích hợp, ta có đồ thị biểu diễn phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu
Trong quá trình vẽ, để dễ dàng xác định các tọa độ điểm, cần đồng thời đánh dấu tọa độ và ghi số thứ tự tương ứng Việc này giúp nhận diện nhanh các điểm trên mặt phẳng, liên kết chúng với vị trí cụ thể và tăng tính trực quan cũng như hiệu quả khi dựng hình hoặc chỉnh sửa sau này Quá trình đánh dấu tọa độ cùng với ghi số thứ tự nên được thực hiện liên tục và nhất quán để các điểm có sự sắp xếp rõ ràng, thuận tiện cho tham chiếu và kiểm tra lại sau khi hoàn tất bản vẽ.
+ Tính lực quán tính của khối lượng chuyển động quay của thanh truyền (tính trên đơn vị diện tích của piston)
Với: m2 : Khối lượng đơn vị của thanh truyền quy về tâm chốt khuỷu
Ta có khối lượng thanh truyền quy về tâm chốt khuỷu là: m 2 ’ = m tt – m 1 = 0,8 – 0,224 = 0,576 (kg)
Từ gốc tọa độ O’của đồ thị lấy theo hướng dương của Z một khoảng:
PHÂN TÍCH ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA ĐỘNG CƠ CHON THAM KHẢO
THÔNG SỐ ĐỘNG CƠ CHỌN TƯƠNG ĐƯƠNG - 35 - 2.2 TRỤC KHUỶU Error! Bookmark not defined
Loại động cơ Chọn 1NZ-FE Yêu cầu
Số xylanh – cách bố trí 4 xylanh – thẳng hàng 4 xylanh – thẳng hàng
Loại nhiên liệu Xăng Xăng
Công suất cực đại/số vòng quay
Tỷ số nén 10,5 9,2 Đường kính x hành trình piston
-7 0 ~ 53 0 BTDC 15 0 Đóng muộn xupap nạp
42 0 BTDC 53 0 Đóng muộn xupap thải
Hệ thống nhiên liệu SFI EFI
Hệ thống bôi trơn Cưỡng bức cácte ướt Cưỡng bức cácte ướt
Hệ thống làm mát Cưỡng bức, sử dụng môi chất Cưỡng bức, sử dụng môi chất
Hệ thống phân phối khí 16 valve - DOHC có
Động cơ 1NZ-FE được lắp trên Toyota Vios, mẫu xe du lịch 5 chỗ với các phiên bản Vios Limo, Vios 1.5E dùng hộp số C50 và Vios 1.5G dùng hộp số tự động U340E Xe có khả năng giảm xóc và chống rung tốt, kết hợp hệ thống phanh điện tử ABS và hệ thống lái trợ lực điện, mang lại cảm giác lái êm ái và thoải mái cho mọi hành khách trên mọi nẻo đường.
Hình 2.1 Mặt cắt ngang động cơ 1NZ-FE
Hình 2.2 Mặt cắt dọc động cơ 1NZ-FE
1- Đầu trục khuỷu ; 2- Rotor cảm biến vị trí trục khuỷu ; 3- Lỗ dẫn dầu bôi trơn ; 4- Cổ trục
;5- Chốt khuỷu ; 6- Đối trọng; 7- Đuôi trục khuỷu
Trục khuỷu của động cơ 1NZ-FE được chế tạo từ một khối liền bằng thép cacbon, với các bề mặt gia công đạt độ bóng cao, có 5 cổ trục và 4 cổ biên, má khuỷu có dạng hình ôvan Đường kính và chiều rộng của chốt khuỷu và cổ trục chính được giảm thiểu để tối ưu trọng lượng.
1- Nắp đầu to thanh truyền; 2- Bu lông thanh truyền; 3- Thân thanh truyền;
Động cơ 1NZ-FE dùng thanh truyền có tiết diện dạng chữ I Đầu nhỏ thanh truyền là hình trụ rỗng, lắp tự do với chốt piston Đầu to thanh truyền được chia thành hai nửa; phần trên nối với phần dưới để hình thành nắp đầu to và ghép lại bằng bulông thanh truyền, mặt phẳng ghép vuông góc với đường tâm trục của thân thanh truyền Bulông thanh truyền là loại bulông chịu lực kéo, có mặt gia công đạt độ chính xác cao để định vị đúng hai nửa và nắp đầu to.
1- Bệ chốt piston; 2- Thân piston; 3- Đầu piston; 4- Đỉnh piston Piston của động cơ 1NZ-FE được làm bằng hợp kim nhôm, phần đỉnh được thiết kế đặc biệt để cải thiện chất lượng cháy Séc măng áp lực thấp được sử dụng để giảm ma sát và nâng cao tính kinh tế nhiên liệu và chất lượng dầu bôi trơn được nâng cao
Chân pittông được thiết kế dạng vành đai để tăng độ cứng vững cho pittông Để điều chỉnh trọng lượng pittông, người ta thường cắt bỏ một phần kim loại ở chân pittông, nhưng quá trình này vẫn đảm bảo pittông duy trì độ cứng cần thiết để hoạt động ổn định và bền bỉ.
2.5 NHÓM THÂN MÁY-NẮP MÁY
Nắp máy được đúc bằng hợp kim nhôm nhẹ, trên đầu nắp máy phân bố các trục cam; việc lắp đặt kim phun trong cửa nạp khí của nắp máy giúp giảm thiểu tiếp xúc của nhiên liệu với thành cửa nạp và nâng cao tính kinh tế nhiên liệu Áo nước được lắp giữa cửa xả và lỗ bu gi trên nắp máy để giữ nhiệt độ đồng đều cho thành buồng cháy, từ đó nâng cao chất lượng làm mát cho buồng cháy và khu vực xung quanh bu gi.
Thân máy làm từ hợp kim nhôm nhằm giảm khối lượng của động cơ Hệ thống nước xoáy lốc và đường hút tới bơm được cấp vào thân máy Tâm trục khuỷu lệch so với đường tâm lỗ xi lanh, đường tâm của xi lanh được dịch chuyển 12 mm về phía đường nạp; nhờ đó, tác dụng của lực ngang khi áp suất khí ở mức cao sẽ được giảm Sử dụng ống lót xi lanh có thành mỏng và khoảng cách giữa hai xi lanh là 8 mm giúp chiều dài động cơ ngắn hơn.
Hình 2.6 Thân máy 1- Đường tâm trục khuỷu; 2- Đường tâm các xi lanh; A- Phía đầu động cơ;
B- Phía đường thải; C- Phía đường hút
2.6 CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ
Hình 2.7 Sơ đồ bố trí cơ cấu phân phối khí
1-Tay căng xích; 2-Thiết bị kéo căng; 3- Bộ điều khiển phối khí (VVT-i); 4-Xích dẫn động trục cam; 5-Trục cam nạp; 6-Trục cam thải; 7-Bộ phận dẫn hướng xích
Động cơ 1NZ-FE sử dụng hệ thống phối khí thông minh VVT-i, điều chỉnh thời điểm mở của van nạp và van xả bằng áp suất dầu thủy lực tác động lên trục cam; nhờ thay đổi thời gian phối khí, động cơ được tăng công suất, tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải gây ô nhiễm Mỗi xy-lanh có hai xú-páp nạp và hai xú-páp thải, được đóng mở bởi hai trục cam và truyền động bằng xích với bước 8 mm, giúp bố trí hệ thống gọn và ngăn nắp Vật liệu xích có khả năng chịu mài mòn cao và được bôi trơn bằng dầu động cơ thông qua vòi phun, đi kèm hệ thống kéo căng, tay căng và bộ dẫn hướng xích để giảm tiếng ồn và tổn thất ma sát Thân xú-páp được thiết kế nhỏ gọn, giảm trở lực trên đường nạp thải và giảm khối lượng của cả hệ thống.
Hình 2.8 Sơ đồ dẫn động xúpap
1-Xúpap; 2-Con đội; 3-Vấu cam Bảng 2-3 Thông số kỹ thuật
Hạng mục Xupap nạp Xupap thải Đường kính mặt nấm(mm) 30,5 25,5 Đường kính thân(mm) 5 5
Hình 2.9 Sơ đồ hệ thống bôi trơn
Hệ thống bôi trơn ô tô có nhiệm vụ đưa dầu tới các bề mặt ma sát, làm giảm tổn thất ma sát, làm mát ổ trục và tẩy rửa bề mặt ma sát, đồng thời bao kín khe hở giữa piston và xilanh cũng như giữa xéc-măng và piston; dầu bôi trơn trên động cơ 1NZ-FE còn tham gia điều khiển thời điểm trục cam Loại dầu bôi trơn sử dụng cho động cơ 1NZ-FE là dầu API SM, SL hoặc ILSAC Dầu bôi trơn từ các te được lưu thông qua vỉ lọc, qua bơm dầu, qua bầu lọc dầu rồi đi đến đường ống dẫn dầu chính, sau đó dầu được phân phối để bôi trơn các bộ phận công tác như trong sơ đồ.
Hệ thống làm mát được thiết kế để giữ các chi tiết trong động cơ ở nhiệt độ ổn định, phù hợp với mọi điều kiện làm việc Động cơ 1NZ-FE sử dụng hệ thống làm mát bằng nước kín, tuần hoàn theo áp suất cưỡng bức nhờ bơm nước tạo áp lực đẩy nước lưu thông quanh động cơ Hệ thống gồm áo nước xi lanh, nắp máy, két nước, bơm nước, van hằng nhiệt, quạt gió và các đường ống dẫn nước Khi nhiệt độ nước làm mát vượt quá mức cho phép, van hằng nhiệt mở để nước làm mát lưu thông qua két nước và được làm mát bằng gió Hệ thống này sử dụng nước làm mát siêu bền Toyota SLLC, là dung dịch pha sẵn 50% chất làm mát và 50% nước sạch.
Hình 2.10 Sơ đồ hệ thống làm mát
1- Van hằng nhiệt; 2- Bơm; 3- Nắp máy; 4- Thân máy; 5- Giàn sưởi;
6- Van tiết lưu; 7- Két nước
Nguyên lý hoạt động của hệ thống làm mát động cơ ô tô là nước từ bình chứa được đẩy qua két làm mát bằng bơm nước và đi vào làm mát động cơ Trong thời gian động cơ đang ở nhiệt độ ấm máy và nhỏ hơn ngưỡng làm việc của van hằng nhiệt (khoảng 80–84°C), nước từ bơm sẽ đi vào thân máy, qua nắp máy đến giàn sưởi rồi trở về bơm; trên đường tới giàn sưởi có nhánh rẽ tới van tiết lưu nhằm điều tiết lượng nước nóng phục vụ sưởi ấm trong xe Khi nhiệt độ động cơ lớn hơn ngưỡng làm việc của van hằng nhiệt, van sẽ mở cho nước từ động cơ đi ra két làm mát, tại đây nước được làm mát bằng gió rồi quay về bơm Như vậy nước được tuần hoàn cưỡng bức liên tục trong quá trình vận hành của động cơ.
Hình 2.11 minh họa sơ đồ hệ thống đánh lửa của động cơ 1NZ-FE với hệ thống đánh lửa trực tiếp điều khiển bằng điện tử Hệ thống này không dùng bộ chia điện, nhờ vậy thời điểm đánh lửa được xác định chính xác, giảm sụt áp và tăng độ tin cậy Mỗi xi lanh được trang bị một bôbin đơn; khi ngắt dòng điện sơ cấp qua cuộn dây đánh lửa, điện áp cao ở cuộn thứ cấp được sinh ra để kích hoạt bugi và phát tia lửa điện ECM sẽ luân phiên bật tắt các transistor nguồn bên trong cuộn dây đánh lửa, ngắt dòng điện sơ cấp theo trình tự nổ của động cơ ECM xác định cuộn dây đánh lửa nào sẽ được điều khiển dựa trên tín hiệu từ cảm biến vị trí trục khuỷu và cảm biến góc quay trục khuỷu, đồng thời dò tìm vị trí của trục cam để tạo thời điểm đánh lửa thích hợp nhất ứng với trạng thái hoạt động của động cơ.
Hình 2.12 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu
1- Tín hiệu từ cảm biến lưu lượng khí nạp;2- Tín hiệu từ cảm biến vị trí bướm ga;
3- Tín hiệu từ cảm biến vị trí trục cam; 4- Tín hiệu từ cảm biến oxy; 5- Tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ nước làm mát; 6- Tín hiệu từ cảm biến vị trí trục khuỷu; 7- Tín hiệu từ cảm biến túi khí ;8-Bình chứa nhiên liệu; 9- Bơm xăng;10- Bộ lọc xăng;
11- Bộ điều áp; 12- Bộ giảm rung; 13- Ống phân phối; 14- Vòi phun nhiên liệu
Hệ thống nhiên liệu của động cơ 1NZ-FE đóng vai trò then chốt, không chỉ là một hệ thống phun nhiên liệu độc lập mà còn liên kết chặt chẽ với ECU, hệ thống đánh lửa điện tử và điều khiển tốc độ động cơ, nhằm tối ưu hoá quá trình hoạt động của động cơ Kim phun 12 lỗ được dùng để phun nhiên liệu ở dạng sương, đồng thời có cơ chế cắt nhiên liệu khi túi khí hoạt động Đường ống dẫn nhiên liệu được trang bị các giắc đấu nối nhanh nhằm nâng cao khả năng sửa chữa Bình xăng làm bằng chất dẻo sáu lớp với bốn loại vật liệu và có bộ lọc than hoạt tính bên trong Lượng không khí nạp được lọc sạch nhờ lọc khí và được đo bởi cảm biến lưu lượng không khí ECU tính toán và điều chỉnh tỷ lệ hoà trộn ở mức phù hợp nhất để tối ưu hoá hiệu suất Cảm biến oxy ở đường thải đo lượng oxy dư để điều khiển lượng phun nhiên liệu cho hiệu quả đốt tốt hơn.
Hệ thống khởi động trên động cơ là hệ thống khởi động điện được điều khiển bởi ECU Khi công tắc điện chuyển sang vị trí Start, chức năng điều khiển máy khởi động sẽ kích hoạt động cơ khởi động mà không cần giữ tay ở vị trí Start Khi ECU nhận tín hiệu khởi động từ chìa khóa, hệ thống sẽ theo dõi tín hiệu tốc độ động cơ (Ne) để điều khiển máy khởi động cho đến khi động cơ được xác định đã khởi động Khi tốc độ quay của động cơ đạt 500 vòng/phút, hệ thống sẽ đánh giá động cơ đã khởi động thành công.
Hình 2.13 Sơ đồ điều khiển máy khởi động
1- Ắc quy; 2- Máy khởi động; 3- Công tắc khoá điện; 4- Rơ le cắt dòng;
5- Công tắc đề số không; 6- ECU động cơ; 7- Rơ le máy khởi động; a-Tín hiệu tốc độ động cơ và tín hiệu nước làm mát
3 THIẾT KẾ NHÓM PISTON-THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ XZ4-0112
Nhóm piston gồm có piston, chốt piston, vòng hãm chốt piston, xéc măng khí, xéc măng dầu
3.1.1 Nhiệm vụ, điều kiện làm việc và vật liệu chế tạo piston
3.1.1.1 Nhiệm vụ, điều kiện làm việc:
Trong quá trình làm việc của động cơ, nhóm piston có nhiệm vụ chính sau:
+ Bảo đảm bao kín buồng cháy, giữ không cho khí chảy lọt xuống cátte và ngăn không cho dầu nhờn từ hộp trục khuỷu sục lên buồng cháy