thiết kế động cơ đốt trong

Nôi dung thuyết minh:Phần I Tính toán Động học của cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền Nhiệm vụ chủ yếu của tớnh toỏn động học cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền là nghiờn cứu quy luật chuyển

® Ò bµi 5

Cruiser

SuÊt tiªn hao nhiªn liÖu ge (g/ml.h) 180

¸p suÊt cuèi qu¸ tr×nh ch¸y Pz 68,40kg/cm2

¸p suÊt cuèi qu¸ tr×nh d·n në Pb 4,14kg/cm2

Träng lîng nhãm thanh truyÒn Mtt(kg) 1,52

Y/C:VÏ thanh truyÒn vµ tÝnh bÒn thanh truyÒn

Nôi dung thuyết minh:

Phần I Tính toán Động học của cơ cấu

trục khuỷu - thanh truyền

Nhiệm vụ chủ yếu của tớnh toỏn động học cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền là nghiờn cứu quy luật chuyển động của piston

+Xác định vận tốc góc của động cơ:

 = Với n = 4400 (v/p)

⇒  =

60

2300

* 14 , 3

* 2

= 460.5 (rad/s)

+Bán kính quay của trục khuỷu là R = =

2

120 = 47.5 (mm)

+Tham số kết cấu  = = ( 1 1

2.9 5 ữ ) ,ở đây ta chọn  = 1

4

I-1: Giải độ dịch chuyển piston bằng phơng pháp giải tích

S p = S p1 + S p2 = R.(1- Cos α ) +

4

λ

(1- Cos2 α ) ] ; Tromg đó + S p1 là chuyển vị cấp 1 của piston

+ S p2 là chuyển vị cấp 2 của piston

+ S p là chuyển vị của piston

Với: S p1 = R.(1- Cos α );

S p2 = R

4

λ (1- Cos2α );

Hay S p = f 1 ( α )

Bảng tính độ dịch chuyển của Piston

I-2 Vẽ đồ thị vận tốc bằng phơng pháp giải tích

V p = V p1 +V p2 = R ω [ Sin α +

2

λ

.Sin 2 α]

Trong đó + V p1 là vận tốc cấp 1 của piston

+ V p2 là vận tốc cấp 2 của piston

+ Vp là vận tốc của piston

Với V p1 = R ω Sin α Vp2 =

2

λ.R. ω Sin2 α hay V = f2( α )

Bảng tính các giá trị vận tốc piston

α0 VP1(mm/s) VP2(mm/s) VP(mm/s)

I-3. Vẽ đồ thị gia tốc bằng phuơng pháp giải tích

j p = j p1 + j p2 = R ω 2 (cos α + λ cos2 α ) ;

Trong đó + J p1 là gia tốc cấp 1 của piston

+ J p2 là gia tốc cấp 2 của piston

+ Jp là gia tốc của piston

Với : j p1 = R ω 2 cos α ; j p2 = λ R ω 2 cos 2 α hay j = f 3 ( α )

Bảng tính các giá trị gia tốc piston

90 0 -2518,2 -2518,2

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  và quy ớc là pittong ở điểm chết trên thì  =

00 Ngoài ra, các lực này thờng đợc tính với một đơn vị diện tích đỉnh pittong 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 pittons

Thể tích làm việc của xilanh Vs

Vh =

4

.D2 S

4

12 0

* 145 0

* 14

=745,75(cm3)

Dung tích buồng cháy:

Vc = =

1 18

10 8 ,

19 4

− =86,715(cm3) ;Lvc=20(mm)

Thể tích của xilanh:

Va = εVc =9,6*2,3.10-4 =832,464(cm3) ;Lva=200(mm) Với các giá trị áp suất đã cho

Pa = 0,94 (kg/cm2) ;Lpa=4(mm)

Pr = 1,15 (kg/cm2) ;Lpr=4,9(mm)

Po = 1 (at) =

Pc = 21,67 (kg/cm2) ;Lpc=92,2(mm)

Pb = 4,14 (kg/cm2)

Pz = 68,40 (kg/cm2) ;Lpz=291(mm)

Chỉ số nén đa biến trung bình n1:

Pc = Pa.n1 ⇒n1 = =1.38

Chỉ số giãn nở đa biến trung bình n2:

Pb = Pz.()n2 , chọn  = 1 (động cơ xăng)

⇒ n2 = = 1,24

*Dựng đờng nén a-c và đờng dãn nở Z-b

Lva=200(mm);Lvc=20(mm)

chọn một số điểm trung gian

P Ci = P a( )n1

ci

a

l l

điểm thứ nhất: Lvc1=50(mm);Lpc1=27(mm)

Lvc2=90(mm) ;Lpc2=12(mm)

Lvc3=130(mm);Lpc3=7,2(mm)

Lvc4=180(mm) ;Lpc4=4,6(mm)

Dựng đờng giãn nở đa biến z-b

Pbi = P z ρn2( )n1

bi

c

l l

Chọn một số điểm trung gian

điểm thứ nhất: Lva1=50(mm) ;Lpb1=93,4(mm)

Lva2=90(mm) ;Lpb2=45(mm)

Lva3=130(mm) ;Lpb3=28,5(mm)

Lva4=180(mm) ;Lpb4=19(mm)

Chọn hệ trục toạ độ P - V nh bản vẽ với gốc toạ độ 0, tỷ lệ xích

p=0,235(kg/cm2.mm) và v = 4,16232(cm3/mm) với các thông số trên

ta tiến hành vẽ đồ thị công:

+Hiệu chỉnh đồ thị công :

-Dựng đường trũn Bric cú tõm O là điểm giữa đoạn lh = 2R Dịch về phớa ĐCD (sang phải) đoạn OO’ = R2.λ với =1

4

Bán kính vòng tròn brich Rb =

2

c

a l

l − =

2

12

216 − =90(mm)

Tham số kết cấu:  =

4 1

Khoảng di chuyển : oo’= R =

8

b

R =11,25 (mm) Hiện chỉnh điểm c, : Góc phun sớm ϕs = 110

Hiện chỉnh điểm c,, : Pc,, = 1,25Pc =27,08 (kg/cm2) ;Lpc’’=115,4(mm)

Hiệu chỉnh điểm r,: Góc mở sớm van nạp : ϕ 1 =120

a,: Góc đóng muộn van nạp : ϕ 2 = 460

b’: Góc mở sớm van thải ϕ3 =520

r,, : Góc đóng muộn van thải :ϕ 4 = 180

b”: P b’’ = P r + 1/2(P b -P r )=2,645 (kg/cm2) ;

Lpb’’=11,25(mm)

Hiệu chỉnh điểm Z’ : áp suất cực đại của động Pz’ đặt sau điểm chết trên

13o góc quay trục khuỷuyu  z’ = 13o

- Theo phơng pháp Brich ta khai triển đồ thị p-V sang đồ thị P-α nh sau :

- Dựng đờng tròn Brich có đờng kính 2R = la – lc , đờng tròn (O,R); từ O lấy một đoạn OO’ về phía điểm chết dới có độ dài OO’ = R.λ/2 = R/8 Từ O chia nửa vòng tròn thành 6 phần bằng nhau và bằng 30o nối 01 , 02 , 03 ,06 và lặp lại đến 720o tơng ứng với 24 vị trí Từ O’ kẻ các đờng 0’1’ , 0’2’ , 0’3’ , 0’24’ tơng ứng song song với 01, 02, 03 , 024 Từ 1’ , 2’ , ,24’ dóng lên song song với trục Pz cắt đồ thị công tại 24 vi trí trên đồ thị công vừa vẽ trớc

- Dựng đồ thị P-α bằng cách lấy gốc sao cho trục hoành cao hơn trục hoành của đồ thị P-V 1KG/cm2 tơng ứng với 5 mm trên giấy ô li

- Chia trục hoành thành 24 phần bằng nhau tơng ứng mỗi phần là 30o ,từ các

điểm trên trục hoành dóng lên và 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)

4/ Lực quán tính Pj:

Pj = mJp = mRω2(cosα + λcos2α) (Mpa)

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

m =

P

p

F

m

;

mp: khối lợng nhóm piston

m1: khối lợng tập trung đầu nhỏ của thanh truyền

Fp : Diện tích đỉnh piston

- mp =1,12 (KG)

- m1 = 0,3.mtt = 0,3.1,52 =0,456 (KG)

- Fp =3,14. 2

4

D =3,14.0.062

4 =0,00785 (m2)

m =

P

p

F

m

=3.35 1.326

0.0165

+ = 200,7 (KG/m2) =0,002007 (

2

/

Mpa

m s

)=0,02007(kg/cm2/m/s2)

Qui đổi đơn vị pj = m Jp = 2

/

Mpa

m s m/s 2 = 1Mpa=10(kg/cm2)

Bảng gia trị lực quán tính

anfa J2 J1 J(m/s2) Pj(kg/cm2)

60 5041.05 -1256.78 3784.24 -7.5

120 -5027.12 -1263.3 -6290.8 12.5

150 -8716.69 1253.39 -7463.3 14.9

180 -10072.72 2518.15 -7554.6 15.1

210 -8732.67 1267.12 -7465.4 14.9

240 -5054.92 -1249.81 -6304.73 12.6

270 -24.03 -2518.16 -2542.25 5.08

300 5013.27 -1270.6 3742.51 -7.4

330 8708.55 1246.33 9954.98 -19.9

360 10072.9 2518.19 12590.88 -25.1

390 8740.67 1274.17 10014.73 -20.0

420 5068.77 -1242.4 3825.93 -7.6

450 40.103 -2518.16 -2478.06 4.9

480 -4999.36 -1277.57 -6276.3 12.5

510 -8700.41 1239.32 -7461.9 14.9

540 -10072.62 2518.05 -7554.9 15.1

570 -8748.52 1281.05 -7467.7 14.9

600 -5082.4 -1235.86 -6318.6 12.6

630 -56.13 -2518.07 -2574.19 5.14

660 4985.374 -1284.5 3700.89 -7.4

690 8692.38 1232.36 9924.73 -19.8

720 10072.56 2517.2 12590.52 -25.1

Lấy trục hoành là trục po Vì ptuyệt đối = pdư - po.

Từ điểm D (Vc,po) lấy xuống dưới một đoạn DA bằng P jmax =m R .(1ϖ2 +λ)

Từ điểm C (Va, po) lấy về phía trên một đoạn CB bằng P jmin =m R .(1ϖ2 −λ) Nối AB cắt DC tại E Từ E lấy về phía trên một đoạn EF bằng

2 min 3

j

Nối AF và FB Chia đoạn AE và EB thành các đoạn bằng nhau, ghi số thứ tự

1, 2,3,4… và 1’, 2’, 3’, 4’… như trên hình vẽ

Nối 11’, 22’, 33’, 44’ rồi vẽ đường cong tiếp xúc với các đường thẳng này, ta được

đồ thị

Pj = f() Nếu vẽ đúng, diện tích F1=F2

Chú ý :

Phương pháp Tô-lê này chỉ có thể dùng để vẽ lực quán tính khối lượng chuyển

động tịnh tiến của cơ cấu Trục khuỷu thanh truyền khi 1

4

λ ≤ , lực quán tính có 2

cực trị trái dấu Khi 1

4

λ > thì lực quán tính có 3 cực trị Phương pháp Tô-lê không biểu hiện được hai cực trị âm

4/ Tổng hợp lực khí thể và lực quán tính :

PΣ = 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 tỉ lệ xích àP = 0,235(KG.cm-2/mm)

6/Vẽ đồ thị vec tơ phụ tải tác dụng lên trục khuỷu :

a) Xác định sự biến thiên của lực tiếp tuyến T(KG/cm 2 ) và lực pháp tuyến Z(KG/cm 2 ):

β

β α cos

) sin( +

= P∑

β

β α cos

) cos(

=P∑

4

sin arcsin(

) sin arcsin(λ α α

-*Ta lập bảng tính T và Z nh sau :

α ° β ° PΣ T Z

30 7.18 0.609 0.803 -65 -39.59 -52.2

60 12.5 0.977 0.308 -13 -12.7 -4

90 14.48 1 -0.258 1 1 -0.26

120 12.5 0.755 -0.692 33 24.92 -22.84

150 7.18 0.391 -0.929 43 16.81 -39.95

180 0 0 -1 45 0 -45

210 -7.18 -0.391 -0.929 44 -17.2 -40.88

240 -12.5 -0.755 -0.692 35 -26.43 -24.22

270 -14.48 -1 -0.258 6 -6 -1.55

300 -12.5 -0.977 0.308 1 -0.98 0.31

330 -7.18 -0.609 0.803 -24 14.62 -19.27

375 3.71 0.321 0.949 155 49.76 147.1

390 7.18 0.609 0.803 96 58.46 77.09

420 12.5 0.977 0.308 48 46.9 14.78

450 14.48 1 -0.258 29 29 -7.48

480 12.5 0.755 -0.692 54 40.77 -37.37

510 7.18 0.391 -0.929 61 23.85 -56.67

540 0 0 -1 52 0 -52

570 -7.18 -0.391 -0.929 48 -18.77 -44.59

600 -12.5 -0.755 -0.692 37 -27.94 -25.6

630 -14.48 -1 -0.258 4 -4 -1.03

660 -12.5 -0.977 0.308 -11 10.75 -3.39

690 -7.18 -0.609 0.803 -63 38.37 -50.59

720 0 0 1 -85 0 -85

β

β α

cos

) cos( +

β

β α cos

) sin( +

- Vẽ trục tọa độ (O,T,Z) góc tọa độ O , chiều dơng của trục T từ trái sang phải còn trục Z từ trên xuống dới , trong đó trục hoành là trục OT, trục tung là trục OZ

- Chọn tỷ lệ xích à = 1 (KG.cm-2/mm)

- Xác định tâm chốt khuỷu:Từ gốc tọa độ O của trục tọa độ TOZ ta dịch xuống phía dới một đoạn PKo, ta xác định đợc điểm O1 , điểm này chính là tâm chốt của khuỷu cần tìm

PKo chính là lực quán tính của khối lợng chuyển động quay của thanh truyền tính trên một đơn vị diện tích đỉnh piston (KG/cm 2)

P Ko = -m 2 R.ω2 (KG/cm 2)

m2 = 0.7* tt

P

m

F = 0.7*0.01654.42 =135,5 (Kg /m2)

PKo = 187.52*0.06 *240,72 *10-6 =13,6 (kg/cm2)

Vecs tơ PKO có gốc tại O , chiều dơng hớng lên trên

Trên toạ độ T-Z xác định các giá trị củaT và Z ở các góc α khác nhau(0 ữ 720o) ; Trị số của T và Z đợc tính ở bảng ta đợc các điểm 0, 30, 60 .720 Dùng đờng cong nối các điểm này ta đợc đồ thị vectơ phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu

7/ Khai triển đồ thị (T-Z) sang đò thị (Q-α):

Từ điểm O trên trục tọa độ O1T Z ta vẽ vòng tròn tâm Obán kính , Chia vòng tròn thành 12 phần bằng nhau rồi đánh số thứ tự 1ữ11

Trị số khoảng cách từ O đến các điểm trên trục tọa độ O1TZ ứng với góc α = 0

ữ 720o, giá trị này chính là giá trị phụ tải Q (KG/cm2) tác dụng lên chốt khuỷu tại các góc α tơng ứng ở đồ thị (Q-α) ta chọn tỉ lệ xích à = 0.02672 (KG.cm

-2/mm)

8/ Đồ thị mài mòn chốt khuỷu:

Đồ thị mài mũn chốt khuỷu thể hiện trạng thỏi chịu tải của cỏc điểm trờn bề mặt cổ biờn Đồ thị này cũng biểu hiện trạng thỏi hao mũn của trục, đồng thời chỉ

rừ khu vực chịu tải ớt nhất, để khoan lỗ dầu theo nguyờn tắc “Đưa dầu nhờn vào ổ trượt ở vị trớ khe hở giữa trục và bạc lút của ổ là lớn nhất” Theo nguyờn tắc này, ỏp suất ở vựng này rất bộ, giỳp dầu nhờn lưu động dễ dàng

Để vẽ đồ thị mài mũn, cần biết được tại thời điểm nào (tại vị trớ gúc quay nào của trục khuỷu) sẽ cú lực tỏc dụng lờn điểm ta đang xột trờn bề mặt cổ biờn.

Ta sẽ vẽ đồ thị mài mũn theo phương phỏp lập bảng cho đơn giản

Bước 1 Vẽ đường trũn cú bỏn kớnh R bất kỳ (chọn R= 16.57(mm)) Ở đõy ta

dựng ngay đường trũn tượng trưng cho chốt khuỷu ở đồ thị độc cực, sau đú chia đường trũn này thành 12 phần đều nhau theo cỏc gúc 30o, đỏnh số thứ tự như hỡnh

vẽ Cần tỡm lực tỏc dụng lờn mỗi điểm này

Bước 2 Tớnh lực Qi tỏc dụng lờn mỗi điểm iđỏnh thứ tự trờn chốt khuỷu Lực này được đo từ tổng cỏc lực Qi cú độ lớn bằng OcM1 +…+ OcMi (i là số điểm

cắt) ở đồ thị độc cực Chú ý rằng mỗi lực có phạm vi tác dụng trong 120o (tức là

60o về mỗi bên trái, phải)

Ví dụ: Cần xác định lực tác dụng lên điểm i trên cổ biên Vì lực tác dụng lên điểm i

trên cổ biên có chiều hướng vào tâm cổ biên (thì mới có thể gây mòn), nên ta làm như sau:

Nối iOc theo hướng từ i đến Oc (vì điểm đặt lực tại i, chiều hướng tâm) cắt đường cong phụ tải độc cực tại các điểm M1 và M2 (ở các vị trí i khác, có thể còn nhiều hơn i=2 điểm) Ta có lực tác dụng lên điểm i trên cổ biên là:

Q∑ =O M +O M

Chú ý, ta chỉ cộng độ lớn, không cần dấu má, vì tất cả các lực Qi đều cùng phương chiều, điểm dặt: điểm đặt tại i, độ lớn bằng OcMi , phương iOc , chiều từ i hướng vào tâm Oc

Bước 3 Ghi các giá trị của lực Qj vào bảng, trong phạm vi 120o tức là 5 ô trong bảng Cộng các giá trị Qj theo cột dọc, để xác định tổng hợp lực

23 0

j

=

=

∑ ∑ tác dụng lên điểm i ta xét

Q i 400 365 311 30 37 143 199 242 275 318 493 422

Bước 4 Vẽ một đường tròn khác và cũng chia nó làm 12 phần như trên, nên

đánh số cho dễ nhớ Đặt các đoạn biểu thị ∑Q ilên đường tròn này với tỷ lệ xích được chọn là Qm=10(KG/cm2/mm) từ ngoài vào tâm đường tròn

Bước 5 Dùng thước cong, nối các điểm mút i của các đoạn ấy

lại, ta sẽ có đồ thị mài mòn

Từ đồ thi này, ta có thể xác định vị trí cần khoan lỗ dầu Tuy vậy phương pháp này không chính xác, vì trong thực tế, tác dụng của chêm dầu làm cho chốt khuỷu lệch đi, và phạm vi tác dụng của mỗi lực không còn là 1200 nữa Ngoài ra, trong quá trình sử dụng, phụ tải luôn thay đổi, chất lượng dầu nhờn và biến dạng của các chi tiết đều có ảnh hưởng tới sự mài mòn chốt khuỷu Tất cả các yếu tố trên làm đồ thị mài mòn vẽ ra không sát với tình hình mài mòn thực tế của chốt khuỷu

III tÝnh to¸n søc bÒn ®Çu nhá thanh truyÒn:

- Ứng suất do lực quỏn tớnh Pj của khối lượng nhúm piston ứng với số

vũng quay lớn nhất tỏc dụnh lờn đầu nhỏ thnah truyền :

σ Κ = Pjmax/ 2.lđ.s = 0, 792353 /2.0,034.0,0042 = 27,74 MN/m2

vậy σ Κ< [σ Κ] = 30 MN/m2

- Áp suất phõn bố đều lờn mặt trong của đầu nhỏ thanh truyền :

p = Pjmax/ d1.lđ = 0,792353 / 0,039.0,034 =5, 97 MN/m2

- Ứng suất kộo lớn nhất xuất hiện ở cỏc điểm nằm bờn trong đấu nhỏ vậy σ Κ =p (d22 + d12)/( d22 – d12) = 5.(47,52+392)/( 47,52+392) =25,7 MN/m2

vậy σ Κ< [σ Κ] = 30 MN/m2

vậy đầu nhỏ thanh truyền làm việc đảm bảo