THIẾT KẾ MÔN HỌC ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

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

đề bài: Tính toán động học và động lực học của cơ cấu trục khuỷu-thanh

truyền với các thông số cho trớc:

Loại xe

Các thông số

Khối lợng pittong m pt (kg/m 2 ) 120

Khối lợng thanh truyền m tt (kg/m 2 ) 180

Góc mở sớm xuppáp nạp  1 () 10o

Góc đóng muộn xuppáp nạp  2 ( o ) 45 o

Góc mở sớm xuppáp thải 3  ( o ) 55o

Góc đóng muộn xuppáp thải  4 ( o ) 10 o

áp suất cuối kỳ nạp p a ( ) 0.88

áp suất cuối kỳ giãn nở p b () 3.65

áp suất cuối kỳ thải p r () 1.25

Bài làm:

Xác định tham số kết cấu :

 = Trong đó: L = 147 (mm)

R = =

2

70

= 35 (mm)

⇒ =

147

35

=

2 4 1

I Tính toán động học của cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền

Nhiệm vụ chủ yếu của tính toán động học cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền là nghiên cứu quy luật chuyển động của pittong

1 Chuyển vị của pittong:

Sp = R.[(1 - cosα) + (1 – cos2α)]

Trong đó: Sp là độ chuyển vị của pittong

R là bán kính quay của trục khuỷu  là tham số kết cấu

α là góc quay của trục khuỷu

Vẽ đồ thị Sp =f1 (α) theo phơng pháp Bơ ric

Vẽ ddueoengf tròn tâm 0 bán kính R bằng bán kính quay của trục khuỷu Dựng hệ trục toạ độ Sp0 α với trục 0Sp hớng xuống dới , trục 0α nằm

ngang nh hình vẽ

T tâm vòng tròn lấy một đoạn 00’ về phía ĐCD : 00’=

2

λ

R

Từ 0’ kẻ đờng thawngrsong song với tâm má khuỷu cắt vóng tròn 0 tại M Hạ MC thẳng góc với 0A Ta có : AC=Sp

α

x

o

o’

Đồ thị biểu diễn độ dịch chuyển của pittong

2 Tốc độ pittong

vp = R(sin α+ sin2 α )

Trong đó: v: vận tốc pittong (m/s)

Vẽ đồ thị vp –f2(α)

Đồ thị biểu diễn vận tốc pittong

Vẽ vòng tròn tâm 0 có bán kính R2 = Rω và đồng tâm với nửa vòng tròn

có bán kính R1 =Rω

Chia nửa vòng tròn R1 và vòng tròn R2 thành nhiều phần , đánh số từ 1,2, n…

và 1’,2’, n’ theo chiều nh… hình vẽ (ở đây n=8)

Từ các điểm 0,1,2,3 kẻ các đ… ờng thẳng góc với AB cắt các đờng song song với AB kẻ t 0,1’,2’,3’ tạI các đIúm 0 a,b,c Nối 0,a,b,c bằng đ… … … ờng cong

ta đợc đờng biểu diễn trị số tốc độ Các đoạn thẳng a1,b2,c3 giữa các đ… ờng cong 0,a,b,c với nửa đ… ờng trỏn R1 biểu diễn trị số của tốc độ ở các góc α tơng ứng

3.Gia tốc pittong

Jp = R.2.(cosα + cos2α) Trong đó: Jp : gia tốc pittong ĐCD

Vẽ đồ thị gia tốc bằng phơng pháp tolê ĐCT

Lấy đoạn thẳng AB =S=2R

Từ A dựng đoạn thẳng AC = Jmax= R.2.(1 + ).

Từ B dựng đoạn thẳng BD = Jmin= R.2.(1 - ) Đồ thị biểu diễn gia tốc Nối CD cắt AB ở E

Lấy EF= - 3λ.R.2 Nối CF và DF ,phân các đoạn CF và DF thành các

đoạn nhỏ bằng nhau,đánh số từ 1,2,3,4 và 1’,2’,3’,4’, nh… … hinh vẽ

Nối 11’,22’,33’ Đ… ờng bao của các đoạn thẳng này biểu thị quan hệ của hàm số J =f3(α)

II Tính toán động lực học

1 Khái quát

Khi động cơ là việc, cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền (CCTKTT) nói riêng và động cơ nói chung chịu tác dụngcủa 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 diên 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 nhằm đánh giá nhằm chọn vị trí khoan lỗ dầu bôi trơn

Xác định đơn vị phụ tải lớn nhất và trung bình nhằm 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:

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 = m2 R 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 ngợc 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 thwr 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

3 Tính toán thực tế cho động cơ với các thông số đã cho

a Vẽ đồ thi công P - V

Thể tích làm việc của xilanh Vs

Vs =

4

.D2 S

4

7 0 082 , 0 14 , 3

= 3,69.10-4 (m3) Dung tích buồng cháy:

Vc = =

1 8 8

10 69 ,

−

−

= 0,473.10-4 (m3) Thể tích của xilanh:

Va = Vs + Vc = 3,69.10-4 + 0,473.10− 4= 4,16310-4(m3) Chỉ số nén đa biến trung bình n1:

Pc = Pa.n1 ⇒n1 = =

8 , 8 ln

88 , 0

5 , 16 ln

= 1,35

Với các giá trị áp suất đã cho

Pa = 0.88 (KG/cm2) = 0.088 (MPa)

Pc = 16,5 (KG/cm2) = 1,65 (MPa)

Pb = 3,65(KG/cm2) = 0,365 (MPa)

Pz = 53 (KG/cm2) = 53 (MPa)

Pr = 1,12 (KG/cm2) = 0,112 (MPa)

Po = 1 (at) = 0.1 (MPa) Chỉ số giãn nở đa biến trung bình n2:

Pb = Pz.()n2 , chọn  = 1

⇒ n2 = =

8 , 8

1 ln

3 , 5

365 , 0 ln

= 1,23 Lập bảng: x =

x.V c x n 1

P x = n1

c

x

P

(MPa) (1x) n 2 P x = P z.( x1 ) n 2 (MPa)

Chọn hệ trục toạ độ P - V nh bản vẽ với gốc toạ độ 0, tỷ lệ xích

p=0.01472 (MPa/mm) và p = 0,01735.10-4(m3/mm) với các thông số trên

ta tiến hành vẽ đồ thị công:

Hiệu chỉnh đồ thị công

Bán kính vòng tròn bric Rb =

2

S

= 35(mm) Tham số kết cấu:  = 41,2

Khoảng di chuyển : oo’= R = 1064,2,365.2 = 1266 (mm)

Hiện chỉnh điểm c, : Góc đánh lửa sớm  = 250

Hiện chỉnh điểm c,, : Pc,, = 1,25Pc =1,25.1,65 =2,06 (MPa)

Hiệu chỉnh điểm r,: Góc mở sớm van nạp :  1 =100

a,: Góc đóng muộn van nạp :  2 = 450

r,, : Góc đóng muộn van thải :  4 = 100

b”: Góc mở sớm van thải : 3 = 550

Hiệu chỉnh điểm Z’ : áp suất cực đại của động Pz’ đặt sau ĐCT

15o góc quay trục khuỷu  z’ = 13o

Chọn àj = 87,5 (m/s2/mm)

Ta có  = 41,2 = 0.238

=> 1 -  = 1 - 0.238 = 0.762

=> 1 + = 1 + 0.238 = 1.238

=> Jmax =2 .R.( 1 +) = 586,432 35 10-3 1,238 = 14901,2 (m/s2)

=> AG = Jàj

max

= 170,3

Jtb = -3 586,432 35 10-3 0.238 = 8594 (m/s2)

=> EF = 98,2 (mm)

Jmin = -2 .R.( 1 - ) = -586,432 35 10-3 0,762 = -9171,82 (m/s2)

=> BD = = 104,8 (mm) Chọn trục AB trùng với đờng P0 của đồ thị công và AB = 2Rb

Vẽ đồ thị –J = J()

Từ đồ thị J = J() vừa đợc vẽ bằng phơng pháp tô lê với tỷ lệ xích Mj ta lấy đối xứng qua trục qua trục AB sẽ đợc đồ thị – J = J() với cùng tỷ lệ xích

Vẽ đồ thị -Pj = P()

Từ đồ thị - J = J() vừa dựng ở bên và nhờ quan hệ Pj = -mJ ta có xây dựng

đợc đồ thị -Pj = mj với tỷ lệ xích pj= mj Khi đó đồ thị - Pj chính là đồ thị – J vừa vẽ

Ta có mt = mP

t

+ 0.28mtt = 120 + 0,28 180 = 165 (kg/m2) ⇒ mj =

g

m t

=

81 9

165

=16,82  2 

2

/

/

s m

m kg

; mj =0,0001682 











2

/ s m MPa

=> Tỷ lệ xích của đồ thị Pj = f():

Pj= mj.j = 0,0001682 87,5 = 0.01472 ( ) -Pjmax = mj.jmax = 0,0001682 14901,2 = 2,5 ( MPa )

=> Pjmax = 2,5 ( Mpa ) -Pjtb = mj.jtb =0,0001472 (- 8594) = -1,265 (Mpa)

=> Pjmin = 1,265 (Mpa) -Pjmin = mj.jmin =0,0001472 ( -9171,82 ) = -1,35 ( Mpa )

=> Pjmin = 1,35 ( Mpa )

c Khai triển đồ thị

Sử dụng đờng tròn bric để triển khai đồ thị cong và đồ thị Pj = P()

Dựng hệ trục toạ độ P -  của đồ thị khai triển, trục tung biểu thị áp suất, trục hoành biểu thị góc quay trục khuỷu với  =2(độ/mm)

Khai triển đồ thị cong P - V ta sử dụng hệ trục P -  với trục hoành là phần kéo dài của đờng P0 trên trục đồ thị P - V, trục tung có tỷ xích

p =0.01472 ( )

Triển khai đồ thị -Pj = P() ta sử dụng hệ trục toạ độ P -  với trục hoành là phần kéo dài của trục AB, trục tung có tỉ lệ xích là

pj= 0,01472 ( )

Đồ thị khai triển đợc biểu diễn trên bản vẽ

d Cộng đồ thị

P = Pj + Pkt

Đồ thị P đợc biểu diễn trên hệ toạ độ P -  với trục tung trùng với trục tung của 2 đồ thị trên, có tỷ lệ xích p = 0.01472 ( ), và trục hoành đợc chọn tại

vị trí nh trên bản vẽ với tỷ lệ xích  = 2 (độ/mm)

e Vẽ đồ thị T và Z

T = P : Z = P Lập bảng

270 0.324 -1 -0.324 0.2453 -0.0794

Vẽ đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu:

Dựng hệ trục toạ độ T - Z có gốc 01 và chiều dơng của của trục OZ hớng xuống dới, còn của trục O1T hớng từ trái qua phải

Trên trục O1Z ta dời gốc theo chiều dơng một khoảng:

Lực quán tính của khối lợng chuyển động của thanh truyền:

Pk0 =-m2 R 2

Trong đó: m2 =

g

m tt

72 0

= 0.721809,81 =13,2  2 

2

/

/

s m

m kg

;

m2 =0,0001321 











2

/ s m MPa

=> Pk0 = -0,0001321 0,035 586.432 =-1,59 (MPa) Chọn tỷ lệ xích T = 0.02 () và Z = 0.02 ()

=> Khoảng dời LPx0= 79,5 (mm)

Lập bảng(trang bên)

B¶ng quan hÖ T-Z

 T (mm) Z(mm)

f Vẽ đồ thị Q - 

Từ đồ thị phụ tải tác dụng lên cổ biên ta lập đợc quan hệ Q - , trong đó

Q là lực tổng hợp tác dụng lên cổ biên

= + + = + Trên đồ thị thì lực tổng hợp đợc xác bằng cách: với góc quay trục khuỷu 

ta xác định đợc điểm Ptt tơng ứng trên đồ thị, sau đó nối điểm Ptt với tâm cổ biên giả định D ta xác định đợc véc tơ DPtt biểu diễn tổng hợp tác dụng lên cổ biên tại thời điểm ứng với góc quay  của trục khuỷu

Sau khi xác định đợc quan hệ Q -  ta tiến hành xây dựng đợc đồ thị Q- nh trên bản vẽ Căn cứ đồ thị Q -  ta tiến hành xác định Qtb:

Qtb = ; Trong đó Sđt = 32808,17 (mm2)

L = 240 (mm)

=> Qtb =

240

17 32808

= 136.7 (mm)

Do đó hệ số va đập:  = =

7 136

9 203

= 1.49 Vậy  = 1.49 <4: thoả mãn

Bảng tính (trang bên)

Bảng quan hệ Q- α

 Q(mm)

g Vẽ đồ thị mài mòn chốt khuỷu

Đồ thị mài mòn chốt khuỷu thể hiện trạng thái hao mòn của trục và vị trí chịu tải ít để khoan lỗ dầu

Để vẽ đồ thị mài mòn, ta tiến hành vẽ vòng tròn có bán kính R (chọn R= 71(mm)) tợng trng cho chốt khuỷu, sau đó chia vòng tròn thành 24 phần đều nhau và đợc đánh số thứ tự nh bản vẽ (trang bên)

Tiến hành lập bảng tính tại mỗi điểm với giả thiết phạm vi ảnh hởng của lực tại mỗi điểm là 600 sang 2 phía, với tỷ lệ xích đợc chọn là Qm=1() ta xác định

đợc độ dài các đoạn thẳng biểu diễn giá trị Q tại các điểm chia tơng ứng Sau khi xác định đợc tất cả các điểm trên ta tiến hành nối các điểm đó lại sẽ đợc đồ thị mài mòn chốt khuỷu

Từ đồ thị mài mòn cho thấy cung 6,7,8,9,10 là tập hợp các điểm chịu tải nhỏ nhất của chốt khuỷu, nh vậy ta có thể chọn một điểm trong cung này để làm

III tính toán sức bền trục khuỷu

Khi tính toán sức bền trục khuỷu ta chia trục khuỷu ra thành nhiều đoạn,mỗi

đoạn ứng với mỗi khuỷu,với các giả thiết:

Trục khuỷu là một dầm có độ cúng tuyệt đối ,

Khi tính sức bền thờng tính cho trục nào nguy hiểm nhất ,tức là khuỷu mà trên đó tảI trọng có giá trị lớn nhất

ở đày chỉ trình bày tính toán trờng hợp khởi động :

Tính toán trờng hợp khởi động là tính toán gần đúng với giả thiết:khuỷu trục

ở vị trí ĐCT (α=0)

Bỏ qua lực quán tính (do số vòng quay khi khởi động nhỏ) và lực tác dụng lên khuỷu có trị số lớn nhất Pmax

Do đó lực tác dụng lên khuỷu sẽ là: Z

Z0 =Z =pmax Fp ; T = 0

Sơ đồ tính toán trờng hợp khởi động nh hình vẽ

Các phản lực xác định theo công thức sau :

Z’ = Z

0

"

l

l

(MN)

Z” = Z - Z’ = Z

0

"

l l

(MN) Z’ Z”

Z’ = Z” =

2

Z

1.Tính sức bền của chốt khuỷu : Mô men uốn chốt khuỷu (tính đối với tiết diện giữa

các chốt bằng:

Mu =Z’.l’ (MNm)

Do đó ứng suất uốn chốt khuỷu là :

σu =

u u

u

W

l Z W

M = '.' (MN/ m2 )

Với Wu :mô đun chống uốn của tiết diện ngang của chốt khuỷu

Wu =

D

d

32

−

Với D,d là đờng kính ngoàI va trong của chốt khuỷu tính theo mét

Wu =(

17 , 0

056 , 0 17 0 32

14

=4,764 10-4 (m3)

Z =pmax Fp=3,204 3,14 0,072/4 =0,01232 (MN)

σu = 2.4,764.10 4

1525 , 0 , 01232 ,

0

− =1,97 (MN/ m2 )

σu < [σu] =(70-100) MN/ m2

=> Đảm bảo bền

2.Tính sức bền của má khuỷu :

ứng suất uốn má khuỷu là :

σu =

6

' '

2

hb

b Z W

M

ux

(MN/ m2 )

b,h là chiều dày ,chiều rộng của má hình chữ nhật

b=0,054 (m) ;h=0,17 (m)

=> σu =

6

054 , 0 24 , 0 2

' 054 , 0 01232 ,

0

2 =3,775 (MN/ m2 )

ứng suất nén má khuỷu là

σn =

hb

Z

2 =2.0,054.0,24

01232 ,

0

=0,475 (MN/ m2 )

ứng suất tổng cộng là :σ = σu2 +σ2n =3,8 (MN/ m2 )

σ < [σ] =(80-120) MN/ m2

3.TÝnh søc bÒn cña cæ trôc :

øng suÊt uèn cæ trôc khuûu lµ :

σu =

u

W

b

Z ''

(MN/ m2 )

Wu =

225 , 0

088 , 0 225 , 0 32

14 ,

=1,09.10-3 (m3)

σu = 2.1,09.10 3

0715 , 0 , 01232 ,

0

− = 0,4 (MN/ m2 )

σu < [σu] =(50-80) (MN/ m2)

=> §¶m b¶o bÒn