ĐỒ AN MÔN HỌC KÊT CẤU VÀ TÍNH TOAN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG (TINH TOÁN TRỤC KHUỶU VÀ BANH ĐÀ)

ta có đờng cong biểu diễn gia tốc của piston theo vận tốc góc ,J  f .2.2.TấNH TOAẽN ÂÄĩNG LặÛC HOĩC : Mục đích của việc tính toán động lực học là xác định hợp lựccủa lực quán tính và

Môc lôc

v 7 2.1.4.§å thÞ gia tèc

Tài liệu tham khảo

.33

L ờ i n ó i đ ầ u

Giao thông vận tải là một ngành rất quan trọng,trong đó việc hoàn thiện động cơ

về mọi mặt là rất cần thiết đối với xu thế

hiện nay.Đối với sinh viên chuyên ngành động

lực,Đồ án kết cấu và tính toán động cơ đốt

trong là một đồ án rất quan trọng,giúp làm

quen víi viÖc nghiªn cøu,t×m hiÓu kÕt cÍu vµ

tÝnh to¸n bÒn c¸c chi tiÕt,bĩ phỊn trong mĩt

kÕt cÍu cô thÓ.§Ó hoµn thµnh nhiÖm vô ®ê

sinh viªn ph¶i ph¸t huy tÝnh tù lùc,tham kh¶o

tõ nhiÒu nguơn tµi liÖu vÒ chuyªn m«n.

§©y lµ lÌn ®Ìu tiªn em vỊn dông lý thuyÕt ®· hôc ®Ó ph©n tÝch kÕt cÍu vµ tÝnh

to¸n thiÕt kÕ nhêm Trôc khụu-B¹c lêt-B¸nh

®µ cña ®ĩng c¬ ZAZ 968 Trong qu¸ tr×nh

lµm ®ơ ¸n,mƯc dï em ®· ®îc sù gióp ®ì vµ

h-íng dĨn rÍt tỊn t×nh cña thÌy TrÌn Thanh H¶i

Tïng vµ c¸c thÌy trong bĩ m«n ®ĩng lùc, nhng

víi mĩt ®ơ ¸n yªu cÌu mĩt lîng lín vÒ kiÕn thøc

chuyªn ngµnh vµ sù h¹n chÕ vÒ tµi liÖu tham

kh¶o nªn gƯp nhiÒu khê kh¨n vµ khê tr¸nh

khâi sù sai sêt v× vỊy em rÍt mong ®îc sù

xem xÐt vµ chØ b¶o cña c¸c thÌy ®Ó em ®îc

bơi bư thªm vÒ kiÕn thøc chuyªn ngµnh.

Cuỉi cïng em xin ch©n thµnh c¶m ¬n thÌy TrÌn Thanh H¶i Tïng ®· gióp ®ì em hoµn

thµnh ®ơ ¸n nµy.

Sinh viªn thùc hiÖn

V¬ng H÷u Th¹ch.

1.CÁC THÔNG SỐ BAN ĐẦU:

§ĩng c¬ ZAZ968 lµ lo¹i ®ĩng c¬ x¨ng cì võa víi bỉn xilanh ®îc

bỉ trÝ theo d¹ng ch÷ V theo hai hµng.§ĩngc¬ nµy ®îc bỉ trÝ phÝasau «t«.Thø tù lµm viÖc cña c¸c xi lanh ®ĩng c¬ lµ : 1-3-4-2

C¸c th«ng sỉ ban ®Ìu cña ®ĩng c¬ ®îc cho theo b¶ng sau:

66 76 14 , 3 4

2994 , 0

2.1.TÊNH TOẠN ÂÄÜNG HOÜC:

Để tiến hành xây dựng đồ thị công, ta cần xác định các

điểm đặc biệt và đờng nén,đờng giãn nở

+Xây dựng đ ờng cong áp suất nén:

Quá trình nén của động cơ là quá trình nén đa biến với

ph-ơng trình:

const V

n c

1

n c nx c nx

V V P

+ Xây dựng đ ờng giãn nở:

Phơng trình đờng giãn nở đa biến : PVn2 = const

Gọi x là điểm bất kỳ trên đờng giãn nở, ta có :

2

2

gnx gnx

n z gnx z gnx

V V P

2.1.1.2.Xây dựng đồ thị và hiệu chỉnh đồ thị công:

P z

P

2

/ 0175 , 0 240

Víi tØ lÖ xÝch nµy ta sÏ cê c¸c ®iÓm t¬ng øng trªn ®ơ thÞ,nỉic¸c ®IÓm trªn ta cê ®ơ thÞ c«ng lý thuyÕt

+ HiÖu chØnh ®ơ thÞ c«ng:

Dïng ®ơ thÞ Brich x¸c ®Þnh c¸c ®iÓm:

 §¸nh löa sím (c’)

 Mị sím (b’), ®êng muĩn (r’’) xupap th¶i

 Mị sím (r’), ®êng muĩn (a’) xupap n¹p

LÍy ¸p suÍt cùc ®¹i: p z,,  0 , 85p z  3 , 57 [MN/m2 ]

X¸c ®Þnh c¸c ®iÓm trung gian:

 Trªn ®o¹n cy lÍy ®iÓm c ,, víi:

cy 3

1 c

Nối các điểm hiệu chỉnh bằng thớc cong ta có đợc đồ thịcông đã hiệu chỉnh.

2.1.2.Đồ thị chuyển vị:

Thông số kết cấu: λ RL,trong đó:

- R: Bán kính quay trục khuỷu [mm]

] [ 33 2

với góc quay trục khuỷu α[m].

[độ]

- ω: Vận tốc góc của trục khuỷu rads 

Theo giải tích chuyển dịch x của piston tính theo công thức:

R x

phụ lục cuối sách

Phơng pháp đồ thị Brich xác lập đợc mối quan hệ thuậnnghịch giữa độ dịch chuyển x của Piston và góc quay α của

33 2 2

+ Lấy điểm O’ ở bên trái điểm O một đoạn:

] [ 125 , 4 2

.

OO thuc  

] [ 10 2

Từ điểm O kẻ các tia OB ứng với các góc 10o, 20o, 30o,

Từ điểm O’ kẻ các tia O’B’ song song với OB cắt vòng tròn tại B’

Kẻ B’C thẳng góc với AD Theo Brich thì đoạn AC=x(độ dịchchuyển)

Từ các điểm trên vòng chia Brich ta kẻ các đờng thẳng songsong với trục O Và từ các điểm chia (có góc tơng ứng) trên trụcO ta vẽ các đờng nằm ngang Các đờng này sẽ cắt nhau tại các

điểm 1, 2, ,18 Nối các điểm này lại ta đợc đờng cong biểudiễn độ dịch chuyển của piston theo : s  f( )

2.1.3.Đồ thị vận tốc v:

Theo giải tích vận tốc v của piston đợc xác định theo côngthức:

B ω R ) α 2 Sin 2

λ α Sin (

Từ trên ta có:

2

1 v v α Sin ω R α Sin ω R ) α Sin 2

λ α Sin (

ω

R

α Sin ω

R

v1  , Sin 2 α )

2

λ ( ω R

v2 Vận tốc trung bình của Piston đợc xác định theo công thức:

Trong đó: S: Hành trình của Piston

n: Số vòng quay của trục khuỷu [v/ph]

Tỷ số

tb

max v

s v

/ 79 , 172 4125 , 0 88 , 418





Vẽ nửa vòng tròn tâm O, bán kính 80 [ ]

79 , 172

88 , 418 33

, 172 2

25 , 0 88 , 418 33

đờng cong giới hạn vận tốc của piston

Dựng hệ trục tọa độ vuông góc v-s, lấy đoạn OA s 160 mm[ ]

R





trục Ov trùng với trục O, trục hoành biểu diễn giá trị s

Từ các điểm chia trên đồ thị Brich ta kẻ các đờng thẳng songsong với trục Ov, và cắt OS các điểm 0,1,2, ,18 Từ điểm này ta

đặt các đoạn thẳng trên đồ thị giới hạn vận tốc nh:00’,11’,22’, Nối các điểm mút lại ta có đồ thị vận tốc của Pistontheo góc : V  f( )

2.1.4.Đồ thị gia tốc J: ta tiến hành xây dựng đồ thị theo

J

2

/ 9

AC

J J

125 9

, 57

) 1 25 , 0 (

88 , 418 10 33 ) 1

75 9

, 57

) 25 , 0 1 (

88 , 418 10 33 )

tự cùng chiều 1, 2,3, và 1’,2’,3’, Nối các điểm tơng ứng lại

thành các đoạn:11’,22’,33’, ta có đờng cong biểu diễn gia tốc của piston theo vận tốc góc ,J  f( ).

2.2.TấNH TOAẽN ÂÄĩNG LặÛC HOĩC :

Mục đích của việc tính toán động lực học là xác định hợp lựccủa lực quán tính và lực khí thể tác dụng lên các chi tiết ứng vớimỗi vị trí của khuỷu trục-thanh truyền nhằm tính sức bền,sự màimòn của các chi tiết và thực hiện cân bằng động cơ

Trong quá trình làm việc,cơ cấu KT-TT chịu các lực:

- Lực quán tính do các chi tiết có khối lợng chuyển động

- Lực khí thể

- Trọng lực

- Lực ma sát

Trong quá trình tính toán,do lực quán tính và lực khí thể có

ảnh hởng rất lớn đến động cơ,trọng lực và lực masát có giá trị rất

bé so với hai lực này nên ta chỉ xét sự tác dụng của lực quán tính

và lực khí thể

2.2.1.Xác định khối lợng:

2.2.1.1.Khối lợng tham gia chuyển động thẳng:

Các chi tiết máy trong cơ cấu KT-TT tham gia vào chuyển

động thẳng bao gồm:Các chi tiết trong nhóm Piston và khối lợngnhóm thanh truyền đợc quy về đầu nhỏ thanh truyền Trong quátrình tính toán, xây dựng các đồ thị,để tiện lợi, ngời ta thờngtính toán lực quán tính trên một đơn vị diện tích đỉnhPiston(để cùng thứ nguyên với áp suất cháy trong động cơ)

ơng để quy dẫn về 2 dạng chuyển động: chuyển động thẳng

và chuyển động quay Tùy thuộc vào mức độ chính xác cầnthiết, ngời ta có thể chia nhóm thanh truyền ra 2, 3 hoặc nhiềuphần tơng đơng

Trong thực tế, chúng ta có thể tính gần đúng theo các côngthức kinh nghiệm sau đây:

Đối với động cơ ôtô máy kéo: m1=(0,275 0,350)mtt

Ta chọn:m1=0,3.0,85=0,255[kg]

Với mtt là khối lợng của thanh truyền: mtt=0,85[kg]

Vậy khối lợng chuyển động tịnh tiến:

755 , 0 4

m

kg F

m m

p

s



2.2.1.2.Khối lợng tham gia chuyển động quay:

Khối lợng tham gia chuyển động quay trong cơ cấu KTTT gồm:+ Phần khối lợng nhóm thanh truyền quy dẫn về đầu to

+ Khối lợng khuỷu trục gồm có: Khối lợng chốt khuỷu và khối ợng má khuỷu đợc quy dẫn về tâm chốt khuỷu

mmR:Khối lợng má khuỷu quy về tâm chốt khuỷu

Các khối lợng tham gia chuyển động quay này sẽ đợc xét ở mụctính bền trục khuỷu

ờng biểu diễn các quá trình nạp,nén, giãn nở,thải Qua các giao

điểm này ta vẽ các đờng ngang song song với trục hoành sang hệtọa độ Pkt- Từ các điểm chia trên tọa độ O, ta kẻ các đờngthẳng đứng song song với trục OP, những đờng thẳng này cắtcác đờng nằm ngang tại các điểm tơng ứng với các góc chia của

đồ thị Brich và phù hợp với các quá trình làm việc của động cơ.Nối các điểm đó lại ta có đờng cong khai triển đồ thị Pkt-

2.2.2.2.Khai triển đồ thị P J -V thành đồ thị P J -:

Cách khai triển đồ thị này giống nh cách khai triển đồ thị Pkt

-V Nhng phải đổi dấu của lực PJ khi khai triển (-PJ)

Từ các giá trị P1 tính đợc khi cộng đồ thị ở trên và các giá trị

,  tra trong các bảng tra 5 và 6 ở phụ lục Sau khi tính toán ta có

đợc các giá trị của T, Z, N trong bảng sau:

mm

m MN

mm m MN

0

2.2.2.5.Lập bảng tính T:

Dựa vào thứ tự làm việc của động cơ để ta xác định các góclàm việc 1, 2, 3, 4 của các khuỷu Thứ tự làm việc của động cơlà: 1-3-4-2

Vậy góc lệch công tác của động cơ là:

o o

o ct

i 4 180

4 180 180







Góc lệch giữa hai hàng xi lanh: =180o

Lập bảng để xác định các góc của trục khuỷu ta có:

T=T1+T2+T3+T4

Sau khi có đờng T=f() ta vẽ đờng Ttb (đại diện cho mômencản) bằng cách đếm diện tích bao bởi đờng T với trục hoành O(F T), sau đó chia diện tích này cho chiều dài của trục hoành.Nghĩa là: T μF360

T

T tb

16.6

43.25

22.92

-40 35.3

20.2

21.5

42.21

34.80

-50 30.3

23.7

25.3

38.33

40.98

-60 21.4

26.0

27.1

36.15

38.58

-70 -9.71 250 24.8

25.7

36.80

23.47

21.1

Đặt các giá trị từ bảng Z, T lên trục tơng ứng, với mỗi cặp

điểm ta ghi 0, 1, 2, , 72 Nối các điểm đó lại ta có đờng congcủa đồ thị véctơ phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu

Dịch gốc tọa độ để tìm gốc của tọa độ của đồ thị phụ tảitác dụng lên chốt khuỷu bằng cách đặt véctơ PRo lên (đại diệncho lực ly tâm tác dụng lên chốt khuỷu)

Tính giá trị lực của lực quán tính ly tâm:

R m P

b Ro

2 2

88 , 418 30





] [ 004536 ,

0 10 4

76 14 , 3 10 4

2 6

2 6

3

10 7595 , 0 004536

, 0

88 , 418 10 33 595 , 0

7595 , 0

Q có giá trị bằng OA , có gốc là O và A là một trong các

điểm thuộc đờng cong

+ Chiều tác dụng là chiều từ O đến A

+ Điểm tác dụng là điểm a trên phơng kéo dài của AO cắtvòng tròn tợng trng cho mặt chốt khuỷu

2.2.2.7.Vẽ đồ thị phụ tải tác dụng lên đầu to thanh truyền:

Các bớc tiếp theo ta thực hiện trên tờ giấy bóng, đem tờ giấybóng đặt lên đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu sao cho tâm

O của đầu to thanh truyền trùng với tâm O của chốt khuỷu và trục

OZ trùng với đờng tâm của thanh truyền (hớng xuống dới) Trên tờgiấy bóng hiện lên các số ghi của đồ thị phụ tải tác dụng lên chốtkhuỷu Đầu tiên ta đánh dấu điểm O, sau đó xoay tờ giấy bóngtheo ngợc chiều kim đồng hồ sao cho các tia 0o, 10o, 20o, lần lợttrùng với OZ và mỗi lần ta lại đánh dấu các điểm hiện lên trên tờ

giấy bóng, chẳng hạn: 0, 1, 2, và ta ghi 0o, 10o, 20o, Nối các

điểm này lại ta đợc đờng cong biểu diễn đồ thị phụ tải tác dụnglên đầu to thanh truyền

Xác định chiều và điểm đặt:

Độ lớn của lực là chiều dài của véctơ nối từ tâm O đến bất kỳ

vị trí nào của đồ thị (nhân với tỷ lệ xích)

Chiều của lực là chiều từ tâm O hớng ra ngoài

Điểm đặt là giao điểm của véctơ kéo dài vô vòng tròn tợngtrng cho cổ trục

2.2.2.8.Vẽ đồ thị khai triển Q=f():

Các b ớc tiến hành:

Chọn hoành độ  Đặt cùng  với các đồ thị P=f(), T=f(),Z=f()

+ Lập bảng giá trị của Q theo  bằng cách đo các khoảngcách từ tâm O đến các điểm  trên đồ thị phụ tải tác dụng lênchốt khuỷu

+ Xác định Qtb bằng cách đếm diện tích bao bởi Q=f() vàtrục hoành rồi chia cho chiều dài trục hoành, ta có:

Q tb

Q

Q  360

958 , 1

2.2.2.9.Đồ thị mài mòn chốt khuỷu:

Đồ thị mài mòn chốt khuỷu biểu thị trạng thái mài mòn lýthuyết của chốt khuỷu, từ đó có thể xác định đợc miền phụ tải

bé nhất để khoan lổ dầu bôi trơn chốt khuỷu

Sở dĩ gọi là mài mòn lý thuyết vì khi ta vẽ ta sử dụng giảthuyết sau đây:

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

+ Lực tác dụng có ảnh hởng đều trong miền 120o

+ Độ mài mòn tỉ lệ thuận với phụ tải

+ Không xét đến điều kiện công nghệ và sử dụng, lắpghép, v.v Ví dụ không xét đến vật liệu, độ cứng bề mặt,

Ta lập đợc tổng phụ tải tác dụng lên mỗi điểm của chốtkhuỷu:

OB OA

Nối các điểm đầu của các đoạn thẳng đó ta đợc đờng congbiểu diễn độ mài mòn ở các vị trí của chốt khuỷu

3.1.1 Đặc điểm kết cấu của trục khuỷu:

Trục khuỷu là một chi tiết rất quan trọng,cờng độ làm việc rấtlớn,chiếm giá thành chế tạo cao nhất của động cơ

3.1.1.1.Nhiệm vụ:

Nhận lực khí cháy truyền từ thanh truyền và biến chuyển

động song phẳng của thanh truyền truyền qua thành chuyển

động quay của động cơ

Dẫn động các cơ cấu khác của động cơ chuyển động

3.1.1.2.Điều kiện làm việc:

Trong quá trình làm việc trục khuỷu chịu tác dụng của lực vàmômen do lực khí thể,lực quán tính chuyển động quay,lực quántính chuyển động tịnh tiến.Các lực này có giá trị rất lớn và luônthay đổi gây ra ứng suất uốn và xoắn,đồng thời gây nên dao

động dọc và dao động xoắn,làm cho động cơ rung động vàmất cân bằng Ngoài ra các lực nói trên còn gây ra hiện tợng màimòn trên các bề mặt ma sát của cổ trục và chốt khuỷu

3.1.1.3.Yêu cầu khi thiết kế và chế tạo:

Hình dạng kết cấu của trục khuỷu phụ thuộc số xilanh,cách bốtrí xilanh,số kỳ của động cơ và thứ tự làm việc của cácxilanh.Kết cấu của trục khuỷu phải đảm bảo các yêu cầu sau:+ Có độ bền và độ cứng vững cao,trọng lợng nhỏ và ít mòn

+ Có độ chính xác gia công cao,bề mặt làm việc cần có độbóngvà độ cứng cao.

+ Không xãy ra cộng hởng trong phạm vi tốc độ sử dụng của

động cơ

+ Kết cấu phải đảm bảo tính cân bằng và đồng đều, biên

độ dao động của mômen xoắn nhỏ

+ Phải dễ chế tạo

Ngoài ra,kích thớc thiết kế của trục khuỷu cần phải nhỏ gọnnhng phải đảm bảo độ cứng vững,sức bền của trục khuỷu và

điều kiện làm việc của các ổ trục Kích thớc trục khuỷu phụthuộc chủ yếu vào khoảng cách giữa hai đờng tâm xilanh,phụthuộc vào đờng kính xilanh,chiều dày của bạc lót xilanh và ph-

ơng pháp làm mát động cơ

Trục khuỷu gồm các phần:Đầu trục khuỷu,cổ trục khuỷu-mákhuỷu-chốt khuỷu và đuôi trục khuỷu

3.1.1.4.Kết cấu trục khuỷu:

+ Đầu trục khuỷu :

Đầu trục khuỷu thờng dùng để lắp bánh răng dẫn động trụcphân phối ,bánh răng truyền động bơm dầu, puli để dẫn độngquạt gió và đai ốc khởi động để khởi động cơ bằng tayquay.Các bánh răng lắp với đầu trục bằng then bán nguyệt.Trên

đầu trục có lắp tấm chắn dầu

2

7

13

1- Vòng hãm; 2- Then bán nguyệt; 3- Đầu trục khuỷu; 4- Bánhrăng dẫn động trục cam; 5- rãnh dẫn dầu bôi trơn; 6- bánh răngdẫn động bơm dầu; 7- cơ cấu lắp puli

+ Cổ trục khuỷu:

Trục khuỷu có năm cổ chính,cổ trục ở đuôi trục nơi lắp bánh

đà có chiều dài lớn nhất

Cổ trục đợc mài bóng và tôi cứng,độ côn,độ ôvan không vợtquá 0,01mm

Cổ trục đợc đúc đặc và có khoan lổ dầu bôi trơn chốtkhuỷu

Kích th ớc cổ trục:

Đờng kính cổ trục chọn theo kết quả tính toán sức bền ,điềukiện hình thành màng dầu bôi trơn ,quy định về thời gian sửdụng và số lần sửa chữa lớn của động cơ

Kích thớc của cổ trục của động cơ xăng thờng nằm trongphạm vi:

Đờng kính của chốt khuỷu có thể lấy bằng đờng kính cổ trụchoặc lấy nhỏ hơn đờng kính cổ trục một ít.Chiều dài chốtkhuỷu phụ thuộc vào khoảng cách giũa hai đờng tâm xilanh kềnhau và chiều dài cổ trục.Giảm chiều dài chốt khuỷu sẽ làm tăng

áp lực lên bề mặt chốt khuỷu do đó làm xấu điều kiện bôitrơn,nhng tăng chiều dài chốt khuỷu lại làm giảm độ cứng vữngcủa trục khuỷu,do đó sẽ làm giảm tần số dao động của trụckhuỷu và giảm số vòng quay cộng hởng

Vì vậy cần phải lựa chọn chiều dài sao cho có thể thoả mãn

đợc điều kiện hình thành màng dầu bôi trơn và trục khuỷu có

độ cứng vững lớn nhất có thể

Để giảm trọng lợng,tăng sức bền mỏi,ta làm rỗng chốtkhuỷu.Chốt khuỷu rỗng còn có tác dụng chứa dầu bôi trơn bạc lótthanh truyền

Kích thớc chốt khuỷu của động cơ xăng chữ V thờng nằmtrong phạm vi: Đờng kính chốt khuỷu: Dck=(0,560,66)D

=42,5650,16[mm]

Dck=48[mm]

Hình 3.1.Kết cấu đầu trục khuỷu