6. Phân tích kết cấu và thiêt kế trục khuỷu

PHÂN TÍCH KẾT CẤU VÀ THIẾT KẾ TRỤC KHUỶU 1.1 ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC VÀ VẬT LIỆU CHẾ TẠO Trục khuỷu chịu tải trọng bởi áp lực của khí, lực quán tính của các phần chuyển động tính tiến và chuy

6 PHÂN TÍCH KẾT CẤU VÀ THIẾT KẾ TRỤC KHUỶU

1.1 ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC VÀ VẬT LIỆU CHẾ TẠO

Trục khuỷu chịu tải trọng bởi áp lực của khí, lực quán tính của các phần chuyển động tính tiến và chuyển động quay Các lực tác dụng có tính chất chu kỳ gây nên dao động xoắn

Trục khuỷu là một chi tiết phức tạp nhất về mặt cấu tạo và sản xuất, do đó lựa chọn vật liệu chế tạo trục khuỷu là rất quan trọng Kim loại chế tạo trục khuỷu cần phải có tính chống mài mòn, chống mỏi và chịu tải trọng va đập cao Vì động cơ thiết kế thuộc loại cỡ trung bình nên ta chọn thép 45 làm vật liệu chế tạo

1.2 KẾT CẤU TRỤC KHUỶU

Trục khuỷu của động cơ Diezel tiếp nhận tải trọng lớn nên có nhiều gối đỡ Ta thiết kế 5 gối đỡ chính

Trục khuỷu gồm những phần sau :

1.2.1 Đầu trục

Trên đầu trục có lắp đai ốc khởi động, puly dẫn động quạt gió, bơm nước, bộ phận chắn dầu và bánh răng phân phối

1.2.2 Cổ trục

Tất cả các cổ chính có cùng một đường kính, từ cổ chính dầu bôi trơn theo các lỗ khoan trong má đểø đi bôi trơn các cổ biên Các chỗ chuyển tiếp của cổ chính và cổ biên đến má trục có góc lượn

Để giảm bớt trọng lượng của các phần không được cân bằng và của cả trục nói chung ta chế tạo trục khuỷu có cổ biên rỗng

1.2.3 Má khuỷu

Má khuỷu là bộ phần nối liền cổ trục và cổ chốt Để lợi dụng vật liệu hợp lý và phân bố đồng đều áp suất ta chọn thiết kế dạng má khuỷu hình ô van

1.2.4 Đuôi trục khuỷu

Đuôi trục khuỷu là nơi truyền công suất ra ngoài và trên đuôi trục khuỷu có lắp bánh đà

Ta chọn phương pháp lắp bánh đà lên đuôi bằng mặt bích Ở đuôi trục khuỷu ta bố trí các bộ phận sau :

- Vành chắn dầu

- Ren hồi dầu

- Đệm chắn di động dọc trục

1.2.5 Đối trọng

Đối trọng dùng để :

- Cân bằng các lực và mômen quán tính không cân bằng của động cơ, chủ yếu là lực và mômen quán tính ly tâm

- Giảm phụ tải cho ổ trục nhất là ổ giữa và tránh biến dạng của trục khuỷu khi làm việc

Đối trọng được đúc liền với má khuỷu

1.2.6 Các kích thước chọn

1 Cổ chính

dct = 0,736D = 0,754 × 110 = 83 (mm)

lct 1,3,5 = 0,636D = 0,636 × 110 = 70 (mm)

lct 2,4 = 0,545.D = 0,545 × 110 = 60 (mm)

2 Cổ biên

lch = 0,866 dch = 60 (mm)

dch ng = 0,71D = 78 (mm)

dch tr = 0,272.D = 30 (mm)

2 TÍNH BỀN TRỤC KHUỶU

2.1 XÁC ĐỊNH KHỐI LƯỢNG CHUYỂN ĐỘNG QUAY THEO BÁN KÍNH r CỦA MÁ KHUỶU

Khối lượng má khuỷu mm xác định theo công thức sau :

mm = Fm.bρ

Trong đó :

Fm : diện tích phần má khuỷu có bán kính r

b : chiều dày má khuỷu, b = 0,25D = 0,25 × 110 = 27,5 (mm)

ρ : khối lượng riêng của vật liệu trục khuỷu.ρ = 7,852 











3

dm

kg hay ρ = 7,852.10-6 











3

mm

kg

Nếu ta coi phần diện tích má khuỷu có bán kính r gần như 1 hình chữ nhật có diện tích a’.b’ với :

a’ = 1,2.D = 132 (mm) : chiều rộng má khuỷu b’ = r = d2dc −2ε

(ε : độ trùng điệp cổ chốt và cổ trục)

2

d

dch − ct − = +

- 62,5 = 18 (mm)

⇒ r = 83−218 = 32,5 (mm) Vậy Fm = a’.b’ = a’.r = 132 × 32,5 = 4290 (mm2)

⇒ mm = 4290 ×27,5 ×7,852.10-6 = 0,9263 (kg) Để phần khối lượng má mm cùng quay với bán kính R ta phải quy dẫn thành khối lượng tương đương đặt tại các tâm chốt khuỷu, khối lượng quy dẫn được tính như sau :

mmR = mm.Rr = 0,9263 × 32645,5 = 0,481 (kg)

2.2 KHỐI LƯỢNG CHỐT KHUỶU

Khối lượng chốt khuỷu được xác định theo công thức :

mch = ( D d )

4 2n− 2t

π (l + b1 + b2) ρ

Trong đó :

mch : khối lượng chốt khuỷu vận động quay với bán kính R

Dn, dt : đường kính ngoài và trong của chốt khuỷu

l : chiều dài làm việc của chốt khuỷu, l = 60 (mm)

b1, b2 : chiều dài của má khuỷu, b1, b2 = 27,5 (mm)

ρ : khối lượng riêng của vật liệu chế tạo trục khuỷu

⇒ mch = 4π (782 - 302) (60 + 27,5 + 27,5) × 7,85.10-6 = 3,689 kg

2.3 LỰC LY TÂM C1 VÀ C2

C1 = mch.R.ω2 = 7744,0 (kg)

C2 = m2.R.ω2 = 0,7 × 2,8 × 0,0625 × 183,262 = 4114,07 (kg)

C2 : lực ly tâm của khối lượng thanh truyền quy dẫn về tâm chốt khuỷu :

2.4 LỰC QUÁN TÍNH LY CỦA MÁ KHUỶU VÀ ĐỐI TRỌNG

• Pr1 : lực quán tính ly tâm của má khuỷu quy về tâm chốt khuỷu

Pr1 = mmR R.ω2 = 0,482 × 62,5.10-3× 183,262 = 1011,09 (kg)

• Pr2 : lực quán tính ly tâm của đối trọng

Pr2 = mđt Rđt.ω2

mđt : trọng khối của đối trọng :

mđt = mmR + 0,482 3,6892

2

mch

+

= = 2,326 (kg)

rđt : bán kính quay của đối trọng :

rđt = R = 62,5 (mm)

⇒ Pr2 = 2,326 × 62,5.10-3 × 183,262 = 4883,09 kg

2.5 SƠ ĐỒ TÍNH TOÁN VÀ XÁC ĐỊNH PHẢN LỰC GỐI ĐỠ

Vị trí Zmax xuất hiện tại α = 370

Lực Zmax được tính như sau :

Zmax = PZmax - M.R.ω2 (1 + λ)

M : khối lượng chuyển động tịnh tiến

M = mpis + mtt = 3,3 + 0,77 = 4,07 (kg)

Do đó : Zo = PZmax - M.R.ω2 (1 + λ) - (C1 + C2)

PZmax tại 370o : PZ = 5,8 m2

MN

M = 4,07 kg = 4,07.10-5 MN

R = 62,5 (mm) = 0,0625 (m)

λ = 0,26

C1 + C2 = 7744 + 4114,07 = 11858,07 kg = 0,119 MN ⇒ Zo = 5,8 - 4,07.10-5× 0,0625 × 183,262× 1,26 - 0,119 = 5,574 MN

Vì khuỷu đối xứng nên :

Z’ = Z” = Z2o - Pr1 + Pr2 = 5,5742 - 0,01 + 0,048 = 2,82 MN Ngoài Zmax, khuỷu còn bị xoắn bởi các khuỷu trước nó góc công tác của động cơ là 180o, thứ tự làm việc 1-3-4-2 Ta có thể xác định giá trị lực T ở góc quay α như sau :

T(Mn/m2) 0,768 -0.095 -0.251 -0.08

Ta lập bảng xác định ΣTI-1max

1 T = 0

0,768 -0,095 -0,251 -0,08

2 -0,095 -0,251 -0,08 T = 0

0,768

3 -0,08 T = 0

0,768 -0,095 -0,251

4 -0,251 -0,08 T = 0

0,768 -0,095

2.6 TÍNH SỨC BỀN TRỤC KHUỶU

- Ứng suất uốn chốt khuỷu

σu =















π

− +

=

nch

4 tch 4 nch

2 r 1 r u

u

d

d d 32

c P a P 'l Z W M

Z’ = 2,826 MNm2 = 0,02686 (MN) l’ = 21lct2 + lmá + 21lch =

=21 × 60 + 27,5 × 21 × 60 = 30 + 27,5 + 30 = 87,5 (mm)

Pr1 = 1011,09 (kg)

Pr2 = 4883,09 (kg)

dch n = 78 (mm)

dch t = 30 (mm)

a = c = l2m +l2ch = 272,5+602 = 43,7 9(mm)

⇒σu =







π

×

−

× +

×

−

−

−

−

−

−

−

−

3

4 3 4

3

3 5

3 5

3

10 78

10 30 10

78 32

10 4 43 10 09 488 10

7 43 10 09 1011 10

5 87 02686 0

) ( ) (

,

,

,

,

, ,

= 51,32 











2

m MN

- Ứng suất xoắn chốt khuỷu

τx =







π

×

=















π

Σ

078 0

03 0 078 0 16

0625 0 083 0 16

4 4

4 4 1 2

,

, ,

, ,

d

d d

R T W

M

n ch

r ch n ch

i k

k

= 0,5386 











2

m MN

- Ứng suất tổng cộng :

x

2

u +4τ = 51,32 +4×0,538











2

m MN

2.7 TÍNH SỨC BỀN CỔ TRỤC

Khi tính bền cổ trục ta tính cho khuỷu bên phải vì nó chịu lực lớn hơn

- Ứng suất uốn cổ trục :

σu = 4 3

32

ct u

u

d

' b '

Z d

d

' b '

Z W

M

π

=







 π

=

Z’ = 0,02686 MN l’ = 21lct + 21lm =21 × 0,07 + 21 × 0,027 = 0,04873 (m)

dct = 0,083 kg

32

04873 , 0 02686 , 0

×

π × = 23,367 











2

m MN

- Ứng suất xoắn cổ trục :

1

083 0 16

0095 0 0625 0 083 0

, ,

, d

R T W

M

ct

i k

' k

π

×

×

= π

Σ

= 0,44 











2

m MN

- Ứng suất tổng cộng tác dụng lên cổ trục :

x

2

u +4τ = 23,767 +4×0,44











2

m MN

2.8 TÍNH BỀN MÁ KHUỶU

Má khuỷu chịu uốn và chịu nén trong hai mặt phẳng vuông góc với nhau : mặt phẳng khuỷu của tiết diện và mặt phẳng thẳng góc với mặt phẳng khuỷu

- Ứng suất nén má :

σ = Z'−Pr 2

Z’ = 0,265 (MN)

Pr2 = 0,4883 MNm2 = 0,00464 (MN)

b : chiều dày má khuỷu, b = 27,5 (mm)

h : chiều rộng má khuỷu, h = 132 (mm)

⇒σn= 0,00265,0275−×00,00464,132 = 6,13 











2

m MN

- Ứng suất uốn trong mặt phẳng khuỷu :

σu=

6

b h

' b '

Z 6

b h

) c a ( P ' b '

Z W

M

2 2

2 r u

⇒σu=

6

132 , 0 0275 , 0

04873 , 0 0265 ,

0

2×

×

= 77,58 











2

m MN

- Ứng suất uốn trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng khuỷu :

σu =

6

132 , 0 0275 , 0

0625 , 0 083 , 0 6

h b

R T W

M W

M

2 2

1 i uy

' k u

u

×

×

=

Σ

=

= 64,95 











2

m MN

- Ứng suất tổng cộng :

σΣ = σn + ( 2 )

u ) 1 (

u +σ

σ = 6,13 + 77,58 + 64,95 = 148 











2

m MN

Mục lục