tính toán kết cấu động cơ đốt trong

TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG TRÊN XE FORD ECOSPORT 1.5Ti – VCT110 POWER SHIFT TITANIUM SPECS, Việc Việt Nam trở lại hội nhập với khu vực và thế giới, đất nước ta đang hướng tới để trở thành một nước có ngành công nghiệp phát triển. Do vậy chúng ta đang có sự chuyển đổi trong cơ cấu kinh tế với việc ưu tiên phát triển các ngành công nghiệp. Và trong những năm gần đây cùng với sự phát triển của nền kinh tế nước ta thì ngành công nghiệp ô tô cũng có những bước phát triển và chiếm một vị trí quan trọng trong nền kinh tế quốc dân nói chung và giao thông vận tải nói riêng, nó quyết định một phần không nhỏ về tốc độ phát triển của nền kinh tế của một quốc gia, nhằm đáp ứng nhu cầu di lại và vận chuyển hàng hoá ngày càng tăng của xã hội.Đối với thế giới ngành công nghiệp sản xuất ô tô đã có lịch sử phát triển khá lâu đời, nhưng lại là ngành công nghiệp khá mới ở Việt Nam. Cho nên cần phải có từng bước tạo nền tảng cho ngành công nghiệp sản xuất ô tô ở nước ta trong tương lai. Theo em đó là chúng ta tiến hành nghiên cứu thiết kế các hệ thống, các cụm tổng thành chi tiết trên ô tô không những đảm bảo yêu cầu về kỹ thuật, tính năng an toàn mà còn phải đạt hiệu quả kinh tế cao, đáp ứng được nhu cầu sử dụng. Với thực tế hệ thống giao thông đường bộ ở nước ta chưa phát triển kịp, phù hợp với sự phát triển của phương tiện di lại chính, nên nhóm chúng em chọn đề tài khảo sát tính toán thiết kế hệ thống phát lực trên động cơ trên xe Ford EcoSport

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH

BẢNG PHÂN CHIA NHIỆM VỤ

1 Lê Anh Khoa 20079471 Nhóm

trưởng

+ Tính toán nhiệt của động

cơ + Tổng hợp Word + Phân tích nhiệm vụ và điều kiện làm việc của cơ cấu phát lực

2 Lê Văn Hượng 20081681 Thành

4 Trần Võ Thanh Hợi 20081181 Thành

viên

+ Thiết kế và tính bền các chi tiết của cơ cấu phát lực

Mục lục

PHẦN 1 TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1

1.1 Giới thiệu đề tài 1

1.1.1 Lí do chọn đề tài 1

1.1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1

1.1.3 Phương pháp thực hiện 2

1.2 Tổng quan về động cơ 2

1.2.1 Giới thiệu xe 2

1.2.2 Đặc điểm chung của động cơ: 3

1.2.3 Các phiên bản của động cơ 4

PHẦN 2 : PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ VÀ ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC CỦA CÁC CƠ CẤU HỆ THÔNG PHÁT LỰC 5

2.1 Nhiệm vụ của hệ thống phát lực 5

2.2 Điều kiện làm việc và yêu cầu của hệ thống phát lực 5

2.2.1 Piston: 5

2.2.2 Chốt Piston: 6

2.2.3 Xéc-Măng: 6

2.3 Thanh truyền: 6

2.4 Trục Khuỷu: 7

PHẦN 3 : PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CHO TỪNG HỆ THỐNG CƠ CẤU PHÁT LỰC 8

3.1 Một số phương án thiết kế 8

3.1.1 Piston 8

3.1.2 Thanh truyền 8

3.1.3 Trục khuỷu 12

3.2 Chọn phương án thiết kế 15

3.3 Sơ đồ cấu tạo 16

3.4 Nguyên lý làm việc 16

PHẦN 4 : TÍNH TOÁN NHIỆT CHO ĐỘNG CƠ 17

4.1 Các thông số ban đầu của động cơ FordEco Sports 17

4.2 Thông số tự chọn : 17

4.3 TÍNH TOÁN NHIỆT CHO ĐỘNG CƠ 20

4.3.1 Tính toán quá trình nạp: 20

4.3.2 Tính toán quá trình nén 20

4.3.3 Tính toán quá trình cháy 21

PHẦN 5 : ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU PISTON-THANH TRUYỀN-TRỤC KHUỶU 24

5.1.1 Động lực học Piston 24

5.1.2 Động lực học của thanh truyền – trục khuỷu: 24

PHẦN 6 TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CỦA HỆ THÔNG PHÁT LỰC 26

6.1.1 Tính toán kích thước Piston 26

6.1.2 Tính toán thông số kích thước thanh truyền 29

6.1.3 Tính toán thông số kích thước trục khuỷu 31

PHẦN 7 THIẾT KẾ CỤM CHI TIẾT CƠ CẤU PHÁT LỰC 32

7.1 Tính bền chi tiết của hệ thống phát lực 32

7.1.1 Tính bền chi tiết Piston 32

7.1.2 Tính bền chi tiết thanh truyền 37

7.1.3 Tính bền chi tiết trục khuỷu 49

PHẦN 8 THIẾT KẾ MỘT CHI TIẾT TRONG CỤM CƠ CẤU PHÁT LỰC BẰNG PHẦN MỀN SOLIDWORKS 56

8.1 Chọn chi tiết thiết kế 56

8.2 Tiến hành thiết kế 56

8.2.1 Thiết kế 2D 56

8.2.2 Thiết kế 3D 58

PHẦN 9 : KẾT LUẬN 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 60

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1: Xe Ford EcoSports 2015: 2

Hình 2: Kết cấu của thanh truyền 8

Hình 3: Kết cấu của đầu nhỏ thanh truyền 9

Hình 4: Kết cấu của thân thanh truyền 10

Hình 5: Các loại tiết diện của thanh thân truyền 10

Hình 6: Kết cấu đầu to thân thanh truyền 11

Hình 7: Kết cấu của trục khuỷu 12

Hình 8:Kết Cấu đầu trục khuỷu 12

Hình 9: Kết cấu của má khuỷu 13

Hình 10: Kết cấu của cố trục khuỷu 14

Hình 11: Đối trọng của trục khuỷu 15

Hình 12: Sơ đồ cấu tạo của trục khuỷu 16

Hình 13: Nguyên lí hoạt động của cơ cất phát lực 16

Hình 14: Thông số kích thước Piston 26

Hình 15: Thông số kích thước của chốt Piston 28

Hình 16: Kích thước dầu nhỏ thanh truyền 29

Hình 17: Kích thước đầu to thanh truyền 30

Hình 18: Đỉnh Piston 32

Hình 19: Tính bền trục khuỷu 49

Hình 20: Trường hợp khởi động 50

Hình 21: Trường hợp chịu tác dụng lực Zmax 52

Hình 22: Bản vẽ 2D Chốt Piston 57

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1: Thông số động cơ Ford Eco Sports 2015 3

Bảng 2: Thông số cơ bản của xe Ford Eco Sports 2015 4

Bảng 3: Thông số kích thước của xe Ford EcoSports 2015 4

Bảng 4: Hoạt động của từng xi lanh 17

Bảng 5: Thông số ban đầu của động cơ 17

Bảng 6: Hệ số đỉnh nhiệt 18

Bảng 7: Hệ số dư sản lượng không khí 𝛼 19

Bảng 8: Hệ số điền đầy đủ 19

Bảng 9: thành phần khí C-H-O trong nhiên liệu 22

Bảng 10: thông số tính của piston 26

Bảng 11: Kết quả tính chọn của Piston 28

Bảng 12: Kết quả tính chọn chốt Piston 28

Bảng 13: Kết quả tính chọn Xéc Măng 29

Bảng 14: Kết quả tính chọn thông số đầu nhỏ thân truyền 30

Bảng 15: Kết quả tính chọn thông số đầu to thân truyền 31

Bảng 16: Ứng suất bền của chốt Piston 37

Bảng 17: Thông số kích thước của đầu to thân truyền 47

Bảng 18:Trị số T của chốt khủy theo góc a 53

Bảng 19: Trị số T của chốt khuỷu theo từng xilanh 53

Bảng 20: Giá trị P vs J của từng xi lanh theo góc a 54

Bảng 21: Trị số T của má khuỷu theo từng góc a 55

Bảng 22: Trị số T của má khuyry theo từng xilanh 55

Bảng 23: Trị số P và T của má khuỷu theo từng xilanh 56

và giao thông vận tải nói riêng, nó quyết định một phần không nhỏ về tốc độ phát triển của nền kinh tế của một quốc gia, nhằm đáp ứng nhu cầu di lại và vận chuyển hàng hoá ngày càng tăng của xã hội.Đối với thế giới ngành công nghiệp sản xuất ô tô đã có lịch sử phát triển khá lâu đời, nhưng lại là ngành công nghiệp khá mới ở Việt Nam Cho nên cần phải

có từng bước tạo nền tảng cho ngành công nghiệp sản xuất ô tô ở nước ta trong tương lai Theo em đó là chúng ta tiến hành nghiên cứu thiết kế các hệ thống, các cụm tổng thành chi tiết trên ô tô không những đảm bảo yêu cầu về kỹ thuật, tính năng an toàn mà còn phải đạt hiệu quả kinh tế cao, đáp ứng được nhu cầu sử dụng Với thực tế hệ thống giao thông đường

bộ ở nước ta chưa phát triển kịp, phù hợp với sự phát triển của phương tiện di lại chính, nên nhóm chúng em chọn đề tài khảo sát tính toán thiết kế hệ thống phát lực trên động cơ trên

xe Ford EcoSport

1.1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Thiết kế và phát triển hệ thống phát lực có tính năng và hiệu suất tối ưu Kiểm tra và xác định độ bền và độ ổn định của các cụm phát lực và các chi tiết trục khuỷu Đánh giá hiệu năng làm việc và hiệu quả của các chi tiết phát lực trên xe Ford EcoSport 1.5 Ti-VCT110 PowerShift Titanium Nghiên cứu và áp dụng các phương pháp và kỹ thuật để tăng cường

sự đáng tin cậy và độ bền của hệ thống phát lực trên xe Tiến hành thử nghiệm và kiểm tra các chi tiết phát lực trong điều kiện hoạt động thực tế trên xe Ford EcoSport 1.5 Ti-VCT110 PowerShift Titanium để đảm bảo chúng hoạt động đúng theo các yêu cầu và tiêu chuẩn đã đặt ra Mục tiêu chung là đảm bảo rằng các chi tiết phát lực được thiết kế và kiểm nghiệm một cách đáng tin cậy, đáp ứng được yêu cầu và chất lượng cần thiết để đạt được hiệu suất tối ưu trong việc sử dụng trên xe Qua việc tìm hiểu và thiết kế sẽ giúp cho nhóm hiểu rõ hơn về đặc tính phát lực của các chi tiết từ đó làm tư liệu cho việc tìm hiểu và làm đồ án sau này

mô phỏng đối tượng

Xây dựng nguyên mẫu: Sau khi hoàn thành thiết kế, nhóm sẽ xây dựng các nguyên mẫu thực tế của các chi tiết phát lực Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các vật liệu và công cụ phù hợp để tạo ra các mô hình vật lý

Kiểm tra và đo lường: Các nguyên mẫu sẽ được đưa vào các bài thử nghiệm để kiểm tra và

đo lường hiệu suất của chúng( dựa vào việc tính bền lý thuyết thông qua các công thức trong tài liệu ) Điều này có thể bao gồm việc áp dụng các lực tải khác nhau và đo lường các thông số như độ mở, độ bền, độ co dãn,

Phân tích kết quả: Dựa trên các kết quả kiểm nghiệm và đo lường, nhóm sẽ phân tích hiệu suất của các chi tiết phát lực so với mục tiêu đã đề ra Nếu cần, nhóm có thể điều chỉnh thiết

kế hoặc tiến hành các thử nghiệm bổ sung để đạt được kết quả tốt nhất

1.2 Tổng quan về động cơ

1.2.1 Giới thiệu xe

Ford EcoSport 1.5 Ti-VCT110 PowerShift Titanium

Ford EcoSport thế hệ đầu tiên được thiết kế bởi Trung tâm Phát triển Ford Brazil và dựa trên Fiesta châu Âu và Ford Fusion châu Âu được sản xuất tại Cologne

Động cơ của xe Ford EcoSport 1.5 Ti-VCT110 PowerShift Titanium có một số đặc điểm chung quan trọng Dưới đây là một mô tả tổng quan về động cơ này

+ Loại động cơ EcoSport 1.5 Ti-VCT110 PowerShift Titanium sử dụng động cơ chạy xăng,

là một lựa chọn phổ biến trong dòng xe đô thị nhỏ

Hình 1: Xe Ford EcoSports 2015:

+ Công suất động cơ:

EcoSport 1.5 Ti-VCT110 PowerShift Titanium thường có công suất tối đa khoảng 110 mã lực Điều này có thể cung cấp sức mạnh đủ cho một chiếc xe đô thị nhỏ

1.2.2 Đặc điểm chung của động cơ:

+ Thông số cơ bản:

Dung tích bình nhiên liệu (l) 52 (l)

Bảng 1: Thông số động cơ Ford Eco Sports 2015

4

+ Thông số xe cơ bản:

VCT/1.5L Duratec, DOHC 16 valve, VCT

Ti-Bố trí động cơ 3 xi-lanh thẳng hàng, Duratec Ti-VCT Công suất cực đại (PS/vòng/phút) 110 @ 6300 (or 82kW/6300)

Công suất trên lít (HP)

Hệ thống nhiên liệu Phun nhiên liệu điện tử đa điểm/

Electronic Multipoint Injection Dung tích dầu động cơ 1,5lít

Bảng 2: Thông số cơ bản của xe Ford Eco Sports 2015

+ Thông số kích thước của xe

Bảng 3: Thông số kích thước của xe Ford EcoSports 2015

1.2.3 Các phiên bản của động cơ

Ford EcoSport 1.5 Ti-VCT110 PowerShift Titanium (FWD):

• Động cơ xăng 1.5 lít, 4 xi-lanh, 16 van

• Công suất tối đa khoảng 110 mã lực

• Hộp số tự động PowerShift 6 cấp

• Hệ thống truyền động cầu trước (FWD)

5

Phần 2 : PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ VÀ ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC CỦA CÁC CƠ CẤU

HỆ THÔNG PHÁT LỰC

2.1 Nhiệm vụ của hệ thống phát lực

Tiếp nhận năng lượng khí cháy, tạo thành chuyển động tịnh tiến của piston (trong xy–lanh)

và biến nó thành cơ năng làm quay trục khuỷu, tạo mô – men có ích cho động cơ làm việc Bảo đảm bao kín buồng cháy, giữ không cho khí cháy trong buồng cháy lọt xuống Các- te (hay hộp trục khuỷu) và ngăn không cho dầu nhờn từ hộp trục khuỷu sục lên buồng cháy Làm nhiệm vụ nén trong quá trình thải và hút khí nạp mới vào buồng cháy trong quá trình nạp

2.2 Điều kiện làm việc và yêu cầu của hệ thống phát lực

+ Điều kiện làm việc: Piston có điều kiện làm việc rất nặng nhọc, vừa chịu tải trọng cơ

học, vừa chịu tải trọng nhiệt Ngoài ra piston còn chịu ma sát và ăn mòn

Tải trọng cơ học : Trong quá trình cháy, khí hỗn hợp cháy sinh ra áp suất rất lớn trong buồng cháy, trong chu kỳ công tác áp suất khí thể thay đổi rất lớn vì vậy lực khí thể có tính

chất va đập

Tải trọng nhiệt : Trong quá trình cháy Piston trực tiếp tiếp xúc với sản vật cháy có nhiệt độ rất cao (2300 ÷ 28000K) Như vậy nhiệt độ của Piston và nhất là nhiệt độ phần đỉnh Piston cũng rất cao khoảng (2300 ÷ 28000K)

Ma sát và ăn mòn : Trong quá trình làm việc, Piston chịu ma sát khá lớn do thiếu dầu bôi trơn và lực ngang N ép Piston vào xy lanh, ma sát càng lớn do biến dạng của Piston Mặt khác, do thường xuyên tiếp xúc trực tiếp với sản vật cháy có các chất ăn mòn như các hơi axit nên piston còn

+ Yêu cầu của Piston: Đủ bền để chịu áp suất cháy của hỗn hợp khí tác dụng lên piston

khoảng 40 bar trong quá trình cháy

Càng nhẹ càng tốt để giảm quán tính khi thay đổi hướng và trong chuyển động

Giản nở càng ít cảng tốt và phải làm mát tốt, có tính dẫn nhiệt tốt để giải phóng nhiệt và

đảm bảo làm mát ở đỉnh piston vì nơi đây tiếp xúc với khí cháy

Có ống dẫn hướng tốt để piston có thể di chuyển tự do trong xi lanh để tránh va chạm, hoạt

động tốt khi nóng cũng như khi lạnh

+ Điều kiện làm việc:

Chịu nhiệt độ cao: Do tiếp xúc trực tiếp với khí cháy, truyền nhiệt từ piston đến vách và do

ma sát với xilanh Nhiệt độ của xécmăng khí thứ 1 > 6000K, các xécmăng khí khác >4000K, xécmăng dầu >3000K

Chịu lực va đập lớn: Chịu tác dụng của lực khí thể và lực quán tính.Chịu mài mòn: Công

ma sát giữa xécmăng và xilanh chiếm 50-60% công tổn thất cơ giới của động cơ, do đó ma sát giữa xécmăng và xilanh rất lớn Bên cạnh đó, khả năng bôi trơn giữa xéc măng và thành

xi lanh là rất kém

+ Yêu cầu của xéc măng: Phải được làm khít và làm kín thật tốt để ngăn chặn khí cháy lọt

vào carter động cơ cũng nhƣ chặn nhớt bôi trơn không vào buồng cháy

Tính chịu mòn tốt ở điều kiện ma sát tới hạn

Có hệ số ma sát nhỏ đối với bề mặt xilanh

Có sức bền và độ đàn hồi cao và ổn định trong điều kiện nhiệt độ cao

Có khả năng rà khít với mặt xilanh một cách nhanh chóng

7

Khi ĐC làm việc, thanh truyền chịu tác dụng của các lực:

➢ Lực khí thể trong xylanh

➢ Lực quán tính chuyển động tịnh tiến của nhóm pittông

➢ Lực quán tính của thanh truyền

Đầu nhỏ thanh truyền bị biến dạng dưới tác dụng lực quán tính chuyển động tịnh tiến

Thân thanh truyền chịu nén dưới tác dụng của lực khí thể và chịu uốn trong mặt phẳng lắc

của thanh truyền dưới tác dụng của lực quán tính

Đầu to thanh truyền chịu lực quán tính của nhóm piston và thanh truyền

Khi động cơ làm việc lực khí thể và lực quán tính thay đổi theo chu kỳ cả về trị số và hướng Do đó tải trọng tác dụng lên thanh truyền là tải trọng thay đổi và có tính chất va

đập

+ Yêu cầu của thanh truyền:

Đầu to thanh truyền phải có độ cứng vững lớn để bạc lót không bị biến dạng

❖ Kích thước nhỏ gọn

❖ Chỗ chuyển tiếp giữa thân và đầu to phải có góc lựa lớn

❖ Dễ lắp ghép cụm piston-thanh truyền với trục khuỷu

Đối với bạc lót đầu to thanh truyền thì :

❖ Có tính chống mòn tốt

❖ Có độ cứng thích hợp và độ dẻo cần thiết

❖ Chóng rà khít với bề mặt trục

❖ Ở nhiệt độ cao, sức bền giảm ít

❖ Truyền, dẫn nhiệt tốt, ít giãn nở

❖ Giữ được dầu bôi trơn

2.4 Trục Khuỷu:

+ Nhiệm vụ:

Tiếp nhận lực tác dụng từ piston tạo moment quay kéo các máy công tác và nhận năng lượng của bánh đà Sau đó, truyền cho thanh truyền và piston thực hiện quá trình nén cũng như trao đổi khí trong xylanh

+ Điều kiện làm việc: Trạng thái làm việc: Trục khuỷu làm việc trong điều kiện rất nặng:

chịu lực khí thể, lực quán tính, … Các lực này có trị số lớn và biến đổi theo chu kỳ gây ra ứng suất uốn và xoắn, đồng thời gây ra hiện tượng dao động dọc và dao động xoắn Ngoài

ra, trục khuỷu còn chịu va đập và chịu xoắn, chịu mài mòn lớn (khó bôi trơn ở tốc độ cao)

+ Yêu cầu của trục khuỷu:

Có sức bền, cứng vững lớn

❖ Trọng lượng nhỏ và ít mòn

❖ Độ chính xác gia công cao, bề mặt làm việc cần có độ bóng và cứng cao

Đỉnh bằng: Dễ chế tạo, thường dung cho động cơ xăng

Đỉnh lõm: Phần đỉnh piston được khoét lõm theo các hình dạng: chỏm cầu,… loại này làm cho hỗn hợp hoà trộn đều dung cho các loại động cơ Diezel có buồn cháy phụ

Đỉnh lồi: Lực được phân bố đều xung quanh, khả năng chịu lực tốt Loại này khó chế tạo, diện tích tiếp xúc nhiệt lớn, truyền nhiệt

3.1.2 Thanh truyền

Kết cấu của thanh truyền gồm 3 phần là đầu nhỏ, đầu to và thân thanh truyền

3.1.2.1 Đầu nhỏ thanh truyền:

Kết cấu đầu nhỏ thanh truyền phụ thuộc vào kích thước chốt piston và phương pháp lắp ghép đầu nhỏ thanh truyền với chốt piston Đầu nhỏ thanh truyền thường có dạng trụ rỗng

Hình 2: Kết cấu của thanh truyền

Các phương án bôi trơn khi đầu nhỏ thanh truyền lắp tự do với chốt piston:

• Dùng rãnh hứng dầu

• Bôi chim trên chống bức do dẫn dầu từ trục khuỷu theo thân thanh truyền

• Làm các rãnh chứa dầu ở bạc đầu nhỏ

• Dùng bi kim thay cho bạc lót

Khi chốt piston cố định trên đầu nhỏ thanh truyền đầu nhỏ phải có kết cấu kẹp chặt

Hình 3: Kết cấu của đầu nhỏ thanh truyền

10

3.1.2.2 Thân thanh truyền:

Thân thanh truyền được chia thành 8 loại như sau:

• Loại a và b: được dùng phổ biến hiện nay

• Loại c và d: thường dùng trong động cơ tốc độ thấp Loại này dể chế tạo, nhưng sử dụng vật liệu không hợp lý

• Loại e: thường dùng trong động cơ nhiều hàng xilanh vì có bán kính chuyển tiếp lớn

• Loại g và h: thường dùng trong động cơ nhỏ, vì kết cấu đơn giản

• Loại : loại này có quan điểm là tăng độ cứng vững và dễ khoan đường dầu

Tiết diện của thân thanh truyền thường thay đổi từ nhỏ đến lớn kể từ đầu nhỏ đến đầu to thanh truyền Có nhiều dạng tiết diện thân thanh truyền khác nhau như hình tròn, hình chữ

I, hình vuông và hình ô van Mỗi loại tiết diện có các ưu và nhược điểm khác nhau

Hình 4: Kết cấu của thân thanh truyền

Hình 5: Các loại tiết diện của thanh thân truyền

11

Có 3 loại tiết diện thanh thân truyền:

• Tiết diện hình tròn: Có hình dáng đơn giản, dễ chế tạo, có thể tạo phôi bằng rèn tự

do Loại này không tận dụng vật liệu theo quan điểm sức bền đều Thường được dùng trong động cơ tàu thủy

• Tiết diện hình chữ I: Loại này có sức bền đều theo hai phương nên được sử dụng

rất phổ biến hiện nay, từ động cơ cỡ nhỏ đến các động cơ cỡ lớn Tạo phi bằng phương pháp rèn khuôn

• Tiết diện hình chữ nhật, ô van: Loại tiết diện này giống với loại tiết diện hình tròn

Có ưu điểm là dễ chế tạo nhưng không được sử dụng phổ biến như dạng chữ I, chỉ được dùng trong các động cơ mô tô hay xuồng máy cỡ nhỏ

Bên trong thân thanh truyền thường có các lỗ công nghệ có vai trò dẫn dầu bôi trơn đến đầu nhỏ và đầu to thanh truyền Giúp bôi trơn các bề mặt ma sát mà dầu bôi trơn khó tiếp cận theo cách vung té thông thường

3.1.2.3 Đầu to thanh truyền:

Đầu to thanh truyền thường được cắt làm hai nửa và lắp ghép với nhau bằng bulông hay vít cấy Do đó bạc lót cũng phải chia làm hai nửa và phải được cố định trong lỗ đầu to thanh truyền

Hình 6: Kết cấu đầu to thân thanh truyền

12

Bởi vì nó thường xuyên bị tác động bởi lực kéo và nén nên nó phải có đủ độ bền và cứng chắc Đầu to của thanh truyền có một lỗ phun dầu để bôi trơn và làm mát Dầu được cung cấp qua đường dầu trong trục khuỷu Thanh truyền liên kết với nắp bạc, vì vậy cần kiểm tra dấu phía trước để tránh nhầm lẫn khi lắp ráp hai bộ phận này

3.1.3 Trục khuỷu

Dựa vào hình dạng kết cấu, trục khuỷu được chia thành các phần như hình Bao gồm: đầu trục, má khuỷu, cổ trục, cổ biên, đối trọng và đuôi trục

3.1.3.1 Đầu trục khuỷu:

Đầu trục khuỷu lắp vấu quay để quay trục khi cần thiết hoặc để khởi động bằng tay quay

Hình 7: Kết cấu của trục khuỷu

Hình 8:Kết Cấu đầu trục khuỷu

13

Ở đầu trục khuỷu thường có then để lắp puly dẫn động quạt gió, bơm nước cho hệ thống làm mát, cơ cấu giảm dao động xoắn (nếu có) và lắp bánh răng trục khuỷu Bộ truyền bánh răng từ trục khuỷu dùng để dẫn động trục cam phối khí và bơm cao áp (của động cơ diesel) hoặc bộ chia điện đánh lửa (của động cơ xăng) v\à bơm dầu của hệ thống bôi trơn … Ngoài ra đầu trục khuỷu loại này còn có kết cấu hạn chế sự di chuyển dọc trục Các bề mặt đầu của cổ trục đầu tiên khi di chuyển dọc trục sẽ tỳ vào các tấm chắn có tráng hợp kim chịu mòn giúp hạn chế sự di chuyển dọc trục của trục khuỷu

Trong má khuỷu được khoan các ống dẫn dầu có vai trò là đường trung chuyển dầu bôi trơn giữa cổ trục và cổ biên, giúp dầu có thể đến được các bề mặt cần bôi trơn

14

Vì là phần chi tiết phải chịu nhiều lực và ma sát cao khi hoạt động nên cổ trục được gia công và xử lý bề mặt đạt sao cho độ cứng và độ bóng cao Thường các cổ trục sẽ có cùng một đường kính Đặc biệt ở những loại động cơ cỡ lớn đường kính cổ trục có thể lớn dần

từ đầu trục đến đuôi trục khuỷu để có sức bền đều

Trong cổ trục thường được khoan các lỗ hay các đường ống để có thể dẫn dầu bôi trơn đến các bề mặt ma sát như bạc lót hay đưa dầu đến các đường ống khác ở má khuỷu hay cổ biên giúp bôi trơn các bề mặt khác

Trong cổ biên cũng được gia công các đường ống dẫn dầu bôi trơn đến các bề mặt ma sát

là bạc lót, giúp giảm ma sát giữa bề mặt đầu to thanh truyền với bạc lót Dầu bôi trơn đi qua rãnh ở giữa bạc lót, đi vào ống dẫn dầu trong thân thanh truyền và đến bôi trơn bề mặt

ma sát ở đầu nhỏ thanh truyền

3.1.3.5 Đối trọng:

Đối trọng là phần kim loại gắn trên trục khuỷu để tạo ra lực quán tính li tâm nhằm những mục đích sau:

Cân bằng lực quán tính ly tâm Pk của trục khuỷu

Cân bằng một phần lực quán tính chuyển động tịnh tiến

Hình 10: Kết cấu của cố trục khuỷu

Đối trọng là bộ phận có vai trò quan trọng trong việc cân bằng chuyển động của trục khuỷu

Về mặt kết cấu, có các loại đối trọng sau:

• Đối trọng liền với má khuỷu

• Đối trọng được làm rời, lắp bằng bulông với trục khuỷu

• Lắp với trục khuỷu bằng rãnh mang cá và được kẹp chặt bằng bulông

3.1.3.6 Đuôi trục khuỷu

Đuôi trục khuỷu có mặt bích để lắp bánh đà hoặc biến mô (xe số tự động) và được làm rỗng

để lắp vòng bi đỡ trục sơ cấp hộp số Trên bề mặt ngõng trục có mặt phớt chặn dầu tiếp đó

là ren hồi dầu có chiều xoắn ngược với chiều quay của trục khuỷu để gạt dầu trở lại Sát với cổ trục cuối cùng là đĩa chắn dầu Ngoài ra, ở một số động cơ đuôi trục khuỷu còn là nơi lắp chắn di chuyển dọc trục, lắp bánh răng dẫn động các cơ cấu phụ như bơm cao áp, bơm dầu

3.2 Chọn phương án thiết kế

Ta chọn loại phương án sau :

Piston: chọn lại có đỉnh lõm

Thanh truyền : chọn loại có kết cấu chữ I

Trục khuỷu : Chọn loại trục khuỷu nguyên

Động cơ xăng 4 xilanh, thẳng hàng

Hình 11: Đối trọng của trục khuỷu

Hình 12: Sơ đồ cấu tạo của trục khuỷu

Hình 13: Nguyên lí hoạt động của cơ cất phát lực

Bảng 4: Hoạt động của từng xi lanh

Phần 4 : TÍNH TOÁN NHIỆT CHO ĐỘNG CƠ

4.1 Các thông số ban đầu của động cơ FordEco Sports

Áp suất không khí nạp được chọn bằng áp suất khí quyển, giá trị po phụ thuộc vào độ cao

so với mực nước biển Càng lên cao thì 𝑃𝑜 càng giảm do không khí càng loãng, tại độ cao

so với mực nước biển:

𝑃𝑜 = 0,0113 𝑀𝑁/𝑚2

+ Nhiệt động khí nạp:

Nhiệt độ không khí nạp mới phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ trung bình của môi trường, nơi

xe được sử dụng Điều này hết sức khó khăn đối với xe thiết kế để sử dụng ở những vùng

có khoảng biến thiên nhiệt độ trong ngày lớn

Miền Nam nước ta thuộc khi vực nhiệt đới, nhiệt độ trung bình trong ngày có thể chọn là

𝑡𝑘𝑘 = 30 ℃ cho khu vực miền Nam, do đó:

18

+ Áp suất cuối của quá trình nạp:

Trong quá trình tính toán nhiệt, suất cuối quá trình nạp 𝑃𝑎 của động cơ bốn kỳ không tăng áp thường được xác định bằng công thức thực nghiệm:

Với động cơ bốn kỳ không tăng áp:

𝑃𝑎 = ( 0,80 ÷ 0,95 ) × 𝑃𝑜Vậy áp suất cuối của quá trình nạp là:

𝑃𝑎 = 0,9 × 0,0113 = 0,09 𝑀𝑁/𝑚2

+ Áp suất khí sót:

Là thông số quan trọng đánh giá mức độ thải sạch sản phẩm cháy ra khỏi xi lanh động cơ

Do động cơ xăng, nên ta chọn 𝑃𝑟 = 0,11 𝑀𝑃𝑎

+ Nhiệt độ khí sót:

Phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp khí, mức độ giãn nỡ và trao đổi nhiệt trong quá trình giãn nỡ và thải

Đối với động cơ xăng, nên ta chọn: 𝑇𝑟 = ( 900 ÷ 1000 ) °𝐾 = 950 ° 𝐾

+ Độ tăng nhiệt độ khí nạp mới:

Khí nạp mới khi chuyển động trong đường ống nạp vào trong xilanh của động cơ do tiếp xúc với vách nóng nên được sấy nóng lên một trị số nhiệt độ là ΔT

Khi tiến hành tính toán nhiệt của động cơ người ta thường chọn trị số ΔT căn cứ vào số liệu thực nghiệm

Đối với động cơ xăng, nên ta chọn: ∆𝑇 = ( 0 ÷ 20 ) ℃ = 10 ℃

+ Hệ số nạp thêm 𝜆1

Hệ số nạp thêm 𝜆1 biểu thị sự tương quan lượng tăng tương đối của hỗn hợp khí công tác sau khi nạp thêm so với lượng khí công tác chiếm chỗ của thể tích 𝑉𝑎

Hệ số nạp thêm giới hạn 𝜆1 = ( 1,02 ÷ 1,07 ) nên ta chọn 𝜆1 = 1,04

+ Hệ số quét buồng cháy 𝜆2

Do đây động cơ xăng không tăng áp, nên không có quét buồng cháy nên ta chọn 𝜆2 = 1

19

+ Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm Z ( 𝜀𝑍) : là thông số biểu thị mức độ lợi dụng nhiệt tại điểm

Z phụ thuộc vào chu trình công tác của động cơ

Với động cơ xăng, nên ta chọn 𝜀𝑍 = 0,8

+ Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b ( 𝜀𝑏) : phụ thuộc vào nhiều yếu tố Khi tốc độ động cơ càng cao, cháy rớt càng tăng dẫn đến 𝜀𝑏 nhỏ

Với động cơ xăng, nên ta chọn 𝜀𝑏 = 0,9

+ Hệ số dư sản lượng không khí 𝛼 : ảnh hưởng rất lớn đến quá trình cháy

Đối với động cơ đốt trong, tính toán nhiệt phải tính ở chế độ công suất cực đại, hệ số dư sản lượng khí được chọn trong phạm vi như sau:

Diesel + Buồng đốt thống nhất + Buồng đốt xoáy lốc + Buồng đốt dự bị + Tăng áp

1,45 ÷ 1,75 1,40 ÷ 1,65 1,34 ÷ 1,45 1,70 ÷ 2,20

Bảng 7: Hệ số dư sản lượng không khí 𝛼

Đối với động cơ xăng, ta chọn 𝛼 = 0,9

+ Hệ số điền đầy đủ đồ thị công ( 𝜑đ): đánh giá phần hao hụt về diện tích của đồ thị công thực tế so với đồ thị công tính toán

Hệ số điền đầy đủ đồ thị công chọn theo số liệu kinh nghiệm theo bảng sau:

Diesel + Buồng đốt thống nhất + Buồng đốt ngăn cách

0,9 ÷ 0,95 0,92 ÷ 0,96

Bảng 8: Hệ số điền đầy đủ

Đối với động cơ xăng, ta chọn𝜑đ = 0,96

+ Tỉ số tăng áp: là tỉ số áp suất của hỗn hợp khí trong xi lanh ở cuối quá trình cháy và quá trình nén được hiểu thị bằng công thức như sau:

𝜆𝑝 = 𝑃𝑧

𝑃 𝑐

Tỉ số tăng áp của động cơ xăng thường nằm trong phạm vị ( 3,00 ÷ 4,00 )

Nên ta chọn tỉ số tăng áp là 3,5

+ Trong đó m là chỉ số giãn nở đa biến trung bình của khí sót m = 1,451,5 nên ta chọn

𝑚 = 1,45

r =1 (303 + 10)

0,110,09×

Tỉ lệ mol đẳng tích trung bình của sản phẩm cháy dành cho động cơ xăng được tính theo công thức như sau:

𝑇𝑐 = 𝑇𝑎 × 𝜀𝑛1 −1 = 340 × 111.21−1 = 562 °𝐾 Nhiệt độ cuối quá trình nén của động cơ xăng bốn kì được nằm trong phạm vị:

𝑇𝑐 = ( 250 ÷ 750 ) °𝐾

Vì vậy nên ta chọn 𝑇𝑐 = 562 °𝐾

4.3.3 Tính toán quá trình cháy

+ + Lượng không khí lí thuyết cần để đốt cháy 1 kg nhiên liệu được tính theo công thức:

Bảng 9: thành phần khí C-H-O trong nhiên liệu

+ Lượng khí nạp mới thực tế nộp vào xi lanh 𝑀1:

Do đây là động cơ xăng, được tính bằng công thức như sau:

𝑀1 =∝ × 𝑀0 + 1

𝜇𝑛.𝑙 Trong đó: 𝜇𝑛.𝑙 là khối lượng phân tử của động cơ xăng, theo bảng trên ta chọn là 114

𝑀1 = ∝ × 𝑀0 + 1

𝜇 𝑛.𝑙 = 0,9 × 0,684 + 1

114 = 0,624 + Lượng sản vật cháy 𝑀2 là:

Do 𝛼 < 1 nên ta có lượng sản vật cháy được tính theo công thức sau:

𝛽𝑜 = 𝑀2

𝑀1 =

0,6280,624 = 1,006 + Hệ số biến đổi phân tử thực tế 𝛽 :

𝛽 = 1 + 𝛽𝑜 − 1

1 + 𝛾𝑟 = 1 +

1,006 − 1

1 + 0,039 = 1,005 + Hệ số biến đổi phân tử tại thời điểm 𝛽𝑧 :

∆ 𝑄𝐻 = 120 × 103 × ( 1− ∝ ) × 𝑀𝑜

Do 𝛼 = 0,9 nên ta có:

∆ 𝑄𝐻 = 120 × 103 × ( 1 − 0,9 ) × 0,684 = 8208 ( 𝑘𝐽

𝑘𝑔 𝑛𝑙) +Tỉ lệ mol đẳng tích trung bình của môi chất tại điểm z:

0,624 × ( 1 + 0,039 ) + ( 19,805 + 2,20 × 10

−3× 𝑇𝑧) × 562 = 89,63 ×

= ( 19,810 + 2,19 × 10−3𝑇𝑧) 𝑇𝑧44115,39 + ( 19,805 + 2,20 × 10−3× 𝑇𝑧) × 562 = ( 19,810 + 2,19 × 10−3 𝑇 ) × 𝑇𝑧

24

Phần 5 : ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU PISTON-THANH TRUYỀN-TRỤC KHUỶU 5.1.1 Động lực học Piston

5.1.1.1 Chuyển vị của piston

Khi trục khuỷu quay 1 góc ∝ thì piston dịch chuyển một đoạn là X so với vị trí ban đầu Chuyển vị của piston được xác định bằng công thức sau:

𝑆𝑝 = 𝑅 × [( 1 − cos ∝ ) + 𝜆

4 × ( 1 − cos 2 ∝ ) ] Trong đó: 𝜆 là thông số kết cấu

L là chiều dài thanh truyền

30 là vận tốc quay của trục khuỷu Vận tốc của piston là tổng của hai hàm điều hòa cấp 1 và cấp 2

𝑝𝑜 là áp suất khí quyển Quá trình nạp: 𝑝𝑘𝑡 = Pa – Po

Quá trình nén: 𝑝𝑘𝑡 = 𝑃𝑎 × 𝑖𝑛1− 𝑝𝑜 Quá trình cháy: : 𝑝𝑘𝑡 = 𝑃𝑧

𝜖𝑛2− 𝑝𝑜 Quá trình dãn nở : 𝑝𝑘𝑡 = 𝑃𝑟 − 𝑃𝑜

5.1.2.3 Hệ lực tác dụng lên cơ cấu trục khuỷu-thanh truyền

+ Lực tác dụng lên chốt piston: là hợp lực của lực khí thể và lực quán tính tịnh tiến

𝑃1 = 𝑃𝑘𝑡 + 𝑃𝑗+ Lực tác dụng dọc thanh truyền:

𝑃𝑡𝑡 = 𝑃Σ

cos 𝛽 Với 𝛽 = arcsin( 𝜆 × sin ∝ ) + Lực ngang: 𝑁 = 𝑃Σ × 𝑡𝑔 𝛽

+ Lực tiếp tuyến T: 𝑇 = 𝑃𝑡𝑡 × sin( ∝ +𝛽) = 𝑃Σ × sin( ∝+𝛽)

cos 𝛽

+ Lực pháp tuyến Z: 𝑍 = 𝑃𝑡𝑡 × cos ( ∝ +𝛽) = 𝑃Σ × cos( ∝+𝛽)

cos 𝛽

5.1.2.4 Momen quay của động cơ

+ Tính gốc lệnh công tác của động cơ: 𝛿𝑘 = 180 °

+ Thứ tự làm việc của động cơ FordEcoSports: 1-3-4-2

+ Xác định pha công tác của xi lanh:

Xilanh 1: α Xilanh 2: α + 180 Xilanh 3: α + 540 Xilanh 4: α + 360 + Momen tổng được xác định bằng quan hệ: Σ𝑀𝑖 = 𝑅 × ∑𝑖𝑖=1𝑇𝑖

Trong đó: Σ𝑀𝑖 là momen tổng cộng

∑𝑖 𝑇𝑖𝑖=1 tổng lực tiếp tuyến

5.1.2.5 Lực tác dụng lên chốt khuỷu:

Tại chốt khuỷu có các lực tác dụng như sau: lực tiếp tuyến T, lực pháp tuyến Z, lực ly tâm Hợp lực tác dụng lên chốt khuỷu là vector lực 𝑄⃑ được xác định bằng phương trình cân bằng lực:

𝑄

⃑⃑⃑ = 𝑇 ⃑⃑⃑ + 𝑍 ⃑⃑⃑ + 𝑃⃑⃑⃑⃑⃑⃑ 𝑘𝑜Với 𝑃𝑘𝑜 = − 𝑚𝐵 × 𝑅 × 𝜔2

26

Phần 6 TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CỦA HỆ THÔNG PHÁT LỰC

6.1.1 Tính toán kích thước Piston

Hình 14: Thông số kích thước Piston

Bảng 10: thông số tính của piston