Thiết kế môn học động cơ đốt trong

Phần II: Tính động lực học 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 tí

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: Ngô văn Thanh

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 góp ý, bổ sung của các thầy trong bộ môn cùng của các ban cùng lớp để nhng lần thiết kế sau sẽ đợc hoàn thiện hơn

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 đẻ tôi có thể hoàn thành bài tập thiết kế này

Sv thực hiện

TRầN VĂN CHíNH

thiết kế môn học Động cơ đốt trong

Xupap nạp đóng muộn ϕ2 46o

Yêu cầu: Vẽ Hệ thống làm mát (nớc + kk) và tính hệ số truyền nhiệt K

A-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

0 , 96 = 48 mm = 0,048 m

Chiều dài thanh truyền : L =

λ

R

= 0 25

48 = 192 mm = 0,192 m .

Vận tốc góc trục khuỷu : ω =

30

.n

π = 628 (rad/s)

2/ Chuyển vị của pitông

a) phơng pháp giải tích

X = R[(1-cosα) +

4

λ (1-cos2α)] = Xp1 + Xp2 (mm) với: Xp1 = R.(1- Cosα); Xp2 = R λ4

(1- Cos2α); hay Xp = f1(α)

bảng tính độ địch chuyển của pistong

Trục tung biểu thị độ dịch chuyển X (mm)

Trục hoành biểu thị góc quay α

1 cos( ) − α 1 cos(2 ) − α

3/ VËn tèc pit«ng

a) ph¬ng ph¸p gi¶i tÝch

V = Rω(sinα +

4

λ sin2α) = Vp1+Vp2 (m/s);

Víi Vp1 = R.ω.Sinα ; Vp2 =

2

λ

.R.ω.Sin2α hay V = f2(α)

LËp b¶ng tÝnh vËn tèc piston

α V1 V2 V

300 -0.87 -19.26 -0.87 -2.42 -21.68

§å thÞ vËn tèc piston :( §å thÞ 02 )

sin( ) α sin(2 ) α

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

Trục hoành biểu thị góc quay α ( o )

I-3 Công thức tính gia tốc Piston:

a)Vẽ đồ thị gia tốc bằng phuơng pháp giải tích

jp = jp1 + jp2 = R.ω2.(cosα+λ.cos2α) ;

với : jp1 = R.ω2.cosα ; jp2 =λ R.ω2.cos 2α hay j = f3(α)

LËp b¶ng tÝnh gia tèc piston

α J1 J2 J

§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 )

cos( ) α cos(2 )α

Phần II: Tính động lực học

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 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 α và quy ớc là pittông ở điểm chết trên thì

α = 0 0 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 Pkt = (P - P0)

4

.D2

π theo góc quay α sẽ xác định

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

Pj = - mj R 2 (cosα + cos2α ).

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 =

β

β α

cos

) sin(

∑

p

và lực pháp tuyến Z =

β

β α

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 - α 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 = 96 mm

+ Tỉ số nén : ε = 9,8

Thể tích làm việc của xi lanh Vh

Vh=π.D2.S/4 =5,9.10-4 ( m3) =590 (cm3)

vì tỉ số nén ε = 9,8 nên dung tích buồng cháy

Vc =

1 8 , 9

10 9 , 5 1

4

−

=

−

−

ε h

V

=0,670 10-4 (m3)=67(cm3)

Va=ε Vc=9,8.67 =656,8 (cm3)

Chỉ số nén đa biến trung bình n1:

Pc = Pa.εn1 ⇒n1 = =

8 , 9 ln

9 , 0

06 , 20 ln

= 1,36

Pa = 0.9 (KG/cm2));Pc = 20,06 (KG/cm2))

Pb = 3,87 (KG/cm2));Pz = 70,20 (KG/cm2)

Pr = 1,16 (KG/cm2) ; Po = 1 (at) ;

Chỉ số giãn nở đa biến trung bình n2:

Pb = Pz.(

ε

ρ )n

2 , chọn  = 1

⇒ n2 =

ε

ρ

ln

ln

z

b

p

p

=

8 , 9

1 ln

2 , 70

87 , 3 ln

= 1,24

Dựng đờng nén đa biến a-c

Pci = Pa(

i

c

a

V

V

)n1 = Pa(

i

c

a

L L

)n1

Pbi = Pz(

i

b

z

V

V

)n2 = Pz(

i

b

z

L

L

)n2

Li Pa(

i

c

a

L

L

)n1 Pz(

i

b

z

L

L

)n2

Hiệu chỉnh đồ thị :

+ Xupáp nạp mở sớm : ϕ1= 80

+ Xupáp đóng muộn nạp : ϕ2 =46 0

+ Xupáp thải mở sớm : ϕ3 = 520

+ Xupáp thải đóng muộn : ϕ4 = 180

+Góc đánh lửa sớm : ϕs = 90

Ta có ; Pc’’=1,25Pc=1,25.20,06=25,075(KG/cm2)

+ Độ dịch chuyển brich : ta có : R d=

v h

V

à

.

OO’= Rdλ/2 = Rd /8=11/8=14 mm

Tỉ lệ xích àv = 2,6(cm3/mm)

Tỉ lệ xích àp = 0,25 ((KG/cm2)/ 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 àα= 1,80/mm

4/ Lực quán tính

Pj = -mRω2(cosα + λcos2α) (kG/cm2) Với m =

p

np

F

m

Diện tích đỉnh pittông: FP =

4

.D2

π = (3,14.0,08852)/4 = 6,15.10-3 (m2)

Ta có :

Mpt=0,74(kg)

mtt = 1,3(kg)

Mặt khác theo công thức kinh nghiệm với ôtô,máy kéo:

m1=( 0,275-0,35) mtt ;

Ta chọn: m1=0,3 mtt =0,3.1,3=0,39(kg).

Khối lợng trên một đơn vị diện tích đỉnh piston

m = 6 , 15 10 3

39 , 0 74 , 0

−

+

= 181,4 (Kg/m2)

PJ=- m J = -0,001814.j (KG/cm2)

Lập bảng tính các giá trị của P j

α Pj α Pj

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

+ 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)

β

β α

cos

) sin(

(kG/cm2)

β

β α

cos

) sin(

(kG/cm2)

Bảng tính giá trị t và z

stt α pkt Pj ptong T Z

ββ

α cos

) sin( +

β

β α

cos

) cos( +

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

+)Lực tác dụng lên chốt khuỷu:

=P k2 + = P k2 + +

Ta có lực quán tính li tâm :

Pk2 = -m2Rω2 (kG/cm2) : Trong đó m2: là khối lợng thanh truyền qui dẫn về tâm chốt khuỷu tính trên một

đơn vị dịên tích tỉnh piston

m2 = 3

1

10 15 , 6

39 , 0 3 , 1

−

−

=

−

p

tt

F

m m

=114,147 kg/ m2

Pk2 =- 0,048 114,147 6282 =- 216 (N/cm2)=-21,6(KG/ cm2)

+)Xác định tâm chốt khuỷu:

Tâm chốt khuỷu nằm trên trục Z và cách O1 một đoạn bằng trị số của Pk2

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

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

=P k2 + = P k2 + + 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 Q tb :

Qtb = ;

Trong đó diện tích dới đờng cong:Sđt = 52400(mm2)

(tính Sđt bằng cách đếm các ô vuông trong đồ thị)

Chiều dài biểu đồ từ 00-7200mà ta vẽ: L = 400 (mm)

Qtb =

400

52400

=131 (mm)

 Hệ số va đập  = <[ ]χ = 4

Do đó hệ số va đập:  = = 170131 = 1,3

Vậy  = 1,3 < 4: thoả mãn

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 ρ (chọn ρ=

70 (mm) ) tợng trng cho chốt khuỷu, sau đó chia vòng tròn thành 24 phần đều nhau

và đợc đánh số thứ tự : 0,1,2,3, ,23,24 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=8 (KG cm/ 2

mm ) 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

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

B¶NG TÝNH §é MµI MßN CñA CHèT KH¦ûU