tài liệu về trục khuỷu bánh đà

Độ bền của trục khuỷu được xác định bởi - Kích thước và hình dáng của cổ trục, chốt khuỷu và má khuỷu - Các yếu tố làm giảm độ bền: sự tập trung ứng suất xuất hiện ở góc lượn và mép các

A Trục khuỷu

Trục khuỷu la một chi tiết rất quan trọng, cường độ làm việc rất lớn và giá thành chế tạo cao nhất của động cơ chiếm từ (25 ÷ 30%) giá thành động cơ Khối lượng trục khuỷu chiếm từ 7 ÷ 15% khối lượng toàn động cơ.

Nhiệm vụ

- nhận lực khí cháy truyền từ thanh truyền và biến chuyển động tịnh tiến của piston thanh chuyển động quay của động cơ.

- Dẫn động các cơ cấu khác của động cơ hoạt động.

II ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC

Trục khuỷu làm việc trong diều kiện chịu lực và momem tác dụng luôn luôn thay đổi trục khuỷu chịu tác dụng của lực khí thể lực quán

tính(tịnh tiến và quay) Các lực này gây ra ứng suất uốn và xoắn, đông thời gây nên hiện tượng dao động dọc và dao động xoắn, làm động cơ rung động và mất cân bằng ngoài ra các lực nói trên gây ra mài mòn trên các bề mặt ma sát của cổ trục và chốt khuỷu

1 khi lựa chọn trục khuỷu phải đảm bảo các yêu cầu sau:

2 Độ bền của trục khuỷu được xác định bởi

- Kích thước và hình dáng của cổ trục, chốt khuỷu và má khuỷu

- Các yếu tố làm giảm độ bền: sự tập trung ứng suất xuất hiện ở góc lượn và mép các lỗ dầu trên bề mặt làm việc

- Độ bền thực tế của vật liệu chế tạo trục: giới hạn chảy, giới hạn mỏi khi chịu xoắn.

- Các phương pháp tăng độ bền: bằng cơ học, bằng hóa nhiệt luyện và bằng nhiệt luyện…

3 Kích thước trục khuỷu:

- Số cổ trục và chốt khuỷu

- Kết cấu của xilanh

- Kết cấu của culasee

- Kiểu lắp thanh truyền trong động cơ chữ v

- Phương pháp chế tạo và vật liệu chế tạo của trục

III KẾT CẤU TRỤC KHUỶU

- Gồm có một khuỷu hoặc nhiều khuỷu, có các cổ trục để định vị trục khuỷu và cho trục khuỷu chuyển động tròn, các cổ chốt nối đầu to thanh truyền, có má khuỷu nối chốt với cổ khuỷu, có đối trọng … , điều kiện để chọn kết cấu thích hợp là D ch + D cl >2R

- Trục khuỷu nguyên: trục khuỷu là một khối liền

- Trục khuỷu ghép: cổ trục, cổ chốt và má khuỷu được chế tạo riêng rồi lắp ghép hoặc bắt bulon để thành trục khuỷu Động cơ

cỡ lớn hay dùng trục khuỷu cỡ lớn chế tạo từng đoạn, mỗi đoạn vài trục khuỷu rồi lắp lại thành trục khuỷu Khi lắp nung nóng 200

÷ 250 0 C và lắp không cần then

Trục khuỷu nguyên

1 Đầu trục khuỷu : dùng để lắp bánh răng dẫn động trục cam, bơm nhớt, bơm cao áp, cơ cấu phân phối khí, lắp puli dẫn

động quạt gió hoạt bơm nước, puli kéo máy phát điện, đai ốc khởi động …

2 Cổ trục:

- Chiều dài cổ trục có khác nhau Cổ sau cùng và cổ giữa thừơng dài hơn các cổ khác vì chịu trọng lực của bánh đà và lực quán tính của xilanh giữa.

- Các cổ trục nằm trên một đường tâm

- Khi tăng đường kính cổ trục dẫn đến độ cứng vững tăng Mặt khác kích thước ở trục tăng theo trọng lượng trục khuỷu lớn do

đó ảnh hưởng đến tần số dao động xoắn của toàn bộ hệ trục, dễ xảy ra hiện tượng cộng hưởng trong phạm vi tốc độ sử dụng

- D ct = (0,65 ÷ 0,68)D, l cl = (0,5 ÷ 0,6)D cl : xăng.

- D ct = (0,7 ÷ 0,85)D : diesel, l cl = (0,5 ÷ 0,6)D ct

Cổ trục

hướng theo các góc độ khác nhau tùy theo số lượng xilanh và thứ

tự làm việc của các động cơ

- Đường kính chốt khuỷu có thể lấy bằng đường kính cổ trục(nhất

là đối với các động cơ cao tốc)

l ck : chiều dài chốt khuỷu

- trong động cơ cơ cao tốc, độ phụ tải của lực quán tính lớn để tăng khả năng làm việc của bạc lót và chốt khuỷu người ta tăng

D CK và D CT Nếu tăng D CK và D CT do đó độ cứng vững tăng làm cho lực quán tính quay tăng dẫn đến khối lượng quay tăng làm cho tần số dao động (dao động riêng ) của hệ trục khuỷu thấp trong

phạm vi n min ÷ n max xảy ra hiện tượng cộng hưởng làm gãy trục khuỷu để khắc phục hiện tượng này chốt khuỷu làm rỗng ( 10 ÷ 15) % Lỗ rỗng trong chốt khuỷu có thể làm đồng tâm hoặc l chốt khuỷu ệch tâm với chốt lam chốt khuỷu rộng để bố trí kết cấu đưa nhớt bôi trơn đến các nơi khác

Dùng để nối giữa cổ trục và chốt khuỷu

- Hình dạng má khuỷu phụ thuộc hai yếu tố

Loại động cơ và vận tốc góc của khuỷu

Trị số lực khí thể

Loại má khuỷu hình chữ nhật và tròn có kết cấu đơn giản nhất,

dể chế tạo nhưng lãng phí vật liệu để tránh lãng phí vật liệu ta vát bớt các góc của má hình chữ nhật để tạo thành má có các cung tròn tiếp tuyến má hình ovan

Má khuỷu dạng tròn có ưu điểm : sức bền cao, giảm chiều dài

má , chiều dài của trục và của chốt do đó giảm mài mòn cho cỏ trục và chốt khuỷu

Dễ gia công

- Bán kính góc lượn thường chọn trong khoảng :

r = (0.06 ÷ 0.08 )D CK Đôi khi để đảm bảo chiều dài bề mặt làm việc, người ta có thể dùng các bán kính góc lượn khác nhau để nối giữa

má khuỷu với cổ trục và chốt khuỷu

5 Đối trọng

Đối trọng lắp với khuỷu theo ba phương pháp sau:

- đối trọng làm liền với má khuỷu thường dùng trên động cơ ôto máy kéo và động cơ xăng có công suất nhỏ.

- Đối trọng làm riêng rồi hàn với má khuỷu Loại này ít dùng vì sau khi hàn trục khuỷu bị biến dạng

- Đối trọng làm riêng rồi lắp lên má khuỷu Loại này hay dùng

6.Đường dẫn dầu : bôi trơn trục khuỷu và ảnh hưởng của nó

đối với kết cấu trục khuỷu:

Bôi trơn cổ trục và chốt khuỷu dung phương pháp bôi trơn cưỡng bức.Thường muốn đưa dầu từ trong trục khuỷu ra bôi trơn bề mặt làm việc lỗ dầu phải khoan ở chỗ mòn ít nhất vì:

• Thuận lợi trong gá đặt gia công.

• Do lực ly tâm nên bụi bẩn không theo vào lỗ khoan dầu

Để chứa dầu bôi trơn, cổ và chốt khuỷu phải làm rỗng Ống dầu dẫn cắm sâu vào

lỗ chốt khuỷu để lấy được dầu sạch để bôi trơn các chi tiết vì khi trục khuỷu quay cặn bẩn văng ra phía ngoài còn dầu sạch phía trong.

Để dễ dàng khoan lỗ ta khoan như hình sau nhưng có khuyết điểm:

• Ứng suất mỏi trên bề mặt chốt tăng.

• Tác dụng lọc kém.

• Không nằm trong vùng có mài mòn ít.

Khi làm rỗng trục khuỷu chứa dầu, việc dẫn dầu từ cổ đến chốt và dẫn dầu đến bề mặt bôi trơn theo các phương pháp :

• Bố trí theo (a) dầu đến bôi trơn các bề mặt ma sát trong trường hợp khởi động nhanh nhất nhưng dầu không được lọc sạch do đó mài mòn lớn

• Bố trí theo kiểu (b,d,e) làm giảm cặn bẩn trong dầu tốt nhất là (c,g)

Khi làm rỗng cổ và chốt để chứa dầu phải bịt kín đầu cổ và chốt Phương pháp thường dùng là: dùng bulong siết nút chặt hai nút hình côn (c,d) dùng nút tự hãm(b),dùng bản mỏng đàn hồi (g).

• Tăng r làm giảm ứng suất tập trung nhưng tăng sức bền trục

khuỷu, nhưng tăng r chiều dài làm việc của cổ và chốt giảm.

• Do đó để đảm bảo tăng sức bền mà chiều dài làm việc không

tăng nhiều người ta dùng các bán kính góc lượn khác nhau (hinh b) dùng rất nhiều

• Vd: Tăng r từ (5÷9)mm ưng suất giảm 40% Bố trí r theo (hình b và

c) đảm bảo được chiều dài làm việc nưng giảm sức bền má và sức bền cổ chốt : hiện nay ít dùng.

9.Đuôi trục khuỷu:

Có mặt bích để lắp bánh đà Để trục khuỷu lắp đúng vị trí trên bánh đà

và giảm lực cắt do bulong thường có các chốt định vị Các chốt này bố trí không đối xứng trên mặt bích.

• Để dầu không lọt xuống carter người ta còng dùng vòng đệm

chắn dầu, còn có ren ốc hồi dầu ở đuôi trục khuỷu Ren ốc có

nhiều trái với chiều quay của trục khuỷu nên dầu được đẩy về carter

IV- VẬT LIỆU CHẾ TẠO- CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO

TRỤC KHUỶU

1 Vật liệu chế tạo

• Trước đây chế tạo trục khuỷu bằng thép cứng sau đó tôi và nhiệt

luyện dấn đến trục khuỷu quá cứng do đó khó điều chỉnh.

• Ngày nay chế tạo bằng thép nửa cứng có pha Cr,Ni, Mn… Sau đó

tôi và thương hóa VD oto :40,45,40X….

• Thép các bon được dùng nhiều nhất.

• ngoài ra còn dùng gang chế tạo trục khuỷu.

2.Phương pháp chế tạo

• Rèn tự do: Trục khuỷu lớn lượng dư lớn năng suất thấp làm sức

bền giảm.

• Rèn khuôn: phương pháp hiện đại, năng suất cao, sản xuất hàng

loạt thớ kim loại lien tục, tăng sức bền, lượng dư ít Trước khi gia

công phải ủ và thường hóa để khử ứng suất nội và đồng đều hạt, nhỏ hạt.

I Phương pháp tính sức bền theo cách phân đoạn

Khi tính toán theo phương pháp này ta chia trục khuỷu ra làm nhiều đoạn,mối đoạn ứng với mỗi khuỷu,chiều dài mỗi đoạn bằng khoảng cách giữa hai tâm điểm của ổ trục và coi mỗi đoạn như một đàm tĩnh định đặt trên hai gối tựa Khi các đoạn trục khuỷu, ta giả thiết rằng: khuỷu trục là một dầm có độ cứng vững tuyệt đối.

Khi tính toán sức bền thường tính cho trục nào nguy hiểm nhất tức là khuỷu mà trên đó tải trọng có giá trị lớn nhất.

Sơ đồ tính toán xem hình XII-14

1

pr1

pr

1

hb

AA

A-A

pr

1

pr1

pr1

1.Trường hợp “ khởi động “, khi chịu lực P zmax

2.Trường hợp chịu lực pháp tuyến lớn nhất Z max

3.Trường hợp chịu lực tiếp tuyến lớn nhất T max

4.Trường hợp chịu mment xoắn lớn nhất

A Trường hợp khởi động Tính toán trường hợp khởi động là tính gần đúng với giả thiết: khuỷu trục ở điểm chết trên ( α=0)

Bỏ qua lực quán tính (do số vòng quay khi khởi động nhỏ) và lực tác dụng trên khuỷu có giá trị lớn nhất P zmax

Do đó lực tác dụng lên khuỷu sẽ là:

Z o =Z=P zmax *F p

T=0

W

l Z W

M '* '

 MN/m 2 Trong đó W u : môduyn chống uốn của tiết diện ngang chốt khuỷu.

2

hb

b Z W

Ứng suất tổng cộng : σ t = σ n + σ u

B.Trường hợp khuỷu trục chịu lực Z max

Sơ đồ tính toán sức bền của khuỷu trục trong trường hợp này giới thiệu trên hình XII-16.

Lực tác dụng trên khuỷu trục này là Z max và vị trí của khuỷu là α=0 (qui ước rằng O 0 là vị trí của khuỷu trục với ĐCT , và là điểm bắt đầu của quá trình cháy giãn nở)

Lực tác dụng ( khi có xét đến ảnh hưởng của lực quán tính) Z max xác định theo công thức sau:

Z max =P max – MRω 2 (1+λ) và Z o = Z max – (C 1 + C 2 )

Trong đó:

M: khối lượng chuyển động tịnh tiến của cơ cấu khuỷu trục thanh truyền

C 1 : lực quán tính ly tâm của chốt khuỷu

C 2 :lực quán tính ly tâm của khối lượng thanh truyền quy về tâm chốt khuỷu

Do đó Z o = P max – Rω 2 [M(1+M(1+λ)+m ch + m 2 ]

3 4

1

3 4

2

Ngoài lực Z o ra, khuỷu trục còn chịu lực quán tính ly tâm của má khuỷu

P r1 và lực quán tính ly tâm của đối trọng P r2 Lực tiếp tuyến T trong trường hợp này bằng 0 (vì α=0, T=0).

Do đó phản lực tác dụng trên các gối trục được xác định theo các công thức sau:

Z’=

o

o r r

o

l

b b l P c

c l P

o

l

b b l P c c l P

Khi tính toán sức bền của một khuỷu nào đó của trục động cơ nhiều xilanh, ngoài lực Z max ra, khuỷu đó còn chịu moment xoắn do các khuỷu phía trước nó truyền đến nữa Vì vậy khuỷu chịu lực và moment lớn nhất sẽ là khuỷu nguy hiểm nhất.

1.Tính sức bền của chốt khuỷu:

32

' '

'

4 4

2 1

ch

ch ch

r r

u u

d d

c P a P l Z W

1 

T i

33 0

- Ứng suất tổng cộng của ứng suất uốn và ứng suất xoắn bằng

u 

1  

T i

08 1

1  

T i

2 Tính sức bền của cổ trục khuỷu.

Tính sức bền của cổ trục khuỷu thường tính tiết diện ở chỗ chuyển

tiếp giữa cổ trục và má khuỷu ( tiết diện nguy hiểm nhất):

32

' '

ck u

u

d

b Z W

M





, MN/m2

u

W

M W

 , MN/m2

R R

r

r

C Trường hợp khuỷu trục chịu lực tiếp tuyến lớn nhất (T max )

Trong trường hợp này, vị trí tính toán là α= α Tmax Ỏ vị trí này α Tmax ta cũng xác định được lực pháp tuyến Z tác dụng trên khuỷu trục.

Như vậy trong trường hợp này , lực tác dụng trên trục khuỷu gồm

có : lực pháp tuyến Z, lực tiếp tuyến T max , các lực ky tâm và moment tích lũy

Do đó cũng như trong trường hợp tính toán với lực Z max , đối với trục của độngcow nhiều xilanh , ta cũng phải lập bảng để xác định khuỷu nguy hiểm, tức là tìm khuỷu vừa chịu lực tiếp tuyến T max vừa chịu moment tác dụng.

1 Tính sức bền của chốt khuỷu

-Ứng suất uốn trong mặt phẳng khuỷu trục: ,

ux

x u x

y u

W

l

T W

W

M '



-Ứng suất tổng cộng khi chịu uốn và xoắn: σ= u2  4  k , MN/m2

x u x u

w

b Z W

y u

W

b T W



  , MN/m2

k k

2

2

hb

c a P W

ur

ur ur

, MN/m2 -Ứng suất xoắn do moment xoắn M” k gây ra

-Ứng suất uốn do lực tiếp tuyến T” gây ra:

k k

k k

W

b T W

M " "





Trong đó :W k moduyn chống xoắn của má khuỷu (m 3 )

Do tiết diện chịu xoắn của má khuỷu có dạng hình chữ nhật nên khi chịu xoắn , ứng suất xoắn của các điểm trên iết diện hình chữ nhật đều khác nhau.

D Trường hợp khuỷu trục chịu lựcT mãx

Trong trường hợp này vị trí tính toán là   Tmax

Góc  Tmax xác định trên đồ thị  T = f( ), ứng vói vị trí Tmax ngoài lực này (hoặc Mmax ) ra còn có các lực Z,T ứng với vị trí ấy, các lục quán tính ly tam và mô men xoắn do tổng các lực tiếp tuyến của khuỷu phía trước khuỷu tính toán gây ra (mô men này bằng T i 1 R )

Do đó trong trường hợp tính toán sức bền này, ta cũng phải xác định khuỷu nào chịu lực và mômen lớn nhất đẻ tính

Thí dụ động cơ 4 kì 6 xilanh đã nêu ở trên , căn cứ vào đồ thị T = f(

), (hình XII – 20 ) ta tìm được  Tmax= 80 0 và căn cứ vào đồ thị T = f(

 ) ta xác định được các giá trị của lực tiếp tuyến ứng với các góc quay α

Can cu vao bảng trên ,ta thấy khuỷu trục số 5chiu T i 1 lon nhất so

vói các khuỷu kia nên nó là khuỷu nguy hiểm nhất ,cấn phải tính toán kiểm ngiệm súc bền.

Các công thuc tính toán trong truong hop náy hoàn toàn

giống nhu các công thúc dung dê tinh súc bền trong trường hợp

khuỷu lực chịu lực tiếp tuyến lớn nhất vị vậy có thể tính toán theo theo trình tự và theo các công thức đã giới thiệu trong chương 3

Đối với trục khuỷu của động cơ một hàng xi lanh, có số cổ ít hơn số

xi lanh ( số cổ trục z = i/2 +1, i là số xi lanh ) thì khi tính toán sức bền trục khuỷu, cần phải dùng sơ đồ lực giới thiêu trên hình XII-21a.

Nếu trục khuỷu có lắp bánh đà có trọng lương Gm và dẫn đọng máy tiêu thụ công suất bằng đai truyền với lực căng đai truyền T P thì dùng

sơ đồ lực tính toán giới thiệu trên hình XII-21b để tính

1 

T i

0 1

1 

T i

7 0

z' z'

khuỷ,momen chính của động cơ phụ thuộc vào số kì, số xylanh, cách bố trí xylanh và thứ tự làm việc của các xylanh.do momen chính của động cơ biến thiên theo góc quay của trục khuỷu nên tốc độ góc của trục khuỷu trong thực tế không phải là một hằng số, nghĩa là trục khuỷu chuyển động có gia tốc góc.

Hiện tượng này gây ra các tải trọng phụ có tính chất va đập trong các cơ cấu của động cơ, trên nền móng lắp đặt động cơ và trên các cơ cấu liên lợp với động

cơ

Để giảm tác hại ấy, động cơ cần có bánh đà

Trong qua trình làm việc của động cơ, bánh đà (được lắp trên trục khuỷu ) tích trữ năng lượng dư trong hành trình sinh công (l úc nay mơmen chính của động

cơ có trị số lớn hơn momen cản làm cho trục khuỷu quay nhanh hơn) để bù đắp cho phần năng lượng bị thiếu hụt trong hành trình tiu hao công (trong các hành trình này, momen cản có trị số lớn hơn momen chính của động cơ) khiến cho trục khuỷu quay được đều hơn, giảm được biên độ dao động của tốc độ góc của trục khuỷ.

Ngoài ra bánh đà còn có tác dụng đặc biệt trong một số động cơ có tỷ số nén cao, số xylanh ít và khởi động động cơ bằng phương pháp quán tính

Trong một số loại động cơ xăng cỡ nhỏ làm mát bằng gió, các cánh quạt gió được đúc liền ngay trên mặt bánh đà do đó bánh đà có tác dụng như là một quạt gió (thường là quạt ly tâm) trong các loại động cơ này, trên bánh đà còn thường gắn nam châm vĩnh cửu để tạo ra nguồn điện thế thấp của hệ thống đánh lửa dùng bánh đà từ do đó bánh đà tác dụng như một stato quay của máy phát điện xoai chiều ngoài ra bánh đà còn là nơi để kí hiệu ĐCT, ĐCD, góc phun sớm, góc đánh lửa…

II.VẬT LIỆU CHẾ TẠO BÁNH ĐÀ

Tùy thuộc loại động cơ mà bánh đà có thể được chế tạo từ các laọi vật liệu khác nhau

Bánh đà của động cơ đốt trong tốc độ thấp và trung bình thường được đúc các loại gang xám từ CH21-40 đến CH32-52 Bánh đà của động cơ tốc độ cao n >

4500 vg/ph thường được đúc hoặc dập bằng thép cácbon thấp.

IV.KẾT CẤU CỦA BÁNH ĐÀ

Kết cấu của bánh đà tuỳ thuộc vào kiểu loại động cơ, số xylanh càng nhiều, bánh đà càng nhỏ Bánh đà của động cơ dùng trên ôtô thường nhỏ hơn bánh đà dùng cho động cơ máy kéo, động cơ tĩnh tại và tàu thủy.

Kích thước của bánh đà là đường kính ngoài của nó Nếu đảm bảo cùng một

“mô men bán đà như nhau thì bánh đà đường kính càng lớn thì sẽ càng nhẹ, càng tốn ít vật liệu chế tạo.

Tuy nhiên đường kính của bánh đà lại phụ thuộc vào cách bố trí chung của động cơ, nhất là đối với động cơ dùng trên ôtô và máy kéo.Vì vậy đường kính ngoai cua banh đà của