Tính toán và thiết kế nhóm piston thanh truyền của động cơ IFE

PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG CÁC ĐỒ THỊ TRONG BẢN VẼ ĐỒ THỊ ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC

LỜI NÓI ĐẦU

Sau khi được học 2 môn chính của ngành động cơ đốt trong (Nguyên lý động cơ đốt trong, Kết cấu và tính toán động cơ đốt trong ) cùng một số môn cơ sơ khác (sức bền vật liệu, cơ lý thuyết, vật liệu học, ), sinh viên được giao làm đồ án môn học kết cấu và tính toán động cơ đốt trong Đây là một phần quan trọng trong nội dung học tập của sinh viên, nhằm tạo điều kiện cho sinh viên tổng hợp, vận dụng các kiến thức

đã học để giải quyết một vấn đề cụ thể của ngành

Trong đồ án này, em được giao nhiệm vụ tính toán và thiết kế nhóm piston thanhtruyền của động cơ IFE Đây là một nhóm chi tiết chính, không thể thiếu trong động

cơ đốt trong Nó dùng để tiếp nhận lực khí thể do khí cháy sinh ra, biến chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu

Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã cố gắng tìm tòi, nghiên cứu các tài liệu, làm việc một cách nghiêm túc với mong muốn hoàn thành đồ án tốt nhất Tuy nhiên,

vì bản thân còn ít kinh nghiệm cho nên việc hoàn thành đồ án lần này không thể không có thiếu sót

Cuối cùng, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy, cô đã tận tình truyền đạt lại những kiến thức quý báu cho em Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Dương Việt Dũng đã quan tâm cung cấp các tài liệu, nhiệt tình hướng dẫn trong quá trình làm đồ án Em vô cùng mong muốn nhận được sự xem xét và chỉ dẫn của thầy Sinh viên

Hoàng Thắng

I) PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG CÁC ĐỒ THỊ TRONG BẢN VẼ ĐỒ THỊ ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC.

1 VẼ ĐỒ THỊ CƠNG:

1.1 Các thơng số cho trước:

+ Cơng suất động cơ : Ne= 85 (kW).

+ Khối lượng nhĩm piston: mnp= 0.8 (Kg)

+ Khối lượng nhĩm thanh truyền: m tt  1( ).kg

+ Gĩc phun sớm: 13 o

s

  + Gĩc phân phối khí:  1  6 ;  2  46 ;  3  42 ;  4  4 

+ Thứ tự làm việc của động cơ: 1- 3- 4-2.

1.2 Các thơng số chọn:

+ Áp suất mơi trường: 0 , 098 ( / 2 ).

P 

+ Chỉ số nén đa biến trung bình :n1  1 , 35

+ Chỉ số giãn nở đa biến trung bình :n 2 1, 25

+ Áp suất cuối quá trình nạp : - Động cơ khơng tăng áp: pa = (0,8; 0,9)pk (MN/m2 ).

+ Đối với động cơ Xăng tỷ số giãn nở sớm bằng:  1

+ Aïp suất cuối quá trình giãn nở : 2 2

1,25

2 1,25

0,3524( / ).

9, 4

n z

Để vẽ đồ thị công ta cần xác định các điểm trên đường nén và đường giãn nở.

1.3.1 Xây dựng đường cong áp suất trên đường nén:

Ta xác định các điểm trên đường nén với chỉ số nén đa biến n1.

Ta có phương trình đường cong nén đa biến :

n c

c V p V

1

1

n

c nx c nx

V V P P

P

P 

1.3.2 Xây dựng đường cong áp suất trên giãn nở:

- Ta có phương trình của đường cong giãn nở đa biến :

gnx gnx

n z

z V P V

1

2

n

z gnx z gnx

V V P P

i

P

1.3.3 Lập bảng xác định các điểm trên đường nén và đường giãn nở:

Cho i tăng từ 1    9.4 từ đó ta lập bảng xác định các điểm trên đường nén và đường giãn nỡ

1.3.4.Xác định các điểm đặc biệt:

Lập bảng:

i V xV i c* 1

c

nx n

P P i



2

z gnx n

P P i

- Nối tất cả các điểm trung gian của đường nén và đường giãn nở với các điểm đặcbiệt ta được đồ thị công lý thuyết

chi tiết tác dụng lên cơ cấu trục khuỷu thanh truyền dùng để tính toán cân bằng các chitiết và tính toán mòn động cơ.

2.1.Động học của cơ cấu khuỷu trục thanh truyền:

Cơ cấu khuỷu trục thanh truyền thuộc loại giao tâm, là cơ cấu mà đường tâm xylanhtrực giao với đường tâm khuỷu trục tại 1 điểm (hình

vẽ)

Với : R : bán kính quay của trục khuỷu

l : chiều dài thanh truyền

 : vận tốc góc của trục khuỷu (rad/s)

x : độ dịch chuyển của piston tính từ ĐCT

ứng với góc quay  của khuỷu trục

 : góc lắc của thanh truyền ứng với góc 

O : giao điểm của đường tâm xylanh và

đường tâm khuỷu trục

B : giao điểm của đường tâm thanh truyền và

đường tâm chốt khuỷu

A : giao điểm của đường tâm thanh truyền và đường tâm chốt piston

2.1.1.Xác định độ dịch chuyển (x) của piston bằng phương pháp đồ thị Brích:

Chuyển vị x của piston tuỳ thuộc vào vị trí của khuỷu trục, x thay đổi theo góc quay

 của khuỷu trục

- Theo phương pháp giải tích chuyển dịch x của piston được tính theo công thức:    .1  cos 2 

4 cos 1

R S

AB





2





- Chọn tỉ lệ xích S sao cho

v S

Vh S

trụcOS nằm ngang biểu diễn giá trị S với tỉ lệ xích: µs=0.47mm/mm).

- Từ các điểm chia 0 , 1 , 2 , , 18 trên nữa vòng tròn Brích ta dóng các đường thẳngsong song với trụcO Và từ các điểm chia trên trục O ứng với các giá trị







 , 10 , 20 , , 180

tương ứng với các góc cắt nhau tại các điểm 1’,2’,3’, ,18’.Nối các điểm này lại tađựơc đường cong biểu diễn độ dịch chuyển của piston (x) theo  : S  f 

2.1.2 Giải vận tốc v của piston bằng phương pháp đồ thị:

- Theo phương pháp giải tích ta tính gần đúng vận tốc của piston là:

AB

r1 

- Từ các điểm chia trên 1/2 vòng tròn bán kính r1 ta dóng các đường thẳng vuônggóc với đường kính AB, và từ các điểm chia trên vòng tròn bán kính r2 ta kẻ cácđường thẳng ngang song song với AB, các đường kẻ này sẽ cắt nhau tương ứng theotừng cặp 0-0’;1-1’; ;18-18’ tại các điểm lần lượt là 0, a, b, c, Nối các điểm này lạibằng 1 đường cong ta được đường biểu diễn trị số tốc độ, các đoạn thẳng đứng nằmgiữa đường cong với nữa đường tròn r1 biểu diễn trị số tốc độ ở các góc  tương ứng ,phần giới hạn của đường cong này và 1/2 vòng tròn lớn gọi là giới hạn vận tốc của piston.

- Vẽ hệ toạ độ vuông góc v - s trùng với hệ toạ độ trục thẳng đứng 0v trùng với trục trục thẳng đứng 0v trùng với trục0Từ các điểm chia trên đồ thị Brích, ta kẻ các đường thẳng song song với trục 0v và cắt trục 0s tại các điểm 0,1,2,3, ,18, từ các điểm này ta đặt các đoạn thẳng 00’’, 11’’, 22’’, 33’’, ,1818’’ song song với trục 0v có khoảng cách bằng khoảng cách các

đoạn tương ứng nằm giữa đường cong với nữa đường tròn bán kính r1 mà nó biểu diểntốc độ ở các góc  tương ứng Nối các điểm 0’’,1’’,2’’, ,18’’ lại với nhau ta cóđường cong biểu diễn vận tốc piston v=f(s)

2.1.3 Giải gia tốc J bằng đồ thị Tôlê:

- Theo phương pháp giải tích lấy đạo hàm của vận tốc theo thời gian ta có công thức

để tính gia tốc của piston :

 2 cos   cos 2 



+ Giải gia tốc của piston bằng phương pháp đồ thị thường dùng phương pháp Tôlê

Các bước tiến hành như sau :

- Vẽ hệ trục J - s Lấy đoạn thẳng AB trên trục 0s, AB = S/S = 178,7234 (mm)

- Tại A dựng đoạn thẳng AC về phía trên AB, với:

- Nối đoạn CF và DF, ta phân chia các đoạn CF và DF thành 8 đoạn nhỏ bằng nhau

và ghi số thứ tự cùng chiều, chẳng hạn như trên đoạn CF: C,1,2,3, ,7,F ; trên đoạnFD: F,1’,2’,3’, ,7’,D’ Nối các điểm chia 11 ' , 22 ' , 33 ' , Đường bao của các đoạn này

là đường cong biểu diễn gia tốc của piston J  f (S).

Hình 1.4 Đồ thị Tôlê.

2.2 Động lực học cơ cấu khuỷu trục thanh truyền:

Tính toán động lực học cơ cấu khuỷu trục thanh truyền nhằm mục đích xác định cáclực do hợp lực của lực quán tính và lực khí thể tác dụng lên các chi tiết trong cơ cấu ởmỗi vị trí của khuỷu trục để phục vụ cho việc tính toán sức bền, nghiên cứu trạng tháimài mòn của các chi tiết máy và tính toán cân bằng động cơ

Trong quá trình làm việc của động cơ, cơ cấu khuỷu trục thanh truyền chịu tác dụngcủa các lực sau: Lực quán tính do các chi tiết có khối lượng chuyển động ; Lực khí thể

; trọng lực ; Lực ma sát Trừ trọng lực ra, chiều và trị số của các lực khác đều thay đổitheo vị trí của piston trong các chu kỳ công tác của động cơ Trong các lực nói trênlực quán tính và lực khí thể có trị số lớn hơn cả, nên trong quá trình tính toán ta chỉxét đến hai loại lực này

2.2.1 Xác định khối lượng:

2.2.1.1 Khối lượng tham gia chuyển động thẳng:

Các chi tiết máy trong cơ cấu khuỷu trục thanh truyền tham gia vào chuyển độngtịnh tiến bao gồm các chi tiết trong nhóm piston và khối lượng của thanh truyền quydẩn về đầu nhỏ thanh truyền

Ta có: m' m np m1.

Trong đó: m np : khối lượng nhóm piston m pt  0,8( )kg

m1 : khối lượng thanh truyền tham gia chuyển động tịnh tiếnquy dẫn về đầu nhỏ thanh truyền

m1 = (0,275  0,35).m tt

Ta chọn : m1  0,3*m tt  0,3*1 0,3( )  kg

Vậy khối lượng các chi tiết tham gia chuyển động tịnh tiến là :

m' m np m1  0,8 0,3 1,1( )   kg

2.2.1.2 Khối lượng các chi tiết tham gia chuyển động quay:

Khối lượng tham gia chuyển động quay trong cơ cấu khuỷu trục thanh truyền gồmphần khối lượng nhóm thanh truyền quy dẩn về đầu to, khối lượng khuỷu trục gồm cókhối lượng chốt khuỷu và khối lượng má khuỷu quy dẩn về tâm chốtï khuỷu

m'R m2m k

Trong đó : m2 : khối lượng chuyển động quay của thanh truyền quy dẫn

về đầu to thanh truyền

m2  0,7*m tt  0,7*1 0, 7( )  kg

m k :khối lượng của khuỷu trục

Khuỷu trục có kết cấu 2 má khuỷu như nhau

m k m ck  2m mr

Trong quá trình tính toán, thiết kế và để xây dựng các đồ thị được tiên lợi thì người

ta thường tính toán khối lượng chuyển động tịnh tiến và khối lượng chuyển động quaycủa cơ cấu khuỷu trục thanh truyền thường tính trên đơn vị diện tích đỉnh piston

2.2.2.Xác định lực quán tính các chi tiết tham gia chuyển động tịnh tiến:

- Lực quán tính các chi tiết tham gia chuyển động tịnh tiến:

) 2 cos (cos

J Pj

Kết hợp đồ thị Brick và đồ thị công như ta đã vẽ ở trên ta có cách vẽ như sau :

Từ các góc 0, 100, 200, 300, , 1800 tương ứng với kỳ nạp của động cơ

1900, 2000, 2100, , 3600 tương ứng với kỳ nén của động cơ

3700, 3800, 3900, , 5400 tương ứng với kỳ cháy - giãn nở

5500, 5600, 5700, , 7200 tương ứng với kỳ thải của động cơ

- Từ các điểm chia trên đồ thi Brick dóng các đường thẳng song song với 0p và cắt đồthị công tại các điểm trên đường biểu diễn các quá trình nạp, nén, cháy-giản nỡ vàthải Qua các giao điểm này ta kẻ các đường ngang song song với trục hoành sang hệtrục toạ độ p-

- Từ các điểm chia trên trục 0 kẻ các đường song song với trục 0p, những đườngnày cắt các đường dóng ngang tại các điểm ứng với các góc chia của đồ thị Brick vàphù hợp với quá trình làm việc của động cơ Nối các giao điểm này lại ta có đườngcong khai triển đồ thị p - với tỷ lệ xích :

Pkh N

P1 Ptt

l Pk

T Ptt

P1 PttN

Z

Ptt O

+ Khi khuỷu trục của xylanh thứ nhất nằm ở vị trí 0

1  0

Khuỷu trục của xylanh thứ 2 nằm ở vị trí α2 = 1800

Khuỷu trục của xylanh thứ 3 nằm ở vị trí α3 = 5400

Khuỷu trục của xylanh thứ 4 nằm ở vị trí α4= 3600

2.2.6.Đồ thị véc tơ phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu :

- Đồ thị véc tơ phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu dùng để xác định lực tác dụng lênchốt khuỷu ở mỗi vị trí của trục khuỷu Từ đồ thị này ta có thể tìm trị số trung bìnhcủa phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu cũng như có thể dễ dàng tìm được lực lớn nhất vàlực bé nhất Dùng đồ thị phụ tải ta có thể xác định khu vực chịu lực ít nhất để xác định

vị trí khoan lỗ dầu bôi trơn và để xác định phụ tải khi tính sức bền ở trục

- Khi vẽ đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu có thể chưa cần xét đến lực quán tínhchuyển động quay của khối lượng thanh truyền m2 quy về tâm chốt khuỷu vì phương

và trị số của lực quán tính này không đổi sau khi vẽ xong ta xét

- Vẽ hệ toạ độ T - Z gốc toạ độ 0 ' trục 0’Z có chiều dương hướng xuống dưới

- Chọn tỉ lệ xích :µ T = µ N = µ Z = 0,029 (MN/m2.mm)

- Đặt giá trị của các cặp (T.Z) theo các góc  tương ứng lên hệ trục toạ độ T - Z Ứngvới mỗi cặp giá trị (T.Z) ta có một điểm đánh dấu các điểm từ 0 , 1 , 2 ,  72 ứng với cácgóc  từ 0   720 nối các điểm lại ta có đường cong biểu diễn véctơ phụ tải tác dunglên chốt khuỷu.

- Dịch chuyển gốc toạ độ Trên trục 0’Z (theo chiều dương) ta lấy điểm 0 với

Ro

Pt

m R P

S

m MN

Với tỷ lệ xích Z ta dời gốc toạ độ 0’ xuống 0 một đoạn 0’0

0'0 1,5274 52,67( )

0,029

Ro z

P

mm



+ Đặt lực P R0về phía dưới tâm 0’ ta có tâm 0 đây là tâm chốt khuỷu

- Từ tâm O vẽ vòng tròn tượng trưng chốt khuỷu

+ Xác định giá trị, phương chiều và điểm đặt lực

Giá trị của lực là độ dài véctơ tính từ gốc 0 đến vị trí bất kì mà ta cần

Chiều của lực hướng từ tâm 0 ra ngoài

Điểm đặt của lực là giao của phương kéo dài về phía 0 của véctơ lực và đườngtròn tượng trưng cho chốt khuỷu

Q : là hợp lực của các lực tác dụng lên chốt khuỷu

2.2.7.Khai triển đồ thị phụ tải trong hệ toạ độ cực thành đồ thị Q -  :

- Khai triển đồ thị phụ tải ở toạ độ độc cực trên thành đồ thị Q - rồi tính phụ tảitrung bình Q tb

c c

Qmin= 0.5491 ( 2 )

m

MN

Tải trọng trung bình tác dụng lên chốt khuỷu:

tb tb

2.2.8.Đồ thị phụ tải tác dụng lên đầu to thanh truyền:

Dựa trên nguyên lý lực và phản lực tác dụng tại một điểm bất kỳ trên chốt khuỷu vàđầu to thanh truyền và xét đến sự chuyển động tương đối giữa chúng ta có thể xâydựng được đồ thị phụ tải tác dụng lên trục khuỷu Sau khi vẽ được đồ thị phụ tải tácdụng lên chốt khuỷu ta căn cứ vào đó để vẽ đồ thị phụ tải của ổ trượt ở đầu to thanhtruyền

Nối lần lượt các điểm vừa đánh dấu trên tờ giấy bóng theo đúng thứ tự ta được đồ thịphụ tải tác dụng lên đầu to thanh truyền

- Xác định giá trị phương chiều và điểm đặt lực :

+ Giá trị là độ dài của véctơ tính từ tâm O đến bất kỳ vị trí nào ta cần xác định trên

đồ thị

+ Chiều của lực từ tâm O đi ra

+ Điểm đặt là giao điểm của véctơ và vòng tròn tượng trưng cho đầu to thanhtruyền

Sở dĩ gọi là mài mòn lý thuyết vì khi vẽ ta dùng các giả thuyết sau đây :

+ Phụ tải tác dụng lên chốt là phụ tải ổn định ứng với công suất Ne và tốc độ n định mức

+ Lực tác dụng có ảnh hưởng đều trong miền 1200

+ Độ mòn tỷ lệ thuận với phụ tải

+ Không xét đến các điều kiện về công nghệ, sử dụng và lắp ghép

+ Các bước tiến hành vẽ như sau :

- Trên đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu ta vẽ vòng tròn bất kỳ và chia thành 24phần bằng nhau tức là chia theo 15o theo chiều ngược chiều kim đồng hồ bắt đầu tạiđiểm 0 tai giao điểm của vòng tròn với trục OZ (theo chiều dương) tiếp tục đánh sốthứ tự 0.1.2 23

- Từ các điểm chia vòng tròn này ta kẻ các tia qua tâm O và kéo dài, các tia này sẽcắt đồ thị phụ tải phụ tải tai nhiều điểm, có bao nhiêu điểm cắt đồ thị thì sẽ có bấynhiêu lực tác dụng tại vị trí đó Do đó ta có :

- Các hợp lực Q0 , Q1 , , Q23 được tính theo bảng sau :

2 3,9 4,8 5,

7

1 1 , 8

30,

8 54,1 68,9 68,2 67,4

Đồ thị mài mòn chốt khuỷu

II>Phân tích kết cấu đặc điểm chung của động cơ chọn tham khảo

1>Thông số động cơ chọn tương đương

Thời điểm phối

2)Các kết cấu sơ bộ của động cơ

2.1)Nắp của nắp máy

 Nắp của nắp máy được đúc bằng nhôm có độ cứng cao và nhẹ

 gioăng làm kín và vòng đệm bugi được làm liền với nhau để giảm số chi tiết

 gioăng làm kín được làm bằng cao su Acrylic có các tính chất nhanh khô, chịu thời tiết và tia tử ngoại tốt, độ bám dính cao nhưng khả năng chịu hóa chất, dung môi và chống ăn mòn kim loại không tốt

2.2)Nắp máy

 Cửa thải được làm đứng để tăng hiệu suất thải

 Các vòi phun được được đặt trong nắp xilanh để ngăn chặn nhiên liệu bám dính

ở cửa nạp nên giảm lượng khí thải

 Đường đi trong áo làm mát đã được tối ưu hóa để làm mát cao hơn

 Việc sử dụng buồng cháy dạng côn giúp giảm hiện tượng kích nổ và hiệu suất được cải thiện

2.3) Thân máy

,

 Ống lót xilanh làm bằng gang đúc mỏng, độ chính xác gia công cao

 Nắp bạc lót được chế tạo liều bằng nhôm hợp kim để tăng độ cứng vững

 Lổ thông khí được tạo ra tại bạc của trục khuỷu trong than máy giúp khí dưới cilanh chảy êm nên áp suất của bơm giảm cùng với công suất đầu ra

2.4) Nhóm Piston và thanh truyền

 Piston được chế tạo bằng hợp kim nhôm, phần đáy gọn nhẹ, đỉnh piston

có vát hình côn, chốt pistin lắp lỏng hoàn toàn Độ chính xác gia công cao hơn

 Thanh truyền được chế tạo bắng thép cường độ cao và gọn nhẹ, chiều rộng thanh truyền giảm để giảm ma sát, bỏ đai ốc dung bulông siết chặt