THIẾT KẾ MÔN HỌC ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

II/ Tính toán động lực học động cơ đốt trong 1/ Khái quát Khi động cơ làm việc, cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền CCTKTT nói riêng và động cơ nói chung chịu tác dụng của các lực nh lực

thiết kế môn học Động cơ đốt trong

Đề Số 21

Đề Tài

vẽ PISTON Và TíNH BềN PISTON

Các thông số cơ bản

DOHC VVT – i 1.8 L ( 2WD)

Suất tiêu hao nhiên liệu ge (g/ml.h)

áp suất cuối hành trình nạp pa kG/cm2 0,92

áp suất cuối hành trình nén pc kG/cm2 21.08

áp suất cuối hành trình cháy pz kG/cm2 73,4

áp suất cuối hành trình dãn nở pb kG/cm2 3.95

Khối lợng nhóm thanh truyền m tt 0.80 kg

I-Tính toán động học và động lực học động cơ đốt trong

I/ Tính toán động học động cơ đốt trong

1/ Tính toán động học cơ cấu trục khuỷu thanh truyền

Bán kính quay của trục khuỷu: R =

2

S = 91,5/2 =45,75(mm) = 0.04575 m Chiều dài thanh truyền : L =

λ

R= 45,75/0.25 = 182 mm = 0.182m trong đó λ là tham số kết cấu ( ta chọn λ = 0.25 )

Vận tốc góc trục khuỷu : ω =π30.n

= 628,318(rad/s)

2/ Chuyển vị của pitông

S = R[(1-cosα) +

4

λ (1-cos2α)] (mm) Trong đó: S là độ chuyển vị của pittông

R là bán kính quay của trục khuỷu

 là tham số kết cấu

 là góc quay của trục khuỷu

bảng tính độ địch chuyển của pistong

Đồ thị chuyển vị piston :

Trục tung biểu thị độ dịch chuyển S (mm)

Trục hoành biểu thị góc quay α ( 10o)

Bảng 01:

α 1 cos‐ α XΙ 1 cos(2‐ α) XII X

10 0.015192247 0.6950453 0.060307379 0.170556807 0.865602107

20 0.060307379 2.759062599 0.233955557 0.661655559 3.420718158

40 0.233955557 10.70346673 0.826351822 2.337026248 13.04049297

50 0.35721239 16.34246686 1.173648178 3.319223752 19.66169061

60 0.5 22.875 1.5 4.2421875 27.1171875

70 0.657979857 30.10257844 1.766044443 4.994594441 35.09717288

80 0.826351822 37.80559587 1.939692621 5.485693193 43.29128906

100 1.173648178 53.69440413 1.939692621 5.485693193 59.18009732

110 1.342020143 61.39742156 1.766044443 4.994594441 66.392016

130 1.64278761 75.15753314 1.173648178 3.319223752 78.4767569

140 1.766044443 80.79653327 0.826351822 2.337026248 83.13355952

160 1.939692621 88.7409374 0.233955557 0.661655559 89.40259296

170 1.984807753 90.8049547 0.060307379 0.170556807 90.97551151

190 1.984807753 90.8049547 0.060307379 0.170556807 90.97551151

200 1.939692621 88.7409374 0.233955557 0.661655559 89.40259296

220 1.766044443 80.79653327 0.826351822 2.337026248 83.13355952

230 1.64278761 75.15753314 1.173648178 3.319223752 78.4767569

250 1.342020143 61.39742156 1.766044443 4.994594441 66.392016

260 1.173648178 53.69440413 1.939692621 5.485693193 59.18009732

280 0.826351822 37.80559587 1.939692621 5.485693193 43.29128906

290 0.657979857 30.10257844 1.766044443 4.994594441 35.09717288

310 0.35721239 16.34246686 1.173648178 3.319223752 19.66169061

320 0.233955557 10.70346673 0.826351822 2.337026248 13.04049297

340 0.060307379 2.759062599 0.233955557 0.661655559 3.420718158

350 0.015192247 0.6950453 0.060307379 0.170556807 0.865602107

3 Vận tốc pitông

Đạo hàm chuyển vị S ta đợc vận tốc pitông V

V = Rω(sinα +

2

λ sin2α) (m/s) V1 = Rωsinα ; V2 = Rωλ2 sin2α

V vận tốc piston m/s

R là bán kính quay của trục khuỷu

 là tham số kết cấu

 là góc quay của trục khuỷu

ω tốc độ góc trục khuỷu

Lập bảng tính vận tốc piston

( Bảng 02 )

Đồ thị vận tốc piston :

Trục tung biểu thị vận tốc piston (m/s)

Trôc hoµnh biÓu thÞ gãc quay α ( o )

B¶ng 02 :

10 0.173648 4.991612 0.34202 1.228945 6.2205567

40 0.642788 18.47728 0.984808 3.538605 22.015887

50 0.766044 22.02037 0.984808 3.538605 25.558973

60 0.866025 24.89438 0.866025 3.111797 28.006172

80 0.984808 28.30884 0.34202 1.228945 29.537784

100 0.984808 28.30884 -0.34202 -1.228945 27.079894

110 0.939693 27.01198 -0.642788 -2.30966 24.70232

120 0.866025 24.89438 -0.866025 -3.111797 21.782578

130 0.766044 22.02037 -0.984808 -3.538605 18.481763

140 0.642788 18.47728 -0.984808 -3.538605 14.938678

160 0.34202 9.831557 -0.642788 -2.30966 7.5218963

170 0.173648 4.991612 -0.34202 -1.228945 3.7626675

190 -0.173648 -4.991612 0.34202 1.228945 -3.762668

200 -0.34202 -9.831557 0.642788 2.30966 -7.521896

220 -0.642788 -18.47728 0.984808 3.538605 -14.93868

230 -0.766044 -22.02037 0.984808 3.538605 -18.48176

240 -0.866025 -24.89438 0.866025 3.111797 -21.78258

250 -0.939693 -27.01198 0.642788 2.30966 -24.70232

260 -0.984808 -28.30884 0.34202 1.228945 -27.07989

280 -0.984808 -28.30884 -0.34202 -1.228945 -29.53778

290 -0.939693 -27.01198 -0.642788 -2.30966 -29.32164

300 -0.866025 -24.89438 -0.866025 -3.111797 -28.00617

310 -0.766044 -22.02037 -0.984808 -3.538605 -25.55897

320 -0.642788 -18.47728 -0.984808 -3.538605 -22.01589

330 -0.5 -14.37277 -0.866025 -3.111797 -17.48457

340 -0.34202 -9.831557 -0.642788 -2.30966 -12.14122

350 -0.173648 -4.991612 -0.34202 -1.228945 -6.220557

4/ Gia tốc pitông

Đạo hàm vận tốc pitông ta đợc gia tốc pitông J

J = Rω2(cosα + λcos2α) (m/s2)

J1 = Rω2cosα ; J2 = Rω2λcos2α

J gia tốc của piston

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

 là góc quay của trục khuỷu

ω tốc độ góc trục khuỷu

Lập bảng tính gia tốc piston

( Bảng 03 )

Đồ thị gia tốc piston : ( Đồ thị 03 )

Trục tung biểu thị gia tốc piston (m/s2)

Trục hoành biểu thị góc quay α ( o )

Bảng 03:

α(

°) cosα JI(m/s ) ² cos2α JII(m/s ) ² J(m/s )²

10 0.984807753 17786.95312 0.939692621 4243.028282 22029.9814

20 0.939692621 16972.11313 0.766044443 3458.948347 20431.06147

30 0.866025404 15641.58407 0.5 2257.668193 17899.25226

40 0.766044443 13835.79339 0.173648178 784.0799349 14619.87332

50 0.64278761 11609.60913 -0.17364818 -784.079935 10825.52919

70 0.342020143 6177.343991 -0.76604444 -3458.94835 2718.395644

80 0.173648178 3136.31974 -0.93969262 -4243.02828 -1106.70854

100 -0.17364818 -3136.31974 -0.93969262 -4243.02828 -7379.34802

110 -0.34202014 -6177.34399 -0.76604444 -3458.94835 -9636.29234

130 -0.64278761 -11609.6091 -0.17364818 -784.079935 -12393.6891

140 -0.76604444 -13835.7934 0.173648178 784.0799349 -13051.7135

150 -0.8660254 -15641.5841 0.5 2257.668193 -13383.9159

160 -0.93969262 -16972.1131 0.766044443 3458.948347 -13513.1648

170 -0.98480775 -17786.9531 0.939692621 4243.028282 -13543.9248

190 -0.98480775 -17786.9531 0.939692621 4243.028282 -13543.9248

200 -0.93969262 -16972.1131 0.766044443 3458.948347 -13513.1648

210 -0.8660254 -15641.5841 0.5 2257.668193 -13383.9159

220 -0.76604444 -13835.7934 0.173648178 784.0799349 -13051.7135

230 -0.64278761 -11609.6091 -0.17364818 -784.079935 -12393.6891

250 -0.34202014 -6177.34399 -0.76604444 -3458.94835 -9636.29234

260 -0.17364818 -3136.31974 -0.93969262 -4243.02828 -7379.34802

270 -1.8377E-16 -3.3192E-12 -1 -4515.33639 -4515.33639

280 0.173648178 3136.31974 -0.93969262 -4243.02828 -1106.70854

290 0.342020143 6177.343991 -0.76604444 -3458.94835 2718.395644

310 0.64278761 11609.60913 -0.17364818 -784.079935 10825.52919

320 0.766044443 13835.79339 0.173648178 784.0799349 14619.87332

330 0.866025404 15641.58407 0.5 2257.668193 17899.25226

340 0.939692621 16972.11313 0.766044443 3458.948347 20431.06147

350 0.984807753 17786.95312 0.939692621 4243.028282 22029.9814

II/

Tính toán động lực học động cơ đốt trong

1/ Khái quát

Khi động cơ làm việc, cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền (CCTKTT) 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 α và quy ớc là pittông

ở điểm chết trên thì α = 00 Ngoài ra, các lực này thờng đợc tính với một

đơn vị diện tích đỉnh pittông 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 pittông

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)* 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 α

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

β α

cos

) sin( +

.P∑ và lực pháp tuyến Z = β

β α

cos

) cos( +

.P∑

Lực quán tính của khối lợng thanh truyền quy dẫn về tâm đầu to thanh truyền, tác dụng lên bề mặt cổ khuỷu: PK2 =- 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

nh-ng theo chiều nh-ngợc lại Hợp lực Q của các lực tác dụnh-ng lên bề mặt chốt khuỷu:

= ++ ΡK2

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

3/ Lực khí thể

Xây dựng đồ thị công P-V

Dựa vào các thông số nhiệt :

+ Hành trình pitông : S = 91.5 mm

+ Tỉ số nén : ε = 10

+ áp suất :

Pa = 0,92 (kG/cm2)

Pc = 21,08 (kG/cm2)

Pz = 73.4 (kG/cm2)

Pb = 3,95 (kG/cm2)

Pr = 1,14 (kG/cm2)

Thể tích làm việc của xi lanh Vh :

Vh = π.D2.S/4 =(3,14.79 2.91,5)/4

= 448275,4 (mm3) = 448,2754 (cm3)

Vc = Vh /(ε-1) nên dung tích buồng cháy

Vc = 49808.38(mm3) = 49,80838 (cm3)

Lại có :ε = Va/VC ⇒Va =10 49808,38 =498083,8 (mm 3)= 498,0838 (cm 3) Chọn Tỉ lệ xích àv = 3.5 (cm3 /mm)

Chọn Tỉ lệ xích àp = 0,35 (KG/cm2 .mm)

Dựng đờng nén đa biến a-c :

Từ công thức: Pc =Pa εn1

và Pa=0,92 (kG/cm2)

Pc=21.08(kG/cm2)

ε =10

⇒ n1= 1,36

Pci = Pa(

Vci

Va )n1 = Pa(

Lci

La )n1 =Pc/εi n1 Dựng đờng giãn nở đa biến z-b :

Từ công thức: Pb =Pz/εn2(vì Vz=Vc )

và Pb=3,95(kG/cm2)

Pz=73,4(kG/cm2)

ε =10

⇒ n2= 1,26

Pbi = Pz(

Vai

Vc )n2 = Pz(

Lai

Lc )n2 =Pz/εi n2

Vậy ta có bảng sau:

εi εi n1 P ci =P c / εi

n1 εi n2 P bi =P z / εi n2

(KG/cm 2 ) (KG/cm 2 )

2 2.567 8.212 2.395 30.648

3 4.455 4.731 3.992 18.388

4 6.589 3.199 5.736 12.797

5 8.925 2.362 7.598 9.6604

6 11.44 1.843 9.56 7.6776

7 14.1 1.495 11.61 6.3223

8 16.91 1.246 13.74 5.3432

9 19.85 1.062 15.93 4.6063

10 22.91 0.92 18.2 4.0336

* Hiệu chỉnh đồ thị công :

Độ dịch chuyển brich :

OO’= R.λ/2 = (la-lc)/16= (143-13)/16 = 8,125 mm

Góc đóng muộn xúppáp xả : ϕ4 = 180

Góc đánh lửa sớm : ϕs =90

Pc’’=(1,2 ữ1,25).Pc

Chọn Pc’’=1,25.21,08= 26,35 (kG/cm2)

Góc mở sớm xupáp nạp : ϕ1 = 80

Góc đóng muộn xupáp nạp : ϕ2= 460

Góc mở sớm xupáp xả : ϕ3 = 520

Góc đóng muộn xúppáp xả : ϕ4 = 180

Pz’ =0,85.Pz = 0,85.73,4 =62,39(kG/cm2)

Từ các số liệu trên ta xây dựng đợc đồ thị công nh trên hình vẽ , sau đó

ta khai triển ra thành đồ thị áp lực khí thể với àα= 720/400 (0/mm)

4/ Lực quán tính (PJ)

Khối lợng chuyển động tịnh tiến của cơ cấu trục khủyu thanh truyền

là :

M = mpt+ m1

Ta có mpt : khối lợng nhóm pitông

mpt=0,65(kg)

m1 : khối lợng thanh tryền qui dẫn về đầu nhỏ thanh truyền Chọn m1 =(0,275ữ0,325)mtt

Chọn m1 = 0,3.mtt = 0,3.0,80= 0,24 (kg)

Vậy M =mpt+m1 = 0,65 + 0,24 =0,89(kg)

Diện tích đỉnh pittông:

FP =π.D2/4 = (3,14.0,0792)/4 = 4.899.10-3 (m2) = 48,99 (cm2)

Khối lợng trên một đơn vị diện tích đỉnh piston

m =

Fp

M

= 0,89

4,899 .103 = 0,18167.103 =181,67kg/m2 = 18,167 10-3 kg/cm2

PJ = -m.J = - m.R.ω2.(cosα + λ.cos2α) (kG/cm2)

PJ =- m J = - 18,167 10-3.J (KG/cm2)

Ta có bảng tính PJ va LPJ :

α(

°) cosα cos2α J(m/s )² (N/cm2)Pj Pj(mm)L

10 0.98481 0.9397 22030 -400.2187 -114.35

20 0.93969 0.766 20431.1 -371.1711 -106.05

30 0.86603 0.5 17899.3 -325.1757 -92.907

40 0.76604 0.1736 14619.9 -265.5992 -75.885

50 0.64279 -0.1736 10825.5 -196.6674 -56.191

60 0.5 -0.5 6773 -123.0452 -35.156

70 0.34202 -0.766 2718.4 -49.38509 -14.11

80 0.17365 -0.9397 -1106.71 20.10557 5.7444

100 -0.1736 -0.9397 -7379.35 134.0606 38.303

110 -0.342 -0.766 -9636.29 175.0625 50.018

130 -0.6428 -0.1736 -12393.7 225.1561 64.33

140 -0.766 0.1736 -13051.7 237.1105 67.746

160 -0.9397 0.766 -13513.2 245.4937 70.141

170 -0.9848 0.9397 -13543.9 246.0525 70.301

190 -0.9848 0.9397 -13543.9 246.0525 70.301

200 -0.9397 0.766 -13513.2 245.4937 70.141

220 -0.766 0.1736 -13051.7 237.1105 67.746

230 -0.6428 -0.1736 -12393.7 225.1561 64.33

250 -0.342 -0.766 -9636.29 175.0625 50.018

260 -0.1736 -0.9397 -7379.35 134.0606 38.303

280 0.17365 -0.9397 -1106.71 20.10557 5.7444

290 0.34202 -0.766 2718.4 -49.38509 -14.11

310 0.64279 -0.1736 10825.5 -196.6674 -56.191

320 0.76604 0.1736 14619.9 -265.5992 -75.885

330 0.86603 0.5 17899.3 -325.1757 -92.907

340 0.93969 0.766 20431.1 -371.1711 -106.05

350 0.98481 0.9397 22030 -400.2187 -114.35

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

PΣ = Pkt+Pj

Dựa vào đồ thị P - α ta tìm đợc gía trị Pkt tơng ứng với các góc quay α

trục khuỷu Ta cộng đại số với giá trị của Pj tơng ứng với góc

α ta tìm đợc giá trị PΣ

6/ Vẽ đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu Qch :

+ Vẽ toạ độ T-z gốc toạ độ O1 chiều dơng của z hớng xuống

+Tính lực quán tính của khối lợng chuyển động quay của thanh

truyền

+ Xác định sự biến thiên của lực tiếp tuyến (T) và lực pháp tuyến (Z)

T = + ìPΣ

β

β α

cos

) sin(

(kG/cm2)

Z = + ìPΣ

β

β α

cos

) cos(

(kG/cm2)

Bảng giá trị pHụ tảI tác dụng Lên chốt khuỷu

α β sin(α+β)/cosβ T cos(α+β)/cos

30 7.18 0.609108945 -19.6 0.803031325 -25.85967 -32.2 -56.04 -73.885

60 12.5 0.976908594 -11.7 0.30794468 -3.692108 -11.99 -33.46 -10.549

90 14.5 1 8.518 -0.25819889 -2.199341 8.518 24.34 -6.2838

120 12.5 0.755142213 15.72 -0.69205532 -14.41034 20.823 44.93 -41.172

150 7.18 0.390891055 9.627 -0.929019483 -22.88134 24.63 27.51 -65.375

210 -7.2 -0.39089106 -9.55 -0.929019482 -22.68625 24.42 -27.27 -64.818

240 -13 -0.75514221 -15.6 -0.69205532 -14.31345 20.683 -44.62 -40.896

270 -14 -1 -9.43 -0.258198889 -2.434302 9.428 -26.94 -6.9551

300 -13 -0.97690859 8.601 0.307944681 -2.711304 -8.805 24.57 -7.7466

330 -7.2 -0.60910894 12.77 0.803031325 -16.83762 -20.97 36.49 -48.107