THIẾT KẾ MÔN HỌC ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Phần II tính toán động lực học1/ 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

Đề bài 3 : Vẽ trục khuỷu và tính bển trục khuỷu trớc khi khởi động

Nôi dung thuyết minh :

Phần I tính toán động học

-  = = 211,53 (rad/s) Với n = 2020 (v/p)

-R= S 2 = 65 mm

- Chọn λ = 1/4 là tham số kết cấu

I-1.Công thức tính độ dịch chuyển của Piston:

Sp = Sp1 + Sp2 = R.(1- Cosα) + λ4

(1- Cos2α)];

với: Sp1 = R.(1- Cosα); Sp2 = R

4

λ (1- Cos2α); hay Sp = f1(α)

Ta có bảng số liệu sau:

S 1(m m) S2(mm) S (m m)

135 110.96 4.06 115.02

150 121.29 2.03 123.32

165 127.79 0.54 128.33

195 127.79 0.54 128.33

210 121.29 2.03 123.32

225 110.96 4.06 115.02

Bảng tính độ dịch chuyển của Piston

α

I-2 Công thức tính vận tốc Piston :

Vp = Vp1+Vp2 = R.ω.[Sinα +

2

λ

.Sin 2α] ; với Vp1 = R.ω.Sinα ;

Vp2 =

2

λ .R. ω Sin2 α hay V = f2( α )

b) Vẽ đồ thị V = f 2 (α) bằng phơng pháp giải tích

-Dựa vào bảng số liệu sau:

Bảng

giá trị tốc độ piston

V1(mm/s) V2(mm/s) V(mm/s)

255 -13.27 0.86 -12.41

285 -13.29 -0.86 -14.15

300 -11.93 -1.49 -13.42

315 -9.75 -1.72 -11.47

Bảng tính độ dịch chuyển của Piston

α

I.3 công thức tính gia tốc của píston

jp = jp1 + jp2 = R.ω2.(cosα+λ.cos2α)

với : jp1 = R.ω2.cosα ; jp2 = R.ω2.cos 2α hay j = f3(α);

I

J1(mm/s.s) J2(mm/s.s) J(mm/s.s)

0 2908.42 727.11 3635.53

15 2809.32 629.69 3439.01

30 2518.77 363.55 2882.32

60 1454.21 -363.55 1090.66

75 752.75 -629.69 123.06

105 -752.75 -629.69 -1382.44

120 -1454.21 -363.55 -1817.76

135 -2056.56 0 -2056.56

150 -2518.77 363.55 -2155.22

165 -2809.32 629.69 -2179.63

180 -2908.42 727.11 -2181.31

195 -2809.32 629.69 -2179.63

210 -2518.77 363.55 -2155.22

225 -2056.56 0 -2056.56

240 -1454.21 -363.55 -1817.76

255 -752.75 -629.69 -1382.44

285 752.75 -629.69 123.06

300 1454.21 -363.55 1090.66

330 2518.77 363.55 2882.32

345 2809.32 629.69 3439.01

360 2908.42 727.11 3635.53

Bảng tính độ dịch chuyển của Piston

α

Phần 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  và quy ớc là pittong ở điểm chết trên thì  = 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 pittons

2/ Lực khí thể :

a Vẽ đồ thi công P - V

Thể tích làm việc của xilanh Vs

Vs =

4

.D2 S

4

13 , 14 , 0 14 ,

= 20.10-4 (m3) Dung tích buồng cháy:

Vc =

1

− ε

S

V

=

1 16

10

20 4

−

−

= 1,33.10-4 (m3) Thể tích của xilanh:

Va = Vs + Vc = 20.10-4 + 1.33.10− 4= 21.33.10-4(m3) Chỉ số nén đa biến trung bình n1:

Pc = Pa εn1 ⇒n1 =

ε

ln

ln

a

c

p

p

=

16 ln

086 0

83 3 ln

= 1.37

Với các giá trị áp suất đã cho

Pa = 0.086 (MPa)

Pc = 3.83 (MPa)

Pb = 0,34 (MPa)

Pz = 5,954 (MPa)

Pr = 0.105 (MPa)

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

Pb = Pz.(

ε

ρ )n

2 , chọn  = 1.5

⇒ n2 =

ε

ρ

ln

ln

z

b

p

p

=

16

5 1 ln

954 , 5

34 , 0 ln

= 1,26

*Dựng đờng nén a-c và đờng dãn nở Z-b

i

PCi = Pa(la

li )n1 Pbi = Pz n la 2 ( ) n 2

li

ρ

1

2

3

4

5

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

p= 0.02(MPa/mm) và p =-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

= 65 mm

Tham số kết cấu:  =

4 1

Khoảng di chuyển : oo’= R =

8

R

= 8.125(mm) Hiện chỉnh điểm c, : Góc đánh lửa sớm  = 250

Hiện chỉnh điểm c,, : Pc,, = 1,25Pc =1,25*3.83MPa)

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

- Theo phơng pháp Brich ta khai triển đồ thị p-V sang đồ thị P-α nh sau :

- Dựng đờng tròn Brich có đờng kính 2R = la – lc , đờng tròn (O,R); từ O lấy một

đoạn OO’ về phía điểm chết dới có độ dài OO’ = R.λ/2 = R/8 Từ O chia nửa vòng tròn thành 6 phần bằng nhau và bằng 30o nối 01 , 02 , 03 ,06 và lặp lại đến 720o

t-ơng ứng với 24 vị trí Từ O’ kẻ các đờng 0’1’ , 0’2’ , 0’3’ , 0’24’ tt-ơng ứng song song với 01, 02, 03 , 024 Từ 1’ , 2’ , ,24’ dóng lên song song với trục Pz cắt

đồ thị công tại 24 vi trí trên đồ thị công vừa vẽ trớc

- Dựng đồ thị P-α bằng cách lấy gốc sao cho trục hoành cao hởn trục hoành của đồ thị P-V 1KG/cm2 tơng ứng với 4 mm trên giấy ô li

Chia trục hoành thành 24 phần bằng nhau tơng ứng mỗi phần là 30o ,từ các điểm trên trục hoành dóng lên và các điểm trên đồ thị công (24 điểm trên đồ thị P-V ) chúng ta

đợc các điểm cắt nhau , từ 24 điểm đó ta nối thành đờng cong và đợc đồ thị khí thể Pkt (P-α)

3/ Lực quán tính Pj:

Pj = -mJp = - mRω2(cosα + λcos2α) (KG/cm2) Trong đó m là khối lợng chuyển động tịnh tiến trên một đơn vị diện tích của piston

m = mp + m1 ;

mp: khối lợng nhóm piston

m1: khối lợng tập trung đầu nhỏ của thanh truyền

Chọn mnp =2,3. (kg) ;

m1 = 0,4.mtt = 0,3*3 2 = 0,96 (Kg)

Diện tich đỉnh pittôn : S = 3,14.(0,13)2/4 = 0.0154(m2)

Khối lợng : m = (2,3+0,96)/0,0132 = 211.,69(kg/m2)

ω:Vận tốc góc của trục khuỷu ứng với số vòng quay lớn nhất , ω = 211,53(rad/s)

Qui đổi đơn vị pj = Kg/cm 2 m/s 2 = N/cm 2 = KG/cm 2 10 -1 = 10 -1 MPa

Vậy m = 247(Kg/m 2) thì pj(KG/m 2)

Từ đó ta có bảng tính giá trị lực quán tính : Pj = -m.Jp (KG/m 2)

J (m/s.s) m(kg/m.m)Pj = -m.Jp (KG/cm 2) α J (m/s.s) Pj = -m.Jp (KG/cm 2)

0 3635.53 211.69 -34.98 390 2970.28 -33.35

30 2657.04 211.69 -25.57 420 2111.68 -23.71

60 780.74 211.69 -7.51 450 -189.11 2.12

90 -391.51 211.69 3.77 480 -2167.74 24.34

120 -926.1 211.69 8.91 510 -2586.18 29.04

150 -1923.72 211.69 18.51 540 -2212.22 24.84

180 -3208.89 211.69 30.88 570 -2188.03 24.57

210 -3228.55 211.69 31.07 600 -2035.52 22.85

240 -1427.26 211.69 13.73 630 -569.67 6.4

270 712.38 211.69 -6.85 660 1797.52 -20.18

300 1688.06 211.69 -16.24 690 3199.1 -35.92

330 1886.41 247 -21.18 720 2811.74 -31.57

360 2429.64 247 -27.28

α

4/ Tổng hợp lực khí thể và lực quán tính :

PΣ = PKT + Pj

Dựa vào đồ thị khai triển (P-α) ta đo đợc giá trị của lực thể khí PKT tại các góc quay khác nhau của trục khuỷu

Trên đồ thị P-α trục tung vẫn chọn tỉ lệ xích à = 4 (KG.cm-2/mm)

5/ Xác định sự biến thiên của lực tiếp tuyến T(KG/cm 2 ) và lực pháp tuyến Z(KG/cm 2 ):

β

β α

cos

) sin( +

=P∑

β α

cos

) cos(

+

= P∑

4

sin arcsin(

) sin arcsin(λ α α

-*Ta lập bảng tính T và Z nh sau :

30 7.18 0.61 0.8 -10 -6.1 -8

60 12.5 0.98 0.31 -5 -4.9 -1.55

90 14.48 1 -0.26 0.25 0.25 -0.07

120 12.5 0.76 -0.69 3.75 2.85 -2.59

150 7.18 0.39 -0.93 5.25 2.05 -4.88

210 -7.18 -0.39 -0.93 5.625 -2.19 -5.23

240 -12.5 -0.75 -0.69 4.75 -3.56 -3.28

270 -14.48 -1 -0.26 2 -2 -0.52

300 -12.5 -0.98 0.31 -0.75 0.74 -0.23

330 -7.18 -0.61 0.8 3.25 -1.98 2.6

390 7.18 0.61 0.8 15.25 9.3 12.2

420 12.5 0.98 0.31 3.5 3.43 1.09

450 14.48 1 -0.26 5.25 5.25 -1.37

480 12.5 0.76 -0.69 7 5.32 -4.83

510 7.18 0.4 -0.93 7.625 3.05 -7.09

570 -7.18 -0.39 -0.93 6.375 -2.49 -5.93

600 -12.5 -0.75 -0.69 4.625 -3.47 -3.19

630 -14.48 -1 -0.26 1.375 -1.38 -0.36

660 -12.5 -0.98 0.31 -3.75 3.68 -1.16

690 -7.18 -0.61 0.8 -9.125 5.57 -7.3

β

β α cos

) cos( + β

β α cos

) sin( +

6/Vẽ đồ thị vec tơ phụ tải tác dụng lên trục khuỷu :

- Vẽ trục tọa độ (O,T,Z) góc tọa độ O1 , chiều dơng của trục T từ trái sang phải còn trục Z từ trên xuống dới , trong đó trục hoành là trục O1T, trục tung là trục O1Z

- Chọn tỷ lệ xích à = 8 (KG.cm-2/mm)

- Xác định tâm chốt khuỷu:Từ gốc tọa độ O1 của trục tọa độ TO1Z ta dịch xuống phía dới một đoạn PKo, ta xác định đợc điểm O , điểm này chính là tâm chốt của khuỷu cần tìm

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

PKo = -m2.R.ω2 (KG/cm 2) m2 = 0,75.35.10-3 = 26,25.10-3(Kg/cm 2) = 26,25.10-4(KG/cm 2)

PKo = -26,25.10-4.51 10-3 209,442 =-5,87(KG/cm 2)

Vecs tơ PKO có gốc tại O , chiều dơng hớng lên trên

Trên toạ độ T-Z xác định các giá trị củaT và Z ở các góc α khác nhau(0 ữ 720o) ; Trị

số của T và Z đợc tính ở bảng ta đợc các điểm 0, 30, 60 .720 Dùng đờng cong nối các điểm này ta đợc đồ thị vectơ phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu

7/ Khai triển đồ thị (T-Z) sang đò thị (Q-α):

Từ điểm O trên trục tọa độ O1T Z ta vẽ vòng tròn tâm Obán kính , Chia vòng tròn thành 12 phần bằng nhau rồi đánh số thứ tự 1ữ11

Trị số khoảng cách từ O đến các điểm trên trục tọa độ O1TZ ứng với góc α = 0 ữ 720o, giá trị này chính là giá trị phụ tải Q (KG/cm2) tác dụng lên chốt khuỷu tại các góc α

t-ơng ứng ở đồ thị (Q-α) ta chọn tỉ lệ xích à = 8 (KG.cm-2/mm)

- Vẽ đờng tròn bất kỳ tợng trng cho vòng tròn chốt khuỷu ( dùng luôn vòng tròn chốt khuỷu trên đồ thị phụ tải của chốt khuỷu thì thuận tiện hơn rồi chia vòng tròn trên thành 24 phần )

- Tính hợp lực ΣQ’của các lực tác dụng trên các điểm 0,1,2,3 rồi ghi trị số các lực

ấy trong phạm vi tác dụng trên bảng số liệu ( phạm vi tác dụng giả thiết là 120o , nên tơng ứng với 9 ô trên bảng)

- Cộng trị số của ΣQ Dùng tỷ lệ xích thích đáng đặt các đoạn thẳng đại biểu cho

ΣQ ở các điểm 1, 2, 3 , lên vòng tròn A nh hình vẽ rồi vẽ nh phơng pháp 1 ta sẽ

có đồ thị mài mòn Cần phải chú ý rằng cả hai phơng pháp trên đều không chính

xác , vì trong thực tế do tác dụng chêm dầu của màng dầu nhờn làm cho chốt khuỷu lệch đi và phạm vi tác dụng cũng không phải là 120o

Hơn nữa trong quá trình sử dụng , phụ tải luôn luôn thay đổi , chất lợng cả dầu nhờn và biến dạng của các chi tiết ảnh hởng đến mài mòn cảu chốt khuỷu rất nhiều Điều đó lànm cho đồ thị vẽ ra không sát với tình hình mài mòn thực tế của chốt khuỷu

III tính toán sức bền xupap trong hệ thống phân phối khí

Tính sức bền của mặt nấm xupap cũng có thể dùng công thức Back , coi mặt nấm xupap

nh một đĩa tròn đặt tự do trên đế tựa hình trụ ứng suất uốn trên mặt nấm xupap xác định theo công thức sau:

σu =

4

1

pz. 22

δ

d

(KG/cm2) Trong đó :

pz : áp suất khí thể lớn nhất (KG/cm2 )

d : đờng kính trung bình của nấm xupap (mm)

δ : chiều dày trung bình của nấm (mm); (δ = (0,08ữ0,12)d n ,với d n là đờng kính nấm xupap )

σu =

4

1

65,98 2

2

46 , 0

42

= 137510 (KG/cm2) ứng suất uốn cho phép nằm trong pham vi sau:

• đối với thép cac bon: [σu] = 800KG/cm2

• đối với thép hợp kim : [σu] = 1200KG/cm2

Nh vậy xupap không thoả mãn điều kiện chịu uốn

khi trục cam trực tiếp dẫn động xupap cần kiểm tra áp suất nén của thân xupap khi chịu mô men uốn áp suất cực đại kiểm tra theo công thức sau:

kmax = 2

6

l

d

x

p

t

k

trong đó :

pk: lực tac dụng lên xupap (KG/cm2 )

dt: đờng kính thân xupap (mm)

l: chiều dài phần thân tiếp xúc với ống dẫn hớng (mm)

x: khoảng cách từ lực tác dụng đến đờng tâm xupap(mm)

[kmax] = 20(KG/cm2 )

l

K max

d t

sơ đồ tính sức bền của xupap