THIẾT KẾ MÔN HỌC ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Khái quát Khi động cơ làm việc, cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền CCTKTT nói riêng vR.động cơ nói chung chịu tác dụng của các lực nh lực khí thể, lực quán... khi tính toán động lực học, t

A:Tính toán động học động cơ

Ι : Cơ sở tính toán

1:Bán kính quay của trục khuỷu

R=S/2: Mà S=73 (mm) ; Ta đợc R=36.5(mm)

2:Chọn tham số kết cấu λ= 1/4

3:Chiều dài thanh truyền L=R/λ=146(mm)

4: Vận tốc góc của trục khuỷu tại n=nN

ω=∏*nN /30= π*5000/30 =523.33 (rad/s)

5:Khối lợng nhóm tham gia chuyển động tịnh tiến gồm:

_khối lợng đầu nhỏ thanh truyền: m1=(0.275ữ0.35) mtt

Chọn m1=0.35 mtt =0.35*0.65=0.2275 (kg)

_Khối lợng nhóm pistôn: mpt=0.43(kg)

Tổng khối lợng là:M1=mpt+m1=0.6575(kg)

6:Khối lợng vận động tịnh tiến trên một đơn vị diện tích đỉnh pistôn

m=M1/Fp

Fp=

4

2

D

4

) 6 76 (

14 ,

4606(mm2)

⇒m=4606 * 10−6 =

6575 , 0

142.74(kg/m2)

trục khuỷu thanh truyền

1:Dịch chuyển của pistôn

Sử dụng công thức S=R[(1-cosα)+1/4(1-cos2α)]

S:khoảng cách dịch chuyển của pítôn

R:Bán kính quay trục khuỷu R=36.5 (mm)

λ:Tham số kết cấu λ=1/4

α:góc quay của trục khuỷu tơng ứng tính từ ĐCT

Thay các tham số vào công thức trên kết hợp phụ lục ta đợc bảng sau:

0 1 1 0 0 0 360

§å thÞ chuyÓn vÞ cña pist«n:

2:Xác định vận tốc pistôn

Sử dụng công thức

V=R.ω(sinα+λ/2.sin2α)

Trong đó: V:vận tốc pistôn (m/s2)

ω:Tốc độ góc trục khuỷu: ω=523.33(rad/s)

Thay các tham số vào công thức trên kết hợp phụ lục ta có bảng sau:

260 -0.9848 0.34202 -18.821 0.8171 -18.004

Đồ thị tốc độ của pistôn:

3:Xác định gia tốc pistôn

Sử dụng công thức

J=R.ω2.(cosα+λ.cos2α)

Trong đó:J:gia tốc pistôn (m/s2)

ω:Tốc độ góc trục khuỷu: ω=523.33(rad/s)

Thay các tham số vào công thức trên kết hợp phụ lục ta có bảng sau:

Đồ thị tốc độ của pistôn:

Phần II Động lực học

1 Khái quát

Khi động cơ làm việc, cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền (CCTKTT) nói riêng vR.động cơ nói chung chịu tác dụng của các lực nh lực khí thể, lực quán

tính, trọng lực và lực ma sát khi tính toán động lực học, ta chỉ xét các lực có giá trị lớn là lực khí thể và lực quán tính

Mục đích của việc tính toán động lực học là xác định các lực do hợp lực của hai loại lực trên đây tác dụng lên CCTKTT và mô men do chính chúng sinh

ra để làm cơ sở cho việc tính toán cân bằng động cơ, tính toán sức bền của các chi tiết, nghiên cứu trạng thái mài mòn và tính toán dao động xoắn của hệ trục khuỷu

Việc khảo sát động lực học đợc dựa trên phơng pháp và quan điểm của cơ học lý thuyết Các lực và mô men trong tính toán động lực học đợc biểu diễn dới dạng hàm số của góc quay trục khuỷu α và quy ớc là pittong ở ĐCT thì α = 00 Ngoài ra, các lực này thờng đợc tính với một đơn vị diện tích đỉnh pittong Về sau khi cần tính giá trị thực của các lực, ta nhân giá trị của áp suất với diện tích tiết diện ngang của đỉnh pittong

2 Dựng các đồ thị véctơ phụ tải

_Đồ thị véctơ phụ tải là đồ thị biểu diễn sự tác dụng của các lực lên bề mặt làm việc ở các vị trí khác nhau trên trục khuỷu Các bề mặt làm việc quan trọng của

động cơ gồm bề mặt chốt khuỷu, cổ trục, bạc, lót đầu to thanh truyền và bạc lót ổ trục

_Đồ thị vectơ phụ tải dùng để:

Xác định phụ tải nhằm xem xét quy luật mài mòn bề mặt làm việc

Xác định khu vực chịu lực bé nhất và trung bình để đánh giá nhằm chọn vị trí khoan lỗ dầu bôi trơn

Xác định đơn vị phụ tải lớn nhất và trung bình để đánh giá mức độ va đập _Để dựng đồ thị ấy, trớc tiên ta phải xác định các lực tác dụng: lực tiếp tuyến T, lực pháp tuyến Z và lực li tâm Pk0 do khối lợng m2 gây ra

+) Sau khi có đồ thị lực khí thể P = (P - P0)

4

.D2

π theo góc quay α sẽ xác định

đợc sự biến thiên của lực quán tính chuyển động tịnh tiến:

Pj = - mj R 2 (cosα + cos2α)

Cộng hai đồ thị đó lại sẽ đợc sự biến thiên của lực P theo 

+)Tiếp theo sẽ xác định đợc sự biến thiên của lực tiếp tuyến:

T =

β

β α

cos

) sin( + Ξ

P

và lực pháp tuyến Z =

β

β α

cos

) cos( + Ξ

P

+)Lực quán tính của khối lợng thanh truyền quy dẫn về tâm đầu to thanh truyền, tác dụng lên bề mặt cổ khuỷu: PR2 = m’2 R ω 2

_ Đồ thị vectơ phụ tải tác dụng trên bề mặt chốt khuỷu đợc vẽ với giả thiết rằng trục khuỷu đứng yên còn xi lanh quay với vận tốc trục khuỷu nhng theo chiều

ng-ợc lại Hợp lực Q của các lực tác dụng lên bề mặt chốt khuỷu:

= ++

_Từ đồ thị véctơ phụ tải tác dụng lên bề mặt chốt khuỷu ta có thể triển khai thành đồ thị Qck - α sau đó tính giá trị trung bình Qtb trên cơ sở đó có thể xác định

đợc hệ số va đập của bề mặt tơng tác

2.1/ đồ thị công :

_Thể tích làm việc của xilanh :

Vh =

4

*

2 S D

4

115

* 95

* 14

=814731 mm3=0.815 (l) _Dung tích buồng cháy:

Vc =

1

−

ε h

1 3 8

815 0

− = 0.1116 (l) _Thể tích của xilanh:

Va = Vh + Vc =0.9263 (l) _Chỉ số nén đa biến trung bình n1:

Pc = Pa.ε n1 ⇒n1 =

ε

ln

ln

a

c

P

P

=

3 8 ln

088 0

36 1 ln

= 1.29375 _Chỉ số giãn nở đa biến trung bình n2:

Pb =

2

n z

p

ε ⇒ n2 =

ε

p p

p

z b

ln

ln

=

3 8

1 ln

41 5

41 0 ln

=1.29375

_Với các giá trị áp suất đã cho :

Pa =0.088 (MPa)

Pc = 1.36 (MPa)

Pb =0 41 (MPa)

Pz = 5.41 (MPa)

Pr = 0.12 (MPa)

Po = 1 (at) = 0,098 (MPa) _Lập bảng: i = (với i=1 đến 8.3)

Lập bảng với: px =pc/in1 : áp suất hỗn hợp khí trong quá trìng nén

px =pz/in2 : áp suất hỗn hợp khí trong quá trìng dãn nở

_Chọn hệ trục toạ độ P - V nh bản vẽ với gốc toạ độ 0, tỷ lệ xích p=0.018 (MPa/mm) và v =0.00372 (lit/mm) ;

_ Với các thông số trên ta có: lpx = px /p ; lvx =vx /v :

Từ đó ta có bảng sau:

iVc i^(n1) Px=Pc/(i^n1) i^(n2) Px=Pz/(i^n2) livc(mm) lpxc(mm) lpxz(mm)

*Hiệu chỉnh đồ thị công

Bán kính vòng tròn brick Rb =lVH/2 =219/2 = 109.5 (mm)

Tham số kết cấu:  =

4 1

Khoảng di chuyển : OO’= R => lOO’=lVH/16 = 13.6875 (mm)

Hiệu chỉnh điểm c’ : Góc phun sớm ϕs = 100

Hiệu chỉnh điểm c”: Pc,, = 1.25*Pc=1.7(MPa)

Hiệu chỉnh điểm r’: Góc mở sớm van nạp : ϕ1 = 80

a’: Góc đóng muộn van nạp : ϕ2 = 420

r” : Góc đóng muộn van thải : ϕ4 = 60

b’’: Góc mở sớm van thải : ϕ 3 = 420

Hiệu chỉnh điểm z’ : áp suất cực đại của động cơ, do động cơ cháy không hoàn toàn

Pz = 0.85* Pz =4.5985 (Mpa)

2.2/Khai triển đồ thị công P-V sang đồ thị P-α :

Do pkt = p - po ,với p là áp suất đã xác định ở đồ thị công Vì vậy ta xác định

áp suất khí thể nh sau:

_Theo phơng pháp Brích ta khai triển đồ thị P-V sang đò thị P-α

_Dựng đờng tròn Brich có bán kính 2R=la-lc,đờng tròn (O,R).Từ O lấy một đoạn OO’ về phía điểm chết dới một khoảng OO’=R.λ/2=R/8= 4.5625 (mm)

_Từ O chia nửa đờng tròn thành tng khoảng 30o một ,từ 0 đến 720otơng ứng với 24 khoảng.Nối O1,O2,…O24.Từ O’ kẻ O’1’,O’2’…O’24’ tơng ứng song song với O1,O2…O24.Từ 1’,2’,…24’ dóng lên song song với trục Pz cắt đồ thị công tại 24 vị trí trên đồ thị vừa vẽ trớc

_Dựng đồ thị P-α bằng cách lấy gốc sao cho trục hoành trùng phơng với đờng P0 của đồ thị P-V

Chia trục hoành thành 72 phần bằng nhau tơng ứng với mỗi phần là 10o

Từ mỗi điểm trên trục hoành dóng lên và mỗi điểm trên đồ thị P-V tơng ứng dóng sang ta đợc một điểm tơng ứng trên đồ thị Pkt-α

2.3/Lực quán tính P j :

Pj = -mj’.Jp = - mj’.R.ω².(cosα + λ.cos2α)

_Trong đó : mj’ là khối lợng chuyển động tịnh tiến trên một đơn vị diện tích của pítông

Ta có : mj=mnp+m1 =mnp+0,35.mtt = 0,43+0,35.0,65= 0.6575 (kg)

mnp :khối lợng nhóm piston

m1 :khối lợng tập trung đầu nhỏ thanh truyền,với

m1 =0,35.mtt

_ Diện tích đỉnh piston : FD =

4

.D2

∏ =

4

0766 , 0 14 ,

=4,606.10− 3(m2)

⇒Khối lợng trên một dơn vị diện tích đỉnh piston :

mj’= j 3

10 606 , 4

6575 0 m

−

=

D

_ Quy đổi đơn vị Pj : 2

m

s

1000

1 .

.

2

2 s m

m

1000

1 2

m

_ Bán kính quay trục khuỷu : R=

2

2

105 ,

0 =0,0365 (m) _Vận tốc góc trục khuỷu ứng với số vòng quay lớn nhất :ω = 523.33 (rad/s)

_Từ đó ta có bảng tính Pj :

20 0.9397 0.766 9403.2 1916.39 11319.6 -1.6158 700 -89.8

50 0.6428 -0.174 6432.2 -434.41 5997.76 -0.8561 670 -47.6

80 0.1736 -0.94 1737.6 -2350.8 -613.16 0.08752 640 4.862

110 -0.342 -0.766 -3422 -1916.4 -5338.9 0.76207 610 42.34

130 -0.643 -0.174 -6432 -434.41 -6866.6 0.98014 590 54.45

230 -0.643 -0.174 -6432 -434.41 -6866.6 0.98014 490 54.45

250 -0.342 -0.766 -3422 -1916.4 -5338.9 0.76207 470 42.34

260 -0.174 -0.94 -1738 -2350.8 -4088.4 0.58358 460 32.42

280 0.1736 -0.94 1737.6 -2350.8 -613.16 0.08752 440 4.862

310 0.6428 -0.174 6432.2 -434.41 5997.76 -0.8561 410 -47.6

340 0.9397 0.766 9403.2 1916.39 11319.6 -1.6158 380 -89.8

2.4/ Cộng đồ thị

_ Từ đồ thị công ta khai triển theo phơng pháp sử dụng vòng tròn Brick ta đợc đồ thị lực khí thể Pkttheo góc α và từ đồ thị Pj theo góc α ta cộng hai đồ thị lại ta

đợc đồ thị lực tổng P∑= Pkt+ Pj

2.5/Vẽ đồ thị T và Z

_Từ đồ thị P∑ ta đo các giá trị P∑ ứng với các góc α sau đó ta chia cho tỉ lệ xích

p= (MPa/mm) ta đợc bảng các giá trị P∑ ứng với các góc α Ta tính :

T=P∑

) cos(

) sin(

β

β

α + và Z= P

∑ cos( )

) cos(

β

β

α +

với góc : β= arcsin(λ sin α )

_Ta có bảng các thông số:

α PΣ(ΜΡa) sin(α+β)/cosβ Τ(ΜΡa) cos(α+β)/cosβ Ζ(ΜΡa)

20 -1.624779 0.42266393 -0.6867356 0.91034068 -1.4791026

30 -1.424695 0.60910895 -0.8677946 0.80303132 -1.1440749

40 -1.165532 0.76750949 -0.8945571 0.66139036 -0.7708718

50 -0.865673 0.89146693 -0.7717185 0.49331491 -0.4270492

60 -0.545409 0.97690859 -0.5328152 0.30794468 -0.1679559

70 -0.224982 1.02235445 -0.2300109 0.11490863 -0.0258523

100 0.5730236 0.94069746 0.5390418 -0.4238101 -0.2428532

110 0.7513855 0.85703079 0.6439605 -0.5691317 -0.4276373

120 0.8819437 0.75514221 0.6659929 -0.6920553 -0.6103538

130 0.9692972 0.64062196 0.6209531 -0.7922603 -0.7679357

140 1.0212996 0.51806573 0.5291003 -0.8706985 -0.8892441

150 1.0475529 0.39089105 0.4094791 -0.9290195 -0.9731971

160 1.0577672 0.26137635 0.2764753 -0.9690446 -1.0250236

190 1.0601981 -0.21644104 -0.2294704 -0.9772622 -1.0360916

200 1.0577672 -0.42266393 -0.4470801 -0.9103407 -0.9629285

210 1.0475529 -0.60910895 -0.6380739 -0.8030313 -0.8412178

220 1.0533396 -0.76750949 -0.8084482 -0.6613904 -0.6966687

230 1.0074572 -0.89146693 -0.8981148 -0.4933149 -0.4969937

240 0.9201037 -0.97690859 -0.8988572 -0.3079447 -0.283341

250 0.7895455 -1.02235445 -0.8071954 -0.1149086 -0.0907256

260 0.6291836 -1.02891805 -0.6473783 0.07651375 0.04814119

290 -0.069822 -0.85703079 0.0598392 0.56913165 -0.0397376

300 -0.327249 -0.75514221 0.2471199 0.69205532 -0.2264747

320 -0.731372 -0.51806573 0.3788989 0.87069853 -0.6368048

330 -0.774535 -0.39089105 0.3027589 0.92901948 -0.7195583

350 -0.614979 -0.13085532 0.0804732 0.99235329 -0.6102762

460 1.1331836 0.94069746 1.0659829 -0.4238101 -0.4802546

470 1.2395455 0.85703079 1.0623287 -0.5691317 -0.7054646

480 1.2801037 0.75514221 0.9666604 -0.6920553 -0.8859026

490 1.3314572 0.64062196 0.8529607 -0.7922603 -1.0548607

530 1.2423581 0.13085532 0.1625692 -0.9923533 -1.2328582

550 1.1073581 -0.21644104 -0.2396777 -0.9772622 -1.0821793

560 1.0898072 -0.42266393 -0.4606222 -0.9103407 -0.9920959

570 1.0795929 -0.60910895 -0.6575897 -0.8030313 -0.866947

580 1.0533396 -0.76750949 -0.8084482 -0.6613904 -0.6966687

590 1.0013372 -0.89146693 -0.892659 -0.4933149 -0.4939746

600 0.9139837 -0.97690859 -0.8928786 -0.3079447 -0.2814564

610 0.7834255 -1.02235445 -0.8009386 -0.1149086 -0.0900224

620 0.6050636 -1.02891805 -0.6225608 0.07651375 0.04629568

650 -0.192942 -0.85703079 0.1653568 0.56913165 -0.1098091

690 -1.392655 -0.39089105 0.5443765 0.92901948 -1.2938038

700 -1.592739 -0.26137635 0.4163044 0.96904456 -1.5434353

710 -1.719099 -0.13085532 0.2249532 0.99235329 -1.7059533

_Từ gốc toạ độ O1 vẽ xuống (theo chiều dơng của trục O 1z ) một đoạn O1O’=

PK2

Với : PK2 = m2’ ω².R = 0,917(MPa)

Trong đó : +) m2’ =

D

tt

F

m

65 , 0

= 91,73 (Kg/m2) là khối lợng thanh truyền quy về đầu to (Tinh trên đơn vị diện tích pittông )

+) R = 0,0365 (m) : là bán kính quay của trục khuỷu

_ Từ O’ dựng các vectơ Q tơng ứng với các điểm trên đồ thị T_Z

2.6/.Vẽ đồ thị vectơ phụ tảI tác dụng lên chốt khuỷu

- Vẽ trục toạ độ (O,T,Z) góc toạ độ O, chiều dơng của trục T từ trái sang phải còn trục Z từ trên xuống dới, trong đó trục hoành là trục OT, trục tung là trục OZ

- Chọn tỷ lệ xích

2

KG / cm

mm

à =

- Xác định tâm chốt khuỷu :từ gốc toạ độ O của trục toạ độ TOZ ta dịch xuống phía dới mốt đoạn Pk 2 , ta xác định đợc đIểm O’, đIểm này chính là tâm chốt khuỷu cần tìm

Pk 2 chính là lực quán tính của khối lợng chuyển động quay của thanh truyền tính trên mốt đơn vị diện tích đỉnh piston(Kg/ cm ) 2

Pk 2 = - M2’.R ω2 (Kg/ cm ) 2

M2 = 0,7 Mtt = 0,7.0,65 = 0,455(kg)

0,00989 0,01(kg / cm )

Pk 2=-0,01.0,0365.523,332 =-100N/cm2=-10 KG/cm2

Vectơ Pk 2có gốc toạ độ ,chiều dơng hớng lên trên

Trên tọa độ T-Z xác định các giá trị của T và Z ở các góc α khác nhau (00ữ7200

), trị số của T và Z đợc tính ở bảng ta đợc các đIểm 0,15,30,45,…720 Dùng đờng cong trơn nối các điểm này ta đựơc đồ thị vectơ phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu 7/.Khai triển đồ thị (T-Z) sang đồ thị (Q-α):

Từ điểm O’ trên trục tọa độ OTZ ta vẽ vòng tròn tâm O’ tợng trng cho chốt khuỷu và vẽ má khuỷu

Trị số khoảng cách từ O’ đến các điểm trên trục tọa độ OTZ ứng với góc α= 0

ữ720, giá trị này chính là giá trị phụ tải Q (Kg/ cm ) tác dụng lên chốt khuỷu2

tại các góc α, ở đồ thị (Q-α) ta chọn tỷ lệ xích:

0,2(KG / cm2)

mm

à =

*Sau khi vẽ đợc đồ thị Q-α ta tiến hành tính giá trị phụ tải trung bình Qtb

Qtb F

L

=

Trong đó:

F: Diện tích giới hạn bởi 2 trục toạ độ và đờng cong Q-α

L: Chiều dài từ điểm ( 00ữ7200)

Diện tích F xác định bằng cách đếm số ô vuông có diện tích 1(mm2) trên đồ thị.Ta có: F=20288(mm2)

L=240 (mm)

Vậy Qtb= 20288 84,5

240 =

*Hệ số va đập: max max

tb tb

Từ đồ thị ta có Qmax=132,5 (mm)

132,5 1,57

84,5

⇒ χ = = <4

*Nhận xét : Ta thấy hệ số va đập đạt yêu cầu: χ<4

8/.Đồ thị mài mòn chốt khuỷu:

-Vẽ đờng tròn bất kỳ tợng trng cho vòng tròn chốt khuỷu, chia vòng tròn trên thành 24 phần bằng nhau đánh số thứ tự từ 0 đến 23

-Tính hợp lực ΣQ’ của các lực tác dụng trên các điểm 1,2,3 vv Ta lập đợc bảng -Dùng tỷ lệ xích 40,14(KG / cm2)

mm

à = đặt các đoạn thẳng đại biểu cho ΣQ ở các

điểm 1,2,3…,23 lên vòng tròn chiều vẽ từ ngoài vào tâm vòng tròn , dùng đờng cong nối các đầu đoạn thẳng ta sẽ có đồ thị mài mòn chốt khuỷu

Phần III Tính bền đỉnh pistôn

Tính bền đỉnh pistôn theo phơng pháp Back

Phơng phap Back dựa trên hai giả thiết :

- Coi đỉnh piston la đĩa có chiều dày đồng đều, đặt tự do trên gối hình trụ

- áp suất khí thể phân bố đều.Sơ đồ tính nh hinh vẽ

Lực khí thể Pz= pz.Fp và phản lực của nó gây uốn trên tiết diện x-x Lực khí thể:

Pz/2 =

8

14 ,

3 D 2 pz (MN) Lực này tác dụng lên trọng tâm nửa hình tròn, cách trục x-x một đoạn:

y1=

π

3

2D

Phản lực pz/2 phân bố trên nửa đờng tròn đờng kính Di( đờng kính trung bình) tác dụng trên truc tâm của nửa đờng tròn ,cách trục x-x một đoạn:

y2 =

πi

D

Do đó, mô men uông đỉnh:

3

2 ( 2 ) (

2 2 1

2

π π

D D p y y

p − = z i − ; Coi D ~Di thì:

Mu=pz

π

6

i

D =pz.Di3/24 (MNm)

Mô dun chống uốn của tiết diên x-x:

Wu =

6

δ 2

i

D

(m3) (với δ là chiêu dày đỉnh piston) ứng suất uốn đỉnh piston là :

22

4 δ

z u

D p

= =5,41.76,62/(4.7,72)=133,85 (MN/m2)

Đối với Piston nhôm có gân tăng bền thi :[σu]=25 - 190 MN/m2 chọn:[σu]=150 MN/m2

=> σu< [σu] => đỉnh piston đảm bảo độ bền