BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CẤU TẠO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Hệ lực tác dụng trên cơ cấu trục khuỷu thanh truyền giao tâm.. Hệ lực tác dụng trên cơ cấu trục khuỷu thanh truyền lệch tâm.. Khối lượng của các chi tiết máy của cơ cấu trục khuỷu thanh

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BÀI GIẢNG HỌC PHẦN CẤU TẠO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Chương VII Chương VI Chương V Chương IV

Chương II Chương III Chương I

1.1 Động học của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền giao tâm.

1.1.1 Chuyển vị của piston

1.1.2 Vận tốc của piston.

1.1.3.Gia tốc của piston.

1.2 Động học của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền lệch tâm.

1.2.1 Qui luật động học của piston

1.2.2 Chuyển vị, vận tốc và gia tốc của piston.

1.1.1 Chuyển vị của piston

Hình 1.1 Sơ đồ cơ cấu trục khuỷu

thanh truyền giao tâm.

Chuyển vị x tính từ điểm chết trên(ĐCT) của piston

tuỳ thuộc vào vị trí của trục khuỷu

) ' (

AB

) cos cos

( ) (l  R  R  l 



R: Bán kính quay của trục khuỷu

α: Góc quay của trục khuỷu tương ứng với

β: Góc lệch giữa đường tâm thanh truyền và

đường tâm xilanh

l: Chiều dài của thanh truyền

1.1 Động học của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền giao tâm

Gọi là thông số kết cấu, ta có thể viết: R l

R l

l l

d d

d d

d

t

x t

v      sin2)  

2(sin



)/

(30

s m n S

v tb 

) / ( 5 , 6 5 ,

Loại động cơ tốc độ trung bình : v tb 6,5 9(m/s)

Loại động cơ tốc độ cao: v tb 9(m/s)

(1-4)

1.1.3.Gia tốc của piston.

Lấy đạo hàm của công thức vận tốc đối với thời gian ta có công thức tính gia tốc của piston:

d d

d d

d

t

v t

2

180 0  

   

 R j

) 8

1 (

2 '

a OA

Trong đó : a: Độ lệch tâm

l: Chiều dài thanh truyền

R: Bán kính quay của trục khuỷu

1.2 Động học của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền lệch tâm.

1.2.1 Qui luật động học của piston

1.2.1.2 Hành trình của piston

Gọi S1 , S2 là khoảng cách từ ĐCT đến A’ và ĐCD đến A’’ đến trục hoành qua gốc O thì hành trình S của piston có thể xác địmh

2 2

2 2

2

1 S (l R) a (l R) a S

2 2 2

2 (1 1 ) )

1

1 (

1.2.2 Chuyển vị, vận tốc và gia tốc của piston.

a Chuyển vị của piston

Hình 1.3 Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền lệch tâm

Trục khuỷu quay đi một góc , chuyển vị của piston

tính từ ĐCT A’ có thể xác định theo công thức sau:

x S S

x  1 

Trong đó

) cos

1 (cos

2 cos 1

( 4 ) cos 1

R

b Vận tốc của piston

Lấy đạo hàm 2 vế phương trình (1-11) đối với thời gian t

)cos2

sin2

d d

d d

d v

t

x t

c Gia tốc của piston.

Lấy đạo hàm 2 vế của phương trình (1-12) đối với thời gian

)sin2

cos(cos

d d

d d

d j

t

v t

2.1 Khối lượng của các chi tiết chuyển động.

2.1.1 Khối lượng của nhóm piston

2.1.2 Khối lượng của thanh truyền

2.1.3 Khối lượng của trục khuỷu

2.2 Lực và mômen tác dụng lên cơ cấu trục khuỷu thanh truyền

2.2.1 Lực quán tính

2.2.2 Lực khí thể

2.2.3 Hệ lực tác dụng trên cơ cấu trục khuỷu thanh truyền giao tâm

2.2.4 Hệ lực tác dụng trên cơ cấu trục khuỷu thanh truyền lệch tâm

2.3 Hệ lực và mômen tác dụng trên trục khuỷu của động cơ một hàng xilanh.2.4 Cân bằng động cơ

2.4.5 Cân bằng động cơ 6 xilanh

2.4.4 Cân bằng động cơ 4 xilanh

2.4.3 Hai khuỷu có góc lệch khuỷu =180º

2.4.2 Cân bằng động cơ 2 xilanh

2.4.1 Cân bằng động cơ 1 xilanh

2.1 Khối lượng của các chi tiết chuyển động.

Khối lượng của các chi tiết máy của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền đựơc chia làm 2 loại :

 Khối lượng chuyển động tịnh tiến

 Khối lượng chuyển động quay

2.1.1 Khối lượng của nhóm piston.

Khối lượng của nhóm piston bao gồm khối lượng của piston, xéc măng, cần guốc

mnp = mp + mx + mc + mg + …… (kg)

Khối lượng nhóm piston là khối lượng chuyển động tịnh tiến

2.1.2 Khối lượng của thanh truyền.

Các phương án qui dẫn khối lượng của thanh truyền giới thiệu trên

Hình 2.1 Các phương án qui dẫn khối lượng của thanh truyền

 Phương án (a) thay thế khối lượng thanh truyền bằng hệ tương đương một khối lượng tập trung ở trọng tâm G Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền sẽ chịu tác dụng của một khối lượng chuyển động tịnh tiến:

m1 = mtt ( ) đặt tại tâm đầu nhỏ

 Phương án (b) thay thế thanh truyền bằng hệ tương đương hai khối lượng tập trung

ở tâm đầu nhỏ và tâm đầu to

Phương án chỉ thoả mãn 2 điều kiện:

m A  tt 

Mômen quán tính của hệ thay thế:

G tt

tt tt

l

l m

l l

l l m

Mômen thanh truyền của hệ thay thế thường có trị số

Mt = IG.…

(2-2)

 Phương án (d) phân bố thnah truyền thành 3 khối lượng để thoả mãn điều kiện động năng và thế năng không đổi.

Nghĩa là : mA  mB  mG  mtt

0)

 Phương án (e) phân khối lượng thanh truyền thành hai khối lượng và một mômen thanh truyền

Mômen thanh truyền của hệ thay thế thường có trị số:

Mt = IG.…

(2-4)

2.1.3 Khối lượng của trục khuỷu.

Để xác định khối lượng của trục khuỷu, ta chia trục khuỷu thành các phần như trên hình vẽ

Hình 2.2 Xác định khối lượng

của trục khuỷu

Trong đó mok: Phần khối lượng chuyển động quay theo bán kính R

mm: Phần khối lượng chuyển động theo bán kính

Đem mm qui dẫn về tâm chốt trục khuỷu bằng khối lượng mmr thì :

2.2.Lực và mômen tác dụng lên cơ cấu trục khuỷu thanh truyền.

Trong quá trình làm việc, cơ cấu trục khuỷu thanh truyền chịu tác dụng của các lực sau:

 Lực quán tính của các chi tiết chuyển động

 Lực của môi chất khí bị nén và khí cháy giãn nở tác dụng trên đỉnh piston (lực khí thể)

2

 m mR

Lực quán tính chuyển động quay:

const R

m

Pk   r 2  (2-8)

2.2.2 Lực khí thể.

Lực khí thể của động cơ 4 kỳ biến thiên theo góc quay của trục khuỷu

Hình 2.4 Biến thiên của lực khí thể theo góc của động cơ 4 kỳ.Đường po trên hình vẽ biểu thị áp suất khí trời tính theo áp suất tương đối

P là áp suất trong xilanh của động cơ

2.2.3 Hệ lực tác dụng trên cơ cấu trục khuỷu thanh truyền giao tâm.

Hình 2.5 Hệ lực tác dụng trên cơ cấu trục khuỷu thanh truyền giao tâm

Lực tác dụng trên chốt piston là hợp lực của lực quán

P  

Ptt: Lực tác dụng theo đường tâm thanh truyền

N: Lực tác dụng trên phương thẳng góc với đường

Hình 2.6 Hệ lực tác dụng trên cơ cấu trục

khuỷu thanh truyền giao tâm

Phân Ptt thành 2 phân lực lực tiếp tuyến T và

lực pháp tuyến Z tác dụng trên tâm chốt khuỷu

) sin(   

M

Lực tiếp tuyến T tạo ra mômen:

R T

Hình 2.7 Hệ lực tác dụng trên cơ cấu trục

khuỷu thanh truyền giao tâm

Lực ngang N tạo thành mômen lật:

)coscos

cos

) sin(





Trong đó

A: Khoảng cách từ lực N đến tâm trục khuỷu

MN: Mômen ngược chiều với M

MC: Mômen cản



o

C J M

2.2.4 Hệ lực tác dụng trên cơ cấu trục khuỷu thanh truyền lệch tâm.

Hình 2.8 Hệ lực tác dụng trên cơ cấu trục

khuỷu thanh truyền lệch tâm

P tt  



tg P

Hình 2.9 Hệ lực tác dụng trên cơ cấu trục khuỷu

thanh truyền lệch tâm

2

2 (sin ) 1

) (sin

) sin

(cos

k

k P

2 cos 2 (cos    k 

P

Mômen lật : M N N.A

)cos

1  k



Hình 2.10 Hệ lực tác dụng trên cơ cấu trục khuỷu thanh truyền lệch tâm

Thay quan hệ trên vào (2-19)

] cos

sin [

N

M N

) cos

R P

P N

M   

)

sin sin

cos cos

sin (sin

2.3 Hệ lực và mômen tác dụng trên trục khuỷu của động cơ một hàng xilanh 2.3.1 Góc công tác

 Góc công tác là góc quay của trục khuỷu ứng với khoảng thời gian giữa 2 lần làm việc kế tiếp nhau của 2 xilanh

 Khi lựa chọn thứ tự làm việc của các xilanh cần phải chú ý đến các vấn đề sau:

• Đảm bảo các phụ tải tác dụng trên các ổ trục bé nhất.

• Đảm bảo quá trình nạp thải có hiệu quả cao nhất.

• Đảm bảo kết cấu của trục khuỷu có tính công nghệ tốt nhất.

• Đảm bảo tính công bằng của hệ trục

 Góc công tác của các khuỷu trục được tính theo công thức sau:

i ct

Trên khuỷu thứ i có các lực sau đây tác dụng:

- Lực tiếp tuyến T; Lực pháp tuyến Z; Lực quán tính quay Pk

M1 M i1 M i

M i 1: Mômen của các khuỷu phía trứơc

Mi: Tác dụng trên khuỷu này.

M i: Tác dụng trên cổ trục phía sau của khuỷu

Hình 2.11 Diễn biến của các hành trình công tác trong động cơ 4kỳ, 6 xilanh

Ta phải xác định góc quay tương ứng của các khuỷu bằng cách lập bảng

Nguyên nhân làm động cơ mất cân bằng.

Để cân bằng thì hợp lực của lực quán tính chuyển động tịnh tiến các cấp đều bằng 0

 Các điều kiện để đảm bảo cân bằng động cơ:

• Trọng lượng của các nhóm pittông lắp trên xilanh phải bằng nhau

• Trọng lượng các thanh truyền phải bằng nhau, trọng tâm như nhau.

• Dùng cân bằng tĩnh và cân bằng động để cân bằng trục khuỷu bánh đà.

• Đảm bảo tỉ số nén đều nhau.

• Góc đánh lửa sớm, phun sớm phải giống nhau





2.4.1 Cân bằng động cơ 1 xilanh.

1 Trong động cơ 1 xi lanh trên hình 2.1 tồn tại các lực sau đây chưa được cân bằng:

2 Lực quán tính chuyển động tịnh tiến cấp 1:

2.4.1.1 Cân bằng lực quán tính chuyển động tịnh tiến :

Hình 2.12 (a) Sơ đồ động cơ một xi lanh có lắp đối tượng

Pkđ = 4mđrnω2

(b) Sơ đồ động cơ cân bằng Lăngxetcherơ

 Trên các cặp bánh răng 3 và 4 đều lắp đối trọng có khối lượng là m4 Lực ly tâm trên mỗi bánh răng bằng :

 Trong đó rn là khoảng cách từ tâm đối trọng mđ đén tâm bánh răng

 Dùng 4 bánh răng lắp trên trục 5 và 6 nên hợp lực của tất cả các phân lực của Pk4 nên

n

d r m

Rj1=

 Khi trục khuỷu quay với vận tốc góc kl m sẽ sinh ra lực ly tâm :

 Phân lực của Pđ trên đường tâm xi lanh: Pđ1= mR2ω2cos(1800+α ) = - mR2cosω2

mR n

r

mR

4 cos

2 4

Trên cặp bánh răng 7 và 8 này ta cũng găn đối trọng sao cho hợp lực của chúng sinh

ra trên phương thẳng đứng thoả mản phương trình :

m’đ =

n r

mR

' 16



4 Pđ2= Pj24m’đr’n(2ω)2cos2α= mR2 cos 2 

4m’đr’n(2ω)2cos2α= mR2 cos 2 

2.4.1.2 Cân bằng lực quán tính chuyển động quay.

Hình 2.13 Sơ đồ bố trí đối trọng cân bằng lực quán tính ly tâm Pk

 Quay trục khuỷu quay với vận tốc ω

Pdk = mrR2 P k Chiều của Pdk ngược với Pk

 Đối trọng mrx thường đặt ở một bán kính rx < R thoả mãn điều kiện cân băng sau đây :

2.4.2 Cân bằng động cơ 2 xilanh.

Hình 2.3 Sơ đồ trục khuỷu của động cơ 2 xilanh có ct 3600

Kết cấu của trục khuỷu của loại Động cơ 2 xilanh bố trí theo 2 kiểu sau đây:

2.4.2.1 Hai khuỷu có góc công tác Tâm của 2 chốt khuỷu cùng nằm trên 1 đường thẳng



 cos 2

2.4.3 Hai khuỷu có góc lệch khuỷu =180º

Hình 2.4 Sơ đồ trục khuỷu của động cơ 2 xilanh có ct  1800

Ở bất kì góc quay nào ta đều có: lực quán tính chuyển động tịnh tiến cấp 1 của 2 xilanh luôn ngược chiều nhau

2.4.4 Cân bằng động cơ 4 xilanh.

Hình 2.5 Sơ đồ trục khuỷu của động cơ 4 kỳ 4 xilan, thứ tự

 Tổng các mômen đều bằng O

0 )]

360 cos(

) 2 (

) 180 cos(

) (

) 180 cos(

) (

2 cos [

0

0 0

2 1

c

a b c a

c c

mR

M j

Trong đó a, b, c là các khoảng cách

 Tính tổng mômen quán tính cấp 1 theo cách lấy mômen của từng

thành phần lực quán tính đối với điểm A:

2.4.5 Cân bằng động cơ 6 xilanh.

Ta có thể coi động cơ 6 xilanh là tập hợp của 2 động cơ 3 xilanh đặt đối xứng nhau qua trục AA’

Hình 2.6 Sơ đồ trục của động cơ 4 kỳ, 6 xilanh có thứ tự làm

việc 1-5-3-6-2-4; góc công tác

0

1 ) 6 (

Động cơ 3 xilanh các mômen quán tính đều chưa được cân bằng:

3.1 Giới thiệu chung

3.2 Thân máy, nắp máy, xylanh và các te

3.1 Giới thiệu chung

- Không rung giật, ít gây tiếng ồn

- Kích thước và trọng lượng nhỏ, công suất riêng lớn

- Khởi động, vận hành, chăm sóc dễ dàng

- Thành phần gây ô nhiễm môi trường nhỏ

3.2 Thân máy, nắp máy, xy lanh và các te

3.2.1 Thân máy

 Là nơi gá lắp các chi tiết của động cơ

 Lấy nhiệt từ thành vách xi lanh

3.2.1.2 Phân loại

3.2.1.1 Công dụng

Phân loại theo kiểu làm mát:

- Thân máy làm mát bằng nước: thường ở động cơ ô tô, máy kéo

- Thân máy làm mát bằng gió: thường gặp ở động cơ xe máy

Phân loại theo kết cấu kếu:

- Thân xylanh – hộp trục khuỷu: thân xylanh đúc liền hộp trục khuỷu

- Thân máy rời: thân xylanh làm rời với hộp trục khuỷu và lắp với nhau bằng bulông

hay gugiông

Phân loại theo tình trạng chịu lực khí thể:

- Thân xylanh hay xylanh chịu lực

- Vỏ thân chịu lực

- Gugiông chịu lực:

3.2.1.3 Kết cấu thân máy

Hình 3.1 Thân máy kiểu thân xi lanh -hộp trục khuỷu

1 Thân xi lanh 2 Hộp trục khuỷu

 Loại thân máy có thân đúc liền với thân (Hình 3.1.a)

 Khi thân xi lanh làm riêng thành ống lót rồi lắp vào thân (Hình 3.1.b)

Hình 3.2 Thân máy rời1- Hộp trục khuỷu.

2- Thân xi lanh

3- Nắp xi lanh4- Gu dông nắp máy

5- Gu dông thân máy

6- Lỗ lắp trục cam

7- Gudông

 Khi thân xi lanh làm rời với hộp trục khuỷu và lắp với nhau bằng bulông hay gudông thì thân máy gọi là thân máy rời

 Thân động cơ làm mát bằng gió có thể chế tạo như sau:

Hình 3.3 Thân máy động cơ làm mát bằng gió 1- Hộp trục khuỷu

2- Thân xi lanh 3- Nắp xi lanh

4- Gu dông 5- Lót xi lanh

 Phương pháp lắp đặt trục khuỷu thường gặp trong thực tế là :

Hình 3.4 Các kiểu lắp đặt trục khuỷu

3.2.2 Xi lanh và lót xylanh.

3.2.2.1 Chức năng

- Kết hợp với piston và nắp máy tạo thành buồng

cháy

- Dẫn hướng cho piston

- Tản nhiệt cho buồng cháy

3.2.3 Nắp máy

3.2.3.1 Chức năng

 Đậy kín một đầu xylanh.

 Làm giá đỡ cho một số bộ phận của động cơ

 Bố trí các đường nạp, đường thải, đường nước làm mát 3.2.3.2 Điều kiện làm việc

 Nắp xylanh làm việc rất khắc nghiệt.

 Bị ăn mòn hoá học

 Chịu lực xiết ban đầu, chịu va đập trong quá trình làm việc.

3.2.3.3 Kết cấu nắp máy

Hình 3.6 Buồng cháy bán cầu trong động cơ xăng

1- Đường thải hoặc nạp

Tuỳ theo loại động cơ nắp xi lanh có một số đặc điểm riêng

 Nắp xi lanh động cơ xăng

 Kiểu buồng cháy có ý nghĩa quyết định đến kết cấu nắp xi lanh(Hình 3.1)

Hình 3.7 Nắp máy động cơ Diesel.

Hình 3.8 Nắp

máy của động cơ

TOYOTA HICE

đầu I

3.2.4 Cácte.

3.2.4.1 Chức năng

Chứa dầu bôi trơn

 Bảo các cụm chi tiết khác

Đảm bảo cung cấp đủ dầu trong quá trình tăng tốc hoặc phát hành

3.2.4.2 Yêu

cầu

1- Đệm cácte

2- Tấm ngăn

3- Đáy chứa dầu bôi trơn

4- Lỗ bắt các te với thân động cơ

Hình 3.9 Cácte

Đảm bảo cung cấp đủ dầu trong quá trình tăng tốc hoặc phát hành

- Kết hợp với xi lanh tạo thành buồng đốt và tạo chuyển động tịnh tiến.

+ Cú hệ số gión nở nhỏ nhưng hệ số dẫn nhiệt lớn

+ Chịu mài mũn tốt và chống ăn mũn húa học của khớ

chỏy

+ Giỏ thành rẻ

3.3.1 Piston.

a Chức năng

d Kết cấu

Chia piston thành những phần: đỉnh piston, đầu piston và thân piston

Hinh 3.10 Kết cấu piston

1- Đỉnh piston 2 - Đầu piston 3 - Thân piston

 Đầu piston:

+ Phần chuyển tiếp giữa đỉnh và đầu có bán kính R lớn (hình 3.12.a)

+ Dùng gân tản nhiệt ở d ới đỉnh piston (hình 3.12.b)

+ Dùng rãnh ngăn nhiệt để giảm l ợng nhiệt truyền cho xec măng thứ nhất (hình 3.12.c).+ Làm mát đỉnh piston nh ở động cơ ôtô IFAW50

Hình 3.12 Kết cấu đầu pitson

- Bao kín tốt cho buồng cháy

Kết cấu đầu piston phải đảm bảo những yêu cầu sau:

- Tản nhiệt tốt cho piston

- Chống bó kẹt: nguyên nhân gây bó kẹt piston trong xi lanh.

- Nhiệm vụ: dẫn h ớng chuyển động piston

ee

3.3.2 Chốt piston. 

a Chức năng. 

- Chi tiết nối piston và thanh truyền

- Đảm điều kiện làm việc bình th ờng của động cơ

giữa chốt piston với

piston, thanh truyền:

- Cố định chốt piston trờn đầu nhỏ thanh truyền( hỡnh

3.1.4.a )

- Cố định chốt piston trờn bệ chốt ( hỡnh 3.14 b )

- Lắp tự do ở cả hai mối ghộp (Hỡnh 3.14.c)

Hỡnh 3.14 Cỏc kiểu lắp ghộp chốt piston

3.3.3 Xéc Măng

3.3.3.1.Chức năng.

- Cùng với piston bao kín buồng cháy

- Đ a dầu đi bôi trơn cho piston, xi lanh, xéc măng

- Xéc măng truyền phần lớn nhiệt độ từ đầu piston sang thành xi lanh

3.3.3.2 Kết cấu

- Miệng xéc măng có thể đ ợc cắt vát, cắt bậc hoặc cắt thẳng

- Trên một piston của động cơ xăng th ờng lắp 2-3 xéc măng khí

- Hình dạng cắt ngang của xéc măng hình chữ nhật, hình thang vuông, hình bậc

- Loại hình thang vát.

Hình 3.15 Kết cấu

xéc măng khí

a Xộc măng khớ