Thiết kế môn học kết cấu tính toán động đốt trong

Khái quát - Khi động cơ là việc, cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền nói riêng và động cơ nói chung chịu tác dụng của các lực nh lực khí thể, lực quán tính, trọng lực và lực ma sát.. khi t

Đề bài:

HATCHBACK 1.6P A/T

Yêu cầu:Vẽ piston và tính bền đỉnh piston

I tính toán động học và động lực học động cơ đốt trong

1/ Tính toán động học

a)Tính toán động học cơ cấu KTTT

-Bán kính quay của trục khuỷu

R= S

= 81 , 8

= 40,9 (mm)

  =

30 = 628,32 (rad/s)

n: vận tốc quay của trục khuỷu

b)chuyển vị của piston

- Công thức chính xác :

X= R[ (1-cosα) +

4



(1-cosβ) ] (mm)

- Tính theo công thức gần đúng

X= R[ (1-cosα) +

4



(1-cos2α) ] (mm)

Trong đó: X: độ chuyển vị của pittong

R: bán kính quay của trục khuỷu

λ : tham số kết cấu

α : góc quay của trục khuỷu

Bảng tính chuyển vị của piston và kích thớc trên bản vẽ:

α α(radial)radial)) X1(radial)mm) X2(radial)mm) X(radial)mm)

0 0 - - -

10 0.175 0.62 0.15 0.78

20 0.349 2.47 0.60 3.06

30 0.524 5.48 1.28 6.76

40 0.698 9.57 2.11 11.68

50 0.873 14.61 3.00 17.61

60 1.047 20.45 3.83 24.28

70 1.222 26.91 4.51 31.43

80 1.396 33.80 4.96 38.76

90 1.571 40.90 5.11 46.01

100 1.745 48.00 4.96 52.96

110 1.920 54.89 4.51 59.40

120 2.094 61.35 3.83 65.18

130 2.269 67.19 3.00 70.19

140 2.443 72.23 2.11 74.34

150 2.618 76.32 1.28 77.60

160 2.793 79.33 0.60 79.93

170 2.967 81.18 0.15 81.33

180 3.142 81.80 0.00 81.80

190 3.316 81.18 0.15 81.33

200 3.491 79.33 0.60 79.93

210 3.665 76.32 1.28 77.60

220 3.840 72.23 2.11 74.34

230 4.014 67.19 3.00 70.19

240 4.189 61.35 3.83 65.18

250 4.363 54.89 4.51 59.40

260 4.538 48.00 4.96 52.96

270 4.712 40.90 5.11 46.01

280 4.887 33.80 4.96 38.76

290 5.061 26.91 4.51 31.43

300 5.236 20.45 3.83 24.28

310 5.411 14.61 3.00 17.61

320 5.585 9.57 2.11 11.68

330 5.760 5.48 1.28 6.76

340 5.934 2.47 0.60 3.06

350 6.109 0.62 0.15 0.78

360 6.283 0.00 0.00 0.00

c) Tốc độ piston

- Công thức chính xác :

V= ωR





 cos

) sin( 

(m/s)

-Tính theo công thức gần đúng

V= ω R( sinα +

2



sin2α) (m/s) đặt V1= ωRsinα (m/s)

V2= ωR

2



sin2α (m/s)

α α(radial)radial)) V1(radial)m/s) V2(radial)m/s) V(radial)m/s)

30 0.524 12.85 2.78 15.63

40 0.698 16.52 3.16 19.68

50 0.873 19.69 3.16 22.85

60 1.047 22.26 2.78 25.04

70 1.222 24.15 2.06 26.21

80 1.396 25.31 1.10 26.41

90 1.571 25.70 0.00 25.70

100 1.745 25.31 -1.10 24.21

110 1.920 24.15 -2.06 22.08

120 2.094 22.26 -2.78 19.47

130 2.269 19.69 -3.16 16.52

140 2.443 16.52 -3.16 13.36

150 2.618 12.85 -2.78 10.07

160 2.793 8.79 -2.06 6.72

170 2.967 4.46 -1.10 3.36

190 3.316 -4.46 1.10 -3.36

200 3.491 -8.79 2.06 -6.72

210 3.665 -12.85 2.78 -10.07

220 3.840 -16.52 3.16 -13.36

230 4.014 -19.69 3.16 -16.52

240 4.189 -22.26 2.78 -19.47

250 4.363 -24.15 2.06 -22.08

260 4.538 -25.31 1.10 -24.21

270 4.712 -25.70 0.00 -25.70

280 4.887 -25.31 -1.10 -26.41

290 5.061 -24.15 -2.06 -26.21

300 5.236 -22.26 -2.78 -25.04

310 5.411 -19.69 -3.16 -22.85

320 5.585 -16.52 -3.16 -19.68

330 5.760 -12.85 -2.78 -15.63

340 5.934 -8.79 -2.06 -10.85

350 6.109 -4.46 -1.10 -5.56

d)Gia tốc piston

J = R2 ( cosα + λcos2α ) (m/s2)

đặt J1= R2 cosα (m/s2)

J2= R2 λ.cos2α (m/s2)

trong đó: J : gia tốc của piston

J1 : gia tốc piston cấp 1

J2 : gia tốc piston cấp 2

Bảng các giá trị gia tốc

α α(radial)radial)) J1(radial)m/s) J2(radial)m/s) J(radial)m/s)

0 0.000 16146.748 4036.687 20183.435

10 0.175 15901.443 3793.245 19694.688

20 0.349 15172.980 3092.282 18265.262

30 0.524 13983.494 2018.344 16001.838

40 0.698 12369.127 700.963 13070.090

50 0.873 10378.930 -700.963 9677.967

60 1.047 8073.374 -2018.343 6055.031

70 1.222 5522.513 -3092.282 2430.232

80 1.396 2803.854 -3793.245 -989.391

90 1.571 0.000 -4036.687 -4036.687

100 1.745 -2803.853 -3793.245 -6597.098

110 1.920 -5522.513 -3092.282 -8614.795

120 2.094 -8073.374 -2018.344 -10091.717

130 2.269 -10378.929 -700.964 -11079.893

140 2.443 -12369.126 700.963 -11668.163

150 2.618 -13983.494 2018.343 -11965.151

160 2.793 -15172.980 3092.281 -12080.699

170 2.967 -15901.443 3793.245 -12108.198

180 3.142 -16146.748 4036.687 -12110.061

190 3.316 -15901.443 3793.245 -12108.198

200 3.491 -15172.981 3092.282 -12080.699

210 3.665 -13983.495 2018.344 -11965.151

220 3.840 -12369.128 700.964 -11668.164

230 4.014 -10378.931 -700.963 -11079.893

240 4.189 -8073.375 -2018.343 -10091.718

250 4.363 -5522.514 -3092.281 -8614.796

260 4.538 -2803.855 -3793.245 -6597.099

270 4.712 -0.001 -4036.687 -4036.688

280 4.887 2803.852 -3793.245 -989.393

290 5.061 5522.512 -3092.282 2430.230

300 5.236 8073.373 -2018.344 6055.029

310 5.411 10378.929 -700.964 9677.965

320 5.585 12369.126 700.963 13070.088

330 5.760 13983.493 2018.343 16001.836

340 5.934 15172.980 3092.281 18265.261

350 6.109 15901.443 3793.245 19694.687

360 6.283 16146.748 4036.687 20183.435

II Tính toán động lực học

1 Khái quát

- Khi động cơ là việc, cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền nói riêng và 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  và quy ớc là pittong ở điểm chết trên 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 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

3 Xây dựng đồ thị công

-Thể tích làm việc của xilanh Vh

Vh =

4

.D2 S

4

8 , 81 ) 78

-Dung tích buồng cháy:

Vc =

1





h V

=

1 8 , 9

390671,892

Va =  Vc=9,8*44394,53=435066,42(mm3)=435,066 (cm3)

- Chỉ số nén đa biến trung bình n1(quá trình nén):

Pc = Pa*n 1

i Vc+1/16Vh Vc+1/8Vh Vc+2/8Vh Vc+3/8Vh Vc+4/8Vh Vc+5/8Vh Vc+6/8Vh Vc+7/8Vh Vci(radial)mm) 71586.1813 98777.3025 153161.135 207544.4375 261927.74 316311.0425 370694.345 425077.6475 Pci(radial)kG/cm) 10.473947 6.75996328 3.722854074 2.462674329 1.794532147 1.388425419 1.11896466 0.928883464



n1 = logε (radial) a

c P

P

) = log9,8( 0,09

006 , 2

) =1,36 -Chỉ số giãn nở đa biến trung bình n2(quá trình cháy dãn nở):

Pb =

2

z

P



 n2 = logε(

b

z P

P

) = log9,8(07,387,02 ) = 1,28

Bảng toạ độ các điểm trung gian

i Vc+1/16Vh Vc+1/8Vh Vc+2/8Vh Vc+3/8Vh Vc+1/2Vh Vc+5/8Vh Vc+6/8Vh Vc+7/8Vh

Vbi(radial)mm) 71586.18 98777.83 153161.14 207544.44 261927.74 316311.04370694.35 425077.65

Pbi(radial)kG/

cm) 38.083552525.220557 14.38562208 9.75026947 7.238465514 5.6855495884.64064553.894748696

-Hiệu chỉnh đồ thị công

+Bán kính vòng tròn brick Rb =Vh (mm)

+Tham số kết cấu: λ = 0,25

+Khoảng di chuyển : OO = R.’= R.

2



=

2

S

8

1

=

16

S

+Hiệu chỉnh điểm

c : Góc đánh lửa sớm ’= R.  s= 10º

c : P’= R.’= R c’= R.’= R. = 1,25Pc = 1,25.20,06 = 25,075 (KG/cm2)

Ns : Góc mở sớm van nạp : φ1 = 19º

Nm : Góc đóng muộn van nạp : φ2 = 59º

Xs : Góc mở sớm van thải : φ3 = 59º

Xm : Góc đóng muộn van thải : φ4 = 19º

áp suất cực đại Pz’= R. = 0,85Pz = 0,85.70,2 = 59,67 (KG/cm2)

-Từ các điểm trung gian và các điểm hiệu chỉnh vẽ đồ thị P-V

tỷ lệ xích p = ((KG/cm2)/mm) và v = (m3/mm)

4.Lực quán tính

Pj = -mRω2 (cosα + λcos2α )=Pj1+Pj2(kG/cm2)

Trong đó m = mpt + m1

m1 =0,35mtt

 m = 0,6 + 0,35.0,78 = 0,873 (kg)

Diện tích đỉnh piston

FD =

4

.D2

Khối lợng trên một diện tích đỉnh piston

m =

D

F

m

=

94 , 4775

873 , 0

= 1,827.10-5 (kg/mm2) = 18,27 (kg/m2)

Pj= -m(J1+J2)

Bảng giá trị lực quán tính(KG/cm2)

0 -11.70 -2.93 -14.63

165 11.30 -2.53 8.77

180 11.70 -2.93 8.78

195 11.30 -2.53 8.77

210 10.13 -1.46 8.67

225 8.27 0.00 8.27

240 5.85 1.46 7.31

255 3.03 2.53 5.56

270 0.00 2.93 2.93

285 -3.03 2.53 -0.50

300 -5.85 1.46 -4.39

315 -8.27 0.00 -8.27

330 -10.13 -1.46 -11.60

345 -11.30 -2.53 -13.84

360 -11.70 -2.93 -14.63

375 -11.30 -2.53 -13.84

390 -10.13 -1.46 -11.60

405 -8.27 0.00 -8.27

420 -5.85 1.46 -4.39

435 -3.03 2.53 -0.50

450 0.00 2.93 2.93

465 3.03 2.53 5.56

480 5.85 1.46 7.31

495 8.27 0.00 8.27

510 10.13 -1.46 8.67

525 11.30 -2.53 8.77

540 11.70 -2.93 8.78

555 11.30 -2.53 8.77

570 10.13 -1.46 8.67

585 8.27 0.00 8.27

600 5.85 1.46 7.31

615 3.03 2.53 5.56

630 0.00 2.93 2.93

645 -3.03 2.53 -0.50

660 -5.85 1.46 -4.39

675 -8.27 0.00 -8.27

690 -10.13 -1.46 -11.60

705 -11.30 -2.53 -13.84

720 -11.70 -2.93 -14.63

5/Tổng hợp lực khí thể và lực quán tính tác dụng lên cơ cấu:

P=Pkt+Pj

Pkt:áp suấtt khí thể

Dựa vào đồ thị P- ta tìm đựoc giá trị Pkt tơng ứng với các góc quay trục khuỷu Ta cộng

đại số với giá trị Pj tơng ứng với góc  ta tìm đợc giá trị P

6/Vẽ đồ thị lực tác dụng lên chốt khuỷu

+Vẽ trục toạ độ TOZ chiều dơng OZ hớng xuống dới,chiều dơng OT hớng sang phải

+Tính lực quay của thanh truyền

+Xác định sự biến thiên của T và lực pháp tuyến Z với

T = P* (KG/cm2)

Z = P* (KG/cm2)

Ta có mối quan hệ  và  :  sin = sin

 sin =

4 sin 

Bảng giá trị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu nh trên hình vẽ

Thêm thành phần lực ly tâm của khối lợng qui về đầu to thanh truyền : tâm chốt khuỷu Oc

nằm trên trục OZ,cách O một đoạn bằng trị số Pk2:

Pk2=

-2

2

D

m R F

 (KG/cm2) Trong đó:

Pk2:lực quán tính của khối lợng chuyển động quay của thanh truyền qui về đầu to (Tính trên đơn vị diện tích đỉnh piston)

m2:Phần khối lợng của thanh truyền qui dẫn về chốt khuỷu

m2=0,65.mtt=0,65.0,78=0,507 (kg)

FD:Diện tích đỉnh piston=47,75 (cm2)

R:Bán kính tay quay trục khuỷu

 :Vận tốc góc trục khuỷu=628,32(rad/s)

Pk2=

0,507 40,9 10 628,32

47,75.1000



=17,14 (KG/cm2)

α α(radial) Β(radial) lP∑(mm) P∑(KG/cm2) T(KG/cm2) Z(KG/cm2) lT(mm) lZ(mm)

225 3.927 -0.178 29.5 8.85 -5.134 -7.382 -18.3 -26.4

7 Vẽ đồ thị Q - 

Từ đồ thị phụ tải tác dụng lên cổ biên ta lập đợc

cổ biên

Q

=P 2

điểm tơng ứng trên đồ thị

‘

Ta có hệ số va đập:  = max max

Tính Qtb=F

l

STT α l)Q(radial)mm)

14 390 106

Từ đồ thị,Qmax=205x0,28=57,4(KG/cm2)

  = 3,72 < 4 Đảm bảo điều kiện làm việc của động cơ

8 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 theo nguyên tắc áp lực tác dụng tại đó là nhỏ nhất , khe hở là lớn nhất tồn tại trong một khoảng thời gian dài Cho phép hình dung trạng tháI chịu màI mòn của bề mặt chốt

.Với các giả thiết :

Độ màI mòn tỉ lệ thuận với lực tác dụng

Lực tác dụng tại một điểm có phạm vi tác dụng là 120

Coi nh bỏ qua điều kiện làm việc thực tế của bề mặt chốt, điều kiện công nghệ và quá trình lắp ráp

Để vẽ đồ thị mài mòn chốt khuỷu ta tiến hành vẽ vòng tròn có bán kính R(chọn R=100mm) tợng trng cho chốt khuỷu, sau đó chia vòng tròn thành các 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 h ởng của lực tại mỗi

điểm là 1200 sang 2 phía

Với tỉ lệ màI mòn là: =8,5

2

/

KG cm mm

Ta xác định đợc độ dài các đoạn thẳng biểu diễn giá trị 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 678 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 vị trí khoan lỗ đầu

Lập bảng lợng mòn của chốt khuỷu tợng trng:

Bảng giá trị màI mòn

Q0 303 303 303 303 303 303 303 303 303

Q∑ (radial)mm) 1177113310781013 700 402 130 44.5 66.5 269 420 509 569 616 656 693 729 761 624 787 998 121312581217

Q∑ (radial)KG/cm) 330 317 302 284 196 112 36.3 12.5 18.6 75.2 117 142 159 172 184 194 204 213 175 220 279 340 352 341

 38.8 37.3 35.5 33.4 23 13.2 4.27 1.47 2.19 8.84 13.8 16.8 18.7 20.3 21.6 22.8 24 25.1 20.6 25.9 32.9 40 41.4 40.1

Xét một nửa đỉnh Piston :

Lực khí thể và phản lực của nó gây uốn trên tiết diện x-x

Lực khí thể :

z

P

4

2

1 2

2





(MN) Lực này tác dụng lên trọng tâm một nửa hình tròn, cách x-x một khoảng :

Phản lực

2

Z

P

phân bố trên nửa đờng tròn đờng kíng Di (đờng kính trung bình) tác dụng lên trục tâm của nửa đờng tròn, cách trục x-x một

đoạn :



i D

y 2

Do đó Mômen uốn đỉnh :

P z

3

2 (

D D

 Coi Di=D thì ta có:

Mu= PZ

 6

D

24

1

D

p z

Môđun chống uốn của tiết diện x-x :

6

2



D

W u  (m3)

Do đó ứng suất uốn đỉnh Piston là :

2

2

4

p z

u 

Thay số ta có :

 3

2

1

D

y 

2

4

p z

2

018 , 0 4

0836 0 6 , 64

Do Piston có gân tăng cờng có [u]= 25~190 MN/m2

Ta thấy Piston đủ độ bền