Tính toán kết cấu thiết kế động cơ đốt trong

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.. Rất mong đợc sự giúp đỡ và góp ý kiến của các thầy tro

Lời Nói đầu

Môn học ĐCĐT có vai trò quan trọng cung cấp cho SV những kiến thức nền tảng giúp ích thiết thực cho họ hoạt động trong công tác kỹ thuật sau này

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.

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 kiến của các thầy trong bộ môn và của các bạn cùng lớp để bài thiết đợc thành công tốt

đẹp

Mặc dù vậy 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 khắc 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 thầy giáo Lê Hoài

Đức và các thầy trong tổ môn đã giúp em hoàn thành bài tập thiết kế này

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Đình Cẩn

đề bài thiết kế môn học môn đcđt

đề 6

Tỷ số nén ε 18

Suất tiêu hao nhiên liệu g e (g/ml.h) 180 g/ml.h

Góc phun sớm nhiên liệu ϕs 240

áp suất cuối hành trình nạp p a 0,09 Mpa

áp suất cuối hành trình nén p c 4,707 Mpa

áp suất cuối hành trình cháy p z 7,484 Mpa

áp suất cuối hành trình dãn nở p b 0,353 Mpa

Khối lợng nhóm piston M pt 3,35 kg

Khối lợng nhóm thanh truyền M tt 4,42 kg

Giáo viên hớng dẫn

ts lê hoài đức

Phần 1 : vẽ đồ thị công

1> các số liệu đã có :

• áp suất cuối hành trình nạp

pa = 0,09 (MPa) =0,9 (KG/cm2)

• áp suất khí xót :

pr = 0,105 (MPa) =1,05 (KG/cm2)

• áp suất cuối hành trình nén :

pc = 4,707 (MPa) = 47,07 (KG/cm2)

• áp suất cuối hành trình cháy :

pz =7,484(MPa) =74,84(kG/cm2)

• áp suất cuối hành trình dãn nở :

pb = 0,353 (MPa ) = 3,5 (kG/cm2)

• tỷ số nén : ε = 18 2> thể tích công tác

- thể tích làm việc của xy lanh Vh

Vh = 1 , 64 10 ( ) 1 , 64 ( )

4

145 , 0 12 , 0 14 , 3 4

.

l m

S D

=

=

π

- dung tích buồng cháy :Vc

Vc =

1

−

ε h

V = 0 , 096

1 18

64 ,

−

- thể tích xy lanh Va

Va = Vh +Vc =1,64 + 0,096 = 1,736 (l) 3> chon tỷ lệ xích của đồ thị công :

tỷ lệ xích trên trục áp xuất : àp = 0,25 (kg mm/cm2 )

tỷ lệ xích trên trục áp suất : àv = 0,01 (cm3

mm

)

4>xác định các thông số cơ bản :

• chỉ số nén đa biến trung bình n1

18 ln

9 , 0 ln 07 , 47 ln )

ln(

) ln(

)

ε

Pa Pc

• chỉ số dãn nở đa biến trung bình n2

5 , 1 / 18 ln

53 , 3 ln 84 , 74 ln )

/ ln(

) ln(

)

ρ ε

Pb Pz

với ρ=1,5 :chỉ số dãn nở sớm 5>lập bảng

*quá trình nén ta có :

Px.Vxn1 =Pc.Vcn1 =>Px = 1

x

c

V

V









Vx = i.Vc ; i = 1,2,….,ε

Px = pc/in1

*quá trình dãn nở

Px.Vzn2 = Pz.Vn2 => Px =

2

x

z

V

V









Vx = i.Vc ; Vz =ρ.Vc

Px = Pz 2

i 









 ρ

B¶ng i

i Qu¸ tr×nh nÐni*n1 Px(KG/cm2) Px(mm) i*n2Qu¸ tr×nh d·n nëPx(KG/cm2) Px(mm)

6> vẽ và hiệu chỉnh đồ thị công

dựng đờng tròn bríck có đờng kính 2R = la - lc

la = Va/àv = 173,6 (mm)

lc = Vc/àv = 9,6 (mm)

R = 82 ( )

01 , 0 2

64 , 1

V

v

à

Dựng hệ trục toạ độ POV trục tung Op và trục hoành Ov theo tỷ

lệ xích trên dựng các điểm toạ độ áp suất theo bảng 1 và các điểm hiệu chỉnh sau đây

Pa = 0,9/0,25 = 3,6 (mm)

Pr = 1,05/0,25 = 4,2 (mm)

Pc = 47,07/0,25 = 188,28 (mm)

Pz = 74,84/0,25 = 299,36 (mm)

Pb = 3,53/0,25 = 14,12 (mm)

Pc'' = 56,5/0,25 = 226 (mm) Hiệu chỉnh điểm c' : góc phun sớm nhiên liệu ϕ5 = 240

c'' : Pc'' = 1,2Pc = 1,2.47,07 = 56,5 (kg/cm2) r' : góc mở sớm xupap nạp :ϕ1=200

a' : góc đóng muộn xupáp nạp :ϕ2 = 380 r' : góc đóng muộn xupáp thải :ϕ4 = 80

b'' : góc mở sớm van thải :ϕ3 = 440

hiệu chỉnh điểm Z'': điểm Z'' nằm ở giữa 2 điểm Z và Z'

phần iI

Động học của cơ cấu khuỷu trục thanh truyền 1.1 Tính chuyển vị của piston

a-Công thức tính chuyển vị:

( 1 cos 2 )] 1 2

4 ) cos 1

R

X = − α +λ − α = + [mm]

Trong đó

X1 =R( 1 − cos α ) : chuyển vị cấp 1 do chuyển động quay của trục khuỷu gây ra

( 1 cos 2 )

4

2 =Rλ − α

X : chuyển vị cấp 2 do chuyển động lắc của thanh truyền gây ra

R : bán kính quay của trục khuỷu

72 , 5

2

145

2 = =

= S

λ : tham số kết cấu chọn

4

1

= λ

α : góc quay của trục khuỷu

b-Bảng tính độ dịch chuyển của piston

α ( 0 ) 1 − cos α X1(mm) 1 − cos 2 α X2(mm) X (mm)

20 40 60 80 100 120

140 150

a …

Hình 1.1-Đồ thị chuyển vị của piston

1.2 Tính vận tốc piston

a - Công thức tính vận tốc của piston

sin 2 ) 1 2

2

R dt

dX

V = = ω α +λ α = + [m/s]

Trong đó

V1 =Rω sin α : là vận tốc cấp 1

ωλsin 2 α

2

2 R

V = : là vận tốc cấp 2

b - Bảng tính giá trị vận tốc của piston

)

( 0

40 0.643 11.224 0.985 2.15 13.374

-20

-15

-10

-5

20

15

10

5

360… 280…

240…

180…

120…

60…

0…

[mm/s]

H×nh 1.2-§å thÞ vËn tèc cña piston

1.3 TÝnh gia tèc cña piston

a-C«ng thøc tÝnh gia tèc

2

2

) 2 cos

R dt

X d dt dV

J = = = ω α + λ α = + [m/s2 ]

Trong đó

ω 2 cos α

1 R

J = : là gia tốc cấp 1

ω 2 λ cos 2 α

2 R

J = : là gia tốc cấp 2

b-Bảng tính giá trị gia tốc

)

( 0

1 m s

J cos 2 α J2(m/s2) J (m/s2)

-4000 -3000 -2000

6000

4000 5000

3000 2000 1000

360… 280…

240…

180…

120…

60…

Hình 1.3-Đồ thị gia tốc của piston

Phần iII

động lực học của cơ cấu khuỷu trục thanh truyền

1> khái quát : Khi động cơ làm việc ,cơ cấu trục khuỷu thanh truyền nói riêng và

động cơ nói chung chịu tác dụng của các 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 quàn tính

Mục đích của việc tính toán động lực hoạ là việc xác định các lực do hợp lực của hai loại lực trên đay tác dụng lên cơ cấu trục khuỷu thanh truyền và mô men do chính chung sinh ra ,để làm cơ sở cho việc tính

toán cân bằng đọng 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 khoả 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 gócc quay trục khuỷu ϕ và quy ức là piston ở điểm chết trên thì ϕ = 00 ngoài ra,các lực này thờng đợc tính với một đơn vị diện tích đỉnh piston.về sau khi cần tính giá trị thực của các lực,ta nhân giá trị của áp suất với diện tích tiết diện ngang của đỉnh piston

2> lực khí thể Khai triển đồ thị công PV - sang đò thị :P - α

-theo phơng pháp Brich ta khai triển đồ thị P - v sang đồ thị P- α nh sau :-dựng đờng tròn Brích có đờng kính 2R = la - lc ,đờng tròn (0,R)

-dựng đồ thị POα (OP thẳng đứng , Oα nằm ngang đi qua điểm Po

(1KG/cm2)của đồ thị P-V tơng ứng với 4mm trên giấy ô ly

Chia trục hoành thành 24 phần bằng nhau tơng ứng mỗi phần là 300

chọn àα = 2 (0/mm),từ các điểm trên trục hoành dóng lên các điểm trên

đồ thị công (24 điểm trên đồ thị p-v) chúng ta đợc các điểm cắt nhau ,từ

24 điểm đó ta nối thành đờng cong và đợc đồ thị khí thể Pkt (P-α )

3>.lực quán tính

Pj = - mj.R.ω2(cosα + λcos2α) (KG/cm2)

Trong đó :

m : là khối lợng chuyển động tịnh tiến trên một đơn vị diện tích của piston

mj= ( )

4

1

1

D np +

π

mnP : khối lợng nhóm piston mnP : =3,35 (kg)

m1 :khối lợng tập trung đầu nhỏ của thanh truyền m1 = 0,3.mtt

mtt : khối lợng nhóm thanh truyền mtt = 4,42 (kg)

mj = ( 3 , 35 0 , 3 4 , 42 ) 41 , 36 10 ( / )

12 14 , 3

D: đờng kính piston D = 120 mm =12cm

ω : vận tốc góc của trục khuỷu ứng vơi số vòng quay lón nhất ,

ω = 240,73(rad/s)

Quy đổi đơn vị Pj = kg/cm2.m/s2) = N/cm2 = kg/cm2.10-1

⇒ Pj = -41,36.10-3.0,0725.240,732 (cosα +41cos2α).10-1 (kg/cm2)

⇒ Pj = -17,337(cosα +14cos2α) (kg/cm2)

Từ đó ta có bảng tính giá trị lực quán tính : Pj (kg/cm2)

Bảng tính giá trị lực quán tính

α Pj = -m.jΡ(kg/cm2) α Pj = -m.jΡ(kg/cm2)

180 13.03 180 13.03

4> tổng hợp lực khí thể và lực quán tính :

P∑ = PKT + Pj

Dựa vào đồ thị khai triển ( P - α) ta đo đợc giá trị của lực thể khí PKT tại các góc quay khác nhau của trục khuỷu

Trên đồ thị P- α trục tung vẫn chọn tỷ lệ xích à = 0,25 (kg.cm/mm)

α0 Pj(kg/cm2) Pj(mm) Pkt(kg/cm2) Pkt(mm) P∑(KG/cm2) P∑(mm)

630 10.86 43.44 1.25 5.00 11.11 44.44

5> Xác định sự biến thiên của lực tiếp tuyến

T(kg/cm2)và lực pháp tuyến Z(kg/cm2)

T = P∑ ( / )

cos

)

cm kg

β

β

α +

;Z = P∑ ( / )

cos

)

cm kg

β

β

α +

β = arcsin(λsinα) = arcsin(sin4α )

Ta lập bảng tính T và Z nh sau

α 0

β

β α

cos

) sin( +

β

β α

cos

) cos( + P∑

(mm)

T (kg/cm 2 ) (kg/cmZ 2 ) (mm)T (mm)Z

720 0.000 1.000 -86.88 0.000 -86.880 0.000 -21.670

6> vẽ đồ thị véc tơ phụ tải lên trục khuỷu:

-vẽ trục toạ độ OTZ gốc toạ độ là O ,chiều dơng của trục OT trái sang phải,chiều dơng trục OZ từ trên xuống dới

-chọn tỷ lệ xích à = 0,3(kg.cm2/mm)

Xác định tâm chốt khuỷu:từ gốcc toạ độ O của trục toạ độ TOZ ta dịch xuống phía dới một đoạn Pk2,ta xác định đợc điểm k ,điểm này chính là tâm chốt cuỷa khuỷu cần tìm

Pk2 chính là lực quán tính cuadr khối lợng chuyển động quay của thanh truyền tính trên một đơn vị diện tích đỉnh piston (kg/cm2)

Pk2 = -m2.R.ω2 (kg/cm2)

m2 :khối lợng tập chung ở đầu to thanh truyền

2

2 0 , 7 4 , 42 27 , 37 10

12 14 , 3

4

7 , 0 4

D

Pk2 = -27,37.10-3.0,0725.240,732 = -11,5 (kg/cm2)

véc tơ Pk2 có gốc tại k,chiều dơng hớng lên trên

.đoạn KO =P2

à =11,5

0, 25 =46(mm) Trên toạ độ TZ xác định các giá trị của T và Z ở các góc α khác nhau (0ữ7200),trị số của T và Z đợc tính ở bảng ta đợc các điểm

0,30,60 720.dùng đờng cong nói các điểm này ta đợc đồ thị véc tơ phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu

7> khai triển đồ thị (T-Z)sang đồ thị (Q- α):

• dựng hệ trục toạ độ O'Qc : trục O'α nằm ngang ,trục O'Qc thẳng

đứng

• Tỷ lệ xích trên trục OQc vẫn là à = 0,3(kg.cm2/mm).

• Trên trục O'α lấy một đoạn và chia đoạn đó thành 24 phần bằng nhau ,mỗi phần ứng với 300

• Từ các điểm chia trên O'αdựng các đoạn thẳng có chiều cao bằng O'ni với các góc tơng ứng

• Nối các điểm mút bằng 1 đờng cong trơn ta đợc đò thị khai triển

Qcα

• Xác định Qcmax ,Qctb và hệ số va đập χ

 Qcmax đợc xác định bằng cách đo trên đồ thị Qc-α là điểm có tung

độ cao nhất trên đồ thị sau đó nhân với tỷ lệ xích của biểu đồ

à = 0,3(kg.cm2/mm)

Qctb đợc xác định theo công th ức Qctb=

à

α α

) 720 0

( ) 720 0

(

).

(

0 0

0 0

720

0

ữ

=

ữ

∫

l

S l

d Qc

Trong đó :S = 30117(mm2)là diện tích miền giới hạn bởi đờng cong

Qc = f(α) và trục Oα xác định S bằng cách đếm ô trên miền giới hạn bởi Oα và Qc = f(α)

l = 360(mm):là chiều dài đoạn trục Oα thể hiện 00, ,2700

=>Qctb =

360

30117 =83,67 =>Qctb=83,67x0,3 = 25,101(kg/cm2)

Hệ số va đập :χ =

ctb

c

Q

Q max

=83,67175 =2,09 < 4

thảo mãn yêu cầu kỸ thUẬT

8> đồ thị mài mòn chốt khuỷu :

để xây dựng đợc đò thị mài mòn chốt khuỷu ta tuân theo các giả thiết :

• Lợng mài mòn tỷ lệ thuận với lực tác dụng

• Phạm vi tác dụng lực là 1200 ảnh hởng về ,mỗi bên là 600

• Không xét đến điều kiện thực tế của cổ trục cổ chốt :bôi chơn vật liệu ,phơng pháp gia công ,chế độ ,làm việc

Các bớc xây dựng đồ thị :

• Vẽ vòng tròn tợng trng cho vòng tròn bề mặt chốt khuỷu và chia vòng tròn đó làm 24 phần bằng nhau theo thứ tự

0,1,2, ,23

• Xác định lực ∑Qi tác dụng lên các điểm 0,1,2, ,23(dựa vào vòng tròn chốt khuỷu)rồi ghi vào bảng sau

• Xác định lực Qi bằng cáhc cộng tất cả các lực ∑Qi tác dụng lên mỗi điểm

Chọn tỷ lệ hao mòn ∆ = 0,02(kg.cm−2

mm

) là tỷ số giữa lợng hao mòn ∆ và lực tác dụng

Tại các điểm trên đờng tròn với giá trị lực Qi tơng ta nhân với tỷ lệ xích và đặt độ lớn theo phơng hớng kính

Nối các điểm đầu mút của các đoạn đó lại bằng một

đờngcong trơn ta đợc hìh dạng của cổ trục sau khi đã mài mòn

Từ đó xác định đợc lợng mài mòn ∆i và ghi vào bảng.

∆i =aΣQ i

-Đặt lên vòng tròn đã vẽ theo phơng hớng tâm các đoạn giá trị bằng ∆i tại các

điểm i tơng ứng rồi nối các đầu mút lại ta đợc hình dạng cổ trục sau khi đã mòn

Từ đó xác định đợc vùng mòn ít nhất để khoan lỗ dầu bôi trơn.

Mục lục Lời mở đầu

Phần 1

vẽ đồ thị công

phần iI

Động học của cơ cấu khuỷu trục thanh truyền 1.1 Tính chuyển vị của piston

1.2 Tính vận tốc piston

1.3 Tính gia tốc của piston

Phần iII

động lực học của cơ cấu khuỷu trục thanh truyền

1> khái quát :

2> lực khí thể

3>.lực quán tính

4> tổng hợp lực khí thể và lực quán tính :

5> Xác định sự biến thiên của lực tiếp tuyến

6> vẽ đồ thị véc tơ phụ tải lên trục khuỷu:

7> khai triển đồ thị (T-Z)sang đồ thị (Q- α):

8> đồ thị mài mòn chốt khuỷu :

Tài liệu tham khảo:

[1]- Kết cấu và tính toán động cơ đốt trong

(T1,T2-NXB đại học và trung học chuyên nghiệp 1979).

[2]- Sổ tay hớng dẫn tính nhiệt động cơ đốt trong

(Phạm Kỳ-Trờng ĐH giao thông đờng sắt- đờng bộ 1977).

[3]- Động cơ đốt trong (T 1 ,T 2 -T.S Nguyễn Duy Tiến-Trờng ĐH GTVT 2000) [4]- Động cơ đốt trong – NXBGD-2000