thiết kế môn học động cơ đốt trong

Phần II : Tính động lực học 1/ Khái quát: Khi động cơ là 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 t

Nôi dung thuyết minh:

Phần I : Tính toán Động học

Xác định vận tốc góc của động cơ:

 = Với n = 5800 (v/p)

⇒  =

60

5800

* 14 , 3

*

2 = 607.07 (rad/s)

Bán kính R = =

2

120 = 44.7 (mm)

Chọn tham số kết cấu  = =

4

1

I-1.Công thức tính độ dịch chuyển của Piston:

Giải độ dịch chuyển piston bằng phơng pháp giải tích

Sp = Sp1 + Sp2 = R.(1- Cosα) +

4

λ (1- Cos2α)];

với: Sp1 = R.(1- Cosα); Sp2 = R

4

λ (1- Cos2α); hay Sp = f1(α) Trong đó : s – độ dịch chuyển của piston

R- bán kính quay của trục khuỷu

λ – tham số kết cấu

α -góc quay trục khuỷu

Bảng tính độ dịch chuyển của Piston

15 1.521580466 1.495683295 3.017263761

30 5.98273318 5.582362975 11.56509616

45 13.07974437 11.16610105 24.24584542

60 22.3294519 16.75222123 39.08167313

75 33.10213881 20.84540957 53.94754838

90 44.6644042 22.34998583 67.01439002

105 56.22909293 20.86319929 77.09229222

120 67.00888491 16.78303864 83.79192355

135 76.26989552 11.20169683 87.47159235

150 83.38163829 5.613208716 88.99484701

165 87.85994816 1.513522089 89.37347025

180 89.39994331 5.66917E-05 89.4

195 87.89678138 1.477942709 89.37472409

210 83.45279714 5.551573979 89.00437112

225 76.37053553 11.13050536 87.50104089

240 67.13215454 16.72134723 83.85350177

255 56.36660003 20.82752174 77.19412177

270 44.80678732 22.34987244 67.15665977

285 33.23970457 20.8808907 54.12059527

300 22.45283486 16.81379914 39.26663401

315 13.18054466 11.23729234 24.417837

330 6.054088358 5.644110887 11.69819925

345 1.55863269 1.531458911 3.090091601

360 0.000226767 0.000226766 0.000453533

Biểu đồ :s1 , s2 , s theo góc quay α

2 Công thức tính vận tốc Piston :

Vẽ đồ thị vận tốc bằng phơng pháp giải tích

V p = V p1 +V p2 = R.ω.[Sinα +

2

λ.Sin 2α] ; với

V p1 = R.ω.Sinα ;

Vp2 =

2

λ.R. ω Sin2 α hay V = f2( α )

Trong đó : v – vận tốc của piston

R- bán kính quay của trục khuỷu

λ – tham số kết cấu

ω – tốc độ góc của trục khuỷu

α -góc quay trục khuỷu

Bảng tinhgiá trị vận tốc piston

α0 VP1(m/s) VP2(m/s) VP(m/s)

15 7.027127248 2.792465452 9.8195927

30 13.57585002 4.837433101 18.41328312

45 19.20033352 5.587498228 24.78783174

60 23.51766478 4.841880531 28.35954531

75 26.23392134 2.800169806 29.03409115

90 27.16418139 0.008898948 27.17308034

105 26.24511312 -2.784754014 23.4603591

120 23.5392864 -4.832973401 18.706313

135 19.23091299 -5.587484055 13.64342894

150 13.61330551 -4.846315679 8.766989827

165 7.068908792 -2.807867058 4.261041735

180 0.043263126 -0.017797874 0.025465253

195 -6.985327879 2.777035513 -4.208292366

210 -13.53836009 4.828501442 -8.709858649

225 -19.16970534 5.58745571 -13.58224963

240 -23.4959835 4.850738534 -18.64524497

255 -26.22266302 2.815557187 -23.40710583

270 -27.16411248 0.026696754 -27.13741573

285 -26.25623832 -2.769309968 -29.02554829

300 -23.56084832 -4.824017235 -28.38486555

315 -19.26144369 -5.587413191 -24.84885688

330 -13.65072646 -4.855149085 -18.50587555

345 -7.110672406 -2.823240175 -9.933912581

360 -0.086526143 -0.035595567 -0.12212171

Biểu đồ :v1 ,v2 ,v theo góc quay α

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

Trong đó : J – gia tốc của piston

R- bán kính quay của trục khuỷu

λ – tham số kết cấu

ω – tốc độ góc của trục khuỷu

α -góc quay trục khuỷu

bảng tính giá trị gia tốc piston

Biểu đồ : j1 , j2 , j theo góc quay α

α0 JP1(m/s2) JP2(m/s2) JP(m/s2)

360 16473.38555 4118.28371 20591.66926

Phần II : Tính động lực học

1/ Khái quát:

Khi động cơ là 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

2/ Lực khí thể :

a/ Xây dựng đồ thị công P-V:

Thể tích làm việc của xilanh Vs

Vs =

4

.D2 S

4

0894 0

* 073 0

* 14

= 0.374 (m3) Dung tích buồng cháy:

Vc = =

1 4 10

374 0

− = 0.039 (m

3) Thể tích của xilanh:

Va = εVc =10.4*0.036 =0.405 (m3) Với các giá trị áp suất đã cho

Pa = 0,93 KG/cm2

Pc = 22.47 KG/cm2

Pb = 3.8 KG/cm2

Pz = 70.8 KG/cm2

Pr = 1.13 KG/cm2

Po = 1 (at) = 0.1 KG/cm2

Chỉ số nén đa biến trung bình n1:

Pc = Pa.n1 ⇒n1 = =1.36

Chỉ số giãn nở đa biến trung bình n2:

Pb = Pz.()n2 , chọn  = 1.5

⇒ n2 = = 1,51 *Dựng đờng nén a-c và đờng dãn nở Z-b

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

p= 1/2.5 (KG/cm2 /mm) và v = 0.039(m3/mm) với các thông số trên

ta tiến hành vẽ đồ thị công:

Lấy các điểm trung gian l1 = 30mm , l2 = 50mm , l3 = 80mm

Với : la = 104mm , lc = 10mm

P a = 0.93 KG/cm2 , P z = 70.8 KG/cm2

n1 = 1.36 , n2 = 1.51 , ρ = 1.5

Li(mm) P Ci = P a( )n1

ci

a

l

l

Pbi = P z ρn2( )n1

bi

c

l l

Hiệu chỉnh đồ thị công

Bán kính vòng tròn bric Rb =

2

c

a l

2

12

216 − =102(mm)

Tham số kết cấu:  =

4 1

Khoảng di chuyển : oo’= R =

8

b

R =12.75 (mm)

Hiện chỉnh điểm c,, : Pc,, = 1,25Pc =28.09 KG/cm2

điểm : z1 : Pz1 = 0,85.P = 60.18KG/ cm2

Hiệu chỉnh điểm Góc đánh lửa sớm ϕ s = 120

Góc mở sớm van nạp ϕ 1 = 80

Góc đóng muộn van nạp : ϕ 2 = 460

Góc mở sớm van thải ϕ3 =520

Góc đóng muộn van thải : ϕ 4 = 180

b/ Khai triển đồ thị công P-V sang đồ thị:P-α

- 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 đ-ờng 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 4 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)

3/ Lực quán tính Pj:

Pj =- mJp = mRω2(cosα + λcos2α) (KG/cm2) -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

mp =0.52 (Kg)

m1 = 0,3.mtt = 0,3.0.7 = 0.21(Kg)

m =

P

p

F

m

=

83 41

21 0 52

0 + = 0.0175 (Kg/cm2)

R: Bán kính quay trục khuỷu , R = S/2 = 89.4/2 =44.7*10-3(m)

ω: Vận tốc góc của trục khuỷu ứng với số vòng quay lớn nhất ,

ω = 607.07(rad/s)

J : Gia tốc của piston

Qui đổi đơn vị pj = Kg/cm 2 m/s 2 = n/cm 2 = KG/cm 2 10 -1

Từ đó ta có giá trị lực quán tính : Pj = -m.Jp (KG/cm 2)

α0 JP(m/s2) Pj

90 -4105.243795 7.18417664

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 = 1/2,5 (KG.cm-2/mm)

5/ 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∑

T (KG/cm 2 ) ;

β

β α

cos

) cos(

=P∑

Z (KG/cm 2 )

4

sin arcsin(

) sin

-*Ta lập bảng tính T và Z nh sau :

β

β α

cos

) cos( +

90 14.48 1 -0.258 7.18418 -0.1 7.08418 7.084177 -1.82772

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

- Vẽ trục tọa độ (O,T,Z) góc tọa độ O1 , chiều dơng của trục T từ trái sang phải còn trục Z từ trên xuống dới , trong đó trục hoành là trục O1T, trục tung là trục O1Z

- Chọn tỷ lệ xích à = 1/2,5 (KG.cm-2/mm)

- Xác định tâm chốt khuỷu:Từ gốc tọa độ O1 của trục tọa độ TO1Z ta dịch xuống phía dới một đoạn PKo, ta xác định đợc điểm O , 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)

PKo = -m2.R.ω2 (KG/cm 2)

m2 = 0.7*mtt/F = 0.7*0.7/ 41.83= 0.0117 (Kg/cm 2)

PKo = -0.0117*44.7*10-3 607.072 =-192.74 (KG/cm 2)/10 = -19.274 (KG/cm 2)

Vecs tơ P 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 Oc 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)

Căn cứ vào đồ thị véctơ phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu, vẽ đồ thị Q - ϕ Căn cứ vào đồ thị Q - ϕ đếm số ô ta có tổng diện tích là (mm2) với chiều dài

360 (mm)

Ta tìm đợc Qtb:

Qtb= 34800/344 = 101.2(mm)

Do đó hệ số va đập sẽ là:

Χ = Kmax/Ktb= Qmax /Qtb = 166/101.2= 1.64< 4

Ta chọn tỉ lệ xích à = 1/2.5 (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 tròn có bán kính R bất kỳ (chọn R= 150(mm)) Ở

đây ta dùng ngay đường tròn tượng trưng cho chốt khuỷu ở đồ thị độc cực, sau đó chia đường tròn này thành 12 phần đều nhau theo các góc 30o, đánh số thứ tự như hình vẽ Cần tìm lực tác dụng lên mỗi điểm này

Bước 2 Tính lực Qi tác dụng lên mỗi điểm i đánh thứ tự trên chốt khuỷu Lực này được đo từ tổng các lực Qi có 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 O

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

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=1() Chiều vẽ 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

Ta chän tØ lÖ xÝch µ = 1/5 (KG.cm-2/mm)

Bảng giá trị hợp lực tác dụng trên mặt chốt khuỷu

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Q0 217.2 217.2 217.2 217.2 217.2

∑Qi 386.4 356 307.2 90 18.8 11.2 36.4 58 94 148.4 365.6 406

l∑Qi 77.28 71.2 61.44 18 3.76 2.24 7.28 11.6 18.8 29.68 73.12 81.2

Từ đồ thị mài mòn cho thấy cung chịu tải nhỏ nhất của chốt khuỷu, nh vậy ta có thể chọn một điểm trong cung này để làm vị trí khoan lỗ đầu

Phần III : TINH BÊN BƠM DÂU

Để bảo đảm cung cấp đủ dầu cho hệ thống, bơm dầu cần phảI cung cấp một

lu lợng dầu lớn gấp vài lần so với lu lợng cần thiết Do đó lu lợng của bơm dầu

Vb’ có thể xác định gần đúng nh sau:

Vb’ = (2: 3,5) Vd ; ( l/h)

Do động cơ xăng lên ta có :

Vb’ =14: 20).Ne (l/h)

Nêu xét đến hiệu xuất của bơm thì:

Vb’ = Vb’/ηb

Trong đó : ηb : hiệu suet của bơm ta lấy ηb = 0.8

Các thông số của bơm dầu xác định theo công thức:

Vb = 3,14.d0.h.b.nb.60.10-6 (l/h)

Vb = m2.Z.b.nb/2660 (l/h)

Trong đó : d0 :là đờng kính vòng chia(mm)

h : là chiều dầy bánh răng , lấy h=2.m(mm)

nb :là số vòng quay của bơm dầu (v/phút)

m :la mô đun của răng (mm)

Z :là số răng

Thông thờng thì khi thiết kế phaỉ đảm bảo lu lợng dầu và tốc độ vòng của bánh răng không vợt quá giới hạn qui định (khoảng 6 : 8m/s)

Công suất dân động bơm dầu có thể xác định theo công thức:

Nb = Vb.(Pdr-Pdv)/(ηm.2700).,mã lực

ηm : hiệu suất cơ giới của bơm dầu(mm2)

Pdr-Pdv : áp suất dầu ra và áp suất dầu vào bơm(KG/cm2)