tính toán động học, động lực học cơ cấu trục khuỷu thanh truyền

Mục lục thiết kế môn học Động cơ đốt trong Đề Tài TíNH TOán động học, động lực học cơ cấu khuỷu trục thanh truyền Các thông số cơ bản: áp suất cuối hành trình dãn nở pb 0,285Mpa Tính toá

Mục lục

thiết kế môn học Động cơ đốt trong

Đề Tài

TíNH TOán động học, động lực học cơ cấu khuỷu trục

thanh truyền

Các thông số cơ bản:

áp suất cuối hành trình dãn nở pb 0,285Mpa

Tính toán động học & động lực học

Khuỷu trục thanh truyền

Động học và động lực học là môn học dùng phơng pháp quan điển cơ học để

khuỷu trục thanh truyền, trạng thái dao động, nhất là dao động xoắn của hệ trục

Các động cơ hiện đại có rố vòng quay rất cao, do đó gây nên lực quán tính lớn, có khi vợt xa trị số lực khí thể Lực quán tính tác dụng lên cơ cấu khuỷu trục thanh truyền gây nên ứng suất khá lớn, đôi khilàm h hỏng các chi tiết máy Ngoài ra lực quán tính còn có tác dụng kích thích khiến cho các chi tiết trong cơ cấu khuỷu trục thanh truyền phát sinh dao động

Tính toán động lực học cơ cấu khuỷu trục thanh truyền nhằm mục đích xác

định các lực do hợp lực của lực quán tính và lực khí thể tác dụng lên chi tiết ở mỗi vị trí của trục khuỷu đẻ phục vụ cho việc tính toán sức bền, nghiên cứu trạng thái mài mòn của chi tiết máy và cân bằng động cơ

I/ Tính toán động học cơ cấu khuỷu trục thanh

truyền:

Nghiên cứu quy luật chuyển động của Piston là nhiệm vụ chủ yếu của động học Để tiện nghiên cứu, ta giả thiết trong quá trình làm việc trục khuỷu quay với tốc độ không đổi Đối với các động cơ cao tốc ngày nay do tốc độ vòng quay cao nên khi trạng thái công tác của động cơ đã ổn định thì sự thay đổi tốc

độ góc do sự không đồng đều vủa mômen động cơ sinh ra không lớn lắm Vì vậy giả thiết trên gần đúng với thực tế

1- Các thông số cơ bản:

Từ các số liệu cho ta có:

Bán kính quay của trục khuỷu: R =

2

S

88

= 44 mm = 0,044m Chiều dài thanh truyền : L =



R

= 044,25 = 176 mm = 0,176 m

trong đó  là tham số kết cấu( ta chọn = 0.25 ).

Vận tốc góc trục khuỷu:  =

30

.n



=

30

2600



= 272,13(rad/s)

2- Chuyển vị của pitông:

S = R[(1-cos) +

4



(1-cos2)] (mm)

Trong đó: S - là độ chuyển vị của pittông.

R- là bán kính quay của trục khuỷu;

- là tham số kết cấu

 - là góc quay của trục khuỷu -Ta có: St = S1+ S2;

S1 = R(1-cos ) độ dịch chuyển cấp một ; S2 = R

4



.(1-cos2) độdịch chuyển cấp 2.

bảng tính độ địch chuyển của piston Bảng 01:

Đồ thị chuyển vị piston :

3/

Vận tốc

pitông

Để tính vận tốc chuyển động của piston ta đạo hàm chuyển vị S theo thời gian

ta đợc vận tốc pitông V

V = R(sin +

2



sin2) (m/s) Trong đó:

V - vận tốc piston m/s;

R- là bán kính quay của trục khuỷu;

 - là tham số kết cấu;

Ta có:

V= VI +VII

VI = R.sin -Vận tốc cấp một;

VII = R

2



.sin2 - Vận tốc cấp hai.

Ta vẽ đồ thị V- biểu diễn vận tốc của Piston phụ thuộc vào góc quay trục khuỷu Trục tung biểu thị vận tốc của piston, trục hoàng biểu thị góc quay  của

trục khuỷu Ta có đồ thi nh hình dới

LËp b¶ng tÝnh vËn tèc piston

B¶ng 02 :

-15 -10 -5 0 5 10 15

1 4 7 10 13 16 19 2α)2α) 2α)5 2α)8 31 34 37

4/ Gia tốc pitông

Để tìm gia tốc của piston ta đạo hàm vận tốc V của piston ta đợc gia tốc piston

J

J = R2(cos + cos2) (m/s2) Trong đó

J - gia tốc của piston;

R - là bán kính quay của trục khuỷu;

 - là tham số kết cấu;

- là góc quay của trục khuỷu;

 -tốc độ góc trục khuỷu.

Ta có:

J= J1 + J2 J1 :Gia tốc cấp một J1 = R2cos

J2 :Gia tốc cấp hai J2 = R2 cos2

Ta vẽ đồ thị J- biểu thị sự phụ thuộc gia tốc của piston vào góc quay  của trục

khuỷu Trục tung biểu diễn độ lớn của J, trục hoành biểu thị góc quay trục khuỷu 

Lập bảng tính gia tốc piston

Bảng 03

30 0.866 0.5 2α)82α)1.782α) 407.301 32α)2α)9.083

-4000 -2α)000 0 2α)000 4000 6000

II/ Tính toán động lực học động cơ đốt trong

1/ Khái quát

Khi động cơ làm việc, cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền (CCTKTT) nói riêng và động cơ nói chung chịu tác dụng của các lực nh lực khí thể, lực quán tính, trọng lực và lực ma sát Trừ trọng lực ra, các lực các lực khác đều có trị số thay đổi theo các vị trí của Piston trong các chu trình công tác của động cơ Khi tính toán động lực học, ta chỉ xét các lực có giá trị lớn là lực khí thể và lực quán tính

Mục đích của việc tính toán động lực học là xác định các lực do hợp lực của hai loại lực trên đây tác dụng lên CCTKTT và mô men do chính chúng sinh

ra để làm cơ sở cho việc tính toán cân bằng động cơ, tính toán sức bền của các chi tiết, nghiên cứu trạng thái mài mòn và tính toán dao động xoắn của hệ trục khuỷu

Việc khảo sát động lực học đợc dựa trên phơng pháp và quan điểm của cơ học

lý thuyết Các lực và mô men trong tính toán động lực học đợc biểu diễn dới dạng hàm số của góc quay trục khuỷu  và quy ớc là pittông ở điểm chết trên thì  = 00 Ngoài ra, các lực này thờng đợc tính với một đơn vị diện tích đỉnh pittông Về sau khi cần tính giá trị

thực của các lực, ta nhân giá trị của áp suất với diện tích tiết diên ngang của đỉnh pittông

2/Dựng các đồ thị véctơ phụ tải

Đồ thị véctơ phụ tải là đồ thị biểu diễn sự tác dụng của các lực lên bề mặt làm việc ở các vị trí khác nhau trên trục khuỷu Các bề mặt làm việc quan trọng của động cơ gồm bề mặt chốt khuỷu, cổ trục, bạc, lót đầu to thanh truyền

và bạc lót ổ trục

Đồ thị vectơ phụ tải dùng để:

-Xác định phụ tải nhằm xem xét quy luật mài mòn bề mặt làm việc -Xác định khu vực chịu lực bé nhất và trung bình nhằm đánh giá nhằm chọn vị trí khoan lỗ dầu bôi trơn

-Xác định đơn vị phụ tải lớn nhất và trung bình nhằm đánh giá mức độ

va đập

Để dựng đồ thị ấy, trớc tiên ta phải xác định các lực tác dụng: lực tiếp tuyến T, lực pháp tuyến Z và lực li tâm Pk0 do khối lợng m2 gây ra

Sau khi có đồ thị lực khí thể P = (P - P0) theo góc quay  sẽ xác định đợc

sự biến thiên của lực quán tính chuyển động tịnh tiến:

Pj = - mj.R.2.(cos + cos2)

Cộng hai đồ thị đó lại sẽ đợc sự biến thiên của lực P theo 

Tiếp theo sẽ xác định đợc sự biến thiên của lực tiếp tuyến:

T =





 cos

) sin(



P

và lực pháp tuyến Z =





 cos

) cos(



P

Lực quán tính của khối lợng thanh truyền quy dẫn về tâm đầu to thanh truyền, tác dụng lên bề mặt cổ khuỷu: PR2 = m2.R.2

Đồ thị vectơ phụ tải tác dụng trên bề mặt chốt khuỷu đợc vẽ với giả thiết rằng trục khuỷu đứng yên còn xi lanh quay với vận tốc trục khuỷu nhng theo chiều ngợc lại Hợp lực Q của các lực tác dụng lên bề mặt chốt khuỷu:

= ++

Từ đồ thị véctơ phụ tải tác dụng lên bề mặt chốt khuỷu ta có thể triển khai thành đồ thị Qck -  sau đó tính giá trị trung bình Qtb trên cơ sở đó có thể xác

định đợc hệ số va đập của bề mặt tơng tác

3/ Lực khí thể

Xây dựng đồ thị công P-V

Dựa vào các thông số nhiệt :

+ Hành trình pitông : S = 88 mm

+ Tỉ số nén :  = 18

+ áp suất :

pa = 0,084 (MPa)

Pc = 4,355 (MPa)

Pz = 6,445 (MPa)

Pb = 0,285 (MPa)

Pr = 0,12 (MPa)

Thể tích làm việc của xi lanh Vh

Vh=

4

.D2 S

4

088 , 0 1 , 0 2

 = 6,9.10-4 ( m3)=690 cm3 Vì tỉ số nén  =18 nên thể tích buồng cháy của xilanh Vc:









1 18

10 9 , 6 1

4



h

V 4,1.10-5 (m3) = 41cm3

Dung tích toàn bộ xi lanh:

Va=Vc  =73,8.10-5 (m3) =738 cm3

Dựng đờng nén đa biến a-c

pci = pa(

Vci

Va

)n1 = pa(

Lci La

)n1

Với n1 đợc xác định nh sau :    

c a a

c n

c

a a c

v v p

p n

v

v p

p

ln 1 )

= ln 1 , 366

41 738

084 , 0

355 , 4



Dựng đờng giãn nở đa biến z-b

pbi = pz( )

Vci

Vc

 n2

= pz(

i



)n2 Với n2 đợc xác định nh sau:

2 ) ( )

'

z

b b

z n

z

b b

z

v

v p

p v

v p

p









 n2 = ln [(pz/pb)/(vb/  v z )] = 1,255

Ta có bảng tính : Bằng cách chia đoạn vc-va thành 17 đoạn bằng nhau

Hiệu chỉnh đồ thị :

+ Góc phun nhiên liệu sớm :  s =

170 + Góc mở sớm

xuppap nạp : 1 = 140

+ Góc đóng muộn xuppap nạp : 2 = 520

+ Góc mở sớm xuppap thải : 3 = 580

+ Góc đóng muộn xuppap thải : 4 = 160

+ Hiệu chỉnh c’’:

pc’’= pc+1/3.(pz-pc) =4.355+1/3(6.445-4.355) =5.05 (M Pa)

+Hiệu chỉnh b’’:

c

) / n

i



pb’’ = pb - 0.5(pb- pr)=0.285- 0.5(0.285- 0.12 )

=0.2 (M Pa) + Độ dịch chuyển brich :

OO’= R

2



=44

2

25 , 0

= 5,5 mm

Tỉ lệ xich  v = 2,952 (cm 3/mm)

Tỉ lệ xích p = 0.215 ((KGcm-2)/ mm)

Từ các số liệu trên ta xây dựng đợc đồ thị công nh trên hình vẽ , sau đó ta khai triển ra thành đồ thị áp lực khí thể với = 2,25(0/mm)

4/ Lực quán tính.

Lực quán tính tịnh tiến đợc tính theo công thức

pj = -mR2(cos + cos2) (kG/cm2) Với m = (mpt+ m1 )/FP

Diện tích đỉnh pittông: FP =

4

.D2

4

1 0 2

 = 0,78.10-2 (m2)

Ta có mpt : khối lợng nhóm pitông

mpt = 0,58 (kg);

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

Ta có : mtt = 1.2 (kg)

Mặt khác m1= 0,3.1.2 = 0,36 (kg)

Khối lợng trên một đơn vị diện tích đỉnh piston

10 78 , 0

36 , 0 58 , 0





= 120.5 (kg/m2);

pj=- m.J = - 120,5.10 5.J (kG/cm2)

Ta có bảng tính pj theo các góc :

0

30 2821.86 407.3 3229.16 -3.891

5/ Tổng hợp lực khí thể và lực quán tính tác dụng lên cơ cấu

p = pkt+pj

Trên cùng một hệ toạ độ p- vẽ đồ thị biểu diễn lực khí thể (pkt) và đồ thị biểu diễn lực quán tính (pj) Ta cộng đại số với giá trị của pj tơng ứng với góc  ta tìm đợc giá trị p

6/ Vẽ đồ thị lực tác dụng lên chốt khuỷu Q ch

+ Vẽ toạ độ T-z gốc toạ độ O1 chiều dơng của z hớng xuống

+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)



p

cos

) sin(







(kG/cm2), Z = 



p

cos

) cos(







(kG/cm2)

Bảng giá trị pHụ tảI tác dụng Lên chốt khuỷu

Vẽ hệ toạ độ T-Z gốc tại O1 chiều dơng của T hớng sang phải , chiều

d-ơng của Z hớng xuống dới

Ta có lực quán tính li tâm của khối lợng chuyển động quay của thanh truyền

Pk = -m2R2 / FP (kG/cm2)

Trong đó m2: là khối lợng thanh truyền qui dẫn về tâm chốt khuỷu

m2 =mtt-m1 =1.2 – 0.36 =0.84 (kg)

Pk = -1 2 2

10

* 78 0

272,13

* 0.044

* 10

* 0.84

- =- 3,51 *104 (KG/m2) Vậy Pk = -3,51 (KG/cm2)

Xác định tâm chốt khuỷu: tâm chốt khuỷu nằm trên trục Z và cách O1 một đoạn bằng trị số của Pk

Trên hệ toạ độ T-Z xác định các trị số của T và Z khác nhau tuỳ vào các giá trị



TØ lÖ xÝch p = 0,25 (KG.cm-2/ mm)

α β cosα(α+β) sαinα+β) cosαβ PΣ z T

18 4.43 0.92α) 0.381371 1 -4.62α)2α)5 -4.2α)5 -1.76

36 8.45 0.71 0.700006 0.99 -3.762α)5 -2α).7 -2α).66

54 11.67 0.41 0.910948 0.98 -2α).472α)5 -1.03 -2α).3 72α) 13.76 0.07 0.9972α)07 0.97 -0.9675 -0.07 -0.99

90 14.48 -0.2α)5 0.968466 0.97 0.752α)5 -0.19 0.75

108 13.77 -0.53 0.850735 0.97 1.612α)5 -0.88 1.41 12α)6 11.68 -0.74 0.674171 0.98 2α).365 -1.79 1.63

144 8.47 -0.89 0.463409 0.99 2α).795 -2α).51 1.31 162α) 4.45 -0.97 0.2α)3572α)5 1 2α).902α)5 -2α).82α) 0.68

180 0.02α) -1 0.0012α)44 1 3.01 -3.01 0

198 -4.41 -0.97 -0.2α)3331 1 3.1175 -3.02α) -0.73 2α)16 -8.43 -0.89 -0.4612α) 0.99 3.1175 -2α).8 -1.45 2α)34 -11.66 -0.74 -0.672α)07 0.98 3.01 -2α).2α)7 -2α).06 2α)52α) -13.75 -0.53 -0.8492α)4 0.97 2α).58 -1.41 -2α).2α)6 2α)70 -14.48 -0.2α)5 -0.96767 0.97 2α).15 -0.55 -2α).14 2α)88 -13.77 0.07 -0.99745 0.97 1.612α)5 0.12α) -1.66

306 -11.7 0.41 -0.912α)47 0.98 1.612α)5 -0.84 1.5 32α)4 -8.49 0.71 -0.702α)77 0.99 5.482α)5 -1.075 0.53 342α) -4.47 0.92α) -0.38496 1 13.33 12α).2α)6 -5.13

360 -0.05 1 -0.00406 1 31.175 31.18 -0.13

375 3.67 0.95 0.316941 1 63.2α)1 60.05 2α)0.03

378 4.39 0.93 0.377778 1 34.4 31.99 13

396 8.41 0.72α) 0.6972α)2α)7 0.99 18.705 13.6 13.17

414 11.64 0.42α) 0.909412α) 0.98 14.512α)5 6.2α)2α) 13.47 432α) 13.74 0.08 0.996937 0.97 13.2α)2α)2α)5 1.09 13.59 445.5 14.43 -0.17 0.985713 0.97 9.782α)5 -1.71 9.94

450 14.48 -0.2α)5 0.9692α)54 0.97 9.9975 -2α).58 9.99

468 13.78 -0.52α) 0.852α)314 0.97 8.2α)775 -4.44 7.2α)7

486 11.71 -0.74 0.676135 0.98 6.772α)5 -5.11 4.67

504 8.51 -0.88 0.465612α) 0.99 5.6975 -5.06 2α).68 52α)2α) 4.5 -0.97 0.2α)37973 1 4.8375 -4.69 1.15

540 0.07 -1 0.003557 1 3.9775 -3.98 0.01

558 -4.37 -0.97 -0.2α)3089 1 3.762α)5 -3.65 -0.87

576 -8.39 -0.89 -0.45899 0.99 3.332α)5 -3 -1.55

594 -11.63 -0.74 -0.6701 0.98 2α).6875 -2α).03 -1.84

612α) -13.74 -0.53 -0.84765 0.97 2α).042α)5 -1.12α) -1.78

630 -14.48 -0.2α)6 -0.96686 0.97 1.182α)5 -0.32α) -1.18

648 -13.79 0.07 -0.9977 0.97 0 0 0

666 -11.73 0.41 -0.91398 0.98 -1.2α)9 -0.54 1.2α)

684 -8.53 0.71 -0.70553 0.99 -2α).472α)5 -1.77 1.76

702α) -4.52α) 0.92α) -0.3887 1 -3.9775 -3.66 1.55

72α)0 -0.09 1 -0.00794 1 -4.62α)2α)5 -4.62α) 0.04

7/Vẽ đồ thị Q - 

Từ đồ thị phụ tải tác dụng lên cổ biên ta lập đợc quan hệ Q - , trong đó

Q là lực tổng hợp tác dụng lên cổ biên

= + + = + Trên đồ thị thì lực tổng hợp đợc xác bằng cách: với góc quay trục khuỷu 

ta xác định đợc điểm Ptt tơng ứng trên đồ thị, sau đó nối điểm Ptt với tâm cổ biên giả định D ta xác định đợc véc tơ DPtt biểu diễn tổng hợp tác dụng lên cổ biên tại thời điểm ứng với góc quay  của trục khuỷu.Sau khi xác định đợc quan hệ Q -  ta tiến hành xây dựng đợc đồ thị Q-

nh trên bản vẽ Căn cứ đồ thị Q -  ta tiến hành xác định Qtb:

Qtb = ; Trong đó Sđt = 4073 (mm2)

L = 250 (mm) => Qtb = 4073/250 =16.2 (mm)

Do đó hệ số va đập:  = = 119/16.2= 7.3

Vậy  = 7.3 > 4: Không thoả mãn về hệ số va đập

8/ Vẽ đồ thị mài mòn chốt khuỷu

Đồ thị mài mòn chốt khuỷu thể hiện trạng thái hao mòn của trục và  vị trí chịu tải ít để khoan lỗ dầu

Để vẽ đồ thị mài  mòn, ta tiến hành vẽ vòng tròn có bán kính R (chọn R= 70 (mm) ) tợng trng cho chốt khuỷu, sau đó chia vòng tròn thành 12 phần

đều nhau và đợc đánh số thứ tự nh bản vẽ Tiến hành lập bảng tính tại mỗi điểm với giả thiết phạm vi ảnh hởng của lực tại mỗi điểm là

1200 sang 2 phía, với tỷ lệ xích đợc chọn là Qm=5 (

mm

cm

KG/ 2

) ta xác định đợc

độ dài các đoạn thẳng biểu diễn giá trị Q tại các điểm chia tơng ứng Sau khi xác định đợc tất cả các điểm trên ta tiến hành nối các điểm đó lại sẽ đợc đồ thị mài mòn chốt khuỷu

2α)3.65 2α)3.65 2α)3.65 2α)3.65 2α)3.65 2α)4.94 2α)4.94 2α)4.94 2α)4.94 2α)4.94 13.11 13.11 13.11 13.11 13.11

11.82α) 11.82α) 11.82α) 11.8 11.82α)

9.2α)4 9.2α) 9.2α)4 9.2α)4 9.2α)4

7.52α) 7.52α) 7.52α) 7.52α) 7.52α) 32α).89 32α).89 32α).89 32α).89 32α).89

11.18 11.18 11.18 11.18 11.18

2α).15 2α).15 2α).15 2α).15 2α).15

7.09 7.09 7.09 7.09 7.09 72α).02α) 80.6 82α).78 66.65 74.61 72α).67 63 56.12α) 51.82α) 2α)6.02α) 38.49 61.2α)8 14.40 16.13 16.56 13.33 14.92α) 14.53 12α).6 11.2α)2α) 10.36 5.2α) 7.7 12α).2α)6

Từ đồ thị mài mòn cho thấy cung (8,9,10) là tập hợp các điểm chịu tải nhỏ nhất của chốt khuỷu, nh vậy ta có thể chọn một điểm trong cung này để làm vị trí khoan lỗ dầu