tính toán thiết kế bền trục khuỷu

Lời nói đầuTính toán động cơ và tính toán động lực học của nhóm pittông là hai phần cơ bản của bài tập Thiết Kế Môn Học Động Cơ Đốt Trong F2.. Dới đây là phần bài làm đợc hoàn thành dới

Lời nói đầu

Tính toán động cơ và tính toán động lực học của nhóm pittông là hai phần cơ bản của bài tập Thiết Kế Môn Học Động Cơ Đốt Trong F2

Dới đây là phần bài làm đợc hoàn thành dới sự hớng dẫn của Gv Lê Hồng Hải cùng sự góp ý, giúp đỡ của các bạn cùng lớp

Do trình độ và thời gian có hạn, vì thế bài tập dù đã đợc hoàn thành song không khỏi có những chỗ cha đợc nh mong muốn Rất mong đợc sự giúp đỡ và góp ý kiếm của các thầy trong bộ môn và của các ban cùng lớp

để bài thiết đợc thành công tốt đẹp

Mặc dù vay song bản thiết kế này cũng đã đạt đợc những yêu cầu cơ bản của bài tập Qua bài thiết kế này, chúng ta có thể gặp lại một số phơng pháp tính toán và thiết kế cơ bản mà đã đợc làm quen trong chơng trình học môn Động Cơ Đốt Trong F2, chúng ta có thể khác sâu thêm về các phơng pháp tính và lựa trọn, và chúng ta cũng biết đợc những bớc cần thiết để hoàn thành một bản thiết kế

Đây cũng là lần tập duyệt cho chúng ta làm quen với bản đồ án tốt nghiệp sắp tới

Xin trân thành cảm ơn sự tận tình hớng dẫn và giúp đỡ của các thầy trong tổ môn và các bạn cùng lớp để tôi có thể hoàn thành bài tập thiết kế này

Sv thực hiện

Nguyễn Sỹ Kiờn

Thiết kế môn học Động cơ đốt trong

Đề 26

Vẽ trục khuỷu và tớnh bền trục khuỷu

Các thông số cơ bản

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

=

2

180

=90 (mm) = 0,09 m

Chiều dài thanh truyền : L =

λ

R

=

25 0

90

=360 mm =0,36 m

trong đó λ là tham số kết cấu ( ta chọn λ =

4

1

= 0.25 )

Vận tốc góc trục khuỷu : ω =π30.n =

30

1600

π

= 167,56(rad/s) 2/ Chuyển vị của pitông

S = R[(1-cosα) + λ4(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

bảng tính độ địch chuyển của pistong

Bảng 01:

0 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000

10 0.015 1.367 0.060 0.339 1.707

20 0.060 5.428 0.234 1.316 6.744

30 0.134 12.058 0.500 2.813 14.870

40 0.234 21.056 0.826 4.648 25.704

50 0.357 32.149 1.174 6.602 38.751

60 0.500 45.000 1.500 8.438 53.438

70 0.658 59.218 1.766 9.934 69.152

80 0.826 74.372 1.940 10.911 85.282

90 1.000 90.000 2.000 11.250 101.250

100 1.174 105.628 1.940 10.911 116.539

110 1.342 120.782 1.766 9.934 130.716

120 1.500 135.000 1.500 8.438 143.438

130 1.643 147.851 1.174 6.602 154.453

140 1.766 158.944 0.826 4.648 163.592

150 1.866 167.942 0.500 2.813 170.755

160 1.940 174.572 0.234 1.316 175.888

170 1.985 178.633 0.060 0.339 178.972

180 2.000 180.000 0.000 0.000 180.000

190 1.985 178.633 0.060 0.339 178.972

200 1.940 174.572 0.234 1.316 175.888

210 1.866 167.942 0.500 2.813 170.755

220 1.766 158.944 0.826 4.648 163.592

230 1.643 147.851 1.174 6.602 154.453

240 1.500 135.000 1.500 8.437 143.438

260 1.174 105.628 1.940 10.911 116.539

270 1.000 90.000 2.000 11.250 101.250

280 0.826 74.372 1.940 10.911 85.282

290 0.658 59.218 1.766 9.934 69.152

300 0.500 45.000 1.500 8.438 53.438

310 0.357 32.149 1.174 6.602 38.751

320 0.234 21.056 0.826 4.648 25.704

330 0.134 12.058 0.500 2.813 14.870

340 0.060 5.428 0.234 1.316 6.744

350 0.015 1.367 0.060 0.339 1.707

360 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000

Đồ thị chuyển vị piston :

Trục tung biểu thị độ dịch chuyển S (mm)

Trục hoành biểu thị góc quay α ( 10o)

Đồ thị 1:

3 Vận tốc pitông

Đạo hàm chuyển vị S ta đợc vận tốc pitông V

V = Rω(sinα +λ4 sin2α) (m/s)

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 )

0 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000

10 0.174 2.619 0.174 0.164 2.782

20 0.342 5.158 0.342 0.322 5.480

30 0.500 7.540 0.500 0.471 8.011

40 0.643 9.693 0.643 0.606 10.299

50 0.766 11.552 0.766 0.722 12.274

60 0.866 13.060 0.866 0.816 13.876

70 0.940 14.171 0.940 0.886 15.057

80 0.985 14.851 0.985 0.928 15.780

90 1.000 15.080 1.000 0.943 16.023

100 0.985 14.851 0.985 0.928 15.780

110 0.940 14.171 0.940 0.886 15.057

120 0.866 13.060 0.866 0.816 13.876

130 0.766 11.552 0.766 0.722 12.274

140 0.643 9.693 0.643 0.606 10.299

150 0.500 7.540 0.500 0.471 8.011

160 0.342 5.158 0.342 0.322 5.480

170 0.174 2.619 0.174 0.164 2.782

180 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000

190 -0.174 -2.619 -0.174 -0.164 -2.782

200 -0.342 -5.158 -0.342 -0.322 -5.480

210 -0.500 -7.540 -0.500 -0.471 -8.011

220 -0.643 -9.693 -0.643 -0.606 -10.299

230 -0.766 -11.552 -0.766 -0.722 -12.274

240 -0.866 -13.060 -0.866 -0.816 -13.876

250 -0.940 -14.171 -0.940 -0.886 -15.057

260 -0.985 -14.851 -0.985 -0.928 -15.780

270 -1.000 -15.080 -1.000 -0.943 -16.023

280 -0.985 -14.851 -0.985 -0.928 -15.780

290 -0.940 -14.171 -0.940 -0.886 -15.057

300 -0.866 -13.060 -0.866 -0.816 -13.876

310 -0.766 -11.552 -0.766 -0.722 -12.274

320 -0.643 -9.693 -0.643 -0.606 -10.299

330 -0.500 -7.540 -0.500 -0.471 -8.011

340 -0.342 -5.158 -0.342 -0.322 -5.480

350 -0.174 -2.619 -0.174 -0.164 -2.782

360 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000

Đồ thị vận tốc piston :

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

Trục hoành biểu thị góc quay α ( o )

4/ Gia tốc pitông

Đạo hàm vận tốc pitông ta đợc gia tốc pitông J

J = Rω2(cosα + λcos2α) (m/s2)

J gia tốc của piston

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

 là góc quay của trục khuỷu

LËp b¶ng tÝnh gia tèc piston

( B¶ng 03 )

0 1.000 2526.872 1.000 631.718 3158.590

10 0.985 2488.483 0.940 593.621 3082.104

20 0.940 2374.483 0.766 483.924 2858.407

30 0.866 2188.335 0.500 315.859 2504.194

40 0.766 1935.696 0.174 109.697 2045.393

50 0.643 1624.242 -0.174 -109.697 1514.545

60 0.500 1263.436 -0.500 -315.859 947.577

70 0.342 864.241 -0.766 -483.924 380.317

80 0.174 438.787 -0.940 -593.621 -154.834

90 0.000 0.000 -1.000 -631.718 -631.718

100 -0.174 -438.787 -0.940 -593.621 -1032.407

110 -0.342 -864.241 -0.766 -483.924 -1348.165

120 -0.500 -1263.436 -0.500 -315.859 -1579.295

130 -0.643 -1624.242 -0.174 -109.697 -1733.939

140 -0.766 -1935.696 0.174 109.697 -1825.999

150 -0.866 -2188.335 0.500 315.859 -1872.476

160 -0.940 -2374.483 0.766 483.924 -1890.559

170 -0.985 -2488.483 0.940 593.621 -1894.862

180 -1.000 -2526.872 1.000 631.718 -1895.154

190 -0.985 -2488.483 0.940 593.621 -1894.862

200 -0.940 -2374.483 0.766 483.924 -1890.559

210 -0.866 -2188.335 0.500 315.859 -1872.476

220 -0.766 -1935.696 0.174 109.697 -1825.999

230 -0.643 -1624.242 -0.174 -109.697 -1733.939

240 -0.500 -1263.436 -0.500 -315.859 -1579.295

250 -0.342 -864.241 -0.766 -483.924 -1348.165

260 -0.174 -438.787 -0.940 -593.621 -1032.407

270 0.000 0.000 -1.000 -631.718 -631.718

280 0.174 438.787 -0.940 -593.621 -154.834

290 0.342 864.241 -0.766 -483.924 380.317

300 0.500 1263.436 -0.500 -315.859 947.577

310 0.643 1624.242 -0.174 -109.697 1514.545

320 0.766 1935.696 0.174 109.697 2045.393

330 0.866 2188.335 0.500 315.859 2504.194

340 0.940 2374.483 0.766 483.924 2858.407

350 0.985 2488.483 0.940 593.621 3082.104

360 1.000 2526.872 1.000 631.718 3158.590

§å thÞ gia tèc piston : ( §å thÞ 03 )

Trôc tung biÓu thÞ gia tèc piston (m/s2)

Trôc hoµnh biÓu thÞ gãc quay α ( o )

II/

Tính toán động lực học động cơ đốt trong

1/Khỏi quỏt :

Khi động cơ làm việc cơ cấu trục khuỷu thanh-truyền núi riờng và động cơ núi chung chịu tỏc dụng của cỏc lực như lực khớ thể, lưc quỏn tớnh ,trọng lực và lực ma sỏt.Khi tớnh toỏn động lực học ta chỉ xột cỏc lực

cú giỏ trị lớn là lực khớ thể và lực quỏn tớnh

Mục đớch của việc tớnh toỏn động lực học là xỏc định cỏc lực do hợp lực của hai lực trờn đõy tỏc dụng lờn CCKTTT và mụ men do chớnh chỳng sinh ra de làm cơ sở cho việc tớnh toỏn cõn bằng động cơ,tớnh toỏn sức bền của cỏc chi tiết nghiờn cứu trạng thỏi mài mũn và tớnh toỏn dao động của hệ trục khuỷu

Việc khảo sỏt động lực học được dựa trờn phương phỏp và quan điểm của cơ học lý thuyết.Cỏc lực và mụmen trong tớnh toỏn động lực học được biểu diễn dưới dạng hàm số của gúc quay trục khuỷu và quy ước là pittụng

ở điểm chết trờn thỡ Ngoài ra, cỏc lực này thường được tớnh với một đơn vị diện tớch đỉnh pittụng.Về sau khi cần tớnh giỏ trị thực của cỏc lực ,ta nha giỏ trị của ỏp suất với diện tớch tiết diện ngang của đỉnh pittụng

2/ Lực khí thể

Xây dựng đồ thị công P-V

Dựa vào các thông số nhiệt :

+ Hành trình pitông : S = 180 mm

+ Tỉ số nén : ε = 15

+ áp suất :

Pa = 0,088 (MPa)

Pc = 4,2 (MPa)

Pz = 6,2 (MPa)

Pb = 0,36 (MPa)

Pr = 0,105 (MPa)

Thể tích làm việc của xi lanh Vh :

Vh = π.D2.S/4 =(3,14.150 2.180)/4

= 3180862 (mm3) =3180,862 (cm3)

Vì tỉ số nén ε = 15 và ε = 1+Vh/VC nên dung tích buồng cháy

Vc =

1

−

ε h

V

=

1 15

862 , 3180

Lại có : ε = Va/VC ⇒ Va =ε ìV c=15*227,204=3408,067 (cm 3) Chọn Tỉ lệ xích à v = 2 (cm3 /mm)

Chọn Tỉ lệ xích àp = 0,018 (MPa.mm)

Dựng đờng nén đa biến a-c :

Từ công thức: Pc =Pa εn1

⇒ n1=

15 ln

088 , 0

2 , 4 ln log

log

=

εa

c P P

=1,43

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 )

⇒ n2=

ε

ln

ln

b

z P

P

=

15 ln

36 , 0

2 , 6 ln

=1,05

Pbi = Pz(

Vai

Vc

)n2 = Pz(

Lai

Lc

)n2 =Pz/εi n2

Vậy ta có bảng sau:

Quỏ trỡnh nộn Quỏ trỡnh gión n

Dựng đường trũn Bric tõm O bỏn kớnh R=S/2

R=120 mm

λ= R/ltt ,thờng λ= (1/3,2 ữ 1/4,2) chọn λ= 1/4 =0,25

Độ dịch chuyển brich :

OO’= R.λ/2 = 120.0,25/2 = 15 mm =1,5 cm

Pz=Pz’ = 6,2(MPa)

Pc’’ =1,25Pc=1,25*4,2=5,25(MPa)

Pb’’= Pr+0,5(Pb-Pr)=0,105+0,5(0,36-0,105)=0,2325(MPa)

c’ Góc phun sớm nhiên liệu: φs=240

r’ Góc mở sớm xupát nạp: φ1=200

a’ Góc đóng muộn xupát nạp: φ2=48o

b’ Góc mở sớm xupát thải: φ3=48o

r’’ Góc đóng muộn xupát thải : φ4 = 200

b, Triển khai đồ thị công P-V sang đồ thị P-α nh sau:

Sử dụng đường trũn brớc để triển khai đồ thị cụng và đồ thị Pj=P(α ). Dựng hệ trục toạ độ P-α của đồ thị khai triển ,truc tung biểu thi ỏp

Khai triển đồ thị cụng P-V ta sử dụng hệ trục P-α với trục hoành là phần kộo dài của đường P0 trờn trục đồ thị P-V, trục tung cú tỉ lệ xớch àp

=0,027 (MPa/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=5,2(kg)

m1 : khối lợng thanh tryền qui dẫn về đầu nhỏ thanh truyền

m1 =(0,275ữ0,325)mtt

Chọn m1 = 0,3.mtt = 0,3.5,6 = 1,68 (kg)

Vậy M =mpt+m1 = 5,2 + 1,68 =6,88 (kg)

Diện tích đỉnh pittông:

FP =π.D2/4 = (3,14.0,152)4=0,01767m2=176,7cm2

Khối lợng trên một đơn vị diện tích đỉnh piston

m = Fp M =1766,88,7= 38,76.10-3 kg/cm2

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

PJ =- m J = -38,76.10-3.J (KG/cm2) =-38,76.10-3.J.0,01(Mpa)

Bảng

a cosa landa*cos2a Jp Pj tren trucP (mm)

0 1.00 0.25 3158.59 -1.22 -68.01

10 0.98 0.23 3082.10 -1.19 -66.37

20 0.94 0.19 2858.41 -1.11 -61.55

30 0.87 0.13 2504.19 -0.97 -53.92

40 0.77 0.04 2045.39 -0.79 -44.04

50 0.64 -0.04 1514.55 -0.59 -32.61

60 0.50 -0.13 947.58 -0.37 -20.40

70 0.34 -0.19 380.32 -0.15 -8.19

80 0.17 -0.23 -154.83 0.06 3.33

90 0.00 -0.25 -631.72 0.24 13.60

100 -0.17 -0.23 -1032.41 0.40 22.23

110 -0.34 -0.19 -1348.17 0.52 29.03

120 -0.50 -0.13 -1579.29 0.61 34.01

130 -0.64 -0.04 -1733.94 0.67 37.34

140 -0.77 0.04 -1826.00 0.71 39.32

150 -0.87 0.13 -1872.48 0.73 40.32

160 -0.94 0.19 -1890.56 0.73 40.71

180 -1.00 0.25 -1895.15 0.73 40.81

190 -0.98 0.23 -1894.86 0.73 40.80

200 -0.94 0.19 -1890.56 0.73 40.71

210 -0.87 0.13 -1872.48 0.73 40.32

220 -0.77 0.04 -1826.00 0.71 39.32

230 -0.64 -0.04 -1733.94 0.67 37.34

240 -0.50 -0.13 -1579.29 0.61 34.01

250 -0.34 -0.19 -1348.17 0.52 29.03

260 -0.17 -0.23 -1032.41 0.40 22.23

270 0.00 -0.25 -631.72 0.24 13.60

280 0.17 -0.23 -154.83 0.06 3.33

290 0.34 -0.19 380.32 -0.15 -8.19

300 0.50 -0.13 947.58 -0.37 -20.40

310 0.64 -0.04 1514.55 -0.59 -32.61

320 0.77 0.04 2045.39 -0.79 -44.04

330 0.87 0.13 2504.19 -0.97 -53.92

340 0.94 0.19 2858.41 -1.11 -61.55

350 0.98 0.23 3082.10 -1.19 -66.37

360 1.00 0.25 3158.59 -1.22 -68.01

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

α Jp Pj(Mpa) tren truc P Pkt P Σ

0 3158.590 -1.224 -68.015 0.300 -67.715

30 2504.194 -0.971 -53.924 -0.700 -54.624

60 947.577 -0.367 -20.404 -0.700 -21.104

90 -631.718 0.245 13.603 -0.700 12.903

120 -1579.295 0.612 34.007 -0.700 33.307

150 -1872.476 0.726 40.321 -0.700 39.621

180 -1895.154 0.735 40.809 -0.700 40.109

210 -1872.476 0.726 40.321 1.000 41.321

240 -1579.295 0.612 34.007 2.800 36.807

270 -631.718 0.245 13.603 7.100 20.703

300 947.577 -0.367 -20.404 18.200 -2.204

330 2504.194 -0.971 -53.924 42.800 -11.124

360 3158.590 -1.224 -68.015 228.300 160.285

390 2504.194 -0.971 -53.924 92.100 38.176

420 947.577 -0.367 -20.404 45.000 24.596

450 -631.718 0.245 13.603 29.700 43.303

480 -1579.295 0.612 34.007 32.000 66.007

510 -1872.476 0.726 40.321 26.900 67.221

540 -1895.154 0.735 40.809 8.100 48.909

570 -1872.476 0.726 40.321 0.300 40.621

600 -1579.295 0.612 34.007 0.300 34.307

630 -631.718 0.245 13.603 0.300 13.903

660 947.577 -0.367 -20.404 0.300 -20.104

690 2504.194 -0.971 -53.924 0.300 -53.624

720 3158.590 -1.224 -68.015 0.300 -67.715

375 2987.855 -1.158 -64.338 0.300 -64.038

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

+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)

β

β α

cos

) sin(

(kG/cm2)

β

β α

cos

) cos(

(kG/cm2)

Bảng giỏ trị lực phụ tải tỏc dụng lờn trục khuỷu

α Ptong sin(a+b)/cosb T cos(a+b)/cosb Z T(mm) Z(mm)

0 -1.22 0.00 0.00 1.00 -1.22 0.00 -67.71

30 -0.98 0.61 -0.60 0.80 -0.79 -33.32 -43.70

60 -0.38 0.98 -0.37 0.30 -0.11 -20.68 -6.33

90 0.23 1.00 0.23 -0.25 -0.06 12.90 -3.23

120 0.60 0.76 0.46 -0.69 -0.41 25.31 -22.98

150 0.71 0.38 0.27 -0.93 -0.66 15.06 -36.85

180 0.72 0.00 0.00 -1.00 -0.72 0.00 -40.11

210 0.74 -0.39 -0.29 -0.93 -0.69 -16.12 -38.43

240 0.66 -0.76 -0.50 -0.69 -0.46 -27.97 -25.40

270 0.37 -1.00 -0.37 -0.26 -0.10 -20.70 -5.38

300 -0.04 -0.98 0.04 0.31 -0.01 2.16 -0.68

330 -0.20 -0.61 0.12 0.80 -0.16 6.79 -8.90

360 2.89 0.00 0.00 1.00 2.89 0.00 160.29

390 0.69 0.62 0.43 0.80 0.55 23.67 30.54

420 0.44 0.98 0.43 0.31 0.14 24.10 7.62

450 0.78 1.00 0.78 -0.25 -0.19 43.30 -10.83

480 1.19 0.75 0.89 -0.70 -0.83 49.51 -46.21

510 1.21 0.39 0.47 -0.93 -1.13 26.22 -62.52

540 0.88 0.00 0.00 -1.00 -0.88 0.00 -48.91

570 0.73 -0.39 -0.29 -0.93 -0.68 -15.84 -37.78

600 0.62 -0.75 -0.46 -0.70 -0.43 -25.73 -24.02

630 0.25 -1.00 -0.25 -0.25 -0.06 -13.90 -3.48

660 -0.36 -0.98 0.35 0.31 -0.11 19.70 -6.23

690 -0.97 -0.62 0.60 0.80 -0.77 33.25 -42.90

720 -1.22 0.00 0.00 1.00 -1.22 0.00 -67.71

Vẽ hệ toạ độ T-Z gốc tại O chiều dơng của T hớng sang phải , chiều dơng của Z hớng xuống dới