Từ các điểm trên vòng chia Brich ta kẻ các đường thẳng song song với trục O.. Và từ các điểm chia có góc tương ứng trên trục O ta vẽ các đường song song với OS.. Nối các điểm này lạ
TÍNH TOÁN XÂY DỰNG ĐỒ THỊ
CÁC THÔNG SỐ TÍNH TOÁN
1.1- Các thông số cho trước:
Thông số kỹ thuật Thứ nguyên Ký hiệu giá trị
Số xilanh / Số kỳ / Cách bố trí i/τ 4 / 4 / In-line
Tỷ số nén ε 9.8 Đường kính x hành trình piston (mm x mm) D x S 88.5 x 96 Công suất cực đại / số vòng quay (kW/v/ph) Ne/n 124 / 6000
Tham số kết cấu λ 0.26 Áp suất cực đại (MN/m 2 ) pz 7.4
Khối lượng nhóm piston (kg) mpt 0.9
Khối lượng nhóm thanh truyền (kg) mtt 1.1
Góc đánh lửa sớm (độ) θs 16
Hệ thống nhiên liệu EFI (SFI)
Hệ thống bôi trơn Force-feed lubrication system
Hệ thống làm mát Force Circulation Water Cooling System
Hệ thống nạp - thải
Hệ thống phân phối khí 16 valve, DOHC
1.2-Các thông số cần tính toán:
- Xác định tốc độ trung bình của động cơ:
S (m) : Hành trình dịch chuyển của piston trong xilanh n (vòng/phút) : Tốc độ quay của động cơ
Vì Cm > 9 m/s :động cơ là động cơ tốc độ cao hay động cơ cao tốc
Chọn trước: n1 = 1,36 ( chỉ số nén đa biến trung bình) n2 = 1,28 (chỉ số giãn nở đa biến trung bình)
- Áp suất khí cuối kỳ nạp:
Chọn áp suất đường nạp : pk ≈ 𝑝 0 = 0,1 [MN/m 2 ] Đối với động cơ bốn kỳ không tăng áp ta chọn: pa= (0,8 - 0,9)pk
- Áp suất cuối kì nén: pc = pa.ε n1 = 0,09.9.8 1,36 = 2.0059[MN/m 2 ]
+ Chọn tỷ số giãn nở sớm(động cơ xăng): ρ = 1
+ Áp suất cuối quá trình giãn nở sớm:
+ Thể tích buồng cháy:
+ Vận tốc góc của trục khuỷu
+ Áp suất khí thải: pth = (1,02 - 1,04)po => chọn 1,02 pth=0,102 [MN/m 2 ]
+ Áp suất khí sót : Động cơ cao tốc: pr = (1,05 - 1,10)pth pr =1,06.pth = 1.06*0.102=0,10812 [MN/m 2 ]
ĐỒ THỊ CÔNG
2.1- Các thông số xây dựng đồ thị: a, Các thông số cho trước: Áp suất cực đại: pz = 7,4[MN/m 2 ]
Góc phân phối khí: α1 = 43 o α2 = 25 o α3 = 45 o α4 = 3 o b, Xây dựng đường nén:
Gọi Pnx , Vnx là áp suất và thể tích biến thiên theo quá trình nén của động cơ.Vì quá trình nén là quá trình đa biến nên:
𝑖 𝑛1 Để dễ vẽ ta tiến hành chia Vh thành khoảng , khi đó i = 1, 1.5 , 2, c, Xây dựng đường giãn nở:
Gọi P_gnx và V_gnx là áp suất và thể tích biến thiên theo quá trình giãn nở của động cơ Vì quá trình giãn nở là một quá trình đa biến, mối quan hệ giữa P_gnx và V_gnx phụ thuộc vào nhiều biến trạng thái như nhiệt độ T, thành phần khí và điều kiện biên, và được mô tả bởi các phương trình trạng thái cùng các quy luật động lực học chất khí áp dụng cho chu trình làm việc của động cơ.
Ta có : VZ = .VC Pgnx = 𝑃 𝑍
𝑖 𝑛21 Để dể vẽ ta tiến hành chia Vh thành khoảng , khi đó i = 1, 1.5 , 2, d, Biểu diễn các thông số:
+ Biểu diễn thể tích buồng cháy: Chọn Vcbd = 15 [mm]
+ Biểu diễn thể tích công tác
+ Biểu diễn áp suất cực đại: pzbd = 160 - 220 [mm] Chọn pzbd = 160 [mm]
Về giá trị biểu diễn ta có đường kính của vòng tròn Brick AB bằng giá trị biểu diễn
Vh, nghĩa là giá trị biểu diễn của AB = Vhbd 2[mm]
+ Giá trị biểu diễn của oo’: 𝑜𝑜 𝑏𝑑 , = 𝑜𝑜 ,
2.2- Chuyển vị vận tốc của Pistông:
+ Theo phương pháp giải tích chuyển vị của piston được xác định theo công thức:
Trong đó: + R là bán kinh của trục khuỷu (m)
+ λ là tham số kết cấu
+ α là góc của góc quay của trục khuỷu tương ứng với x tính từ điểm gốc trên (ĐCT)
Muốn xác định chuyển vị của piston ứng với góc quay trục khuỷu là α o , 20 o ,
+ Theo phương pháp giải tích vận tốc của piston được xác định theo công thức: v = Rω ( λ
Vận tốc của cơ cấu khuỷu được cho bởi công thức V = R ω [2 sin^2 α + sin α] (m/s) Trong đó R là bán kính của trục khuỷu (m), ω là vận tốc góc quay (rad/s), λ là tham số kết cấu và α là góc quay của trục khuỷu tương ứng với vị trí x đo từ điểm gốc trên hệ ĐCT.
+ Vận tốc của pistông tương ứng với quay trục khuỷu là α o , 20 o , 30 o , ,720 o a Vx Vxbd Px Pxbd tọa độ điểm (Vxbd,Pxbd) độ dm3 0.004474 Mpa 0.04625
ĐỒ THỊ BRICK
Vẽ vòng tròn tâm O với bán kính R Do đó AD = 2R = S [mm] Điểm A ứng với góc quay α = 0° (vị trí chết trên) và điểm D ứng với α = 180° (vị trí chết dưới).
Chọn tỷ lệ xích đồ thị Brick:
- Từ O lấy đoạn OO’ dịch về phía ĐCD như Hình 1.2 , với :
- Từ O’ kẻ đoạn O’M song song với đường tâm má khuỷu OB , hạ M’C thẳng góc với AD Theo Brich đoạn AC = x Điều đó được chứng minh như sau:
- Ta có : AC=AO - OC= AO - (CO’ - OO’) = R- MO’.cos + 𝑅𝜆
- Muốn xác định chuyển vị của piston ứng với góc quay trục khuỷu là α o ,
20 o , 30 o , ta làm như sau: từ O’ kẻ đoạn O’M song song với đường tâm má khuỷu
Trong đề OB, hạ MC sao cho MC vuông góc với AD; điểm A ứng với góc quay α = 0° (vị trí chết trên) và điểm D ứng với α = 180° (vị trí chết dưới) Theo Brick, đoạn AC bằng x, từ đó xác định các quan hệ hình học giữa OB, MC và AD khi quay quanh trục α và mô tả vị trí các điểm theo giá trị α.
Ta thiết lập hệ trục vuông góc OSα, trong đó trục Oα biểu diễn giá trị của góc α và trục OS biểu diễn khoảng dịch chuyển của piston Với mỗi α, ta xác định được khoảng dịch chuyển tương ứng của piston Từ các điểm trên vòng chia Brich, ta kẻ các đường thẳng song song với trục Oα; từ các điểm chia trên trục Oα có cùng góc, ta vẽ các đường song song với OS Các đường này gặp nhau tại các điểm, tạo thành tập hợp giao điểm liên kết lại thành đường cong biểu diễn độ dịch chuyển x của piston theo α Đồ thị x = f(α) được xác định bằng cách nối các giao điểm này lại với nhau, cho phép suy ra mối quan hệ giữa vị trí piston và góc quay α.
XÂY DỰNG ĐỒ THỊ VẬN TỐC
- Vẽ nữa vòng tròn tâm O có bán kính R1:
- Giá trị biểu diễn của R1 là :
- Vẽ vòng tròn tâm O có bán kính R2:
- Giá trị biểu diễn của R2 là:
Chia đều nửa vòng tròn bán kính R1 thành 18 phần bằng nhau sẽ cho 18 điểm nằm trên nửa vòng tròn này Ứng với mỗi góc α trên nửa vòng tròn bán kính R1, các điểm tương ứng trên vòng tròn bán kính R2 sẽ có góc bằng 2α, nên các điểm trên vòng tròn R2 được sắp xếp theo cùng thứ tự với khoảng cách góc giữa các điểm là π/9 Khoảng cách theo cung giữa hai điểm kề nhau trên nửa vòng tròn R1 là d1 = R1·π/18, còn trên vòng tròn R2 là d2 = R2·π/9 Do đó, vị trí của mỗi điểm trên R2 có thể được xác định từ vị trí của điểm tương ứng trên R1 bằng quan hệ α_k = k·π/18 và θ2_k = 2α_k.
Trong bài toán này, ta gán số cho hai vòng tròn từ tia OA: trên nửa vòng tròn R1 đánh số từ 0 đến 18 theo chiều ngược kim đồng hồ, còn trên vòng tròn bán kính R2 đánh số từ 0’ đến 18’ theo chiều kim đồng hồ; cả hai vòng tròn đều xuất phát từ tia OA nhằm xác định vị trí và thứ tự các điểm một cách đồng bộ.
Từ các điểm chia trên nửa vòng tròn bán kính R1, ta dựng các đường thẳng vuông góc với đường kính AB; từ các điểm chia trên vòng tròn bán kính R2 ta kẻ các đường thẳng song song với AB Các đường kẻ này gặp nhau theo các cặp 0-0’, 1-1’, …, 18-18’ tại các vị trí lần lượt đánh số 0, a, b, c, …, 18 Nối các điểm này lại bằng một đường cong và cùng với nửa vòng tròn bán kính R1 biểu diễn trị số vận tốc v thông qua các đoạn 0, α1, α2, α3, …, α18 tương ứng với các góc 0, α1, α2, α3, …, α18 Phần biên giới của đường cong này và nửa vòng tròn lớn được gọi là giới hạn vận tốc của piston.
Để biểu diễn vận tốc piston bằng đồ thị, ta vẽ hệ tọa độ vuông góc OvS trùng với hệ tọa độ OαS và trục thẳng Ov trùng với trục Oα Từ các điểm chia trên đồ thị Brick, ta kẻ các đường thẳng song song với trục Ov cắt trục Os tại các vị trí 0, 1, 2, 3, , 18 Từ các điểm này, ta đặt các đoạn thẳng 00, 1a, 2b, 3c, , 1818 song song với trục Ov và có khoảng cách bằng khoảng cách giữa các đoạn 0, 1, , 18 Nối các điểm 0, a, b, c, , 18 lại với nhau ta được đường cong biểu diễn vận tốc của piston v = f(S).
ĐỒ THỊ GIA TỐC
5.1 Phương pháp: Để giải gia tốc j của piston, người ta thường dùng phương pháp đồ thị Tôlê vì phương pháp này đơn giản và có độ chính xác cao Cách tiến hành cụ thể được mô tả chi tiết ngay sau đây.
Lấy đoạn thẳng AB = S = 2R Từ A dựng đoạn thẳng AC = Jmax = R 2 (1+) Từ B dựng đoạn thẳng BD = Jmin = -R 2 (1-) , nối CD cắt AB tại E
Lấy EF = -3R 2 Nối CF và DF Phân đoạn CF và DF thành những đoạn nhỏ bằng nhau ghi các số 1 , 2 , 3 , 4 , và 1’ , 2’ , 3’ , 4’ , (hình 1.6)
Nối 11’ , 22’ , 33’ , 44’ , Đường bao của các đoạn thẳng này biểu thị quan hệ của hàm số : j = f(x)
ĐỒ THỊ LỰC QUÁN TÍNH
Các chi tiết máy trong cơ cấu khuỷu trục thanh truyền tham gia vào chuyển động tịnh tiến, bao gồm các chi tiết trong nhóm piston và khối lượng của thanh truyền được quy về đầu nhỏ thanh truyền, m’ = mpt + m1 [kg].
+ mpt: Khối lượng nhóm piston Theo đề ta có mpt = 0,9 [kg]
+ m1: Khối lượng thanh truyền qui dẫn về đầu nhỏ thanh truyền Được chọn tùy theo loại động cơ ôtô máy kéo hay tàu thủy, tĩnh tại Vì động
15 cơ đang thiết kế có các thông số phù hợp với động cơ ôtô máy kéo nên ta chọn m1 trong khoảng m1 = (0,275 0,35).mtt Trong đó:
+ mtt: Khối lượng nhóm thanh truyền Theo đề ta có mtt = 1,1 [kg]
- Vậy khối lượng các chi tiết tham gia chuyển động tịnh tiến là: m’ = m1 + mpt = 0,33 + 0,9 = 1,23 [kg]
Để áp dụng phương pháp cộng đồ thị -Pj cho đồ thị công, -Pj phải có cùng thứ nguyên và tỷ lệ xích với đồ thị công; thay vì vẽ giá trị thực của nó, ta vẽ -Pj = f(x) ứng với một đơn vị diện tích tại đỉnh Piston, với m = D^2 m′.
6.2- Đồ thị lực quán tính:
- Lực quán tính các chi tiết tham gia chuyển động tịnh tiến:
Từ công thức ta xác định được:
-PJmin=m.Jmin9,953.(-14022,73)*10 -6 = -2,8039 [MN/m 2 ] Đồ thị PJ này vẽ chung với đồ thị công P-V
Cách vẽ tiến hành tương tự như cách vẽ đồ thị J - S, với:
Chọn tỷ lệ xích trùng với tỷ lệ xích đồ thị công
Trục hoành trùng với trục Po của đồ thị công
ĐỒ THỊ KHAI TRIỂN
- Vẽ hệ trục toạ độ P-, trục hoành O nằm ngang với đường biểu diễn po Chọn tỷ lệ xích : p = 0,04625 [MN/(m 2 mm)]
- Kết hợp đồ thị Brick và đồ thị công như ta đã vẽ ở trên, ta tiến hành khai triển như sau:
Từ các điểm chia trên đồ thị Brick, vẽ các đường thẳng song song với cạnh OP và cắt đồ thị tại các điểm trên các đường biểu diễn các quá trình nạp, nén, cháy - giãn nở và thải Qua các giao điểm này ta kẻ các đường ngang song song với trục hoành sang hệ tọa độ OPα.
Từ các điểm chia trên trục Oα, ta vẽ các đường song song với trục OP; các đường này cắt các đường dóng ngang tại các điểm ứng với các góc chia của đồ thị Brick và phù hợp với quá trình làm việc của động cơ Nối các giao điểm này lại với nhau ta được đường cong khai triển đồ thị Pkt−α với tỉ lệ xích.
Cách vẽ đồ thị khai triển này tương tự như cách vẽ đồ thị khai triển Pkt − α; tuy nhiên trên đồ thị p − V, giá trị của lực quán tính là −PJ, nên khi chuyển sang đồ thị P−α ta phải đổi dấu để bảo đảm tính đúng của mô hình.
Để xác định đường hợp lực giữa lực quán tính và lực khí thể, ta cộng các giá trị Pkt với Pj tại các góc α tương ứng và vẽ đường hợp lực P1 Công thức P1 = Pkt + Pj cho ra hợp lực ở đơn vị MN/m^2, từ đó hình thành đường biểu diễn lực tổng hợp Trên sơ đồ, các tham số góc α và các kích thước liên quan bằng đơn vị mm được thể hiện rõ ràng để mô tả vị trí và hướng của hợp lực.
XÂY DỰNG ĐỒ THỊ T, Z, N
8.1- Sơ đồ lực tác dụng lên cơ cấu trục khủy thanh truyền:
- Lực tiếp tuyến tác dụng lên chốt khuỷu:
- Lực pháp tuyến tác dụng lên chốt khuỷu:
- Lực ngang tác dụng lên phương thẳng góc với đường tâm xylanh:
- P1 được xác định trên đồ thị khai triển tương ứng với các giá trị của
- Ta có giá trị của góc : sinβ = .sinα = arcsin(sin)
- Ta lập bảng xác định các giá trị N, T, Z Sau đó, ta tiến hành vẽ đồ thị N, T, Z theo
trên hệ trục toạ độ vuông góc chung (N, T, Z - )
- Với tỷ lệ xích : T = Z = N = p = 0,4625 [MN/(m 2 mm)]
= 2 [ 0 /mm] a b T N Z độ độ mm mm mm
ĐỒ THỊ ∑T
Thứ tự làm việc của động cơ : 1-3-4-2
Góc lệch công tác:𝛿 ct = 180.τ
Ta tính T trong 1 chu kỳ góc công tác 𝛿 𝑐𝑡 = 180.𝜏
1 Nạp Nén Cháy- giãn nở Thải
2 Nén Cháy- giãn nở Thải Nạp
3 Thải Nạp Nén Cháy- giãn nở
4 Cháy- giãn nở Thải Nạp Nén
- Ta có quan hệ α2 , α3 , α4 theo α1 khi α1 lần lượt nhận các giá trị từ 0 0 đến 360 0 được cho trong bảng
- Cứ mỗi giá trị α1 , α2 , α3 , α4 ta có giá trị T1 , T2 , T3 , T4 tương ứng được xác định theo giá trị T- α
- Bảng giá trị ΣT - α μ ΣT =μ p = 0,4625 [MN/(m 2 mm)] a1 T1 a2 T2 a3 T3 a4 T4 ƩT
24 độ mm độ mm độ mm độ mm mm
- Nhận thấy tổng T lặp lại theo chu kì 180 o vì vậy chỉ cần tính tổng T từ 0 o đến 180 o sau đó suy ra cho các chu kỳ còn lại
- Tính giá trị của ΣTtb bằng công thức:
+ Ni: công suất chỉ thị của động cơ
+ m: Hiệu suất cơ giới, các loại động cơ đốt trong hiện nay nằm trong giới hạn:
+ n: là số vòng quay của động cơ, n = 6000 [vòng/phút]
+ Fp: là diện tích đỉnh piston
4 = 6,15.10 −3 [m 2 ] + R: là bán kính quay của trục khuỷu
+ : là hệ số hiệu đính đồ thị công
= 1 (Khi vẽ đã hiệu chỉnh đồ thị công)
ĐỒ THỊ PHỤ TẢI TÁC DỤNG TRÊN CHỐT KHUỶU
- Vẽ hệ toạ độ T - Z gốc toạ độ O’ trục O’Z có chiều dương hướng xuống dưới
- Chọn tỉ lệ xích :T = Z = p = 0,04625 [MN/(m 2 mm)]
Đặt giá trị của các cặp (T, Z) theo các góc α tương ứng trên hệ trục T–Z Với mỗi cặp (T, Z) sẽ xác định một điểm, và ta đánh dấu các điểm từ 0 đến 72 ứng với các góc α từ 0° đến 720° Việc nối các điểm lại với nhau cho ta đường cong biểu diễn vectơ tải tác dụng lên chốt khuỷu.
- Dịch chuyển gốc toạ độ Trên trục 0’Z (theo chiều dương) ta lấy điểm 0 với 00’=Pro
+ m2: khối lượng thanh truyền qui dẫn về đầu to m2 =0,7*mtt= 0,7*1,1=0,77 [kg]
6,15.10 −3 = 2,373[MN/m 2 ] Với tỷ lệ xích Z ta dời gốc toạ độ O’ xuống O một đoạn O’O
- Đặt lực P R 0 về phía dưới tâm O’, ta có tâm O, đây là tâm chốt khuỷu
ĐỒ THỊ PHỤ TẢI TÁC DỤNG LÊN ĐẦU TO THANH TRUYỀN
Đồ thị phụ tải tác dụng lên đầu to thanh truyền được xác định bằng cách đặt một tờ giấy bóng lên đồ thị phụ tải của chốt khuỷu sao cho tâm O trùng với tâm O của đồ thị phụ tải chốt khuỷu Lần lượt xoay tờ giấy bóng để các điểm 0, 10, 20, 30 … trùng với trục +Z của đồ thị phụ tải chốt khuỷu Đồng thời đánh dấu các đầu mút của các véc tơ Q0, Q10, Q20, Q30 … trên tờ giấy bóng tại các vị trí 0, 10, 20, 30, … và nối các điểm 0, 15, 30, … bằng một đường cong Như vậy, ta thu được đồ thị phụ tải tác dụng lên đầu to thanh truyền.
ĐỒ THỊ KHAI TRIỂN PHỤ TẢI
+ Chọn tỉ lệ xích: = 2 [ 0 /mm]
+Lập bảng tính xây dựng đồ thị Q - α:
Tiến hành đo khoảng cách từ tâm O đến các điểm ai(Ti, Zi) trên đô thị phụ tải nhằm đánh giá tác dụng lên chốt khuỷu, từ đó thu được các giá trị Qi tương ứng Sau đó lập bảng Q-α để thể hiện mối quan hệ giữa các giá trị Qi và tham số α, phục vụ cho phân tích và tối ưu hoá hệ thống.
- Tiến hành vẽ đồ thị:
+ Vẽ hệ trục tọa độ Q - α
+ Đặt các cặp điểm (Q, α) lên hệ trục tọa độ
+ Đường cong nối các điểm này biểu diễn đồ thị Q – α cần vẽ
ĐỒ THỊ MÀI MÒN CHỐT KHUỶU
Đồ thị mài mòn của chốt khuýu (hoặc cổ trục khuỷu) thể hiện trạng thái chịu tải của các điểm trên bề mặt trục, đồng thời phản ánh mức hao mòn lý thuyết của trục và chỉ ra khu vực chịu tải ít để khoan lỗ dầu theo đúng nguyên tắc nhằm đảm bảo đưa dầu nhờn vào ổ trượt ở vị trí có khe hở giữa trục và bạc lót của ổ lớn nhất Áp suất thấp làm cho dầu nhờn lưu động dễ dàng.
- Các bước tiến hành vẽ như sau:
Trên đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu ta vẽ một vòng tròn tâm O, bán kính bất kỳ Vòng tròn được chia thành 24 phần bằng nhau, mỗi phần có 15 độ, theo chiều ngược chiều kim đồng hồ, bắt đầu từ điểm 0 là giao điểm giữa vòng tròn O và trục OZ (theo chiều dương), rồi đánh số 1, 2, , 23 lần lượt trên vòng tròn Từ các điểm chia 0, 1, 2, , 23 ta kẻ các tia qua tâm O và kéo dài; các tia này sẽ cắt đồ thị phụ tải tại nhiều điểm, và số điểm cắt tại mỗi điểm chia sẽ cho ta số lực tác dụng tại điểm đó Do đó ta có tổng các lực tác dụng ΣQ' bằng tổng các giá trị Q' tại các điểm cắt: ΣQ' = Q'_0 + Q'_1 + + Q'_{23}.
+ i : Tại mọi điểm chia bất kì thứ i
+ 0, 1, , n: Số điểm giao nhau của tia chia với đồ thị phụ tải tại 1 điểm chia
- Lập bảng ghi kết quả Q’i
- Chọn tỉ lệ xích: p=0,04625(MN/m2.mm)
Vẽ một vòng tròn bất kỳ tượng trưng cho chốt khuỷu, chia vòng tròn thành 24 phần bằng nhau và đồng thời đánh số thứ tự từ 0 đến 23 theo chiều ngược chiều kim đồng hồ Việc phân chia này cho phép nhận diện nhanh các vị trí trên vòng tròn và hỗ trợ các bài tập hoặc giải pháp đồ thị, đồng thời tối ưu cho các nội dung hướng dẫn hình học và thao tác thực hành.
- Vẽ các tia ứng với số lần chia
Trong quy trình này, các giá trị QΣ0, QΣ1, QΣ2, …, QΣ23 được lần lượt gán lên các tia tương ứng theo hướng từ phía ngoài vòng tròn vào tâm, và khi nối các đầu mút lại với nhau ta thu được một đồ thị thể hiện sự mài mòn ở chốt khuỷu.
- Các hợp lực Q0, Q1, Q2, …, Q23 được tính theo bảng sau :
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 ƩQ0 739.1 739.1 739.1 739.1 739.1 739.1 739.1 739.1 739.1 ƩQ1 530.52 530.52 530.52 530.52 530.52 530.52 530.52 530.52 530.52 ƩQ2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ƩQ3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ƩQ4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ƩQ5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ƩQ6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ƩQ7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ƩQ8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ƩQ9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ƩQ10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ƩQ11 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ƩQ12 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ƩQ13 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ƩQ14 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ƩQ15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ƩQ16 19.31 19.31 19.31 19.31 19.31 19.31 19.31 19.31 19.31 ƩQ17 18.21 18.21 18.21 18.21 18.21 18.21 18.21 18.21 18.21 ƩQ18 18.44 18.44 18.44 18.44 18.44 18.44 18.44 18.44 18.44 ƩQ19 19.67 19.67 19.67 19.67 19.67 19.67 19.67 19.67 19.67 ƩQ20 22.4 22.4 22.4 22.4 22.4 22.4 22.4 22.4 22.4 ƩQ21 26.54 26.54 26.54 26.54 26.54 26.54 26.54 26.54 26.54 ƩQ22 197.06 197.06 197.06 197.06 197.06 197.06 197.06 197.06 197.06 ƩQ23 745.09 745.09 745.09 745.09 745.09 745.09 745.09 745.09 745.09 ƩQ(mm) 2260.71 2238.31 2211.77 2014.71 1269.62 530.52 0 0 0 0 0 0 19.31 37.52 55.96 75.63 98.03 124.57 321.63 1066.72 1805.82 2317.03 2298.82 2280.38 ƩQ'(MN/m) 90.4284 89.5324 88.4708 80.5884 50.7848 21.2208 0 0 0 0 0 0 0.7724 1.5008 2.2384 3.0252 3.9212 4.9828 12.8652 42.6688 72.2328 92.6812 91.9528 91.2152
ĐẶC ĐIỂM KỸ THUẬT, CƠ CẤU VÀ HỆ THỐNG CỦA ĐỘNG CƠ 2AZ – FE
CHỌN ĐỘNG CƠ THAM KHẢO
Động cơ 2AZ-FE được chuyển giao từ mô hình năm 2005, mang lại hiệu suất cao, độ yên tĩnh khi vận hành, tiết kiệm nhiên liệu và khí thải sạch thông qua việc tối ưu hệ thống phun nhiên liệu, đánh lửa và quản lý động cơ Các cải tiến này giúp động cơ hoạt động ổn định ở nhiều dải tua, giảm tiêu hao nhiên liệu và khí thải, đồng thời duy trì hiệu suất và độ bền lâu dài cho xe.
36 đã áp dụng đồng bộ các hệ thống tiên tiến gồm VVT-i (Variable Valve Timing intelligent), DIS (Direct Ignition System) và ETCS-i (Electronic Throttle Control System Intelligent) cho động cơ 2GR-FE hoàn toàn mới Nhờ sự kết hợp của Dual VVT-i cùng DIS và ETCS-i, động cơ này đạt hiệu suất cao, vận hành êm ái, tiết kiệm nhiên liệu và phát thải sạch.
Bảng so sánh thông số kĩ thuật của yêu cầu đồ án và động cơ tham khảo
Thông số kĩ thuật Ký hiệu XT4 – 021 2AZ-FE
Số xy lanh / Số kỳ i / t 4 / 4 4 / 4
Cách bố trí In-line In-line
Tỷ số nén e 9.8 9.8 Đường kính piston (mm) D 88.5 88.5
Công suất cực đại (kW) Ne 124 KW 124 KW
Số vòng quay (vg/ph) n 6000 6000
Hệ thống nhiên liệu EFI SFI
Hệ thống bôi trơn Cưỡng bức cácte ước
Hệ thống làm mát Cưỡng bức, sử dụng môi chất
Hệ thống nạp Không tăng áp
Động cơ 2AZ-FE dung tích 2,4 lít, 4 xi-lanh thẳng hàng với 16 van, được trang bị hệ thống phân phối khí DOHC và công nghệ VVT-i (Variable Valve Timing-intelligent), cùng hệ thống đánh lửa trực tiếp DIS và hệ thống kiểm soát ga điện ETCS-i (Electronic Throttle Control System-intelligent) Những công nghệ này được phát triển nhằm mang lại hiệu suất cao, vận hành êm ái, tiết kiệm nhiên liệu và phát thải sạch.
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ THAM KHẢO
Hình 2.1 : Mặt cắt dọc động cơ 2AZ-FE
1 Puli, 2 Thanh truyền, 3 Xupap, 4 Piston, 5.Trục khuỷu 6 Cácte
Hình 2.2: Mặt cắt ngang động cơ 1NZ-FE
1 Đường ống nạp, 2 Trục cam 3 Đường ống thải 4 Xilanh
Thông số kỹ thuật động cơ
Không của Cyls & Sắp xếp 4 xi-lanh, in-line
Cơ chế van DOHC 16 van, Chain Drive (với
Buồng đốt Loại pentroof Đa tạp Dòng chảy chéo
Hệ thống nhiên liệu SFI
Hệ thống đánh lửa DIS
Dịch chuyển cm 3 (cu in.) 2362 (144.1)
Sản lượng tối đa* 1 (SAE-NET) 124 kW @ 6000 rpm (166 HP @
Mô-men xoắn cực đại* 1 (SAE-NET) 224 N m @ 4000 rpm (165 ft-lbf @
Số octan nghiên cứu 91 hoặc cao hơn
Xếp hạng Octan 87 hoặc cao hơn
Quy định phát thải ống xả ULEV-II, SFTP
Quy định phát thải bay hơi LEV-II, ORVR
Khối lượng dịch vụ động cơ * 2 (Tham chiếu) kg (lb)
CÁC THÀNH PHẦN CƠ CẤU VÀ HỆ THỐNG TRONG ĐỘNG CƠ
3.1- Cơ cấu pittông - trục khuỷu - thanh truyền:
Piston được làm bằng hợp kim nhôm, với khu vực váy được thiết kế nhỏ gọn và nhẹ nhằm tối ưu trọng lượng và hiệu suất của động cơ Đầu piston sử dụng hình dạng taper để cải thiện hiệu quả đốt cháy nhiên liệu và tối ưu hóa quá trình vận hành Váy piston được phủ nhựa nhằm giảm ma sát, giảm tổn thất năng lượng và tăng độ bền trong suốt chu trình làm việc.
Các thanh và mũ nối được làm bằng thép cường độ cao để giảm trọng lượng Bu lông thắt chặt khu vực nhựa loại không hạt sử dụng trên thanh truyền cho một design nhẹ hơn Vòng bi thanh truyền được giảm chiều rộng để giảm ma sát
Trục khuỷu giải mạo có 5 tạp chí và 8 trọng lượng cân bằng Trục khuỷu được làm bằng thép rèn Pin và phi lê nhật ký được cuộn hoàn thành để duy trì sức mạnh bảo toàn
Banh răng truyền động trục cân bằng cung cấp cho trục khuỷu
Trục cân bằng được dùng để giảm rung động, tăng sự ổn định và hiệu quả hoạt động của hệ thống Trục khuỷu đóng vai trò điều khiển trục cân bằng, giúp cân bằng động và tối ưu hóa lực tác động Ngoài ra, một thiết bị nhựa được lắp ở phía điều khiển nhằm ngăn chặn tiếng ồn và mang lại thiết kế nhẹ.
Tạp chí số 1 Bánh răng trục cân bằng
Cân bằng trọng lượng Crack pin
3.2- Nhóm thân máy – nắp máy:
Một nắp dầu xi lanh được đúc từ hợp kim magiê nhẹ, giúp giảm trọng lượng và tăng độ bền cho hệ thống Cao su acrylic có khả năng chịu nhiệt và độ tin cậy vượt trội, được dùng cho miếng đệm của nắp xi lanh để đảm bảo kín khít và vận hành ổn định ở điều kiện làm việc khắc nghiệt.
- Một miếng đệm đầu xi lanh loại thép laminate được sử dụng Một miếng chêm đã được thêm vào xung quanh lỗ khoan xi lanh để tăng bề
Bánh răng trục cân bằng
Miếng đệm nắp dầu xi lanh
42 mặt niêm phong, do đó cải thiện hiệu suất niêm phong và độ bền
Việc áp dụng buồng đốt taper đã nâng cao khả năng chống gõ động cơ và cải thiện hiệu quả nhiên liệu, đồng thời việc sử dụng cổng nạp thẳng đứng được thiết kế để tối ưu hiệu quả nạp và tăng hiệu suất vận hành của động cơ.
Việc lắp đặt kim phun trong đầu xi lanh cho phép kim phun nhiên liệu được đặt càng gần buồng đốt càng tốt, nâng cao hiệu quả phun và tối ưu quá trình cháy Vị trí này giúp nhiên liệu được hòa trộn và bắt lửa ngay tại buồng đốt, đồng thời ngăn nhiên liệu bám vào thành và tường của cổng nạp, từ đó làm giảm lượng khí thải HC và cải thiện hiệu suất động cơ.
Định tuyến nước làm mát trong đầu xi lanh được tối ưu hóa để đạt hiệu suất làm mát cao nhất Bên cạnh đó, một lối đi tránh nước được bố trí bên dưới các cổng xả nhằm giảm số lượng bộ phận và trọng lượng hệ thống, từ đó đơn giản hóa cấu trúc và cải thiện hiệu suất tổng thể của động cơ.
Cylinder Bore side Bên ngoai cạnh
- Hợp kim nhôm nhẹ được sử dụng cho khối xi lanh
- Bằng cách sản xuất các tấm lót gang mỏng và khối xi lanh như một bộ phận, việc nén chặt được thực hiện
Các lỗ dẫn khí được bố trí trong khu vực ổ trục khuỷu của khối xi lanh, giúp luồng khí tại đáy xi lanh chảy trơn tru hơn Nhờ đó, mất bơm (áp suất ngược ở đáy piston do chuyển động lên xuống của pít-tông gây ra) được giảm, từ đó cải thiện công suất và hiệu suất của động cơ.
Trong khối xi lanh, bộ lọc dầu và giá đỡ máy nén điều hòa không khí được tích hợp vào cacte, giúp tối ưu hóa không gian và giảm số lượng linh kiện rời Ngoài ra, buồng xoáy của máy bơm nước và vỏ bộ điều nhiệt cũng được tích hợp vào khối xi lanh, tăng cường sự gắn kết giữa các thành phần và cải thiện hiệu quả làm mát của hệ thống điều hòa.
Các lớp lót dạng gai được sản xuất để tăng độ nhám ở bề mặt ngoài của chúng, qua đó tăng cường độ bám dính giữa lớp lót và khối xi lanh nhôm Độ bám dính được cải thiện giúp tản nhiệt hiệu quả hơn cho hệ thống, từ đó nhiệt độ tổng thể giảm xuống và hạn chế biến dạng nhiệt ở các lỗ khoan xi lanh.
- Miếng đệm áo khoác nước được cung cấp trong áo khoác nước của khối xi lanh
Việc ngăn chặn dòng nước ở giữa áo khoác nước và hướng chất làm mát lên trên và xuống dưới các lỗ khoan xilanh giúp phân bổ nhiệt độ đồng đều trên toàn bộ bề mặt xi lanh Nhờ đó, dầu động cơ có thể duy trì độ nhớt thấp hơn, hoạt động như một lớp bôi trơn giữa thành xi lanh và piston và từ đó làm giảm ma sát.
Cơ cấu phân phối khí DOHC 16 van được định thời bằng xích con lăn một dãy (bước 8 mm), kết hợp với bộ căng thủy lực và cơ cấu bánh cóc, đồng thời được bôi trơn bằng vòi phun dầu riêng biệt để đảm bảo độ tin cậy và hiệu suất vận hành của động cơ.
Có đĩa xích VVT (hệ thống điều khiển van biến thiên) trên trục cam đầu vào, phạm vi - 50 ° (kiểu'2006 - 40 °) Áo khoác nước Áo khoác nước
Điều chỉnh khe hở van được thực hiện bằng một bộ tappets, không cần điều chỉnh vòng đệm hoặc bộ điều chỉnh mi, giúp đơn giản hóa việc bảo dưỡng động cơ Vì vậy, các chủ sở hữu thích hạn chế các thủ tục điều chỉnh vốn phức tạp và tốn kém.
Việc dự đoán tuổi thọ của xích thời gian rất khó; hiếm khi nó không cần thay thế và nó có thể lên tới 300.000 km, nhưng thường kéo dài khoảng 150.000 km, kèm theo tiếng ồn quá mức sau khi khởi động và các mã lỗi liên quan đến thời gian nếu xích bị mài mòn Khi thay xích thời gian, nên cân nhắc thay luôn các bộ phận liên quan như nhông xích, bộ căng và thanh dẫn, bởi những bộ phận đã qua sử dụng góp phần làm mòn xích mới nhanh hơn; tuy nhiên do đĩa xích trục cam đầu vào được lắp với bộ truyền động VVT (khoảng 120 USD), nhiều chủ xe không thực hiện khuyến nghị này Bộ căng thủy lực đòi hỏi thay thế khá thường xuyên, nhưng có thể được thực hiện dễ dàng từ bên ngoài mà không cần tháo vỏ xích.
THIẾT KẾ CƠ CẤU PISTON – THANH TRUYỀN – TRỤC KHUỶU
TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU PISTON – THANH TRUYỀN – TRỤC KHUỶU
Tiếp nhận trực tiếp lực khi thể để truyền đến trục khuỷu sinh công cho động cơ
Cùng với xylanh tạo thành buồng cháy của động cơ
Đảm bảo bao kín không cho khí lọt xuống cácte và dầu nhờn từ cácte sục lên buồng cháy
Ngoài ra, piston phối hợp với cơ cấu phân phối khí nhằm điều phối luồng khí và nhiên liệu, hút hỗn hợp khí cháy vào động cơ ở kỳ nạp, nén khí ở kỳ nén và thải khí ra ngoài ở kỳ thải.
Nối piston với trục khuỷu
Lực khí thể từ piston được truyền tới trục khuỷu của động cơ thông qua các liên kết cơ khí như thanh truyền, biến đổi động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu và tạo ra mô-men quay cho động cơ.
Tiếp nhận lực của piston do thanh truyền chuyển tới và biến đổi lực ấy thành momen xoắn truyền đến các cơ cấu truyền động
Chịu được áp suất và nhiệt độ cao
Đảm bảo buồng cháy kín, không cho khí cháy lọt xuống cácte vầ dầu bôi trơn sục lên buồng cháy
Độ cứng vững của thanh truyền phải đảm bảo để có thể truyền lực tốt từ piston
Vật liệu ít mòn, tiếng ồn nhỏ, dễ dàng điều chỉnh, sửa chữa, giá thành chế tạo thấp.
NHÓM PISTON
Piston là một chi tiết quan trọng của động cơ, vừa đảm nhiệm chức năng dẫn hướng vừa chịu tải trọng cơ học và tải trọng nhiệt lớn trong suốt quá trình hoạt động Cụ thể, piston nhận lực khí thể sinh ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệu, chịu nhiệt độ khí cháy cao và ma sát gây ra mài mòn lớn, nên thiết kế và vật liệu của piston quyết định độ bền, hiệu suất làm việc và tuổi thọ của động cơ.
Trong nhóm piston, lực quán tính tác dụng rất lớn, kết hợp với tải trọng cơ học và tải trọng nhiệt sinh ra bởi khí thể và gia tốc làm động cơ gây nên các ứng suất cơ học và ứng suất nhiệt trong piston Ma sát mài mòn xảy ra khi bề mặt piston với xilanh không được bôi trơn đầy đủ trong quá trình làm việc và khi chịu lực ngang, gây mòn và sinh nhiệt thêm Các lực này biến thiên theo chu kỳ, gây va đập mạnh lên các chi tiết của nhóm piston, xilanh và thanh truyền, có thể khiến piston biến dạng hoặc hư hỏng Các hiện tượng này ảnh hưởng tới độ bền và tuổi thọ của động cơ 1.1.2 Vật liệu chế tạo sẽ quyết định khả năng chịu lực, chịu mài mòn và chịu nhiệt của các chi tiết này, từ đó ảnh hưởng đến hiệu suất và độ bền của động cơ.
Piston được làm bằng hợp kim nhôm nên có khối lượng nhẹ, giảm lực quán tính tác động lên piston Nhờ khả năng truyền nhiệt tốt, nhiệt độ đỉnh của piston được giữ ở mức thấp, giúp giảm tải nhiệt và hạn chế kết muội Bề mặt ngoài của piston được phủ một lớp graphit.
Đỉnh piston là phần trên cùng của piston, cùng với xilanh và nắp xilanh tạo thành buồng cháy của động cơ Cấu tạo đỉnh lõm giúp tăng cường sự xoáy lốc hòa trộn hỗn hợp nhiên liệu và không khí được đưa vào xilanh trong quá trình nén, từ đó tối ưu hóa quá trình cháy và hiệu suất động cơ Thiết kế này cũng làm tăng diện tích chịu nhiệt của piston, góp phần nâng cao khả năng trao đổi nhiệt và độ bền của động cơ.
Ba rãnh xéc măng gồm hai xéc măng khí và một xéc măng dầu được bố trí để bảo đảm bao kín buồng cháy Cấu hình này ngăn khí cháy trong buồng cháy lọt xuống cácte và ngăn dầu nhờn từ các te sục lên buồng cháy, từ đó giảm thất thoát khí và tối ưu hóa hiệu suất động cơ.
Chốt piston được lắp với vòng séc-lip ở hai đầu để ngăn chặn sự dịch chuyển của chốt Trên thân piston có các lỗ khoan và đường dẫn dầu vào ra nhằm bôi trơn và làm mát piston, từ đó tăng tuổi thọ và hiệu suất hoạt động của động cơ.
Piston được thiết kế có dạng vành đai nhằm tăng độ cứng vững và khả năng chịu lực Để điều chỉnh trọng lượng, người ta cắt bỏ một phần kim loại ở phần chân piston nhưng vẫn đảm bảo được độ cứng cần thiết cho hoạt động ổn định Mặt dưới của đỉnh piston được trang bị các gân tản nhiệt, giúp tối ưu tản nhiệt và nâng cao hiệu suất làm việc của động cơ.
* Vị trí của lỗ bệ chốt:
Trong trường hợp chịu lực ngang, đặt chốt ở giữa cho trạng thái tĩnh sẽ giúp áp suất phân bố đồng đều trên toàn hệ thống Tuy nhiên, khi khí piston chuyển động, piston có xu hướng quay quanh chốt nên áp suất trên xy lanh không còn đồng đều nữa Vì vậy, chốt thường được đặt cao hơn so với trung tâm để đảm bảo phân bố áp suất hợp lý và giảm hiện tượng quay không mong muốn của piston.
Các kích thước cơ bản của piston được thể hiện qua bảng sau:
Ký hiệu Công thức Min – Max
Khoảng cách từ đỉnh đến xéc măng thứ nhất c (0.6-1.2)d 3,6 – 7,2 4,5
Vị trí chốt piston h (0.35-0.45)D 30,975 – 39,8 40 Đường kính chốt piston dcp (0.25-0.35)D 22,125 – 30,9 26 Đường kính bệ chốt piston db (1.3-1.6)dcp 33,8 – 41,6 32 Đường kính trong chốt d0 (0.6-0.8)dcp 19,2 – 25,6 22
Chiều dày bờ rãnh a1 >=a 2.5
Xéc măng khí có nhiệm vụ bao kín buồng cháy và ngăn không cho khí cháy rò xuống cácte, giúp duy trì áp suất và hiệu quả đốt cháy Xéc măng dầu có nhiệm vụ ngăn dầu sục lên buồng cháy, đồng thời kiểm soát lượng dầu bôi trơn giữa piston và thành xi-lanh để bảo vệ động cơ và giảm tiêu hao dầu.
Xéc măng khí hoạt động trong điều kiện nhiệt độ cao, chịu áp suất va đập lớn, ma sát và ăn mòn hóa học ở mức cao Bên cạnh đó, khi làm việc, xéc măng còn chịu ứng suất uốn do tác động của tải trọng và biến dạng của chi tiết máy.
1.2.2, Vật liệu chế tạo séc măng:
- Với điều kiện làm việc của séc măng như trên thì vật liệu chế tạo séc măng phải đầy đủ các tính chất như sau:
Chịu được mài mòn tốt ở điều kiện ma sát tới hạn
Có hệ số ma sát nhỏ đối với xylanh
Có sức bên và độ đàn hồi cao và ổn đinh trong điều kiện nhiệt độ cao
Có khả năng tạo khít với mặt xylanh một cách nhanh chóng
Ta chọn hợp kim gang làm vật liệu chế tạo xéc măng đáp ứng được các điều kiện trên
1.2.3, Kết cấu của xéc măng:
- Xéc măng có kết cấu đơn giản, đường kính ngoài của xéc măng ở trạng thái lắp ghép trong xylanh
- Xéc măng gồm mặt đáy, mặt lưng, mặt bụng, chiều dày séc măng là khoảng cách giữa 2 mặt đáy
- Theo nhiệm vụ xéc măng gồm có séc măng dầu và séc măng khí
Xéc măng có nhiều kiểu tiết diện khác nhau Tùy vào loại động cơ, áp suất khí và tốc độ động cơ, ta lựa chọn tiết diện phù hợp nhất để tối ưu hiệu suất làm việc và độ bền của động cơ.
Đối với động cơ 2AZ-FE, đây là động cơ tốc độ cao có áp suất khí thể lớn, nên ta chọn xéc măng có tiết diện dạng chữ L Nguyên nhân là xéc măng và xi lanh chỉ tiếp xúc một phần ở mặt lưng của xéc măng, vì vậy áp suất tiếp xúc tăng cao và tạo sự kín khít nhanh chóng.
Xéc măng dầu có nhiều loại với tiết diện khác nhau, như hình thang, tổ hợp và lò xo xoắn Với động cơ 2AZ-FE – một động cơ tăng tốc đòi hỏi khả năng bôi trơn piston ở mức cao, vì vậy việc chọn xéc măng loại tổ hợp là sự lựa chọn phù hợp Cấu tạo của xéc măng tổ hợp bao gồm một lò xo xoắn và một vòng cách được kẹp chặt lại bằng hai vòng thép, nhằm đảm bảo độ kín và giới hạn khe hở piston.
Kết cấu xéc măng khí và dầu
Kích thước cơ bản của xéc măng động cơ 2AZ-FE
Chiều dày bờ rãnh a1 >=a 2.5
- Chốt piston làm việc trong điều kiện tải trọng cơ học, tải trọng nhiệt, tải trọng va đập cao
1.3.2, Vật liệu chế tạo chốt piston:
Vật liệu làm chốt piston phải đảm bảo độ bền cơ học, độ bền nhiệt cao Thông thường vật liệu chế tạo là thép hợp kim
Kết cấu chốt piston có cấu tạo đơn giản, chốt piston có dạng hình trụ rỗng( mặt ngoài hình trụ, mặt trong làm rỗng để làm giảm vật liệu
- Kích thước cơ bản của chốt: Đường kính chốt piston dcp (0.25-0.35)D 22,12– 30,97 26
Chiều dài chốt L chốt 60 Đường kính trong chốt d0 (0.6-0.8)dcp 19,2– 25,6 22
NHÓM THANH TRUYỀN
- Nhóm thanh truyền gồm có: thanh truyền, bu lông thanh truyền bạc lót
- Trong quá trình làm việc, nhóm thanh truyền truyền lực tác dụng trên piston cho trục khuỷu, làm quay trục khuỷu
3.1.1, 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 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 và uốn theo cả hai chiều dọc và ngang; đầu nhỏ thanh truyền bị biến dạng méo, còn nắp đầu to bị uốn và kéo.
3.1.2, Vật liệu chế tạo của thanh truyền:
Vật liệu chế tạo thanh truyền phải có độ cứng vững, độ bền cơ học cao, thông thường là thép hợp kim
3.1.3, Kết cấu của 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 trên piston, đảm bảo sự tiếp xúc tối ưu và giảm mài mòn cho các chi tiết chuyển động Ngoài ra, trên đầu nối thanh truyền còn có một lỗ hứng dầu giúp văng dầu từ trục khuỷu lên động cơ, phân bổ dầu nhờn đến các vùng cần bôi trơn để duy trì hiệu suất vận hành.
Kết cấu đầu nhỏ thanh truyền
- Thông số cơ bản của đầu nhỏ thanh truyền
Thông số Động cơ xăng Giá trị Đường kính ngoài bạc d1 (1,1-1,25)dcp 26 Đường kính ngoài d2 (1,25-1,65)dcp 36
Chiều dài đầu nhỏ ld (0,28-0,32)D 28
Chiều dày đầu nhỏ sd (d 2 − d 1 )/2 5
Chiều dày bạc đầu nhỏ (0,055-0,085)dcp 2
Thân thanh truyền nối đầu nhỏ với đầu to và truyền lực khí thể từ piston xuống trục khuỷu của động cơ, do đó phải chịu tải trọng lớn Trong quá trình hoạt động, nó đối mặt với ứng suất uốn và ứng suất nén cao vì chu kỳ làm việc của piston, khiến thiết kế và vật liệu của thân thanh truyền đóng vai trò then chốt cho độ bền và hiệu suất động cơ Vì vậy, việc chọn vật liệu có độ bền cao, gia công chính xác và kích thước tối ưu là yếu tố quan trọng để đảm bảo tuổi thọ và độ tin cậy của hệ thống truyền động.
Thân thanh truyền dùng trong động cơ 2AZ-FE được thiết kế với tiết diện hình chữ I để tăng độ cứng vững cho thanh truyền và đồng thời tiết kiệm vật liệu Loại thân thanh truyền có tiết diện chữ I này được chế tạo theo phương pháp rèn khuôn, mang lại sự bền bỉ và khả năng chịu tải tối ưu cho động cơ.
Để phù hợp với quy luật phân bố lực quán tính trên mặt phẳng song song, chiều rộng của thanh truyền được thiết kế tăng dần từ đầu nhỏ tới đầu to Việc này giúp phân bố lực quán tính một cách đồng đều theo hướng truyền động và tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.
Chiều dài l của thanh truyền phụ thuộc vào thông số: l
Thông số thân thanh truyền
Chiều dài thanh truyền L 185 mm
Tiết diện ngang của thân thanh truyền như hình 3.7
Hình 3.7 Tiết diện thân 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
Kết cấu đầu to thanh truyền
- Các kích thước cơ bản của đầu to thanh truyền
Ký hiệu Công thức TN Min - Max Giá trị Đường kính ngoài bạc dck (0.56-0.75)D 53,1– 61,95 56
Chiều dày bạc lót tbl (0.03-0.05)dck 1,68 – 2,8 2
Khoảng cách tâm bulong C (1.3-1.75)dck 72,8 – 98 81
Chiều dày đầu to ldt (0.45-0.95)dck 25,2 – 53,2 30
Chiều dài thanh truyền Ltt Ltt=R/lamda 185
3.2- Bạc lót đầu to thanh truyền:
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
Vật liệu chế tạo bạc lót ta chọn hợp kim nhôm là đáp ứng được các yêu cầu trên 3.2.2) Kết cấu bạc lót
65 sử dụng bạc lót mỏng với chiều dày bạc lót chọn dbl=2mm
Trên mỗi nữa bạc lót đều có lưỡi gà để định vị bạc lót trên đầu to thanh truyền
Hai nửa bạc lót được căng lên hai đầu to của bộ ghép, đảm bảo sự ôm sát và độ căng cần thiết cho quá trình lắp ghép Để đạt được độ căng khi lắp ghép, đường kính ngoài của bạc lót phải lớn hơn đường kính đầu to khoảng 0,03–0,04 mm.
Khe hở giữa bạc lót và má khuỷu không được vượt quá 0.15–0.25 mm để đảm bảo duy trì màng dầu bôi trơn trên trục Khi khe hở lớn hơn giới hạn này, dầu bôi trơn sẽ bị bắn ra ngoài, làm giảm hiệu quả bôi trơn và có thể làm mất lớp màng dầu trên trục.
Hình 3.9: kết cấu bạc lót
Bulông thanh ruyền 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
Vật liệu chế tạo bulông thanh truyền là thép hợp kim, còn thép cacbon chỉ dùng trong động cơ hai kỳ tốc độ chậm
3.3.3, Kết cấu bu lông thanh truyền:
Hình dạng kết cấu của bulông thanh truyền có nhiều kiểu khác nhau, chủ yếu được quyết định bởi công dụng của động cơ và các biện pháp nâng cao sức bền mỏi của bulông Việc chọn kiểu bulông phù hợp giúp tối ưu khả năng chịu tải, giảm rung động và nâng cao hiệu suất vận hành của động cơ Để tăng sức bền mỏi, người ta áp dụng các phương pháp như tối ưu hóa vật liệu, gia công bề mặt và xử lý nhiệt, cùng với thiết kế tiết diện và gia công đầu bulông phù hợp Nhờ các yếu tố này, bulông thanh truyền có thể duy trì độ tin cậy cao và tuổi thọ động cơ được kéo dài trong suốt quá trình vận hành Hiểu rõ sự liên kết giữa hình dạng kết cấu bulông, chức năng của động cơ và các biện pháp cải thiện sức bền mỏi là cơ sở cho thiết kế, sản xuất và bảo dưỡng bulông thanh truyền tốt hơn.
Góc lượn ở các chỗ nối để tránh ứng suất tập trung
Để giảm ứng suất trên mối ren, sử dụng đai ốc chịu kéo và thiết kế chiều dài ren vừa đủ sao cho khi vặn lút hết đai ốc, lực được phân bổ đồng đều lên các vòng ren, giúp giảm tối đa căng thẳng ở mối ren thứ nhất.
Để tăng sức bền chống mỏi của bu lông thanh truyền, ở phần thân nối ren thường làm thắt lại 1 ít;
Kết cấu bulông thanh truyền.
TRỤC KHUỶU
Trục khuỷu là một trong những chi tiết máy quan trọng nhất, cường độ làm việc lớn nhất của động cơ đốt trong
Trục khuỷu có chức năng tiếp nhận lực tác động lên piston thông qua thanh truyền Lực này được chuyển đổi từ chuyển động tịnh tiến của piston sang chuyển động quay của trục khuỷu, nhờ đó công suất được đưa ra ngoài và hệ thống có thể dẫn động các máy công tác khác.
4.2 Điều kiện làm việc: trạng thái làm việc của trục khuỷu là rất nặng Chịu va đập rung xóc khi làm việc Trong quá trình làm việc, trục khuỷu chịu tác dụng của lực khí thể, lực quán tính (quán tính chuyển động tịnh tiến và quán tính chuyển động quay) những lực này có trị số rất lớn thay đổi theo chu kỳ nhất định nên có tính chất va đập rất mạnh Ngoài ra các lực tác dụng nói trên còn gây ra hao mòn lớn trên các bề mặt ma sát của cổ trục và chốt khuỷu
Vật liệu dùng để chế tạo hiện nay là thép cácbon Ưu điểm:
Hệ số ma sát của thép cacbon lớn hơn thép hợp kim, do đó thép cacbon có khả năng làm giảm dao động xoắn, khiến biên độ dao động xoắn nhỏ hơn và ứng suất xoắn cũng thấp hơn.
Chi phí rẻ hơn thép hợp kim nên giá thành của trục khuỷu cũng thấp hơn
4.4- Kết cấu trục khuỷu: Động cơ 4 xylanh 4 kỳ nên sẽ có 4 cổ trục bố trí thẳng hàng thứ tự làm việc 1- 3-4-2
1- Đầu trục khuỷu ; 2-Má khuỷu; 3-Cỗ trục;4- Đường dẫn dầu bôi trơn ;5- Chốt khuỷu ; 6-Bánh răng trục cân bằng; 7- Đuôi trục khuỷu
Thiết bị này được dùng phổ biến để lắp bánh răng dẫn động cho các hệ thống như bơm nước, bơm dầu bôi trơn, bánh đai dẫn động quạt gió và bánh răng dẫn động trục cam Khi lắp trên đầu trục khuỷu theo kiểu lắp căng hoặc lắp trung gian, đều có then bán nguyệt để cố định và truyền mô-men xoắn một cách ổn định.
- Nằm trên cùng đường tâm với đầu trục khuỷu, các cổ trục thường có cùng 1
68 kích thước, các đường dầu được khoan trong chốt
- Trên các động cơ tốc độ cao đường kính chốt khuỷu có thể nhỏ hơn đường kính cổ trục một ít để giảm lực quán tính chuyển động quay
- Trong các chốt khoan các đường dầu để bôi trơn đầu to thanh truyền
Trong cơ cấu cơ khí, má khuỷu là bộ phận liên kết chốt khuỷu và cổ khuỷu, đảm bảo liên kết chắc chắn và định vị chính xác cho toàn bộ trục Hình dạng má khuỷu có nhiều biến thể như hình chữ nhật, hình tròn và hình elip; ở đây ta chọn hình dạng elip để tiết kiệm trọng lượng và giảm quán tính cho trục, từ đó nâng cao hiệu suất vận hành và độ nhạy của cơ cấu.
Việc cân bằng các lực và momen quán tính không cân bằng của động cơ giúp ổn định vận hành và giảm rung động Nó có tác dụng giảm tải cho cổ trục, làm cho cổ trục không chịu ứng suất uốn do momen quán tính gây ra, từ đó nâng cao độ bền của hệ thống truyền động Đối trọng thường liên kết liền với má khuỷu để tối ưu hiệu quả cân bằng và giảm dao động.
Trục khuỷu của động cơ thường được lắp ghép với các chi tiết dẫn động công suất ra ngoài, chẳng hạn như bánh đà và khớp nối Những bộ phận này được gắn lên mặt bích trên trục khuỷu để đảm bảo liên kết chắc chắn và truyền động hiệu quả Việc lắp đặt đúng mặt bích và định vị các chi tiết dẫn động giúp giảm rung, nâng cao độ ổn định và an toàn trong quá trình vận hành động cơ.
Thông số tính toán được ghi vào bảng sau:
Các thông số cơ bản Ký hiệu Công thức TN Min - Max Giá trị Đường kính cổ trục đc (0.7-0.85)D 57,5 – 70,8 65
Chiều dài cổ trục lc (0.5-0.6)đc 32,5 – 39 35 Đường kính chốt khuỷu dck (0.6-0.7)D 53,1 – 61,95 56
Chiều dài chốt khuỷu lck (0.45-0.6)dck 25,2 – 33,6 32
Chiều dày má khuỷu bm (0.24-0.27)D 21,24– 23,9 20 Độ trùng điệp xích ma 16
THIẾT KẾ THÂN MÁY – NẮP MÁY VÀ CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ
THÂN MÁY VÀ NẮP MÁY
1.1- Tổng quan thân máy và nắp máy:
Trong động cơ đốt trong, các chi tiết cố định bao gồm nắp xilanh, thân xilanh, hộp trục khuỷu, đế máy và máng dầu Thân máy và nắp máy là hai thành phần có khối lượng lớn và kết cấu phức tạp, đóng vai trò làm nền tảng cho toàn bộ kết cấu động cơ Hầu hết các cơ cấu và hệ thống của động cơ đốt trong được lắp đặt trên thân máy và nắp máy, đảm bảo sự liên kết chắc chắn giữa các chi tiết và sự vận hành ổn định của động cơ.
Kết cấu của thân xilanh và nắp xilanh có nhiều dạng, có thể được làm riêng cho từng xilanh hoặc chế tạo chung cho nhiều xilanh Kết cấu này phụ thuộc nhiều vào kiểu làm mát của động cơ Khi làm mát bằng nước, khoảng không gian xung quanh xilanh để chứa nước làm mát được gọi là áo nước.
Trong thiết kế thân máy, có hai loại dựa trên cách tích hợp xylanh: thân máy kiểu thân xylanh, với xylanh đúc liền vào thân máy tạo thành một khối đồng nhất; và thân máy kiểu vỏ thân, khi xylanh được gia công riêng thành ống lót và sau đó lắp vào thân máy Việc phân loại này ảnh hưởng đến cấu trúc, độ bền và quy trình bảo trì, đồng thời liên quan đến chất liệu, đường kính xylanh và cách lắp ghép để tối ưu hiệu suất vận hành.
Trong thiết kế thân máy, khi thân máy đúc liền với hộp trục khuỷu, cấu trúc này được gọi là thân máy kiểu thân xylanh – hộp trục khuỷu Ngược lại, nếu thân xylanh và hộp trục khuỷu tách rời nhau thì người ta gọi là thân máy kiểu thân rời Để ghép các phần của thân máy với nhau, người ta thường dùng gujong dài suốt từ đế máy lên nắp xilanh.
Trong động cơ đốt trong, thân máy là chi tiết có kết cấu phức tạp, kích thước và khối lượng lớn Đối với động cơ ô tô, khối lượng của thân máy thường chiếm khoảng 30%–60% khối lượng toàn bộ động cơ, cho thấy vai trò quan trọng của nó trong thiết kế và vận hành Nhiệm vụ của thân máy là chịu tải cơ học và nhiệt, làm nền cho các thành phần chính như piston, xy-lanh và trục khuỷu, đồng thời liên kết và cố định đầu xilanh, van và các bộ phận khác để đảm bảo độ kín khí, sự bền bỉ và hiệu suất làm việc của động cơ.
Thân máy phối hợp với xi lanh, nắp xi lanh và piston để hình thành không gian làm việc của môi chất, nơi diễn ra các quá trình nạp, nén, cháy, giãn nở và thải sản phẩm cháy ra khỏi động cơ, từ đó tạo nên chu trình làm việc liên tục cho động cơ.
- Trong quá trình làm việc, thân máy đóng vai trò truyền nhiệt giữa môi chất công tác và môi trường để làm mát động cơ
- Thân máy là chi tiết bố trí các đường dầu bôi trơn để dẫn dầu đến ổ trục khuỷu, ổ trục cam,…
- Làm thành một khung chịu lực, trên đó bố trí các ổ trục khuỷu, các cơ cấu và các hệ thống của động cơ c, kết cấu:
Động cơ được thiết kế theo kiểu thân máy hình xylanh – hộp trục khuỷu; các xy lanh được đúc liền với thân máy hoặc làm ống lót rồi lắp lên thân, và quanh thân máy được trang bị hệ thống làm mát bằng nước để giải nhiệt trong quá trình vận hành.
Thân máy đúc liền với hộp trục khuỷu giúp giảm bớt các chi tiết lắp ghép, làm quá trình gia công đơn giản hơn Mặt tiếp xúc giữa thân máy và hộp trục khuỷu chỉ cần được làm mỏng đúng bằng chiều dày vỏ của thân, không cần gia công mặt lắp ghép riêng Nhờ những ưu điểm này, thân máy thường nhỏ gọn và tiết kiệm kim loại hơn so với thân rời.
Kiểu thân xylanh hộp trục khuỷu chịu lực chủ yếu từ lực tác động lên thân xylanh Trong kết cấu này, lực khí nén tác dụng lên nắp xilanh sẽ được truyền sang thân xylanh thông qua các liên kết giữa nắp xilanh và thân xylanh, gây ra ứng suất kéo trên các tiết diện của thân xylanh.
Chiều cao thân máy H= 275mm
Chiều dài thân máy L= 480mm
Chiều cao phần thân xylanh: h= 165mm
Chiều rộng phần thân xylanh: B= 190mm Đường kính bulong nối giữa thân máy và bệ máy: d1= 15mm
Lót xylanh là chi tiết dạng ống được lắp vào thân máy nhằm kéo dài tuổi thọ của máy Thân máy có sự phụ thuộc vào nhiều yếu tố và kiểu lót xylanh có thể là lót xylanh khô, lót xylanh ướt hoặc không dùng lót xylanh Mặt trong của lót xylanh được gia công với độ chính xác cao và được mài bóng, gọi là mặt gương xylanh; độ cong (côn) và độ ô van cho phép của mặt gương xylanh nằm trong phạm vi 0,01–0,06 mm.
Động cơ dùng loại ống lót ướt là dạng ống lót được lắp vào vỏ thân động cơ, với mặt ngoài của ống lót xi lanh tiếp xúc trực tiếp với nước làm mát Thiết kế này tối ưu việc trao đổi nhiệt, giúp làm mát nhanh và đồng đều quanh thành xi lanh, từ đó tăng hiệu suất và độ bền của động cơ Đây là lựa chọn phổ biến cho các động cơ đòi hỏi làm mát mạnh và vận hành ổn định.
Lót xylanh ướt có đặc điểm:
Hiệu quả làm mát của xylanh được cải thiện khi sử dụng lót xylanh ướt so với loại lót xylanh khô, bởi lót xylanh ướt tiếp xúc trực tiếp với nước làm mát, cho quá trình tản nhiệt diễn ra nhanh và ổn định, từ đó không xảy ra hiện tượng quá tải nhiệt ở xylanh.
- Vật liệu và công nghệ đúc thân máy khi dùng lót xylanh ướt không yêu cầu cao
- Công nghệ gia công lót xylanh cũng đơn giản hơn lót xylanh khô
- Thuật tiện trong việc bảo dưỡng, sửa chữa và thay thế
- Khó bao kín, dễ bị rò nước làm mát và lọt khí Độ cứng vững kém hơn lót xylanh khô
- Nắp xylanh là chi tiết đậy kín một phần phía trên của xylanh, cùng với xylanh và piston tạo thành không gian buồng cháy
- Để gá lắp các chi tiết và các hệ thống khác như: bugi, vòi phun, cơ cấu phân phối khí,…
- Ngoài ra nắp máy còn là chi tiết để bố trí các đường nạp, thải, dẫn dầu bôi trơn,… b, Kết cấu:
Nắp xilanh phải hoạt động trong điều kiện làm việc rất khắc nghiệt, chịu nhiệt độ cao và áp suất lớn, đồng thời chịu sự ăn mòn hóa học bởi các hợp chất có trong sản phẩm cháy; vì vậy vật liệu và thiết kế của nắp xilanh phải đảm bảo khả năng chịu nhiệt, chịu áp suất và chống ăn mòn để duy trì hiệu suất và tuổi thọ của động cơ; việc lựa chọn vật liệu chịu mòn phù hợp, lớp phủ bảo vệ và công nghệ gia công tối ưu là yếu tố quyết định độ bền của nắp xilanh trong môi trường đốt cháy liên tục.
- Đa số nắp động cơ xăng đều dùng hợp kim nhôm, vì hợp kim nhôm nhẹ và tản nhiệt tốt
Nắp xilanh được ghép lên thân máy bằng một tấm gioăng Bulong lắp ghép và nắp xilanh được siết đều theo trình tự và trị số siết nhất định để tránh rò rỉ khí cháy và hư hỏng gioăng cũng như hư hỏng nắp xilanh Để đảm bảo độ kín khít, cần kiểm tra độ phẳng mặt tiếp xúc giữa xilanh và nắp xilanh mỗi khi tháo lắp.
Kết cấu nắp máy của động cơ phụ thuộc vào buồng cháy, cách bố trí cơ cấu van và số van của cơ cấu phân phối khí, bugi, kiểu làm mát động cơ và đường nạp thải trên nắp xilanh Việc tối ưu các yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất đốt cháy, công suất, mức tiêu thụ nhiên liệu và độ bền của động cơ, đồng thời tác động đến nhiệt độ vận hành và khí thải Vì vậy, khi thiết kế nắp máy cần cân nhắc kỹ lưỡng từ cấu hình buồng cháy, bố trí van và số van, vị trí bugi, kiểu làm mát cho đến đường nạp thải trên nắp xilanh để đảm bảo động cơ hoạt động ổn định và hiệu quả.
CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ
2.1- Nhiệm vụ và yêu cầu: a, Nhiệm vụ:
Hệ thống phân phối khí có nhiệm vụ thực hiện quá trình thay đổi khí trong động cơ, thải sạch khí thải ra khỏi xilanh và nạp đầy hỗn hợp khí hoặc khí mới vào xilanh động cơ để động cơ làm việc được liên tục, ổn định, phát huy hết công suất thiết kế.
- Cơ cấu phân phối khí phải đảm bảo các yêu cầu:
+ Quá trình thay đổi khí phải hoàn hảo, nạp đầy thải sạch
+ Đóng mở xupap đúng quy luật và đúng thời gian quy định
+ Độ mở lớn để dòng khí lưu thông, ít trở lực
+ Đóng xupap phải kín nhằm đảm bảo áp suất nén, không bị cháy do lọt khí
+ Xupap thải không tự mở trong quá trình nạp
+ Ít va đập, tránh gây mòn
+ Dễ dàng điều chỉnh, sửa chữa, giá thành chế tạo thấp
2.2- Phương án bố trí xupap và dẫn động cơ cấu phân phối khí: a, Phương án bố trí và dẫn động xupap: bố trí xupap treo
- Cơ cấu phân phối khí dùng xupap treo vì kết cấu của loại xupap treo làm cho buồng cháy nhỏ gọn, tăng được tỷ số nén
- Ưu điểm: + Buồng cháy rất gọn
+ Diện tích bề mặt truyền nhỏ nên làm giảm tổn thất nhiệt
+ Với động cơ xăng thì khi sử dụng cơ cấu này có thể tăng tỷ số nén thêm 0,5 – 2 so với bố trí xupap đặt
+ Đường nạp và đường thải thông thoáng, làm cho sức cản khí động nhỏ và tăng được hệ số nạp 5 – 7%
Dẫn động xupap phức tạp và làm tăng chiều cao động cơ
Làm cho kết câu của nắp xylanh trở nên phức tạp gây khó khăn cho gia công chế tạo
Động cơ sử dụng 16 xupap có cấu hình mỗi xilanh có 4 xupap, gồm 2 xupap nạp và 2 xupap thải; các xupap nạp nằm về một phía và các xupap thải nằm về một phía, giúp tối ưu hóa luồng khí và hiệu suất đốt nhiên liệu.
Dẫn động xupap bằng 2 trục cam đặt trên nắp xylanh, mỗi trục cam sẽ dẫn động trực tiếp 1 dãy xupap nạp và 1 dãy xupap thải theo kiểu DOHC
Việc sử dụng kết cấu phân phối khí DOHC như trên làm cho cơ cấu đơn giản hơn, mở rộng không gian trên nắp máy và thuận tiện cho thiết kế các góc xupap Việc tăng kích thước xupap đồng thời giúp đảm bảo hình dạng buồng cháy tối ưu, nhằm nâng cao hiệu suất đốt cháy của động cơ.
Chọn góc giữa 2 dãy xupap nạp và thải: β= 22.5 o b- Phương án dẫn động trục cam:
Trục cam có thể được dẫn động trực tiếp hoặc gián tiếp từ trục khuỷu với tỷ lệ truyền 1:2 Khi lắp ghép, chú ý căn chỉnh đúng dấu trên bánh răng trục cam và bánh răng trục khuỷu để không làm sai quy luật phân phối khí, từ đó bảo đảm thời gian mở van và hiệu quả phân phối khí cho động cơ.
- Động cơ sử dụng phương pháp dẫn động trục cam bằng xích vì trục khuỷu và trục cam đặt khá xa với nhau
- Ưu điểm: gọn nhẹ và dùng được cho các trục có khoảng cách lớn
- Nhược điểm:+ việc sử dụng xích sẽ có giá thành lớn hơn so với việc sử dụng bánh răng để dẫn động trục cam
+ Khi cơ cấu làm việc xích sẽ có nguy cơ gây ra tiếng ồn và dễ bị rung động làm sai lệch pha phân phối khí
+ Nên để làm cho xích luôn được căng, sử dụng thêm cơ cấu căng xích
2.3- Kết cấu các chi tiết chính trong cơ cấu phân phối khí:
Trong quá trình làm việc, xupap đóng và mở các lỗ nạp và lỗ thải đúng thời điểm quy định, đóng vai trò then chốt trong quy luật phối khí của động cơ Nhờ sự hoạt động chính xác của xupap, quá trình nạp, nén, cháy và thải diễn ra đồng bộ, tối ưu hóa hiệu suất động cơ, tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải, từ đó đảm bảo sự ổn định và hiệu quả của hệ thống phối khí động cơ.
- Khi thực hiện quá trình đóng mở, mặt nấm xupap chịu tải trọng va đập, lực khí thể và tải trọng nhiệt độ rất lớn
- Lực khí thể tác dụng lên mặt nấm có thể đạt 10000 – 30000N
- Va đập mạnh với đế xupap nên rất dễ bị biến dạng
- Mặt nấm xupap thải tiếp xúc trực tiếp với khí cháy có nhiệt độ cao (1100-
- Bị ăn mòn hóa học do lưu huỳnh trong nhiên liệu cháy tạo thành axit ăn mòn mặt nấm
Vì điều kiện làm việc phức tạp nên vật liệu chế tạo xupáp thải phải có sức bền cơ học cao, chịu nhiệt tốt và chống ăn mòn hóa học Còn đối với xupáp nạp, do được làm mát bởi dòng khí nạp đi vào nên thường dùng loại vật liệu có yêu cầu thấp hơn như thép hợp kim crom hay crom niken.
Động cơ vẫn sử dụng hệ thống điều khiển phân phối khí thông minh VVT-i, có tác dụng điều chỉnh góc phối khí của trục cam nạp một cách tối ưu theo từng chế độ hoạt động của động cơ, nhằm nâng cao công suất, tối ưu hiệu suất nhiên liệu và giảm thiểu lượng khí thải gây ô nhiễm.
Xupap được cấu tạo gồm 3 phần: nấm xupap, thân xupap và đuôi xupap a, nấm xupap:
Mặt nấm xupap tiếp xúc với đế xupap nên đây là bề mặt làm việc quan trọng nhất của xupap Mặt nấm có dạng hình côn với góc α= 15 – 45 o Nếu góc α càng nhỏ thì tiết diện lưu thông càng lớn, tuy nhiên phần nấm sẽ mỏng đi và độ cứng vững càng kém
Chọn góc côn của mặt nấm α= 45 o
Góc của mặt côn trên nấm thường làm nhỏ hơn góc của mặt côn trên đế xupap khoảng 0,5- 1 o để đảm bảo kín khít, cho dù mặt nấm có biến dạng nhỏ
Sử dụng loại nấm bằng cho xupap vì nấm có kết cấu đơn giản và có thể dùng cho cả xupap nạp lẫn xupap thải Đường kính nấm xupap nạp là 32 mm, đường kính nấm xupap thải là 30 mm.
Chiều rộng b của mặt côn trên nấm b= 0,05- 0,12dn = 1,6- 3,84mm chọn b= 3 mm cho cả xupap nạp và xupap thải b, thân xupap:
Thân xupap đóng vai trò dẫn hướng và tản nhiệt, vì vậy để phát huy tối đa chức năng này, phần thân thường được thiết kế để tăng đường kính nhằm tối ưu khả năng dẫn hướng và tản nhiệt Tuy nhiên kích thước của thân không nên quá lớn, vì xupap yêu cầu sự gọn nhẹ và dòng khí lưu thông dễ dàng và hiệu quả.
Trục cam trực tiếp dẫn động xupap khiến lực nghiêng lớn nhất tập trung ở thân xupap, do đó tăng cường đường kính thân xupap là biện pháp để nâng cao độ bền và khả năng chịu lực cho cả xupap nạp và xupap thải Đề xuất chọn dt = 5mm cho đường kính thân xupap và lt = 76mm cho chiều dài thân xupap ở cả hai loại xupap Để tránh xupap bị kẹt trong ống dẫn hướng khi nóng, có thể thu nhỏ đường kính thân ở phần đầu hoặc khoét rộng lỗ ống dẫn hướng một chút ở phần đầu nhằm duy trì sự trơn tru và giảm ma sát.
79 c, Đuôi xupap: Đuôi của xupap có hình dạng đặc biệt để lắp ghép với đĩa lò xo
Khi dẫn động xupap, đĩa lò xo gắn với xupap bằng hai móng hãm hình côn lắp vào phần đuôi xupap; mặt côn phía ngoài của móng hãm ăn khớp với mặt côn của lỗ đĩa lò xo Các rãnh hãm trên đuôi xupap có thể là rãnh hình trụ, hình nón, hình côn, một rãnh hoặc nhiều rãnh Để tăng tuổi thọ của xupap và đảm bảo xupap làm việc tốt, có thể thiết kế cơ cấu xoay xupap quanh đường tâm của nó Xupap vừa chuyển động tịnh tiến vừa xoay tròn quanh tâm, làm cho thân xupap ít mòn và nấm xupap tiếp xúc tốt với đế Tốc độ quay thường ở mức nhỏ; sau vài chục lần đóng mở, xupap mới quay được một vòng.
Trong hệ thống phân phối khí của động cơ, đế xupap được lắp vào nắp xilanh trong cơ cấu xupap treo nhằm giảm mài mòn cho nắp xilanh khi chịu va đập từ xupap Việc ghép đế xupap vào nắp xilanh giúp giảm ma sát, gia tăng tuổi thọ của các chi tiết van và nâng cao độ tin cậy của hệ thống phân phối khí Nhờ đó, xupap treo hoạt động ổn định hơn và cải thiện hiệu suất động cơ, đồng thời giảm nguy cơ hỏng hóc sớm.
Đế xupáp được chế tạo từ hợp kim chống mòn cao và được ép chặt vào nắp máy Trong quá trình làm việc, đế xupáp chịu va đập với nấm xupáp và nhiệt độ cao trong buồng cháy.
TÍNH TOÁN PHẦN CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ
3.1- Tiết diện lưu thông của xupáp:
- giả thiết dòng khí đi qua họng đế xupáp là ổn định, coi dòng khí nạp, thải có tốc độ bình quân và tốc độ pittông không đổi
Căn cứ vào giả thiết tính ổn định, liên tục của dòng khí ta có thể xác định được tốc độ khí qua họng xupáp:
𝑖.𝐷 ℎ 2 Trong đó: vkk (m/s) là tốc độ trung bình của dòng khí qua họng đế vkk = 50 m/s
Fh (m 2 ):Tiết diện lưu thông của họng đế xupáp
Dh(m): Đường kính họng đế xupáp Dh= 0,032 (m) i: Số xupáp i= 8 xupap vp: Vận tốc trung bình của piston
Fp: Diện tích đỉnh piston
• Tiết diện lưu thông fk qua xupap
Mà d1 = dh + 2e ; h' = h cosα ; e = h' sinα fkx =π h (dh cosα + hsinαcos 2 α)
Khi α = 0, thì fkx = πhdh, dòng khí lưu động khó (bị gấp khúc)
Khi α = 30 0 thì fkx = πh(0,866dh + 0,375h), dùng cho xupáp nạp
Khi α = 45 0 thì fkx = πh(0,707dh + 0,353h), dùng cho xupáp nạp, thải
Rõ ràng fk phụ thuộc vào α và h; khi α giảm, tiết diện lưu thông càng lớn Hành trình h tăng lên khiến fk càng lớn; tuy vậy tiết diện lưu thông fk không thể vượt quá tiết diện của họng đế xupáp.
Trong trường hợp α ≠ 0, hành trình xupáp phải lớn hơn dh/4 mới có thể đạt điều kiện tiết diện lưu thông bằng tiết diện họng đế Với α = 45°, hmax = 0,31 dh Hiện nay thường dùng hmax ở mức từ 0,18 dh đến 0,3 dh, tương đương khoảng 6,4×10^-3.
Tiết diện lưu thông qua xupáp thoả mãn điều kiện sau:
Tiết diện lưu thông của xupáp được quyết định bởi quy luật động học của cam và pha phân phối khí Việc lựa chọn hợp lý các thông số liên quan sẽ tối ưu hóa trị số tiết diện lưu thông trung bình fktb và giúp đạt giá trị tối đa có thể.
Xây dựng biên dạng cam lồi theo các bước
- Góc công tác của cam nạp 𝜑 𝑛 = 180 𝑜 + 𝛼 1 + 𝛼 2
2 = 124 𝑜 =; α1, α2 là góc mở sớm đóng muộn xupáp nạp
- Góc công tác của cam thải𝜑 𝑡 = 180 𝑜 + 𝛽 1 + 𝛽 2
2 = 113 𝑜 ; β1, β2 là góc mở sớm đóng muộn xupáp thải
Chọn dc 2 mm: đường kính trục cam
R,5mm: bán kính cơ sở của cam
H=7 mm: độ nâng lớn nhất của con đội r: bán kính cung đỉnh cam
Vẽ vòng tròn tâm O bán kính R, xác định góc AOA' = φ = 124 o
Trên đường phân giác của góc AOA' ta lấy EC = h = 7 mm
Vẽ vòng tròn đỉnh cam có tâm O1 bán kính r nằm trên đường phân giác ấy, vòng tròn ấy đi qua C
Vẽ cung tròn bán kính ρ tiếp tuyến với hai vòng tròn trên có tâm O2 nằm trên đường kéo dài của AO
* Tương tự phần tính toán biên dạng cam nạp, ta áp dụng cho biên dạng cam thải
3.3, Động học con đội đáy làm việc với cam lồi:
Con đội đáy bằng chỉ làm việc với cam, và bài viết này trình bày quy luật động học của nó Con đội được phân tích trên hai cung AB có bán kính ρ và BC có bán kính r, trong đó mỗi giai đoạn di chuyển tuân theo một quy luật riêng biệt Nhờ sự khác biệt về bán kính và tâm quay ở hai cung, mô hình động học cho con đội cho thấy vận tốc, quỹ đạo và vị trí thay đổi theo từng giai đoạn, từ đó xác định các công thức điều khiển và tối ưu hóa quá trình làm việc của con đội với cam.
* Động học của con đội đáy bằng tron giai đoạn 1 (cung AB)
Ta xét chuyển vị, vận tốc và gia tốc của con đội theo góc quay của trục cam Giả sử trục cam quay một góc θ, chuyển vị của con đội được ký hiệu là hθ, vận tốc là vθ và gia tốc là jθ Các đại lượng này được xác định từ mối liên hệ giữa θ và các thành phần động học của hệ.
86 a, chuyển vị của con đội: khi cam quay một góc θ, con đội tiếp xúc với cam nạp tại M và chuyển vị hθ được xác định bằng hθ = ME = MO^2 − (EN + NO^2) = ρ − [R + (ρ − R) cos θ] và cũng bằng hθ = (ρ − R)(1 − cos θ) 86 b, vận tốc của con đội: vận tốc của con đội được xác định từ tốc độ biến đổi của hθ theo thời gian, tức vθ = dhθ/dt, liên hệ với θ̇ thông qua quan hệ quay của cam.
ℎ 𝜃 mà vận tốc trục cam là 𝜔 𝑐 = 𝑑𝜃
Nên 𝑣 𝜃 = 𝜔 𝑐 (𝜌 − 𝑅)𝑠𝑖𝑛𝜃 c, gia tốc con đội:
Khi con đội tiếp xúc tại điểm A của cam thì θ = 0
Khi con đội tiếp xúc tại điểm B thì θ = θmax góc θmax xác định theo tam giác
Khi θ = 0 thì gia tốc đạt cực đại:
* Động học con đội đáy bằng trong giai đoạn 2 ( cung BC)
Khi đó cam tiếp xúc với con đội tại điểm M trên cung BC ứng với góc γ nào đó
88 a, chuyển vị của con đội hγ = ME = MO1 + O1N – EN hγ = r + Dcosγ – R b, vận tốc của con đội
Vì tại điểm C có γ = 0 và tại B có γ = γmax như vậy góc γ tính ngược lại với chiều quay của trục cam nên
𝑣 𝛾 = 𝜔 𝑐 𝐷𝑠𝑖𝑛 𝛾 c, gia tốc của con đội