tính toán kiểm bền xupáp

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.. Mục đích c

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

nh-ng lần thiết kế sau sẽ đợc hoàn thiện hơn

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 các thầy trong tổ môn và các bạn cùng lớp đẻ tôi có thể hoàn thành bài tập thiết kế này

Sv thực hiện

Vi Văn Mến

Môc lôc

thiết kế môn học Động cơ đốt trong

Các thông số cơ bản

ng c

180K Sport

Khối lợng pittông mpt(kg) 0,69

Chiều dài thanh truyền L(mm) 42.5

Khối lợng thanh truyền mtt(kg) 0,86

Góc đòng muộn van nạp: ϕ2 460

Góc mở sớm van thải: ϕ3 520 Góc đòng muộn van thải: ϕ4 180

Áp suất cuối kỳ nạp: Pa(kG/cm2) 0,9

Áp suất cuối kỳ nén: Pc(kG/cm2) 21,1

Áp suất cuối kỳ cháy: Pz(kG/cm2) 72,4

Áp suất cuối kỳ giãn nở: Pb(kG/cm2) 4,1

Áp suất cuối kỳ thải: Pr(kG/cm2) 1,14

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

=

85

2 = 42, 5mm = 0.0425 m

42.5 0.25 = 170mm = 0.17 m

Vận tốc góc trục khuỷu : ω =

30

.n

π

= 575,67(rad/s) 2/ Chuyển vị của pitông

S = R[(1-cosα) +

4

λ

(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 )

Đồ thị chuyển vị piston : ( Đồ thị 01 )

Trục tung biểu thị độ dịch chuyển S (mm)

Trục hoành biểu thị góc quay α ( 10o)

Đồ thị 01:

Bảng 01:

a 1-Cosa S 1 (mm) 1-Cos2a S 2 (mm) S (mm)

0 0 0 0 0 0

10 0.0152 0.6346 0.0603 0.157345 0.791945

20 0.0603 2.517525 0.234 0.610594 3.128119

30 0.134 5.5945 0.5 1.304688 6.899188

40 0.234 9.7695 0.8264 2.156388 11.92589

50 0.3572 14.9131 1.1736 3.062363 17.97546

60 0.5 20.875 1.5 3.914063 24.78906

70 0.658 27.4715 1.766 4.608156 32.07966

80 0.8264 34.5022 1.9397 5.061405 39.5636

90 1 41.75 2 5.21875 46.96875

100 1.1736 48.9978 1.9397 5.061405 54.0592

110 1.342 56.0285 1.766 4.608156 60.63666

120 1.5 62.625 1.5 3.914063 66.53906

130 1.6428 68.5869 1.1736 3.062363 71.64926

140 1.766 73.7305 0.8264 2.156388 75.88689

150 1.866 77.9055 0.5 1.304688 79.21019

160 1.9397 80.98248 0.234 0.610594 81.59307

170 1.9848 82.8654 0.0603 0.157345 83.02275

190 1.9848 82.8654 0.0603 0.157345 83.02275

200 1.9397 80.98248 0.234 0.610594 81.59307

210 1.866 77.9055 0.5 1.304688 79.21019

220 1.766 73.7305 0.8264 2.156388 75.88689

230 1.6428 68.5869 1.1736 3.062363 71.64926

240 1.5 62.625 1.5 3.914063 66.53906

250 1.342 56.0285 1.766 4.608156 60.63666

260 1.1736 48.9978 1.9397 5.061405 54.0592

270 1 41.75 2 5.21875 46.96875

280 0.8264 34.5022 1.9397 5.061405 39.5636

290 0.658 27.4715 1.766 4.608156 32.07966

300 0.5 20.875 1.5 3.914063 24.78906

310 0.3572 14.9131 1.1736 3.062363 17.97546

320 0.234 9.7695 0.8264 2.156388 11.92589

330 0.134 5.5945 0.5 1.304688 6.899188

340 0.0603 2.517525 0.234 0.610594 3.128119

350 0.0152 0.6346 0.0603 0.157345 0.791945

3/ Vận tốc pitông

Đạo hàm chuyển vị S ta đợc vận tốc pitông V

V = Rω(sinα +λ2

sin2α) (m/s)

V vận tốc piston m/s

ω tốc độ góc trục khuỷu

Lập bảng tính vận tốc piston

( Bảng 02 ) Đồ thị vận tốc piston :( Đồ thị 02 )

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

Trục hoành biểu thị góc quay α ( o )

Đồ thị 02:

Bảng 02 :

0 0 0 0 0 0

30 0.5 12.01711 0.866 2.601705 14.61882

150 0.5 12.01711 -0.866 -2.6017 9.415407

210 -0.5 -12.0171 0.866 2.601705 -9.41541

330 -0.5 -12.0171 -0.866 -2.6017 -14.6188

4/ Gia tốc pitông

Đạo hàm vận tốc pitông ta đợc gia tốc pitông J

J = Rω2(cosα + λcos2α) (m/s2)

J gia tèc cña piston

R lµ b¸n kÝnh quay cña trôc khuûu

 lµ tham sè kÕt cÊu

LËp b¶ng tÝnh gia tèc piston

( B¶ng 03 )

§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 )

§å thÞ 03:

B¶ng 03:

α Cosα J 1 (m/s 2 ) Cos2α J 2 (m/s 2 ) J (m/s 2 )

0 1 13835.78 1 3459.528 17295.31

10 0.9848 13625.48 0.9397 3250.919 16876.4

60 0.5 6917.89 -0.5 -1729.76 5188.126

120 -0.5 -6917.89 -0.5 -1729.76 -8647.65

180 -1 -13835.8 1 3459.528 -10376.3

240 -0.5 -6917.89 -0.5 -1729.76 -8647.65

300 0.5 6917.89 -0.5 -1729.76 5188.126

360 1 13835.78 1 3459.528 17295.31

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 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

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 α sẽ xác

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

Pj = - mj * R * 2 * (cos + cos2)

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

T = và lực pháp tuyến Z =

Lực quán tính của khối lợng thanh truyền quy dẫn về tâm đầu to

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

nh-ng theo chiều nh-ngợc lại Hợp lực Q của các lực tác dụnh-ng lên bề mặt chốt

Từ đồ thị véctơ phụ tải tác dụng lên bề mặt chốt khuỷu ta có thể triển

thể xác định đợc hệ số va đập của bề mặt tơng tác

3/ Lực khí thể

Dựa vào các thông số nhiệt :

+ Hành trình pitông : S = 85mm

+ Tỉ số nén : ε = 10

+ áp suất :

Pa = 0.9 (kG/cm2)

Pc = 21,1 (kG/cm2)

Pz = 72,4 (kG/cm2)

Pb = 4,1 (kG/cm2)

Pr = 1.14 (kG/cm2)

Vh=π*D2*S/4 = 3,738*10-4 ( m3)

vì tỉ số nén ε = 10 nên dung tích buồng cháy Vc = 0,415*10 -4 (m3)

Dựng đờng nén đa biến a-c

Pci = Pa(

Vci

Va

)n1 = Pa(

Lci

La

)n1 Với n1 = 1.37

Dựng đờng giãn nở đa biến z-b

Pbi = Pz(

Vai

Vc

)n2 = Pz(

Lai

Lc

)n2 Với n2 = 1.25

Hiệu chỉnh đồ thị :

+ Góc đánh lửa sớm : ϕs= 9 0

+ Góc mở van nạp : ϕ1 = 8 0

+ Góc đóng muộn van nạp : ϕ2 = 46 0

+ Góc mở sớm van xả : ϕ3 = 52 0

+ Góc đóng muộn van xả : ϕ4 = 18 0

Pz’ = 0.85Pz ; Pc’’=1.25Pc

+ Độ dịch chuyển brich :

OO’= Rλ/2 = 42.5*0,25/2 = 5,23 mm

Tỉ lệ xích à v = 5.233*10-6 (m3 /mm)

Tỉ lệ xích àp = 0.30 ((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= 20/mm

4/ Lực quán tính

Pj = -mRω2(cosα + λcos2α) (kG/cm2) Với m = mpt+ m1

mpt=12*FP = 12*4.416 = 52,992 (g ) = 0.052992 (kg)

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

Ta có : mtt = 15*4.416 = 66.24 (g) =0.06624 (kg)

Mặt khác m1= 0.25*0.06624 = 0.01656 (kg)

Khối lợng trên một đơn vị diện tích đỉnh piston

10

* 416 4

01656 0 06624 0

−

+

= 18.75KG/m2 PJ=- m J = - 0.001875*J (KG/cm2)

Lập bảng tính các giá trị của P j

α Cosα Cos2α J (m/s 2 ) P j (KG/cm 2 )

30 0.866 0.5 13711.55 -25.7092

60 0.5 -0.5 5188.126119 -9.72774

90 0 -1 -3459.53 6.486619

120 -0.5 -0.5 -8647.65 16.21434

180 -1 1 -10376.3 19.45556

240 -0.5 -0.5 -8647.65 16.21434

270 0 -1 -3459.53 6.486619

300 0.5 -0.5 5188.126 -9.72774

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 P j (KG/cm 2 ) P kt (KG/cm 2 ) PΣ (KG/cm 2 )

0 -32.4276 0.17 -32.2576

30 -25.7093 -0.2 -25.9093

60 -9.72828 -0.2 -9.92828

90 6.485522 -0.2 6.285522

120 16.21381 -0.2 16.01381

150 19.22375 -0.2 19.02375

180 19.45657 -0.1 19.35657

210 19.22375 -0.05 19.17375

240 16.21381 0.42 16.63381

270 6.485522 1 7.485522

300 -9.72828 1.9 -7.82828

330 -25.7093 4.1 -21.6093

360 -32.4276 12.52 -19.9076

390 -25.7093 20.8 -4.90927

420 -9.72828 8.3 -1.42828

450 6.485522 5.9 12.38552

480 16.21381 2.7 18.91381

510 19.22375 1.4 20.62375

540 19.45657 0.8 20.25657

570 19.22375 0.45 19.67375

600 16.21381 0.27 16.48381

630 6.485522 0.24 6.725522

660 -9.72828 0.225 -9.50328

690 -25.7093 0.2 -25.5093

720 -32.4276 0.17 -32.2576

6/ Vẽ đồ thị lực tác dụng lên chốt khuỷu Qch

+ 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)

T = + ìPΣ

β

β α

cos

) sin(

(kG/cm2)

Z = + ìPΣ

β

β α

cos

) cos(

(kG/cm2)

Bảng giá trị pHụ tảI tác dụng Lên chốt khuỷu

α Sin(α+β)Cos(α+β)Cos(β) P∑(KG/cm2) T(KG/cm2) Z(KG/cm2)

30 0.61632 0.787496 0.9902 -25.9093 -16.5787 -21.6051

60 0.96142 0.275077 0.9702 -9.92828 -9.9993 -3.0571

120 0.71894 -0.695077 0.9702 16.01381 12.0902 -12.0816

150 0.37383 -0.927496 0.9902 19.02375 6.4382 -18.6731

180 0 -1 1 19.35657 0 -19.5066

210 -0.37383 -0.927496 0.9902 19.17375 -9.4964 -18.8124

240 -0.71893 -0.695077 0.9702 16.63381 -12.0585 -10.5106

300 -0.96142 0.275077 0.9702 -7.82828 5.14833 -2.4111

330 -0.61632 0.787496 0.9902 -21.6093 5.41605 -4.3522

360 0 1 1 -19.9076 0 -3.9006

375 0.391 0.9435 0.9911 32.4121 18.0143 40.5132

390 0.61632 0.787496 0.9902 -4.90927 17.1112 24.1368

420 0.96142 0.275077 0.9702 -1.42828 4.2161 8.7142

480 0.71894 -0.695077 0.9702 18.91381 16.1635 -18.3123

510 0.37383 -0.927496 0.9902 20.62375 6.6751 -22.8121

540 0 -1 1 20.25657 0 -21.6737

570 -0.37383 -0.927496 0.9902 19.67375 -9.9451 -16.3135

600 -0.71893 -0.695077 0.9702 16.48381 -12.6777 -10.6406

660 -0.96142 0.275077 0.9702 -9.50328 9.2256 -3.6585

690 -0.61632 0.787496 0.9902 -25.5093 15.6452 -17.8564

720 0 1 1 -32.2576 0 -32.2576

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

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

Pk = -m2Rω2 / FP (kG/cm2) Trong đó m2: là khối lợng thanh truyền qui dẫn về tâm chốt khuỷu

m2 =mtt-m1 =0.06624 – 0.01656 =0.0468 (kg)

Pk = -0.0468*0.04175*575.673 2

4.416*10− =- 4.801 *104 (KG/m2)

Vậy Pk = -4.801 (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 α

Tỉ lệ xích àp = 0.3 ((KG/cm2)/ mm) 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 - Q- ta tiến hành xác định Qtb:

Qtb = ; Trong đó Sđt =30500 (mm2)

L = 360 (mm) => Qtb =

360

30500

=84.72 (mm)

Do đó hệ số va đập:  = =

72 84

183

= 2.16 Vậy  = 2.16 < 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 R (chọn R= 80 (mm) ) tợng trng cho chốt khuỷu, sau đó chia vòng tròn thành

24 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=1.917 (

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

Từ đồ thị mài mòn cho thấy cung (7,8,9) 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

II.Tính bền xupáp

*Điều kiện làm việc và Vật liệu chế tạo

Do tiếp xúc trực tiếp với khí cháy nên xupáp chịu nhiệt độ cao và áp suất cao nhất là xupáp thảI(Nhiệt độ của xupáp thảI động cơ xăng có thể lên tới

8500C)

Ngoài ra xupáp còn bị ăn mòn hoá học do hơI axít trong khí thảI,riêng xupáp thảI còn bị mài mòn cơ học do tíêp xúc với luồng khí thảI

có áp suất cao(từ 400-600m/s)

* Vật liệu chế tạo

Xupáp thảI thờng ding thép hợp kim chịu nhiệt,các thành phần hợp kim nh :silíc,crom,mangan,40Cr9Si2

Xupáp nạp thờng cũng thờng dùng thép hợp kim Crom,mangan 40 Cr;40CrNi hoặc bằng thép hợp kim chịu nhiệt có thành phần Silic,tuy… nhiên không cần chịu nhiẹt cao nh xupáp thảI

* tính toán sức bền xupáp

Tính sức bền mặt ma sát xupâp

a.Nấm xupáp

Dùng phơng pháp Back để tính:

Coi nấm xupáp nh 1 đĩa tròn đặt trên đế

xupáp hình trụ

σu= 1 22

4 z

d P

δ

TRong đó:Pz - áp suất khí thể lớn nhất

d - Đờng kính trung bình của

nấm (cm)

δ - Chiều dày trung bình của

nấm (cm)

Thép C : [σu] =800 (kG/cm 2)

Thép HK : [σu]=1200(kG/cm 2)

b.Tính thân :

Thân bị uốn do lực Pk đặt lệnh tâm 1

khoảng là :X

Có : Kmax= 2

6 .

z t

P X

d l

Trong đó: Pk :lực tác dụng lên xupáp

[Kmax] = 2MN/m2