Giáo trình kết cấu tính toán động cơ đốt trong

Chương 1: Cơ sở thiết kế động cơ đốt trong.Chương 2: Cơ sở tính toán bền các chi tiết của động cơ đốt trong.Chương 3: Nhóm piston.Chương 4: Thanh truyền.Chương 6: trục khuỷu và bánh đà......

mục lục

Ch-ơng 1 Cơ sở thiết kế động cơ đốt trong 9

1.1 Các nguyên tắc chung khi tính toán thiết kế động cơ 9

1.2 Sơ đồ kết cấu động cơ .10

1.3 Các thông số cơ bản đặc tr-ng cho kết cấu động cơ 12

Ch-ơng 2 Cơ sở tính toán sức bền các chi tiết

của động cơ đốt trong 16 2.1 ứng suất nhiệt và ứng suất cơ học của các chi tiết động cơ 16

2.2 Trạng thái ứng suất - biến dạng của chi tiết và ph-ơng pháp xác định 16

2.3 Trạng thái nhiệt của động cơ và ph-ơng pháp xác định 20

2.4 Chọn chế độ tính toán 25

2.5 Khái niệm về hệ số an toàn trong tính toán sức bền khi chịu tải trọng thay đổi 26

2.6 Đánh giá khả năng làm việc của các chi tiết chịu phụ tải nhiệt của động cơ 32

Ch-ơng 3 Nhóm pít tông 36 3.1 Cơ sở thiết kế pít tông của động cơ .36

3.2 Kết cấu của pít tông .53

3.3 Tính toán trạng thái nhiệt của pít tông 76

3.4 Tính toán trạng thái ứng suất-biến dạng của pít tông .89

3.5 Chốt pít tông 100

3.6 Xéc măng 111

Ch-ơng 4 Thanh truyền 131 4.1 Khái quát 131

4.2 Kết cấu của thanh truyền 132

4.3 Tính toán sức bền của các chi tiết trong nhóm thanh truyền .154

Ch-ơng 5 Trục khuỷu và bánh đà 173 5.1 Chức năng, yêu cầu, vật liệu và ph-ơng pháp chế tạo trục khuỷu 173

5.2 Kết cấu trục khuỷu 177

5.3 Ph-ơng pháp tính bền trục khuỷu 195

5.4 Bánh đà 218

6

6.1 Cơ sở lý thuyết thuỷ động về bôi trơn 229

6.2 ổ tr-ợt 238

6.3 ổ lăn 246

Ch-ơng 7 Nhóm chi tiết cố định 250 7.1 Khối thân xy lanh hộp trục khuỷu 250

7.2 Lót xy lanh 259

7.3 Nắp xy lanh .267

7.4 Một số đặc điểm của thân máy và nắp máy động cơ làm mát

bằng không khí 280

7.5 Đệm nắp máy và gu dông (bu lông) nối ghép 286

7.6 Tính bền các chi tiết cố định 289

Ch-ơng 8 Cơ cấu phối khí 308 8.1 Khái quát 308

8.2 Cơ cấu phối khí dùng xu páp 309

8.3 Các thông số chủ yếu của cơ cấu phối khí dùng xu páp

và động học con đội 350

8.4 Lực tác dụng trong cơ cấu phối khí 374

8.5 Tính toán sức bền các chi tiết chính của cơ cấu phối khí 377

8.6 Một vài đặc điểm của cơ cấu phối khí động cơ hai kỳ

và cơ cấu phối khí dùng van tr-ợt 387

Tài liệu tham khảo 400

Ch-ơng 1

Cơ sở thiết kế động cơ đốt trong

1.1 Các nguyên tắc chung khi tính toán thiết kế động cơ

Thiết kế, chế tạo động cơ đốt trong hiện đại là công việc hết sức phức tạp, có

sự tham gia của các nhà khoa học và các chuyên gia thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau Những tiến bộ khoa học kỹ thuật đòi hỏi các nhà thiết kế phải tạo ra các

động cơ có các thông số kỹ thuật cao, trong số đó tr-ớc hết phải kể đến: tính kinh

tế của nhiên liệu, độ tin cậy, tuổi thọ, vật liệu sử dụng, tính khả thi trong sản xuất

và sự đơn giản trong bảo d-ỡng kỹ thuật Để tạo ra đ-ợc các động cơ nh- vậy, trong quá trình thiết kế và chế tạo ng-ời ta đã phải sử dụng nhiều giải pháp kỹ thuật mới

Những tiến bộ khoa học kỹ thuật trong ngành chế tạo động cơ đốt trong phụ thuộc vào sự phát triển của rất nhiều lĩnh vực nh- vật liệu, công nghệ gia công, vật liệu bôi trơn và nhiên liệu Nó đ-ợc thực hiện theo một kế hoạch tổng thể dựa trên cơ sở của các thành tựu đã đạt đ-ợc của nhiều chủng loại động cơ, đ-ợc xác định theo dãy công suất và các loại động cơ này có cùng một sơ đồ bố trí chung, có kết cấu giống nhau

đối với các cụm và các chi tiết cơ bản

Khi thiết kế động cơ mới và họ động cơ mới phải hết sức chú ý đến tỷ lệ tiêu chuẩn hoá và cải tiến các bộ phận trong toàn bộ kết cấu của động cơ Mức độ cải tiến cần phải đảm bảo đ-ợc tính tối -u của các giải pháp thiết kế bố trí chung và

có tính kinh tế hợp lý

Việc không ngừng c-ờng hoá động cơ hiện đại theo công suất riêng gắn liền với sự tăng nhiệt độ và ứng suất trong các chi tiết của chúng Vì vậy một trong những nhiệm vụ quan trọng khi thiết kế chế tạo các

động cơ hiện đại là tính toán sức bền các chi tiết Tính toán sức bền các chi tiết của động cơ bao gồm các b-ớc: thiết lập sơ đồ tính toán biểu diễn đầy đủ và đúng đắn nhất các đặc điểm về kết cấu và đặc điểm chịu tải của các chi tiết; tính toán theo sơ đồ này nhờ các ph-ơng pháp tính toán hiện đại hoặc truyền thống

Tr-ớc đây khi tính toán thiết kế động cơ ng-ời ta đã đơn giản hoá kết cấu rất nhiều và trong thực tế các chi tiết đều có hệ số an toàn bền rất lớn Hiện nay do những thành tựu đạt đ-ợc trong công nghệ thông tin và các ph-ơng pháp tính toán

Các kích th-ớc của động cơ và khối l-ợng của nó phụ thuộc vào sơ đồ bố trí chung của động cơ, hình dạng kết cấu và các kích th-ớc của vỏ động cơ Do đó khi lựa chọn sơ đồ kết cấu tr-ớc hết phải quan tâm đến hình dáng hình học và sau

đó là việc bố trí các chi tiết bên trong không gian của vỏ động cơ cũng nh- bên ngoài vỏ động cơ

Một trong các thông số cơ bản xác định hình dáng của động cơ là số xy lanh

và cách bố trí xy lanh Hình dạng kết cấu động cơ phụ thuộc vào vị trí của các chi tiết, các cơ cấu và các thiết bị lắp trên động cơ Sơ đồ bố trí chung động cơ cũng còn phụ thuộc vào số l-ợng và cách bố trí trục cam (bố trí ở trên hay ở d-ới)

Động cơ một hàng xy lanh là loại động cơ đơn giản về mặt kết cấu và dễ chế tạo Ưu điểm này cùng với những kinh nghiệm trong thiết kế chế tạo và sử dụng khiến cho động cơ một hàng xy lanh thẳng đứng đ-ợc sử dụng rất phổ biến (hình1.1)

Hình 1.1 Sơ đồ động cơ

một hàng xy lanh thẳng đứng

Ưu điểm cơ bản của động cơ hình chữ V so với động cơ một hàng xy lanh có cùng công suất là kích th-ớc mà tr-ớc hết là chiều dài động cơ nhỏ hơn, do đó làm tăng đ-ợc độ cứng vững của các chi tiết

cầu đối với động cơ Khi có yêu cầu

đặc biệt về việc giảm kích th-ớc mà

tr-ớc hết là giảm chiều cao, có thể

điểm là kích th-ớc chiều dài nhỏ

Các chi tiết của cơ cấu khuỷu trục

thanh truyền, vỏ động cơ và cơ

cấu phân phối khí th-ờng có kết

cấu rất phức tạp

Góc giữa các đ-ờng tâm xy lanh

có thể khác nhau, có thể giống nhau

bằng không khí đơn giản hơn so với việc bố trí động cơ thành một hàng, song thanh truyền và trục khuỷu của động cơ th-ờng chịu phụ tải rất lớn và có kết cấu phức tạp (hình 1.5)

mục đích tạo ra các động cơ cao tốc

có công suất lớn, ng-ời ta thiết kế

những động có nhiều trục khuỷu Sơ

đồ kết cấu của những động cơ này rất

khác nhau Loại động cơ hai trục

khuỷu có thể dùng sơ đồ hai trục

khuỷu với hai hàng xy lanh bố trí

song song với nhau (dạng hình chữ H,

hình 1.7)

Trong tr-ờng hợp này hai trục

khuỷu sẽ đ-ợc nối với nhau bằng bộ truyền bánh răng

cơ, trong các hệ thống của chúng cũng nh- bố trí chung động cơ Ng-ời thiết kế cũng phải tính đến khả năng và các biện pháp hoàn thịên động cơ về mặt kết cấu nhằm thoả mãn các yêu cầu hiện đại hoá động cơ trong t-ơng lai

Các thông số cơ bản của động cơ là vận tốc trung bình của pít tông Vtb, tốc

độ quay của trục khuỷu n, tỷ số S/D, áp suất có ích bình quân pe, số xy lanh i và

đ-ờng kính xy lanh D Khi xác định các kích th-ớc của xy lanh thì một vài thông

số trong các thông số kể trên đã đ-ợc chọn tr-ớc Thông th-ờng có thể chọn tr-ớc

i, pe và S/D hoặc i, pe và Vtb Tổ hợp các thông số trên đặc tr-ng cho động cơ về mặt kết cấu

Tốc độ trung bình của pít tông và tốc độ quay của trục

khuỷu:

Một trong những thông số cơ bản phụ thuộc vào kiểu động cơ và công dụng của nó là tốc độ trung bình của pít tông Thông số này xác định mức độ cao tốc của động cơ Với việc tăng tốc độ trung bình của pít tông sẽ làm tăng phụ tải nhiệt cho các chi tiết của động cơ (tr-ớc hết là của nhóm pít tông), làm tăng lực quán tính tác dụng lên cơ cấu khuỷu trục thanh truyền, làm tăng sự mài mòn của

ổ trục khuỷu và ống lót xy lanh, làm giảm tuổi thọ của động cơ, làm tăng tốc độ chuyển động của dòng khí trong cơ cấu phối khí và do vậy làm tăng sức cản trên

đ-ờng nạp, thải của động cơ Trị số Vtb đ-ợc lựa chọn có tính đến công dụng của

động cơ

Tốc độ quay trục khuỷu n có thể từ vài trăm đến vài nghìn vòng/phút, trong những tr-ờng hợp cá biệt có thể đạt tới 1200015000 vòng/ phút hoặc lớn hơn (động cơ dung tích nhỏ, động cơ xe đua và động cơ mô tô)

Tốc độ quay của động cơ tĩnh tại có liên quan trực tiếp với máy phát điện, phụ thuộc vào tần số dòng điện quy chuẩn (50 Hz) ứng với số đôi cực đã cho của máy phát điện Trong những năm gần đây đang có xu h-ớng hạn chế việc tăng quá mức tốc độ quay trục khuỷu động cơ

Tỷ số hành trình pít tông và đ-ờng kính xy lanh S/D

Thông số này có liên quan trực tiếp đến vận tốc trung bình của pít tông và công suất độmg cơ ở những động cơ cao tốc, trị số S/D th-ờng đ-ợc giảm đến một giới hạn xác định để giảm tốc độ trung bình của pít tông, nâng cao hiệu suất cơ khí, giảm kích th-ớc xy lanh theo h-ớng đ-ờng tâm xy lanh (đặc biệt là đối với động cơ 2 kỳ) và nâng cao độ cứng vững cho trục khuỷu

Việc giảm bán kính quay của trục khuỷu sẽ làm tăng độ trùng điệp của cổ trục và chốt khuỷu, ngoài ra còn làm giảm đ-ợc sự mài mòn của

sẽ làm giảm chất l-ợng quá trình trao đổi khí

ở động cơ hình chữ V, nếu tỷ số S/D lớn sẽ làm cho khoảng cách giữa các

đ-ờng tâm xy lanh tăng lên mà một phần đáng kể thể tích giữa hai hàng xy lanh

sẽ không đ-ợc sử dụng ở động cơ hình chữ V với S/D nhỏ, chiều dài nhỏ nhất của động cơ đ-ợc xác định bằng việc tính toán kích th-ớc của trục khuỷu Do vậy việc giảm S/D đặc biệt hợp lý đối với các động cơ hình chữ V và động cơ nhiều

xy lanh Việc sử dụng kết cấu có tỷ số S/D nhỏ cũng sẽ làm giảm chiều cao và chiều rộng của động cơ hình chữ V, đặc biệt đối với các động cơ có góc nhị diện lớn Vì vậy đối với động cơ có xy lanh đối đỉnh (=1800), hợp lý nhất là dùng S/D

có trị số nhỏ

Đối với các động cơ đốt cháy c-ỡng bức, vấn đề tạo hỗn hợp đ-ợc giải quyết

dễ dàng hơn, trị số S/D đ-ợc chọn nhỏ hơn so với động cơ diesel Cũng cần phải nhớ rằng trị số của lực tác dụng lên các chi tiết của động cơ phụ thuộc chủ yếu vào đ-ờng kính xy lanh và ít phụ thuộc vào hành trình của pít tông

áp suất có ích trung bình

áp suất có ích trung bình pe phụ thuộc vào ph-ơng pháp và chất l-ợng tạo hỗn hợp, chất l-ợng quá trình cháy và trao đổi khí, hiệu suất cơ khí m, trị số áp suất và nhiệt độ trong đ-ờng ống nạp và số kỳ của động cơ

Khi thiết kế động cơ, trị số pe đ-ợc chọn sơ bộ trên cơ sở các số liệu thực nghiệm và đ-ợc chính xác hoá bằng việc tính toán chu trình công tác của động cơ, có tính đến khả năng tiếp tục nâng cao công suất động cơ bằng cách tăng áp Việc tăng khối l-ợng của môi chất công tác nạp vào xy lanh nhờ tăng áp sẽ làm tăng đáng kể áp suất có ích trung bình của động cơ

Trị số lớn nhất của áp suất có ích trung bình phụ thuộc vào chu trình đ-ợc thực hiện, tỷ số nén, loại nhiên liệu, ph-ơng pháp tạo hỗn hợp và các nhân tố khác Thông th-ờng khi thiết kế động cơ, trị số pe đ-ợc lựa chọn có tính đến công dụng của động cơ và ph-ơng pháp tạo hỗn hợp Khi đó vấn đề có ý nghĩa quyết

định là đảm bảo sức bền và tuổi thọ cho các chi tiết cơ bản mà tr-ớc hết là khả năng làm việc của các ổ trục khuỷu

Số xy lanh và đ-ờng kính xy lanh

Số xy lanh i của động cơ có liên quan trực tiếp đến đ-ờng kính xy lanh,

đ-ợc xác định bởi các kích th-ớc bao của động cơ, mức độ đồng đều của mô men xoắn; phụ thuộc vào sự diễn biến của chu trình công tác, số kỳ, ứng suất nhiệt của nhóm pít tông, sự cân bằng lực quán tính của các khối l-ợng tham gia chuyển động và mô men của chúng, điều kiện chế tạo động cơ (khi chế tạo

động cơ nhiều xy lanh có đ-ờng kính xy lanh nhỏ, giá thành chế tạo động cơ

sẽ rẻ hơn, đặc biệt là khi chế tạo hàng loạt lớn); sự nguy hiểm khi dao động xoắn và khả năng khởi động động cơ ở bất kỳ vị trí nào của trục khuỷu

Số xy lanh trong các kết cấu hiện nay nằm trong khoảng từ 124, trong tr-ờng hợp đặc biệt i = 4256 Thông th-ờng ở động cơ một hàng xy lanh i = 410, động cơ hình chữ V i = 420 Số xy lanh trong 1 dãy của động cơ hình sao i = 59 Sự thay

đổi số xy lanh (khi giữ nguyên công suất động cơ) sẽ ảnh h-ởng đến hiệu suất chỉ thị và hiệu suất cơ khí của động cơ ở những động cơ có nhiều xy lanh, khi tăng

số xy lanh i, kích th-ớc xy lanh sẽ giảm, khối l-ợng của các chi tiết chuyển động cũng sẽ giảm và cho phép tăng đ-ợc tốc độ quay trục khuỷu mà không v-ợt quá ứng suất cho phép trong các chi tiết Khi xác định kích th-ớc xy lanh ng-ời ta sử dụng các số liệu của các động cơ đã đ-ợc sử dụng và kết quả thực nghiệm trên

động cơ 1 xy lanh

Khi tăng đ-ờng kính xy lanh sẽ làm tăng hiệu suất có ích do giảm

đ-ợc tổn thất nhiệt cho hệ thống làm mát Song khi đó sẽ làm tăng ứng suất nhiệt của pít tông và nắp xy lanh, làm tăng phụ tải lên cơ cấu khuỷu trục thanh truyền và các ổ trục Điều này có liên quan đến động cơ làm mát bằng không khí, ở những động cơ này đ-ờng kính xy lanh th-ờng không đ-ợc v-ợt quá 150 mm Đối với động cơ đốt cháy c-ỡng bức, việc tăng đ-ờng kính xy lanh cũng sẽ không hợp lý xét về nguy cơ cháy kích nổ của động cơ

Khối l-ợng và kích th-ớc động cơ

Khối l-ợng và kích th-ớc là những thông số quan trọng nhất đặc tr-ng cho chất l-ợng kết cấu của động cơ Khi đánh giá so sánh về mặt kết cấu, ng-ời ta hay sử dụng thông số gn là khối l-ợng động cơ tính trên một KW công suất Trị số gn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố nh- công dụng động cơ, sơ đồ kết cấu, vật liệu chế tạo và các thông số khác đã đ-ợc trình bày ở phần trên Trị số gn dao động từ 1kg/KW (đối với các động cơ ô tô) đến 3040 kg/KW (đối với động cơ tàu thuỷ tốc độ thấp) Trong các chi tiết của động cơ thì các chi tiết vỏ có khối l-ợng lớn nhất, có thể chiếm tới 6070% khối l-ợng chung của động cơ

Ch-ơng 2

Cơ sở tính toán sức bền các chi tiết

của động cơ đốt trong2.1 ứng suất nhiệt và ứng suất cơ học của các chi tiết

động cơ đốt trong là sự phá hỏng sau một thời gian dài làm việc do sự biến dạng dẻo và hiện t-ợng mỏi của vật liệu chế tạo Vì vậy để giải quyết vấn đề một cách hoàn chỉnh cần phải tiến hành một loạt các bài toán có liên quan, bắt đầu từ việc giải bài toán trong tr-ờng hợp tổng quát của quá trình truyền dẫn nhiệt không ổn định phi tuyến và kết thúc bằng việc xác định các tiêu chuẩn về giới hạn bền của các chi tiết trong những điều kiện phụ tải nhiệt không đồng đều

Việc tính toán trong lĩnh vực đàn hồi dẻo, đặc biệt là khi ở nhiệt độ cao có tính đến nhân tố thời gian là một khối l-ợng công việt rất lớn và đối với các chi tiết phức tạp hầu nh- không thể thực hiện đ-ợc Thông th-ờng việc tính toán trong lĩnh vực đàn hồi chỉ đủ để đánh gía sức bền cho các chi tiết khi chịu tác dụng của tải trọng cơ học Tuy nhiên đối với các chi tiết chịu phụ tải nhiệt, khi phân tích so sánh các ph-ơng án kết cấu khác nhau của chi tiết cũng có thể sử dụng các kết quả tính toán trong lĩnh vực đàn hồi một cách có hiệu quả

Vì vậy tr-ớc hết phải nghiên cứu cơ sở xác định trạng thái ứng suất biến dạng của các chi tiết trong khuôn khổ bài toán đàn hồi nhiệt

2.2 Trạng thái ứng suất - biến dạng của chi tiết và

ph-ơng pháp xác định

Trạng thái ứng suất biến dạng của một điểm bất kỳ thuộc một vật thể đẳng h-ớng

đ-ợc biểu diễn bằng sáu thành phần ứng suất úx, úy, úz, ụxy ụyz, ụzxvà các biến dạng

zx yz xy

z

w

; y

v

; x

u

z y

x   ồ   ồ   ồ

z

u x

w

; y

w z

v

; x

v y

u

zx yz

xy   ó   ó  

Bởi vì sáu thành phần biến dạng đ-ợc xác định bằng ba thành phần chuyển

vị, giữa chúng tồn tại những quan hệ xác định, đó là sáu điều kiện biến dạng t-ơng thích:

; z y y

z

; y x x

xyx

Các ẩn số trong bài toán lý thuyết đàn hồi là 15 đại l-ợng, đó là sáu thành phần ứng suất, ba thành phần chuyển vị và sáu thành phần biến dạng Để xác định chúng,

ta có các ph-ơng trình t-ơng ứng (hệ ph-ơng trình trong các công thức 2.1 và 2.2) Ngoài ra, ng-ời ta còn đ-a vào hệ ph-ơng trình trên các ph-ơng trình cân bằng:

0;

X z y

Mối quan hệ giữa biến dạng và ứng suất đ-ợc biểu diễn bằng định luật Húc tổng quát:

 - hệ số dãn nở dài vì nhiệt của vật liệu chế tạo T

T- sự thay đổi nhiệt độ khi làm việc của điểm đang khảo sát của vật thể so với trạng thái ban đầu (trạng thái không làm việc)

Các điều kiện biên

Nghiệm đơn trị của bài toán lý thuyết đàn hồi đ-ợc đảm bảo khi thoả mãn điều kiện cân bằng trên biên của vật thể bằng các điều kiện giới hạn tĩnh:

Xv= úxl  ụxy.m  ụzxn;

Yv= ụxyl  úy.m  ụzyn; (2.5)

Zv= ụxzl  ụyz.m  úzn; trong đó : Xv, Yv, Zv là các thành phần của lực bề mặt, tính trên một đơn vị diện tích bề mặt vật thể; l, m, n là các cosin chỉ h-ớng bên ngoài vuông góc với

bề mặt giới hạn của vật thể

Đôi khi các thông số đầu vào có thể không phải là tĩnh mà là điều kiện giới hạn động Trong tr-ờng hợp này ng-ời ta phải cho biết chuyển vị của bề mặt giới

hạn của vật thể

Các ph-ơng pháp giải bài toán lý thuyết đàn hồi

Nghiệm t-ơng thích của các ph-ơng trình đã trình bày ở trên đ-ợc giải bằng nhiều ph-ơng pháp khác nhau Có thể trong số các ẩn số cơ bản của bài toán chọn sáu thành phần ứng suất x,y,z,xy,yz,zx Các thành phần này cần phải thoả mãn những ph-ơng trình cân bằng (2.3) và các điều kiện (2.5) cũng nh- hệ ph-ơng trình Bentra-Mittren nhận đ-ợc khi đặt các thành phần biến dạng đ-ợc tính theo định luật Húc (2.4) vào các điều kiện t-ơng thích (2.2)

Nếu nh- các thành phần của véc tơ chuyển vị {f} đ-ợc chọn là các thông số cần tìm của bài toán thì sau khi biểu diễn các thành phần biến dạng qua các thành phần chuyển vị, giải ph-ơng trình (2.4) và đặt kết quả nhận

vi phân (ví dụ ph-ơng trình dẫn nhiệt) có thể đ-ợc thay bằng bài toán xác định các hàm số đảm bảo điểm cực trị của một đại l-ợng tích phân nào đó có liên quan

đến một quá trình vật lý xác định và đ-ợc gọi là phiến hàm

Phiến hàm w phụ thuộc vào hàm số f(x,y,z) đ-ợc hiểu là đại l-ợng chuyển vị w[f(x, y, z )], nếu nh- mỗi hàm số f của cấp nào đó của các tham số t-ơng ứng với một giá trị w xác định

Trong toán học ng-ời ta gọi ph-ơng pháp này là ph-ơng pháp giải gần đúng các ph-ơng trình vi phân, nhờ ph-ơng pháp này nghiệm cuả bài toán có thể đ-ợc biểu diễn d-ới dạng một hệ hữu hạn các ph-ơng trình đại số Khi sử dụng ph-ơng pháp này có thể nhận đ-ợc các nghiệm gần đúng với một độ chính xác bất kỳ đã

dV Zw Yv

Trong ph-ơng trình (2.7) tích phân thứ nhất và thứ hai theo thể tích V biểu diễn thế năng t-ơng ứng với biến dạng của vật thể và lực thể tích, còn tích phân thứ ba theo bề mặt F là thế năng của các lực bề mặt ở các điều kiện biên tĩnh hoặc động đã cho (ngoại lực, các điều kiện liên kết), các thành phần u, v, w của véc tơ chuyển vị giống nh- ở trạng thái cân bằng của vật thể, thế năng của vật thể

là không đổi, nghĩa là W = 0

Rõ ràng là trị số tĩnh của phiến hàm ở trạng thái cân bằng sẽ có giá trị nhỏ nhất Tính chất này đ-ợc sử dụng để xác định trị số của hàm {f}, nghĩa là giải bài toán để xác định trạng thái ứng suất-biến dạng của chi tiết

2.3 Trạng thái nhiệt của động cơ và ph-ơng pháp xác định

Các chi tiết chịu phụ tải nhiệt của động cơ th-ờng là những chi tiết

có hình dạng kết cấu phức tạp và giữa các phần của chúng lại có sự tác dụng t-ơng hỗ về nhiệt, về lực và về động học với nhau

Sự trao đổi nhiệt trên bề mặt các chi tiết hình thành buồng cháy là quá trình rất phức tạp và để biểu diễn nó, thậm chí chỉ là gần đúng ng-ời ta đã phải sử dụng tất cả các dạng của điều kiện biên Ngoài ra, khi động cơ làm việc ở các chế độ không ổn định (là chế độ làm việc đặc tr-ng nhất của phần lớn các động cơ trong quá trình sử dụng) trạng thái nhiệt của động cơ còn thay đổi theo thời gian Trong tr-ờng hợp này, bài toán xác định tr-ờng nhiệt độ ở những điểm riêng biệt của vật thể theo thời gian là bài toán giải ph-ơng trình truyền nhiệt; khi các tính chất cơ-nhiệt của vật liệu là hằng số có thể biểu diễn d-ới dạng:

2T  Qở  a1 Tụ , (2.8)

trong đó: T - nhiệt độ của chi tiết ở điểm khảo sát

 - hệ số dẫn nhiệt của vật liệu

a - hệ số dẫn nhiệt độ của vật liệu

- thời gian

Q- l-ợng nhiệt truyền cho chi tiết trong một đơn vị thể tích và một

đơn vị thời gian từ nguồn nhiệt

Để giải ph-ơng trình (2.8) ng-ời ta sử dụng điều kiện ban đầu và các điều kiện biên Theo điều kiện ban đầu, ng-ời ta cho quy luật phân bố nhiệt độ ở thời

điểm ban đầu = 0 ở dạng:

TH = T(x, y, z, 0) (2.9)

Sự thay đổi của nhiệt độ có đặc tính dao động chỉ xảy ra trên các lớp bề mặt của vật liệu chế tạo chi tiết Do đó, khi xác định trạng thái nhiệt của các chi tiết chịu phụ tải nhiệt ở các chế độ làm việc ổn định, vế phải của ph-ơng trình (2.8) bằng 0 và ng-ời ta sử dụng ph-ơng trình dẫn nhiệt ổn định

2T Q  0

Khi giải bài toán trao đổi nhiệt bên trong xy lanh động cơ ng-ời ta th-ờng thay thế chế độ trao đổi nhiệt không ổn định có chu kỳ của quá trình thực bằng một số điều kiện ổn định Các thông số đặc tr-ng cho các điều kiện này đ-ợc suy

ra từ điều kiện cân bằng dòng nhiệt cục bộ không ổn định theo thời gian trong quá trình thực và dòng nhiệt cục bộ trong quá trình giả thiết Các điều kiện biên cơ bản biểu diễn sự t-ơng tác về nhiệt của bề mặt chi tiết và môi tr-ờng xung quanh có thể sử dụng các điều kiện biên sau đây:

Điều kiện biên loại 1: sự phân bố của nhiệt độ theo bề mặt F hoặc một phần

của bề mặt của chi tiết F1:

T = T(x, y, z)

(2.11) trong đó T(x, y, z) là hàm nhiệt độ trên bề mặt vật thể

Điều kiện biên loại 2: Mật độ của dòng nhiệt qo qua bề mặt F hoặc một phần của bề mặt F2:

q0 (x, y, z) = -  

nx,y,z

T



trong đó n là pháp tuyến ngoài tới bề mặt của vật thể tại điểm có các toạ

độ x, y, z

Điều kiện biên loại 3: Nhiệt độ của môi tr-ờng xung quanh Tcp và quy luật trao đổi nhiệt giữa môi tr-ờng và bề mặt F hoặc một phần bề mặt F3:

nx,y,z

T







= (T-Tcp) (2-13)

trong đó là hệ số truyền nhiệt đến bề mặt chi tiết

Trong tr-ờng hợp xác định trạng thái ứng suất biến dạng, bài toán tích phân ph-ơng trình dẫn nhiệt (2.8) hoặc là các thành phần của nó, về mặt toán học t-ơng đ-ơng với bài toán xác định hàm số T, đảm bảo tính ổn định của phiến hàm t-ơng ứng có quan hệ với ph-ơng trình (2.8) với các điều kiện đơn trị có dạng :

Ty

Tx

T2T

2 cp 0

2 2

-ởệ

(2.15)

trong đó: - khối l-ợng riêng

c- nhiệt dung riêng của vật liệu

Một trong những -u điểm của các ph-ơng pháp giải bài toán dựa trên cơ sở của các nguyên tắc biến phân là ở chỗ cấp của biểu thức d-ới dấu tích phân của phiến hàm (2.15) thấp hơn hai lần cấp của ph-ơng trình vi phân dẫn nhiệt Khi giải bài toán cần phải tiến hành việc đơn giản hoá mô hình tính toán một cách hợp lý Ví dụ việc xác định tr-ờng nhiệt độ trong không gian ở một vài phần của một số chi tiết chịu phụ tải nhiệt có thể đ-a về bài toán hai chiều và trong một vài tr-ờng hợp là một chiều

Chúng ta hãy khảo sát một tấm phẳng (hình 2.2) có chiều dầy t ở các điều kiện trao đổi nhiệt đã cho trên bề mặt của các lớp phía trong Lj - Lm và lớp phía ngoài Lm+1 cũng nh- trên bề mặt Z =0,5t Bề mặt giữa của tấm nằm trong mặt phẳng XOY Các chỉ số 1, 2, J có nhiệt độ của môi tr-ờng Tcp, hệ số truyền nhiệt

 và dòng nhiệt qo t-ơng ứng với các bề mặt Z= 0,5t, Z= -0,5t và bề mặt đ-ờng viền Lj của tấm

Việc giảm tham số của bài toán đ-ợc thực hiện bằng cách lấy xấp xỉ sự phân

bố nhiệt độ theo chiều dầy t bằng một đa thức so với trục z vuông góc với tâm của tấm Đối với các chi tiết của động cơ theo kết quả của nhiều tính toán và thực nghiệm đã chứng tỏ rằng, để đảm bảo độ chính xác chỉ cần sử dụng quy luật phân

Hệ ph-ơng trình này chỉ chứa hai biến số x và y Để tiếp tục đơn giản bài toán chúng ta đặt ph-ơng trình (2.16) vào các biểu thức của điều kiện biên (2.12)

và (2.13) và biểu diễn hàm số T1 và T2 qua nhiệt độ T0 và các thông số trao đổi nhiệt trên các bề mặt Z =0,5t Cuối cùng chúng ta nhận đ-ợc:

cp1 1 cp2 2

3U 2t

T T

3 8V

40 3t

U

1

2 1 1 cp2

2 cp1 1 2

2 1 2

ở ỏ

-ỏ

2

2 1 2 1

1 2 1 1 2

1

40 3t

Y 4V

3Y 2t

dài đ-ờng sinh x trên bề mặt giữa có bán kính r0 đ-ợc biểu diễn bằng ph-ơng trình vi phân :

ụ ở

a

1 f T

f x

' 02 ' ' 01

' cp2

' 2 ' ' cp

' 1 1

' 1

V r

q q

T T

' 1 ' ' 2 2

' 2

V r f

' 1

' 1 '

V

h U ) ' t ( 25 , 0 V

p U t 5 , 0 k F

' 1

2 ' '

1

' 1

' '

2

V

h Y t 0,25 - V

p Y 0,5t - h f

F

trong đó: k  dbỏ'2Tcp2' - q'02  dnỏ'1Tcp1' - q'01; p  ỏ1'dn- ỏ'2db;

' 0 b

' 2 n

Các phiến hàm t-ơng ứng với các ph-ơng trình (2.18) và (2.19) khi phân bố nhiệt độ ổn định có dạng:

 

T T  dS;

2

L dS T

L

q

dxdy T

0,5f T f y

T x

T 2 T

2 cpj 0

j S2 0 j 0

2 0 2 0

1

2 0

2 0 0

-ỏ

-

-ở

3 S

2

f T f x

T 2

2 ' 0 '

 



3 F 2

F

2 dF

động cơ đều luôn luôn thay đổi về trị số và thời gian tác dụng Việc tính toán sức bền th-ờng đ-ợc tiến hành ở chế độ làm việc ổn định của động cơ

Tuy nhiên trong những tr-ờng hợp riêng biệt, sự ảnh h-ợng của các chế độ làm việc không ổn định, trạng thái nhiệt, trạng thái ứng suất và biến dạng của chi tiết có thể đ-ợc tính đến khi lựa chọn trị số phụ tải nhiệt và phụ tải cơ học t-ơng ứng với điều kiện làm việc thực của động cơ ở chế độ không ổn định

Đối với tất cả các loại động cơ đốt trong, việc tính toán trạng thái nhiệt trạng thái ứng suất và biến dạng th-ờng đ-ợc bắt đầu từ chế độ công suất định mức

NeN ứng với số vòng quay nN (hình2.3) ở chế độ làm việc này nhiệt độ của các chi tiết máy chịu phụ tải nhiệt lớn th-ờng đạt giá trị lớn nhất, đặc biệt là đối với các động cơ tăng áp Chế độ tính toán thứ hai th-ờng đ-ợc áp dụng cho các động cơ không tăng áp, đó là chế độ ứng với mô men xoắn lớn nhất của động cơ Memax Trong tr-ờng hợp này, khi tốc độ quay của trục khuỷu nM = ( 0,5 0,7) nN, lực khí thể ở bên trong xy lanh sẽ có giá trị lớn nhất Khi tính toán ng-ời ta coi áp suất của lực khí thể lớn nhất pzmax phát sinh tại điểm chết trên, nghĩa là khi góc quay của khuỷu trục=00 Cần nhớ rằng ở chế độ này, lực quán tính có giá trị nhỏ hơn ở chế độ công suất định mức và th-ờng đ-ợc bỏ qua

Đối với động cơ đốt cháy c-ỡng bức và những động cơ diesel cao tốc ng-ời

ta còn tiến hành tính toán kiểm tra ở chế độ hành trình không tải t-ơng ứng với số vòng quay lớn nhất cho phép của trục khuỷu đ-ợc hạn chế bởi bộ hạn chế tốc độ hoặc bộ điều tốc Khi có bộ hạn chế tốc độ, số vòng quay lớn nhất của trục khuỷu

đối với động cơ đốt cháy c-ỡng bức nmax = (1,051,10) nN, đối với động cơ diesel

2.5 Khái niệm về hệ số an toàn trong tính toán sức bền

khi chịu tải trọng thay đổi

Các chi tiết máy quan trọng của động cơ đốt trong th-ờng bị hỏng do mỏi khi chịu tác dụng của tải trọng thay đổi

Nh- chúng ta đã biết, ứng suất lớn nhất mà vật liệu có thể chịu đựng đ-ợc mà không bị h- hỏng sau một số chu kỳ tác dụng quy định (th-ờng sau 107 chu kỳ)

đ-ợc gọi là giới hạn mỏi Phần lớn các vật liệu sau khi chịu tác dụng của 107 chu

kỳ, các trị số max và max không thay đổi trị số nữa

Thực nghiệm chứng tỏ rằng giữa giới hạn mỏi -1 và -1 của chu kỳ đối xứng (khi chịu uốn và chịu xoắn) và giới hạn bền chống kéo b có quan hệ với nhau nh- sau:

Đối với thép có giới hạn bền b =4001500 MPa, -1= (0,450,5) b

Đối với thép đúc và gang -1 = 0,4b Đối với hợp kim mầu giới hạn mỏi thay

đổi trong một khoảng rất rộng -1 = (0,250,5) b

Biên độ của ứng suất pháp tuyến a, của ứng suất tiếp tuyếnacũng nh- ứng suất trung bình m, mđ-ợc xác địng bằng các công thức sau:

min m

Tỷ số giữa ứng suất nhỏ nhất và ứng suất lớn nhất của chu trình

đ-ợc gọi là hệ số không đối xứng của chu trình

r =

max

min

úú hoặc r =ụụmaxmin

Từ đ-ờng cong biểu diễn giới hạn mỏi (hình 2.4) hay đ-ờng cong đơn giản biểu thị giới hạn mỏi (hình 2.5) ta thấy giới hạn mỏi trong khu vực từ A-C trên

đ-ờng cong đều có trị số nhỏ hơn giới hạn chảy úT

Trong khu vực này dùng giới hạn mỏi ú t-ợng tr-ng cho sức bền r

Hình 2.4 Đ-ờng cong giới hạn mỏi Hình 2.5 Đ-ờng cong giới hạn mỏi đơn giản

Trên đoạn CD, sức bền của chi tiết phụ thuộc vào giá trị của giới hạn chảy

T

 Vì vậy khu vực phía bên trái OC là khu vực mỏi, còn khu vực phía bên phải

là khu vực biến dạng dẻo Đoạn OA và OK biểu thị giới hạn mỏi của chu trình

đối xứng  1; đoạn EB biểu thị giới hạn mỏi trong chu trình mạch động 0 Các đ-ờng cong giới hạn mỏi ở trên có thể vẽ đ-ợc khi biết các thông số -1,

0 và T (hoặc -1, 0, T) Khi phụ tải tác dụng lên các chi tiết máy luôn luôn thay

đổi chiều và trị số, sức bền của chi tiết máy chịu ảnh h-ởng của rất nhiều nhân tố nh-: tính chất tác dụng của lực biểu hiện qua hệ số không đối xứng của chu trình dao động, sự tập trung ứng suất, kích th-ớc tuyệt đối của chi tiết máy, chất l-ợng gia công bề mặt chi tiết.v.v

Để kể đến ảnh h-ởng của hiện t-ợng tập trung ứng suất ng-ời ta th-ờng dùng

hệ số tập trung ứng suất K và K, trong đó:

ụ

suất tập trung nhỏ; 6- trục bằng thép khi có ứng suất tập trung lớn

Để kể đến ảnh h-ởng của kích th-ớc tuyệt đối của chi tiết máy đến sức bền chống mỏi, ng-ời ta dùng hệ số kích th-ớc ồm(hay còn đ-ợc gọi là nhân tố

tỷ lệ) Hệ số kích th-ớc ồ mlà tỉ số giữa giới hạn mỏi của chi tiết so với giới hạn mỏi của mẫu thử trong phòng thí nghiệm Quan hệ của hệ số kích th-ớc và kích th-ớc của tiết diện của trục bằng thép đ-ợc giới thiệu trên hình (2.6)

Để kể đến ảnh h-ởng của trạng thái bề mặt chi tiết đối với sức bền chống

mỏi ng-ời ta dùng hệ số trạng thái bề mặt n (nhân tố công nghệ) Hệ số trạng thái bề mặt là tỉ số giới hạn mỏi của chi tiết thực so với giới hạn mỏi của chi tiết mẫu đ-ợc mài bóng trong phòng thí nghiệm

Do đó:

1

1n n

n m max ồK ồ ụ ụ

Trong thực tế, khi tính toán sức bền chi tiết máy ng-ời ta chỉ xét đến ảnh h-ởng của ứng suất tập trung và kích th-ớc tuyệt đối của chi tiết máy ảnh h-ởng của trạng thái bề mặt chi tiết th-ờng chỉ xét đến ở khu vực ngoài phạm vi ảnh h-ởng của ứng suất tập trung

Hình 2.7 Đ-ờng cong giới hạn mỏi khi có ứng suất tập trung

Trong tr-ờng hợp kể đến các nhân tố ảnh h-ởng tới sức bền chống mỏi của chi tiết, đ-ờng giới hạn mỏi thay đổi nh- trên hình (2.7) Giới hạn mỏi trong khu vực mỏi giảm đi

n m

K ồ

ồ ú lần nh-ng ứng suất cực đại tăng lên đến giới hạn chảy khi

có ứng suất tập trung TK Theo định nghĩa, hệ số an toàn n là tỉ số giữa ứng suất ú





A

cực đại xác định bằng đ-ờng cong giới hạn mỏi (hình 2.4) ú max rvà ứng suất cực

đại của chi tiết máy:

m a r m

n m

r max

maxr

K

ồ ồ ú

ú ú

ú

ú a ú

r m

a n m

r max

maxr

K

ụ ụ ồ ồ

ụ ụ

max

ụ ) Từ hình trên ta có:

mr

1 maxr 0

0

1 0 mr 1

trong đó:

0

0 1

-ú ú

ú

ú ú

-do đó:

m a

1

n

úứú

ú

ú ú

-ú  

.

ô ô

0

0 0,05 0,10 0,15 C¸c trÞ sè kvµ ktra theo b¶ng 2.2

B¶ng 2.2

TrÞ sè cña hÖ sè øng suÊt tËp trung kvµ kcña c¸c lo¹i thÐp

1 Trôc cã r·nh then b¸n nguyÖt, khi tØ sè b¸n kÝnh cña r·nh

then so víi ®-êng kÝnh cña trôc b»ng:

0,1

0,5

1,0 2,0

2 Khi cã gãc l-în, khi tû sè gi÷a b¸n kÝnh gãc l-în so víi

®-êng kÝnh cña trôc b»ng: 0,02

0,05 0,10 0,20 0,50

2,0 1,6 1,2 1,1

2,0 1,75 1,50 1,20 1,10

-

34,5

2,0 1,20

-

-

-

- 1,82,0

- 1,62.0

Đối với khu vực mà sức bền đ-ợc đặc tr-ng bằng giới hạn chảyú ụ, đối với chu trình ứng suất không đối xứng bất kỳ ta có:

m a

T

nú ú úú ; (2.27)

và đối với ứng suất tiếp tuyến:

m a

.n n n

ụ ú

ụ ú ể



 (2.29)

2.6 Đánh giá khả năng làm việc của các chi tiết

chịu phụ tải nhiệt của động cơ

Phần lớn các h- hỏng trong các chi tiết chịu phụ tải nhiệt của động cơ th-ờng bắt đầu ở khu vực mà ở đó biến dạng nhiệt bị giới hạn (hạn chế) và cũng chính là vùng có ứng suất tập trung lớn nhất Song khi đó không có những đấu hiệu đặc tr-ng của sự phá hỏng vì mỏi cơ học Sự h- hỏng của các chi tiết tạo ra buồng cháy động cơ cũng không thể giải thích bằng sự tác dụng tức thời hoặc là trong một thời gian ngắn của phụ tải nhiệt Sự h- hỏng này không phải xuất hiện một cách tức thời

mà th-ờng xảy ra sau một thời gian dài làm việc của động cơ (th-ờng sau hàng nghìn giờ) Sự thay đổi nhiệt độ và áp suất trong một chu trình công tác cũng không phải là nguyên nhân chính dẫn tới h- hỏng của chi tiết Sự dao động nhiệt độ của những lớp phía ngoài làm giảm đáng kể tuổi thọ của chi tiết máy Song sự dao động này và cùng với nó là ứng suất nhiệt th-ờng có giá trị không lớn và tắt rất nhanh khi tách khỏi lớp

động động cơ và dừng động cơ là nhỏ hơn và chỉ khoảng hàng nghìn hoặc chục nghìn chu trình Những chu trình này gắn liền với sự thay đổi

đáng kể trạng thái nhiệt của các chi tiết chịu phụ tải nhiệt- sự thay đổi

có tính chất vĩ mô, khác hẳn với sự thay đổi nhiệt vi mô trên những lớp

bề mặt của chi tiết trong khoảng thời gian của một chu trình làm việc Khi có sự thay đổi nhiệt có tính chất vĩ mô, sự mỏi vì nhiệt khác với sự mỏi cơ học thông th-ờng là ở chỗ nó có biên độ biến dạng rất lớn và số chu kỳ phá hỏng nhỏ hơn Những phần nóng hơn của chi tiết sẽ có ứng suất lớn và hấp thụ sự biến dạng của những phần có nhiệt độ thấp hơn

và có giới hạn chảy cao hơn Trong số các dạng mỏi vì nhiệt thì dạng mỏi vì nhiệt th-ờng gặp nhất là dạng mỏi có chu trình biến thiên của nhiệt độ theo kiểu hình răng c-a (hình2.8)

Hình 2.8 Sự thay đổi có tính chất chu kỳ của nhiệt độ dẫn tới sự mỏi vì nhiệt

Quan hệ giữa số chu kỳ phá huỷ Nf và trị số biến dạng dẻodsau một chu

kỳ đ-ợc biểu diễn bằng công thức thực nghiệm của Mensơn - Kophin:

sự tích thoát của ứng suất nén khi chịu nhiệt đối với ứng suất kéo d- Trong tr-ờng hợp tổng quát có thể viết điều kiện phá huỷ nh- sau:

ụ - thời gian của một chu kỳ làm việc ct

 ồ - độ biến dạng từ biến cho phép của vật liệu tb

Khi có sự giảm tác dụng của ứng suất nhiệt, thành phần h- hỏng tĩnh có thể

xác định bằng tỉ số của ứng suất kéo d-úkdvà ứng suất tới hạn úthcủa vật liệu trong điều kiện làm việc cho tr-ớc, nghĩa là:

th

kd t

dú

ú

 ; (2.33)

trong đó úthlà giới hạn bền của vật liệu khi chịu kéo Trong tr-ờng hợp này

điều kiện phá huỷ đ-ợc viết d-ới dạng:

1

Để đánh giá khả năng làm việc của chi tiết trong điều kiện chịu tải trọng thay

đổi có chu kỳ và chịu nhiệt độ cao cần phải đ-a vào các ph-ơng trình (2.32) và (2.34) các hệ số an toàn theo số chu trình nN và theo tải trọng tĩnh n t

Khi đó thay vì giá trị Nf trong biểu thức (2.34) ng-ời ta sẽ tính  

Ch-ơng 3

Nhóm pít tông

Nhóm pít tông gồm có pít tông, chốt pít tông, xéc măng khí, xéc măng dầu, các chi tiết hãm chốt pít tông (nút hãm, vòng hãm lò xo hoặc bu lông hãm) Trong động cơ tĩnh tại và động cơ tàu thủy, ngoài những chi tiết trên, còn có thể

có thêm guốc tr-ợt và cán pít tông Ngoài ra, đối với pít tông kiểu tổ hợp, sẽ có thêm các cụm và các chi tiết cố định mối lắp ghép (ví dụ kiểu pít tông tổ hợp có

bố trí khoang chứa dầu bôi trơn với mục đích tăng c-ờng làm mát phần đỉnh và loại pít tông có bố trí cơ cấu tự động thay đổi tỷ số nén trong phần đầu pít tông)

3.1 Cơ sở thiết kế pít tông của động cơ.

Mục đích cuối cùng của nhà thiết kế là tạo ra đ-ợc một sản phẩm tốt, đáp ứng những đòi hỏi của ng-ời sử dụng Pít tông là chi tiết quan trọng trong động cơ bởi vậy nó phải có độ tin cậy làm việc và độ bền (tuổi thọ) cao, đảm bảo tháo lắp, bảo d-ỡng và thay thế dễ dàng cũng nh- công tổn hao ma sát thấp Để đạt mục đích ấy, nhà thiết kế phải dựa trên ba nhóm cơ sở sau:

+ Các điều kiện làm việc của pít tông,

+ Các yêu cầu đặt ra đối với pít tông,

+ Khả năng đáp ứng về mặt vật liệu và công nghệ chế tạo

Trên cơ sở đó, kết hợp với chức năng của pít tông và kết quả thực nghiệm đối với các loại pít tông t-ơng tự, ng-ời thiết sẽ cho ra đời bản vẽ kết cấu pít tông

3.1.1 Nhiệm vụ của pít tông

- Cùng với nắp xy lanh, (lót) xy lanh và những chi tiết khác nh- xéc măng,

xu páp đảm bảo bao kín, tạo khoang công tác cho xy lanh động cơ

- Cùng với (lót) xy lanh, tạo sự thay đổi thể tích của khoang công tác để thực hiện việc trao đổi khí c-ỡng bức đối với chu trình thực trong xy lanh

- Tiếp nhận lực khí thể, truyền qua thanh truyền làm quay trục khuỷu, nghĩa

là tiếp nhận công dãn nở của hỗn hợp khí cháy và truyền ra ngoài xy lanh d-ới dạng công cơ học Trong các hành trình tiêu tốn công nh- nạp, thải c-ỡng bức, nén, thì pít tông lại truyền công theo h-ớng ng-ợc lại Khi làm việc, pít tông tập trung lực khí thể và lực quán tính chuyển động tịnh tiến thành lực tổng rồi

truyền cho thành vách xy lanh và thanh truyền (nếu pít tông có kết cấu guốc tr-ợt thì lực chỉ đ-ợc truyền cho cán pít tông mà thôi)

cán Đối với động cơ hai kỳ, pít tông còn đóng vai trò van trcán ợt để đóng mở cửa nạp, cửa thải và có tác dụng dẫn h-ớng dòng khí

- Trong một số động cơ tăng áp, pít tông có thể kiêm luôn vai trò của cơ cấu

tự động thay đổi tỷ số nén (nếu có)

- Ngoài ra, nh- một sự bắt buộc, pít tông luôn nhận nhiệt của hỗn hợp cháy và truyền cho thành vách xy lanh (trực tiếp và thông qua các xéc măng)

- Đối với động cơ diesel dùng buồng cháy thống nhất, đỉnh pít tông chứa buồng cháy, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình bay hơi và hoà trộn nhiên liệu thông qua việc sấy nóng không khí nạp và màng nhiên liệu bám trên thành vách buồng cháy

3.1.2 Điều kiện làm việc của pít tông

Pít tông là một trong những chi tiết quan trọng nhất của động cơ và phải làm việc trong điều kiện nặng nề

Khi làm việc, pít tông chịu tác dụng của lực khí thể, lực quán tính, lực ma sát gây mài mòn và nhiệt độ cao Một đặc điểm nổi bật về tình trạng chịu lực của pít tông là phụ tải cơ học và phụ tải nhiệt đều thay đổi với tần số cao, phụ tải cơ học gây nên hiện t-ợng va đập trong điều kiện làm mát và bôi trơn khó khăn, gây dãn nở nhiệt và biến dạng Sự biến dạng do phụ tải cơ học và phụ tải nhiệt đi kèm với sự suy giảm các tính chất cơ lý của vật liệu và càng làm xấu đi điều kiện làm việc của pít tông D-ới đây sẽ lần l-ợt xem xét các điều kiện đó

3.1.2.1 Phụ tải cơ học

Phụ tải cơ học do lực áp suất khí thể và lực quán tính chuyển động tịnh tiến gây nên Ngoài ra sự tr-ợt t-ơng đối giữa bề mặt phần dẫn h-ớng và thành vách xy lanh (cũng nh- giữa chốt và bệ chốt) gây nên lực ma sát tr-ợt

Trong quá trình cháy, áp suất cực đại pz trong xy lanh nằm trong khoảng

314 MPa, đối với động cơ tăng áp siêu pz có thể đạt trị số lớn hơn Nếu đ-ờng kính pít tông là 125mm thì pít tông phải chịu lực khí thể lên tới 0,16 MN hay 16 tấn Nếu áp suất cuối quá trình nén đạt tới 8 MPa thì chỉ trong khoảng 10150

GQTK lực khí thể đã tăng từ 8,6 tấn lên tới 16 tấn Ví dụ trên cho thấy mức độ xung của phụ tải lực khí thể Mức độ xung này th-ờng đ-ợc tính qua tốc độ tăng

áp dp/dx và ảnh h-ởng trực tiếp tới “độ cứng” làm việc cũng nh- mức độ ồn do

đúng bằng tốc độ quay n của trục khuỷu

Do tồn tại lực ngang N nên phần dẫn h-ớng của pít tông luôn bị ép sát vào một bên của thành vách xy lanh Khi lực ngang đổi chiều thì bề mặt tiếp xúc giữa pít tông và xy lanh cũng đ-ợc đổi sang phía đối diện và có sự va đập bề mặt áp lực này sẽ gây ra lực cản (ma sát tr-ợt) khi pít tông chuyển động

Lực ngang N còn gây nên phản lực từ phía thành vách xy lanh làm biến dạng phần dẫn h-ớng của pít tông Bản thân lực ngang N và lực dọc theo thanh truyền sẽ trực tiếp gây biến dạng vùng bệ chốt

Ngoài lực ma sát do lực ngang N gây nên, vùng gờ rãnh chứa xéc măng còn chịu lực từ phía xéc măng khi pít tông chuyển động Đó chính là lực ma sát tr-ợt giữa bề mặt ngoài của xéc măng với thành vách xy lanh và lực khí thể cùng lực quán tính của bản thân xéc măng Do luôn tồn tại khe hở lắp ghép cũng nh- khe

hở nhiệt giữa pít tông và xéc măng nên các lực này còn gây nên sự va đập với gờ rãnh xéc măng Khi tính toán động lực học ta đã bỏ qua tất cả các lực ma sát tr-ợt

và coi nh- toàn bộ lực tổng đ-ợc truyền hết cho thành vách xy lanh và thanh truyền Đúng ra thanh truyền và thành vách xy lanh không chịu toàn bộ lực

P mà phải bớt đi phần lực ma sát tr-ợt, nghĩa là :

P k  P j   F ms  N  P tb (3.1)

Tuy nhiên tổng lực ma sát tr-ợt rất khó xác định chính xác bởi vận tốc tr-ợt thay đổi và đối với phần dẫn h-ớng thì cả áp lực N cũng thay đổi trong khi bản thân áp lực N lại phụ thuộc vào P Trong phần tính toán pít tông ta sẽ đề cập sâu hơn thành phần lực này

3.1.2.2 Phô tội nhiơt

Hçn hîp khÝ chĨy khỡng nhƠng gờy nởn phô tội cŨ hảc mÌ cßn cĩng vắi lùc ma sĨt gờy nởn phô tội nhiơt cho pÝt tỡng Còng gièng nh- phô tội lùc khÝ thố, phô tội nhiơt thay ợăi cã tÝnh chÊt chu kú vắi tđn sè cao ( Hz

- ớừnh pÝt tỡng nhẹn nhiơt lÌ chĐ yỏu vắi l-îng nhiơt lắn vÌ kƯo dÌi suèt tõ cuèi quĨ trÈnh nƯn, quĨ trÈnh chĨy - dỈn nẽ ợỏn hỏt quĨ trÈnh thội

HÈnh 3.1 Tr-êng nhiơt ợé cĐa mét sè loÓi pÝt tỡng a- ợéng cŨ xÙng ; b- ợéng cŨ diesel; 1- ợéng cŨ đẻẹ 130; 2- ợéng cŨ ấầđ 21; 3- ợéng cŨ ßỉđ 238; ợéng cŨ xe tÙng B 2; 4- ợéng cŨ diesel trung tèc c-êng hoĨ; 5- ợéng cŨ diesel trung tèc c-êng hoĨ, kiốu tă hîp

- Đỉnh pít tông chỉ thực hiện quá trình toả nhiệt trong một thời gian ngắn

và với l-ợng nhiệt nhỏ hơn nhiều so với khi nhận nhiệt, đó là việc toả nhiệt cho môi chất nạp (mà ta quen gọi là làm mát mặt trên đỉnh pít tông) ở quá trình nạp và ở phần đầu hành trình nén (đối với động cơ diesel có bố trí buồng cháy sâu trong đỉnh pít tông thì đỉnh sẽ sấy nóng và làm cho màng nhiên liệu bám trên nó bay hơi)

- Do bản thân nhiệt độ của môi chất trong xy lanh không đồng đều nhau, tốc

độ xoáy lốc tạo chuyển động t-ơng đối với bề mặt tiếp xúc trao đổi nhiệt cũng không đều nhau, hơn nữa nhiệt độ và tốc độ xoáy lốc lại luôn thay đổi nên chế độ trao đổi nhiệt là chế độ không ổn định cho dù động cơ vẫn đang làm việc ở chế

độ ổn định

- Pít tông có hình dạng, kết cấu phức tạp nên có ảnh h-ởng lớn tới việc nhận

và truyền nhiệt Kết quả là nhiệt độ tại các điểm riêng biệt của pít tông khác nhau Sự phân bố nhiệt độ của pít tông có dạng nh- hình 3.1

Để xác định phụ tải nhiệt, trong tính toán thiết kế ng-ời ta th-ờng sử dụng một tham số đặc tr-ng cho quá trình trao đổi nhiệt đó là dòng nhiệt và coi dòng nhiệt này là nh- nhau đối với tất cả các điểm trên bề mặt của đỉnh sao cho tổng l-ợng nhiệt truyền đi là t-ơng đ-ơng Dòng nhiệt t-ơng đ-ơng chỉ thay đổi theo

áp suất, nhiệt độ trong xy lanh và đ-ợc xác định bằng công thức kinh nghiệm sau:

88 , 0

0 e e

38 , 0

v

5 , 0 m

T

T g p p

ỗ

D c

b

Với buồng cháy phân chia : b = 4,7 ( = 4); b = 8,32  8,35 (2)D- đ-ờng kính danh nghĩa pít tông, m;

v

 - hệ số nạp

pe - áp suất có ích trung bình, MPa

ge - suất tiêu hao nhiên liệu, kg/KWh

p;T - áp suất và nhiệt độ trong xy lanh, MPa; 0K

T0 - nhiệt độ môi tr-ờng, 0K

b) Pít tông có làm mát đỉnh:

- bằng dầu phun với đỉnh có gân tăng cứng vững: 6,66,8

- bằng dầu l-u thông tuần hoàn c-ỡng bức: 8

- bằng dầu vung té có tổ chức: 10

Dòng nhiệt truyền trong pít tông có dạng nh- trên hình 3.2

Đỉnh pít tông tuy có toả nhiệt cho

không khí nạp và cho màng nhiên liệu

nh-ng l-ợng nhiệt này không lớn lắm và

đ-ợc bao hàm khi tính theo q t-ơng đ-ơng

Đỉnh pít tông truyền khoảng 1030% tổng

l-ợng nhiệt tổn thất Q2 tức là 38% tổng

l-ợng nhiệt Q1 khi nhiên liệu cháy trong xy

lanh Từ toàn bộ l-ợng nhiệt nhận đ-ợc, pít

tông truyền cho xéc măng 6575%, truyền

trực tiếp cho thành vách thông qua các bề

mặt tiếp xúc 2030% và khoảng 510%

cho không khí và màn s-ơng mù dầu bôi trơn

trong không gian phía d-ới đỉnh pít tông

Trong tr-ờng hợp đỉnh pít tông có khoang

rỗng chứa dầu bôi trơn tuần hoàn c-ỡng bức

với mục đích làm mát thì phần nhiệt truyền

cho xéc măng sẽ thấp hơn Phụ tải nhiệt sẽ tác

động lên pít tông d-ới hai dạng:

- Làm gia tăng nhiệt độ pít tông, gây biến dạng kích th-ớc do dãn nở nhiệt và làm suy giảm các tính chất cơ lý của vật liệu, ảnh h-ởng xấu tới điều kiện làm việc của pít tông

- Tạo nên một tr-ờng nhiệt độ không đồng đều trong pít tông, gây nên sự dãn nở không đồng đều theo các h-ớng, làm xuất hiện nội ứng suất mà ta gọi là ứng suất nhiệt ứng suất nhiệt tác dụng đồng thời với ứng suất cơ học trong điều kiện độ bền giảm do nhiệt độ tăng càng làm phức tạp hơn trạng thái chịu tải (biến dạng và ứng suất) của pít tông và trong nhiều tr-ờng hợp sẽ dẫn tới hỏng hóc

Một đặc điểm khác đối với phụ tải nhiệt biến thiên là: do tính ỳ nhiệt của vật liệu nên cho dù nhiệt độ bề mặt đỉnh luôn thay đổi theo tần số biến thiên của nhiệt độ khí thể song càng đi vào phía sâu bên trong lòng vật liệu, nhiệt độ biến thiên với biên độ càng nhỏ nên khi tính toán ứng suất nhiệt có thể dùng trị số nhiệt độ tựa tĩnh t-ơng đ-ơng cho bài toán tựa tĩnh

Hình 3.2. Dòng nhiệt truyền

trong pít tông

Ngoài chu trình biến thiên tần số cao nh- đã nêu, phụ tải nhiệt còn biến thiên theo chu trình tần số thấp Mỗi chu trình này đ-ợc bắt đầu từ lúc khởi động động cơ ở trạng thái nguội, cho nhận tải rồi dừng động cơ và kết thúc khi nhiệt độ pít tông nói riêng (và các chi tiết khác của động cơ nói chung) hạ thấp xuống bằng nhiệt độ môi tr-ờng

3.1.2.3 Những điều kiện làm việc của pít tông

Pít tông phải làm việc trong những điều kiện sau:

- Nếu chốt pít tông lắp cố định với đầu nhỏ thanh truyền, ngoài phản lực từ phía chốt tác dụng lên bệ chốt còn xuất hiện lực ma sát đáng kể trên các bề mặt tr-ợt

b) Phụ tải nhiệt

Phụ tải nhiệt gây sự dãn nở, biến dạng, làm xấu thêm tình trạng chịu lực của pít tông và gây nên ứng suất nhiệt do sự phân bố nhiệt độ không đồng đều trong chi tiết Về bản chất thì lớp vật liệu gần bề mặt ngoài chịu phụ tải nhiệt thay đổi làm cho ứng suất nhiệt cũng thay đổi theo chu trình biến thiên của ứng suất cơ, còn những lớp sâu bên trong lòng vật liệu chịu ứng suất nhiệt tựa tĩnh

D-ới tác dụng của ứng suất cơ và ứng suất nhiệt trong điều kiện nhiệt độ cao làm độ bền cơ học giảm, sau những chu trình chịu ứng suất nhiệt tần số thấp, pít tông có thể bị phá hỏng bởi những vết nứt do sự mỏi nhiệt Xuất phát điểm của những vết nứt đó là những vị trí mỏi của vật liệu hoặc nơi tập trung ứng suất d- quá lớn c) Chịu mài mòn

Phần dẫn h-ớng của pít tông luôn tiếp xúc với bề mặt thành vách xy lanh và

bị mài mòn do chuyển động t-ơng đối Tốc độ mài mòn phụ thuộc vào các yếu tố

chính nh- tốc độ tr-ợt, chất l-ợng bôi trơn và áp suất riêng cũng nh- chủng loại vật liệu và mức độ biến dạng phần dẫn h-ớng

Bề mặt lỗ bệ chốt cũng bị mài mòn trong điều kiện chịu lực phức tạp nh-ng không mạnh bằng bề mặt dẫn h-ớng

Ngày nay, phần lớn các pít tông đều dùng hợp kim nhôm để giảm khối l-ợng

và giảm nhiệt độ mặt đỉnh Tuy nhiên hợp kim nhôm có hai nh-ợc điểm cơ bản là

hệ số dãn nở nhiệt cao và mức độ suy giảm độ bền khi tăng nhiệt độ lớn hơn so với gang và thép, do vậy sẽ làm gia tăng tốc độ mài mòn Xu h-ớng phát triển là giảm l để tăng tỷ số =R/l nên làm tăng lực ngang N Cùng với việc đó là xu h-ớng giảm chiều dài phần dẫn h-ớng để tăng n (tăng) Do đó áp suất trên bề mặt dẫn h-ớng rất lớn và có thể đạt tới trị số 0,50,8 MPa, bởi vậy phải tăng c-ờng chất l-ợng bề mặt tr-ợt và đảm bảo tốt hơn việc bôi trơn

té cho hợp lý là đảm bảo màng dầu đối với tất cả các động cơ, kể cả động cơ cao tốc dùng cho xe đua Bề mặt dẫn h-ớng tuy có tốc độ tr-ợt lớn nh-ng cũng

dễ dàng đ-ợc đảm bảo bôi trơn đầy đủ bằng dầu vung té Khuyết tật th-ờng gặp ở

đây là các vết cào x-ớc theo chiều trục do các hạt cặn bẩn lẫn trong dầu nhờn hoặc do hiện t-ợng tắc bơm dầu, tắc bầu lọc hay cạn dầu mà ng-ời vận hành sơ ý Các bề mặt rãnh xéc măng đ-ợc bôi trơn theo nguyên lý “bơm” dầu lên buồng cháy Tuy nhiên, do ảnh h-ởng của phụ tải va đập bởi lực khí thể gây ra nên bề mặt trên và bề mặt d-ới của rãnh xéc măng khí thứ nhất bị mài mòn nhiều nhất vì rất khó mà đảm bảo màng dầu bôi trơn luôn phù hợp cho các bề mặt này Khi xéc măng dầu mòn, dầu đ-ợc “bơm” lên quá mức sẽ bị cháy bởi nhiệt độ cao của khí thể, bám vào rãnh xéc măng và tạo lớp muội than cứng, cản trở sự truyền nhiệt và làm liệt xéc măng

e) Sự ăn mòn hoá học

Trong xy lanh luôn có ô xy ở trạng thái tự do, ở cuối quá trình nén hoạt tính hoá học của nó tăng nhanh bởi nhiệt độ và áp suất cao Có khá nhiều ô xy tự do ở vùng ngoại vi của đỉnh khi hỗn hợp cháy mãnh liệt Do áp suất tăng rất nhanh cộng với nhiệt độ vốn đã cao của phần đầu pít tông nên quá trình ô xy hoá xảy ra

đối với dầu bôi trơn; kết quả là muội than cứng bám chặt vào thành vách mặt

đỉnh và đầu pít tông cũng nh- rãnh xéc măng Nếu xéc măng khí thứ nhất mòn quá thì khí cháy lọt xuống nhiều, gây ra hiện t-ợng bám muội than cho cả các rãnh xéc măng tiếp theo Tuy có ô xy tự do nh-ng trên thực tế ta không thấy rõ

sự ô xy hoá trực tiếp vật liệu phần đầu pít tông bởi lớp muội than cứng sẽ nhanh chóng hình thành, hạn chế sự tiếp xúc trực tiếp và bản thân dầu trong điều kiện

đó có hoạt tính hoá học cao hơn

Trong khí sót luôn tồn tại hơi n-ớc và khí sun phua Khi động cơ nguội, hơi n-ớc ng-ng tụ, cùng với khí sun phua tạo thành axít và tác dụng trực tiếp với vật liệu gây hiện t-ợng han rỉ

Bản thân dầu bôi trơn cũng gây sự ăn mòn hoá học nhất là khi bị lão hoá

và biến chất Dầu th-ờng đ-ợc pha thêm các chất phụ gia để giảm sự ăn mòn hoá học và gia tăng các chức năng khác

3.1.3 Yêu cầu đối với pít tông

Do phải đảm nhận những chức năng và làm việc trong những điều kiện phức tạp nh- trên nên khi thiết kế, phải đảm bảo những yêu cầu cơ bản d-ới đây cho pít tông:

- Đủ cứng vững để mức độ biến dạng là nhỏ nhất,

- Khối l-ợng nhỏ để hạn chế lực quán tính,

- Dạng đỉnh tạo buồng cháy thích hợp nhất và xoáy lốc tốt nhất,

- Tản nhiệt tốt để tránh kích nổ và giảm ứng suất nhiệt,

- Đảm bảo bao kín buồng cháy, tránh giảm công suất, không bị “cháy” pít tông (ở vùng lọt khí) và đỡ tiêu hao dầu bôi trơn,

- Tổn hao ma sát với thành vách xy lanh thấp,

- Khe hở nhiệt nhỏ để tránh va đập, gây tiếng ồn khi động cơ làm việc,

- Dễ chế tạo, tuổi thọ cao và giá thành thấp

Pít tông phải có độ cứng vững cao để khi làm việc d-ới tác dụng của phụ tải cơ và phụ tải nhiệt đỡ bị biến dạng nhất bởi vì càng bị biến dạng thì sơ đồ chịu lực của pít tông càng bị thay đổi theo h-ớng xấu và ảnh h-ởng không tốt tới các chức năng của pít tông Ví dụ đỉnh pít tông không đủ dầy thì có thể bị võng

xuống bởi áp suất cao làm giảm tỷ số nén Một yêu cầu khác là pít tông phải nhẹ

để giảm lực quán tính, đáp ứng yêu cầu c-ờng hoá theo tần số quay trục khuỷu

Để thoả mãn yêu cầu này phải sử dụng kim loại hợp lý nhất, dùng kết cấu pít tông ngắn đuôi và chuyển sang dùng hợp kim nhẹ Dù là pít tông động cơ xăng hay động cơ diesel thì bề mặt đỉnh phải phù hợp với dạng buồng cháy nhằm tạo xoáy lốc tốt và quét khí hoàn thiện nhất, giảm rvà tạo hỗn hợp đồng đều nhất

Đỉnh pít tông của động cơ xăng càng có nhiệt độ thấp càng đỡ bị bám muội

và càng cho phép tăng tỷ số nén Việc làm mát tốt cho đỉnh còn làm cho tr-ờng nhiệt độ của phần đầu pít tông thêm đồng đều và giảm đ-ợc ứng suất nhiệt cũng nh- giữ cho cơ lý tính của vật liệu đỡ bị suy giảm

Do có sự dãn nở nhiệt của cả pít tông và xy lanh nên giữa pít tông và xy lanh luôn có khe hở nhất định để tránh hiện t-ợng bó kẹt pít tông khi động cơ bị quá tải Nếu khe hở quá lớn thì việc bao kín buồng cháy bằng các xéc măng khó đảm bảo và pít tông sẽ bị lắc khi đổi chiều chuyển động gây tiếng ồn Điều kiện lý t-ởng là khe hở giữa xy lanh và phần dẫn h-ớng của pít tông luôn đ-ợc duy trì

đúng bằng chiều dầy của màng dầu bôi trơn, vừa tránh đ-ợc tiếng gõ, tránh bị bó kẹt, tránh sục dầu quá mức mà tổn hao ma sát vẫn thấp Yêu cầu đặt ra đối với vật liệu phần dẫn h-ớng là hệ số dãn nở nhiệt thấp, hệ số ma sát tr-ợt thấp và tốc độ mài mòn của cả phần pít tông và xy lanh đều thấp

Về mặt công nghệ, pít tông phải có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo nhất và về

mặt kinh tế thì giá thành sản phẩm phải chấp nhận đ-ợc

3.1.4 Vật liệu và ph-ơng pháp chế tạo pít tông

Quá trình công nghệ chế tạo pít tông gồm ba giai đoạn: tạo phôi, gia công cơ khí và nhiệt luyện Tuỳ theo chủng loại vật liệu, khâu tạo phôi có thể đ-ợc thực hiện bằng ph-ơng pháp đúc khuôn cát, đúc khuôn kim loại, đúc áp suất hoặc rèn dập Quá trình gia công cơ khí gồm các nguyên công tiện mặt đỉnh, mặt trụ, rãnh xéc măng.v.v ; phay rãnh thoát dầu, rãnh bù trừ dãn nở; khoan các lỗ và doa lỗ

bệ chốt Với mặt đỉnh lồi, lõm hoặc có chứa buồng cháy thì sử dụng các biện pháp gia công khác Nhiều khi mặt đỉnh là bề mặt rèn dập hoặc đúc mà không cần gia công cơ khí, ví dụ đỉnh pít tông một số loại xe máy Honda hoặc đỉnh pít tông họ động cơ Â-2, Ä-6

Giai đoạn cuối cùng: nhiệt luyện nhằm giảm ứng suất d-, tăng cơ lý tính của

bề mặt

Vật liệu chế tạo pít tông phải đảm bảo những yêu cầu chính sau đây:

- Có sức bền cao cả khi chịu phụ tải động,

- Tốc độ mài mòn thấp nh-ng độ cứng vừa phải để xy lanh không bị mòn nhanh

- Chống đ-ợc sự ăn mòn hoá học của khí cháy trong mọi điều kiện,

- Giá thành thấp, dễ chế tạo

Các loại vật liệu đã và đang đ-ợc dùng để chế tạo pít tông là thép, gang và hợp kim nhẹ

Gang

Gang là loại vật liệu khá phổ biến để chế tạo pít tông của các loại động cơ có tốc độ thấp, tuy nhiên ngày nay đang có xu thế chuyển sang dùng hợp kim nhẹ để thay thế Các loại gang nh- sau đ-ợc dùng:

a) Gang hợp kim, còn gọi là gang xám Gang xám có tổ chức péclít th-ờng đ-ợc

sử dụng, ví dụ gang với mã hiệu Cì 24-44, Cì 28-48, Cì 32-52 của Liên xô (cũ) Đó là loại vật liệu rẻ tiền, tính đúc và tính gia công cơ tốt hơn thép và có rất nhiều -u điểm khác, thoả mãn đ-ợc đa số các yêu cầu đặt ra

Gang xám có hệ số dãn nở nhiệt nhỏ  = 8,911,3.10-6/ 0K, giới hạn bền kéo tới 320 MPa, giới hạn bền uốn tới 520 MPa, ít bị ảnh h-ởng của nhiệt độ (tham khảo bảng số liệu phía d-ới) Tuy nhiên gang xám cũng có những mặt hạn chế, đó là:

Thành phần hoá học, độ cứng của gang xám và gang rèn

2,3  2,6 1,15  1,45

< 0,5 0,07

-