Đô án tkdcdt THUYẾT MINH bản full

đồ án Đô án tkdcdt THUYẾT MINH bản fullĐô án tkdcdt THUYẾT MINH bản fullĐô án tkdcdt THUYẾT MINH bản fullĐô án tkdcdt THUYẾT MINH bản fullĐô án tkdcdt THUYẾT MINH bản fullĐô án tkdcdt THUYẾT MINH bản fullĐô án tkdcdt THUYẾT MINH bản fullĐô án tkdcdt THUYẾT MINH bản fullĐô án tkdcdt THUYẾT MINH bản fullĐô án tkdcdt THUYẾT MINH bản fullĐô án tkdcdt THUYẾT MINH bản fullĐô án tkdcdt THUYẾT MINH bản full

LỜI NÓI ĐẦU

Trong xã hội với nền công nghiệp hiện đại ngày nay, không ai có thể phủ nhận vai trò của động cơ đốt trong Động cơ đốt trong xuất hiện trên nhiều lĩnh vực thiết yếu của cuộc sống như: sản xuất công nghiệp, nông nghiệp hay giao thông vận tải Ở các nước có nền công nghiệp phát triển song đều có một nền công nghiệp sản xuất, chế tạo động cơ tiên tiến, không những để đáp ứng nhu cầu trong nước mà còn để xuất khẩu

Trong chương trình đạo tạo kỹ sư ô tô của khoa Kỹ Thuật Giao Thông, trường Đại học Bách Khoa TP HCM, đồ án môn học Thiết kế động cơ đốt trong là một môn học rất quan trọng, nhằm trang bị cho sinh viên về phương pháp luận để thiết kế động cơ đốt trong cũng như những hiểu biết sâu sắc về kết cấu và tính toán thiết kế động cơ Để giúp sinh viên nắm vững những lý thuyết đã học cũng như để làm quen với trình tự thiết kế động cơ theo như thực tế ở bên ngoài, vì vậy bộ môn ô tô đã đưa môn học này vào chương trình

Em xin chân thành cảm ơn Thầy Đinh Quốc Trí đã hướng dẫn em tận tình, có

nhiều đánh giá, nhận xét quý báu trong quá trình mà em thực hiện đồ án này

Vì đây là lần đầu tiên thực hiện một đồ án chuyên ngành về động cơ đốt trong nên không tránh khỏi những sai xót, em kính mong quý Thầy (Cô) góp ý và chỉ ra những thiếu xót, khuyết điểm của em trong Đồ án này, để em có thể rút kinh nghiệm và cố gắng hoàn thiện tốt hơn kiến thức chuyên ngành của mình Em xin chân thành cảm ơn quý Thầy ( Cô)

Sinh viên thực hiện

Huỳnh Tí

Chương I PHÂN TÍCH ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC, NHIỆM VỤ VÀ YÊU CẦU

CỦA HỆ THỐNG PHÁT LỰC 1.1 NHIỆM VỤ CỦA HỆ THỐNG PHÁT LỰC:

- Nhóm các chi tiết phát lực có nhiệm vụ biến áp lực của khí thể cháy sinh ra trong xilanh thành mô men của trục khuỷu động cơ để dẫn động máy công tác

- Bảo đảm bao kín buồng cháy, giữ không cho khí cháy trong buồng cháy lọt xuống Các- te (hay hộp trục khuỷu) và ngăn không cho dầu nhờn từ hộp trục khuỷu sục lên buồng cháy

- Làm nhiệm vụ nén trong quá trình thải và hút khí nạp mới vào buồng cháy trong quá trình nạp

- Nhóm các chi tiết phát lực bao gồm : nhóm piston, nhóm thanh truyền, nhóm trục khuỷu bánh đà

1.2 ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC, YÊU CẦU VÀ PHÂN LOẠI CỦA TỪNG BỘ

PHẬN TRONG HỆ THỐNG:

1.2.1 Piston:

a) Nhiệm vụ:

Nhiệm vụ chủ yếu của piston là cùng với các chi tiết khác như xy-lanh,

nắp xy-lanh bao kín tạo thành buồng cháy, đồng thời truyền lực của khí thể cho thanh truyền (trong quá trình cháy và giãn nở ) để làm quay trục khuỷu; nén khí trong quá trình nén; đẩy khí thải ra khỏi xilanh trong quá trình thải và hút khí nạp mới vào buồng cháy trong quá trình nạp

b) Điều kiện làm việc:

- Tải trọng cơ học lớn và có chu kỳ, áp suất lớn có thể đạt tới 120 kG/cm2, lực quán tính lớn đặc biệt nếu là động cơ cao tốc

- Tải trọng nhiệt cao vì piston tiếp xúc trực tiếp với khí cháy nên có thể đạt nhiệt độ cao từ 500 – 8000K Nhiệt độ cao khiến piston chịu ứng suất nhiệt lớn gây bó kẹt, nứt, giảm sức bền, gây kích nổ vv…

- Ma sát lớn và ăn mòn hóa học Ma sát gây nên do lực ngang nên có giá trị lớn với điều kiện bôi trơn khó khăn nên khó đảm bảo bôi trơn tốt

Ăn mòn hóa học do piston thường xuyên tiếp xúc với sản vật cháy

c) Kết cấu:

Piston gồm 3 phần chính :

- Đỉnh piston là phần trên cùng của piston cùng với xilanh và quy-lát tạo thành buồng cháy Ta thiết kế đỉnh piston theo dạng đỉnh bằng, nó có tiết diện chịu nhiệt bé nhất,kết cấu đơn giản dễ chế tạo

- Đầu piston bao gồm đỉnh piston và vùng đai lắp các xéc măng dầu và khí, làm nhiệm vụ bao kín

- Thân piston là phần phía dưới rãnh xéc măng dầu cuối cùng ở đầu piston, làm nhiệm vụ dẫn hướng piston

d) Yêu cầu:

- Dạng đỉnh piston tạo thành buồng cháy tốt nhất

- Có độ bền và độ cứng đủ để tránh biến dạng quá lớn và chịu mài mòn

- Đảm bảo bao kín buồng cháy để công suất động cơ không bị giảm sút

do hiện tượng lọt khí từ buồng cháy xuống cacte

- Tản nhiệt tốt để tránh dãn nở nhiệt quá mức khi động cơ đang làm việc, ngoài ra tránh được hư hỏng piston do ứng suất nhiệt

e) Phân loại: Theo dạng đỉnh piston

- Đỉnh bằng: diện tích chịu nhiệt nhỏ, kết cấu đơn giản

- Đỉnh lõm: có thể tạo xoáy lốc nhẹ, tạo thuận lợi cho quá trình hình thành hỗn hợp và đốt cháy Tuy nhiên sức bền kém và diện tích chịu nhiệt lớn hơn so với đỉnh bằng

- Đỉnh chứa buồng cháy: thường gặp ở động cơ Diesel

1.2.2 Chốt Piston: Là chi tiết nối Piston với thanh truyền

a) Nhiệm vụ:

- Chốt piston là chi tiết máy nối piston với thanh truyền, truyền lực tác dụng của khí thể từ piston xuống thanh truyền để làm quay trục khuỷu Chốt piston thường có cấu tạo rỗng và được lắp lỏng với bệ chốt piston

và đầu nhỏ thanh truyền

b) Điều kiện làm việc:

- Chốt piston chịu lực va đập, tuần hoàn, nhiệt độ cao và điều kiện bôi trơn khó khăn Chốt piston còn chịu ma sát dạng nửa ướt, chốt piston

dễ bị mòn

c) Yêu cầu:

- Chốt piston phải được chế tạo bằng vật liệu tốt để đảm bảo sức bền và

độ cứng vững Bề mặt làm việc của piston cần tôi theo công nghệ đặc biệt để đảm bảo chốt có độ cứng cao, chịu mài mòn tốt Ruột chốt phải dẻo để chống mỏi tốt Mặt chốt phải mài bóng để chống ứng suất tập trung và khi lắp ghép với piston và thanh truyền khe hở phải nhỏ

d) Phân loại:

- Theo kiểu lắp ghép chốt:

 Cố định chốt piston trên bệ chốt piston

 Cố định chốt piston trên đầu nhỏ thanh truyền

b) Điều kiện làm việc:

Xéc măng chịu tải trọng cơ học lớn (áp lực khí cháy), chịu lực quán tính lớn, có chu kỳ và chịu lực va đập Ngoài ra xéc măng còn chịu nhiệt độ cao, ma sát lớn, ăn mòn hóa học và ứng suất lắp ghép ban đầu

c) Yêu cầu:

- Chịu nhiệt cao: đặc biệt với xéc măng khí tiếp xúc trực tiếp với khí cháy

- Sức bền và độ đàn hồi tốt trong điều kiện làm việc ở nhiệt độ cao

- Chịu mài mòn tốt ở điều kiện ma sát lớn

- Có hệ số ma sát nhỏ đối với mặt xilanh

d) Phân loại: có hai loại xéc măng là xéc măng khí và xéc măng dầu

1.2.4 Nhóm thanh truyền:

Nhóm thanh truyền bao gồm các chi tiết : đầu nhỏ thanh truyền, bạc lót đầu nhỏ, nắp đầu to thanh truyền, hai nửa bạc lót đầu to thanh truyền, đầu to thanh truyền, đai ốc và bulông thanh truyền

Hình 1.1 Kết cấu thanh truyền

a) Nhiệm vụ:

Thanh truyền là chi tiết máy kết nối piston với trục khuỷu qua chốt piston Trong quá trình làm việc nhóm thanh truyền nhận lực tác dụng trên piston truyền cho trục khuỷu làm quay trục khuỷu

b) Điều kiện làm việc:

Khi động cơ làm việc thanh truyền chịu các lực sau đây:

- Lực khí thể của quá trình nén và cháy – giản nở trong xilanh

- Lực quán tính của các chi tiết chuyển động tịnh tiến

- Lực quán tính của bản thân thanh truyền

Khi làm việc lực quán tính và lực khí thể thay đổi theo chu kỳ bởi vậy tải trọng tác dụng vào thanh truyền cũng thay đổi và có tính chất va đập

mạnh Thân thanh truyền chịu nén và chịu uốn dưới tác dụng của lực khí thể và lực quán tính

c) Kết cấu:

Kết cấu của thanh truyền gồm ba phần:

- Đầu nhỏ thanh truyền : đầu lắp ghép thanh truyền với chốt piston

- Đầu to thanh truyền : Đầu lắp ghép thanh truyền với chốt piston

- Dễ lắp ghép cụm piston thanh truyền với trục khuỷu

e) Phân loại: Theo tiết diện thân thanh truyền

- Tiết diện hình chữ I: có sức bền đều theo hai phương, được dùng rất phổ biến từ động cơ cỡ nhỏ đến động cơ cỡ lớn

- Tiết diện hình chữ nhật, ô van: có ưu điểm là dễ chế tạo, thường dùng ở động cơ mô – tô, xuồng máy cỡ nhỏ

1.2.5 Trục khuỷu:

Trục khuỷu là một trong những chi tiết máy quan trọng nhất, cường độ làm việc lớn nhất và giá thành cao nhất của động cơ đốt trong Trục khuỷu bao gồm các phần : Đầu trục khuỷu, cổ trục khuỷu, chốt khuỷu, má khuỷu, đối trọng và

đuôi trục khuỷu

a) Nhiệm vụ: Tiếp nhận lực tác dụng từ piston tạo mômen quay kéo các

máy công tác và nhận năng lượng của bánh đà Sau đó, truyền cho thanh truyền và piston thực hiện quá trình nén cũng như trao đổi khí trong xilanh

b) Điều kiện làm việc: Trục khuỷu chịu lực T, Z do lực khí thể và lực quán

tính của nhóm piston – thanh truyền gây ra Ngoài ra trục khuỷu còn chịu lực quán tính ly tâm của các khối lượng quay lệch tâm của bản thân trục khuỷu và của thanh truyền Những lực này gây uốn, xoắn, dao động xoắn và dao động ngang của trục khuỷu lên các ổ đỡ

c) Yêu cầu: Kết cấu trục khuỷu cần đảm bảo các yêu cầu:

- Trục khuỷu phải có sức bền lớn, độ cứng vững lớn, trọng lượng nhỏ và

ít mòn

- Độ chính xác gia công cao

- Các bề mặt làm việc của trục khuỷu cần có độ bóng bề mặt và độ cứng

cao

- Không xảy ra hiện tượng dao động cộng hưởng trong phạm vi tốc độ sử

dụng

- Kết cấu của trục khuỷu phải đảm bảo tính cân bằng và tính đồng đều

của dộng cơ

- Đảm bảo tính công nghệ dễ chế tạo

d) Phân loại: có hai loại là trục khuỷu nguyên là trục khuỷu ghép

1.2.6 Bánh đà:

a) Nhiệm vụ:

Trong động cơ đốt trong, bánh đà có công dụng chủ yếu sau:

- Đảm bảo tốc độ quay đồng đều của trục khuỷu động cơ

- Trong quá trình làm việc, bánh đà tích trữ năng lượng dư sinh ra trong quá trình sinh công để bù đắp phần năng lương hao hụt trong các hành trình tiêu hao công

- Trong những động cơ có tỷ số nén cao, số xilanh ít và khởi động động

cơ bằng phương pháp quán tính, bánh đà tích trữ năng lượng khởi động động cơ

- Trong một số loại động cơ cỡ nhỏ làm mát bằng gió, các cánh quạt gió được đúc liền ngay trên mặt bánh đà, lúc này bánh đà có tác dụng như một quạt gió Trong các loại động cơ này, trên bánh đà thường gắng nam châm vĩnh cửu để tạo ra nguồn điện, do đó bánh đà có tác dụng như một stato quay của máy phát điện xoay chiều

- Ngoài ra bánh đà còn là nơi để ghi lại những ký kiệu ĐCT, ĐCD, đánh lửa sớm

b) Vật liệu chế tạo

Bánh đà của động cơ đốt trong tốc độ thấp và trung bình thường đúc bằng các loại gang xám Bánh đà của động cơ tốc độ cao thường đúc hoặc dập bằng thép cacbon có thành phần cabon thấp

c) Phân loại: Theo kết cấu:

- Bánh đà dạng đĩa: là bánh đà mỏng có mômen quán tính nhỏ nên chỉ dùng cho động cơ tốc độ cao

Chương II CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

2.1 CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CÁC CHI TIẾT TRONG HỆ THỐNG: 2.1.1 Số xilanh và số hàng xilanh

a) Số xilanh

- Động cơ một xilanh:

Đơn giản, số lượng chi tiết máy ít, dễ chế tạo, song không thể thỏa mãn nhu cầu tăng công suất được, vì khi tăng công suất động cơ có đường kính xilanh lớn, khối lượng nhóm pít - tông lớn làm tăng lực quán tính hơn nữa khối lượng của các chi tiết máy khác như thanh truyền, trục khuỷu…cũng lớn, rất cồng kềnh, tính ưu việt giảm sút

- Động cơ nhiều xilanh:

Từ những nhược điểm của động cơ một xilanh,biện pháp tốt nhất để tăng công suất động cơ là tăng số xilanh

b) Số hàng xilanh

- Động cơ một hàng xilanh:

Là loại động cơ chúng ta thường thấy, thường dùng làm động cơ tĩnh tại, ôtô máy kéo, tàu thủy…để giảm đến mức thấp nhất rung động do chuyển động thẳng đứng của piston và mang lại sự êm dịu thì động cơ bố trí nhiều xilanh, động cơ thẳng hàng thường có 4 hay 6 xilanh

- Động cơ hai hàng xilanh:

Loại động cơ kiểu này trước kia thường dùng trong máy bay nhất là động cơ chữ V làm mát bằng nước, sau đó được dùng nhiều trên ôtô và xe tăng, có thế nói rằng động cơ chữ V đang dần dần chiếm ưu thế tuyệt đối trong các xe du lịch có công suất lớn

- Đỉnh lồi (hình 2.1b): có độ cứng vững cao Loại này có thể không cần bố trí các đường gân dưới đỉnh nên trọng lượng piston có thể giảm Đỉnh lồi ít kết muội than nhưng do bề mặt chịu nhiệt lớn nên ảnh hưởng xấu đến quá trình làm việc

của piston Kết cấu đỉnh lồi thường được sử dụng trong cá động cơ xăng có

buồng cháy chỏm cầu dùng xupap treo và trong cá động cơ xăng hai kỳ cỡ nhỏ

- Đĩnh lõm (hình 2.1 c) : Thường dùng trong một số động cơ xăng ( buồng cháy

chỏm cầu) và động cơ diesel ( buồng cháy dự bị xoáy lốc) Phần lõm có thể là

toàn đỉnh hoặc chỉ là một phần Chõm cầu lõm có thể đồng tâm, cũng có thể

lệch tâm Loại đỉnh lõm có phần diện tích chịu nhiệt lớn hơn loại đỉnh bằng

nhưng có ưu điểm là tạo ra xoáy lốc nhẹ trong quá trình nén và trong quá trình

a) Phương án kết cấu chốt piston

Hình 2.1.2 a : Cả mặt ngoài và mặt trong đều có dạng hình trụ, loại này tuy có

ưu điểm là dễ gia công nhưng sức bền trên chốt piston phân bố không đều

Hình 2.1.2 b,c : Tuy việc gia công rất phức tạp nhưng nhẹ hơn và có sức bền

đồng đều hơn Loại chốt này thường dùng trên động cơ cao tốc

Hình 2.2 Các dạng kết cấu chốt piston

b) Phương án lắp chốt piston

- Cố định chốt piston trên bệ chốt piston : Chốt piston được cố định trên bệ chốt

bằng một hoặc nhiều bulông ( ngày nay không dùng nữa )

Ưu điểm:

+ Do không có sự chuyển động tương đối với bệ chốt nên bệ chốt có thể làm

ngắn lại và không cần tổ chức bôi trơn cho bệ chốt

+ Đầu nhỏ thanh truyền được làm dài hơn nên dễ bơi trơn và giảm áp suất tiếp xúc

Nhược điểm:

+ Do bệ chốt làm ngắn đi, khoảng cách hai gối đỡ tăng nên độ võng của chốt cũng lớn

+ Trên bệ chốt và chốt phải gia công ren nên gây ứng suất tập trung

+ Tình trạng chịu lực và mài mòn của chốt không đều

+ Làm tăng khối lượng chuyển động tịnh tiến do dùng bulông lắp ghép

Hình 2.3 Cố định chốt piston trên bệ chốt piston

- Cố định chốt piston trên đầu nhỏ thanh truyền: chốt piston được cố định trên

đầu nhỏ thanh truyền bằng bulông

Hình 2.4 Cố định chốt piston trên đầu nhỏ thanh truyền

- Chốt lắp tự do : Chốt piston không cố định trên đầu nhỏ thanh truyền cũng không

cố định trên bệ chốt Trong quá trình làm việc chốt có thể xoay tự do quanh đường tâm và di chuyển dọc trục Hầu hết các động cơ hiện nay đều dùng phương pháp này vì có nhiều ưu điểm:

+ Chốt xoay tự do quanh tâm nên mòn đều và mặt chịu lực thay đổi nên ít bị mỏi

+ Nếu vì lý do nào đó làm kẹt chốt với đầu nhỏ hay bệ chốt thì chốt vẫn làm việc như một trong hai phương án trên

Vậy chọn phương án lắp chốt piston tự do để thiết kế

- Đầu nhỏ thanh truyền có dạng hình trụ rỗng Khi ấy chốt piston lắp tự do

- Đầu nhỏ thanh truyền của các động cơ dùng kiểu lắp chốt piston cố định trên đầu nhỏ thanh truyền

Động cơ được thiết kế công suất không lớn nên chọn phương án đầu nhỏ thanh truyền có dạng trụ rỗng và có khoan lỗ hứng dầu

2.1.3.b Thân thanh truyền:

Thân thanh truyền có tiết diện hình chữ I được sử dụng phổ biến vì đảm bảo sức bền theo hai phương Vậy chọn phương án thân thanh truyền có tiết diện chữ I

2.1.3.c Đầu to thanh truyền:

Có các loại sau:

- Phương án phổ biến nhất là một phần của đầu to thanh truyền được gắn liền với thân thanh truyền, phần còn lại được ghép với phần trên nhờ hai bulông

- Phương án tương tự trên nhưng dùng nhiều bu lông hơn (4 hoặc 6 bulông)

để lắp ghép với đầu to thanh truyền Như vậy đường kính bulông sẽ nhỏ hơn so với phương án trên Tuy nhiên nhược điểm là các bu lông chịu lực không đều có thể dẫn đến hiện tượng mài mòn không đều và đứt gãy bulông

- Tương tự phương án đầu tiên nhưng cắt chia đầu to thanh truyền theo mặt nghiêng 300 đến 600 so với đường tâm thanh truyền

- Dùng chốt côn để lắp ghép đầu to thanh truyền theo kiểu khớp bản lề

Do tính đơn giản và phổ biến nên chọn phương án đầu tiên

Hình 2.6.Thanh truyền

2.1.4 Trục khuỷu:

Hình dạng trục khuỷu phụ thuộc vào số xilanh, cách bố trí xilanh, số kỳ của động cơ và thứ tự làm việc của các xilanh Dựa vào kết cấu, trục khuỷu có hai loại: trục khuỷu nguyên và trục khuỷu ghép

- Trục khuỷu nguyên ( Hình 2.7b )

Trục khuỷu nguyên là loại trục khuỷu có các bộ phận cổ trục, má khuỷu, chốt khuỷu,… làm liền với nhau thành một khối Loại này thường dùng trong các loại động cơ cỡ nhỏ và trung bình

- Trục khuỷu ghép ( Hình 2.7a )

Loại trục khuỷu ghép thường chế tạo riêng từng bộ phận: cổ trục, má khuỷu, chốt khuỷu,… ghép lại với nhau hoặc làm cổ trục riêng rồi ghép với khuỷu Trục khuỷu trong một vài động cơ lớn, đôi khi được chế tạo thành từng đoạn rồi lắp lại với nhau bằng mặt bích

a) Trục khuỷu ghép b) Trục khuỷu nguyên

Hình 2.7 : Loại trục khuỷu

Theo cách phân loại như trên và do động cơ xăng 4 xilanh phổ biến là dùng trục khuỷu nguyên nên chọn phương án thiết kế là trục khuỷu nguyên

2.1.5 Bánh đà:

- Bánh đà dạng đĩa

Bánh đà có dạng như một đĩa tròn có chiều dày đồng đều Phần moayo của bánh

đà lắp ghép với mặt bích trên đuôi trục khuỷu bằng bulông thường từ 6:8 và có chốt định vị bánh đà hoặc có lỗ bulông bố trí không đối xứng để khi lắp không lắp sai vị trí làm việc

Trên bánh đà của các động cơ khởi động bằng động cơ điện còn có lắp vành răng

để khởi động Vành răng răng này cố định trên bánh đà bằng cách ép nóng có độ dôi nhỏ kết hợp với bulông

Mặt ma sát của bánh đà là một trong những mặt làm việc của bộ ly hợp lắp trên bánh đà Khi làm việc mặt ma sát trên bánh đà tiếp xúc với mặt làm việc của tấm

ma sát

Loại bánh đà dạng đĩa có mômen bánh đà không lớn lắm nên chỉ thích hợp cho động cơ nhiều xy xilanh và động cơ tốc độ cao trên động cơ oto Đối với các loại động cơ ít xilanh và tốc độ thấp thường dùng bánh đà dạng vành

- Bánh đà dạng vành

Kết cấu này đảm bảo bánh đà có mômen bánh đà lớn và trọng lượng bánh đà nhỏ Khối lượng của vành bánh đà chiếm khoảng 80-90% khối lượng bánh đà Phần vành liên kết với phần ổ bánh đà bằng tấm mỏng hoặt bằng nan hoa có tiết diện hình ovan hoặt chữ thập Loại bánh đà này thường lắp ghép với trục khuỷu bằng mặt côn, có then định vị

Do bánh đà có kích thước khá lớn nên để chế tạo được dễ dàng, có khi người ta thường đúc bánh đà thành hai nửa rồi dùng bulông lắp ghép lại với nhau

- Bánh đà dạng chậu

Về kết cấu bánh đà dạng chậu chỉ khác bánh đà dạng đĩa ở chỗ nó có thêm phần vành đúc liền với đĩa Bánh đà của các động cơ diesel máy kéo thường dùng kết cấu này, loại bánh đà này có sức bền và mômen bánh đà lớn và do phần đĩa có mặt

ma sát rất dày nên tuổi thọ khá lớn

6 Đầu nhỏ thanh truyền Dạng hình trụ rỗng

7 Thân thanh truyền Tiết diện chữ I

8 Đầu to thanh truyền Một phần đầu to gắn với thanh thuyền, phần còn

lại ghép bằng hai bulông

9 Trục khuỷu Trục khuỷu nguyên

2.2 SƠ ĐỒ CẤU TẠO:

Sau khi đã chọn tất cả các phương án như trên, ta vẽ được sơ đồ cấu tạo hệ thống như sau:

Hình 2.8 Sơ đồ cấu tạo hệ thống phát lực



P k

P S

Piston 1 Piston 4 Piston 3 Piston 2

Hút Nổ Xả

Nổ Nổ Nổ

Nén Nén Nén

Nén Xả

Xả Xả

Hút Hút Hút

TTN: 1 - 3 - 4 - 2

0 180 360 540 720

Trong động cơ đốt trong kiểu piston cụm chi tiết chuyển động chính (piston, thanh truyền, trục khuỷu) làm việc trên nguyên tắc sau:

- Nhóm piston chuyển động tịnh tiến lên xuống truyền lực khí thể cho thanh truyền

- Nhóm thanh truyền là chi tiết chuyển động trung gian, có chuyển động phức tạp để biến chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu

- Trục khuỷu là chi tiết máy quan trọng nhất, có chuyển động quay và truyền công suất của động cơ ra ngoài để dẫn động máy công tác khác

Hình 2.10 Các kỳ của động cơ

Theo chu kỳ lý thuyết, mỗi kỳ khởi sự ngay tại một điểm chết mà cũng chấm dứt ngay tại một điểm chết Trong động cơ bốn kỳ thì mỗi kỳ sẽ thực hiện một quá trình và có:

- Kỳ nạp/hút: piston nhận năng lượng từ bánh đà thông qua kết cấu trục khuỷu và thanh truyền dịch chuyển từ điểm chết trên (ĐCT) xuống điểm chết dưới (ĐCD) thực hiện quá trình nạp môi chất công tác

- Kỳ nén: piston cũng nhận năng lượng từ bánh đà thông qua kết cấu trục khuỷu và thanh truyền dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCT, thực hiện quá trình nén, thể tích xilanh nhỏ lại từ Va đến Vc

- Kỳ sinh công: xảy ra quá trình cháy – giãn nở và sinh công Piston nhận

áp lực từ khí cháy sinh ra trong xilanh động cơ dịch chuyển từ ĐCT xuống ĐCD và truyền ra ngoài cho thiết bị công tác thông qua cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền

- Kỳ thải/xả/: piston tiếp tục nhận năng lượng từ bánh đà thông qua cơ cấu truc khuỷu – thanh truyền, dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCT thực hiện quá trình thải sản vật cháy ra ngoài

Chương 3 THIẾT KẾ BỐ TRÍ CHUNG

A TÍNH TOÁN NHIỆT

3.1 GIỚI THIỆU TÍNH TOÁN NHIỆT

Tính toán nhiệt động cơ đốt trong (ĐCĐT) chủ yếu là xây dựng trên lý thuyết

đồ thị công chỉ thị của một động cơ cần thiết kế thông qua việc tính toán các thông số nhiệt động lực học của chu trình công tác trong động cơ gồm các quá trình:

- Tiếp theo ta tính các thông số đánh giá tính năng của chu trình gồm các thông số chỉ thị và các thông số có ích của chu trình công tác như: áp suất chỉ thị trung bình pi, áp suất có ích trung bình pe, công suất chỉ thị Ni, công suất có ích Ne, hiệu suất e và suất tiêu hao nhiên liệu ge của động cơ, …

- Cuối cùng, bằng kết quả các quá trình tính toán nói trên ta xây dựng giản đồ công chỉ thị của động cơ và đây là các số liệu cơ bản cho các bước tính toán động lực học và thiết kế sơ bộ cũng như thiết kế kỹ thuật toàn bộ động cơ

- Trong tính toán kiểm nghiệm động cơ cho trước, việc tính toán nhiệt có thể được thay thế bằng cách đo đồ thị công thực tế trên động cơ đang hoạt động nhờ các

phương tiện, các dụng cụ đo ghi kỹ thuật hiện đại Tuy nhiên với phương pháp tính toán dựa trên cơ sở lý thuyết nhiệt động hóa học trong động cơ đốt trong, người ta cũng có thể tiến hành khảo sát những chỉ tiêu động lực và chỉ tiêu kinh tế của các động cơ đã có sẵn này với kết quả đáng tin cậy

-Toàn bộ quá trình tính toán nhiệt tuân theo tài liệu [1]

3.2 CÁC THÔNG SỐ CHO TRƯỚC CỦA ĐỘNG CƠ

3.2.1 Loại động cơ

Động cơ xăng 4 kỳ, 4 xy lanh thẳng hàng, làm mát bằng nước

3.2.2 Công suất cực đại

Ne/nN =88/6600 (Kw/vòng /phút)

3.2.3.mômen xoắn cực đại

Đường kính xilanh x hành trình piston ( D x S): 73 x 89,4 (mm x mm)

3.2.7 Động cơ tham khảo

Động cơ i-VTEC của Honda trên xe “Honda city”

3.3 CHỌN CÁC THÔNG SỐ CHO TÍNH TOÁN NHIỆT:

3.3.1 Áp suất không khí nạp (p o )

Áp suất không khí nạp được chọn bằng áp suất khí quyển :

po = 0,1013 (MN/m2)

3.3.2 Nhiệt độ không khí nạp mới (T 0 )

Miền Nam nước ta thuộc khu vực nhiệt đới, nhiệt độ trung bình trong ngày có thể chọn là tkk = 29 oC Do đó:

To = (tkk + 273)oK = 29+273 = 302 (oK)

3.3.3 Áp suất khí nạp trước xupap nạp (p k )

Động cơ bốn kỳ không tăng áp: pk = po = 0,1013 (MN/m2)

3.3.4 Nhiệt độ khí nạp trước xupap nạp (T k )

Đối với động cơ bốn kỳ không tăng áp Tk = To = 302 (oK)

3.3.5 Áp suất cuối quá trình nạp (p a )

Đối với động cơ không tăng áp, áp suất cuối quá trình nạp thường nhỏ hơn áp suất khí quyển, do có tổn thất trên ống nạp và bầu lọc gây nên

Động cơ 4 kỳ không tăng áp:

2 0

3.3.9 Chọn hệ số nạp thêm  1

Hệ số nạp thêm 1 biểu thị sự tương quan năng lượng tương đối của hỗn hợp khí công tác sau khi nạp thêm so với lượng khí công tác chiếm chỗ thể tích Va

Chọn 1 = 1,04

3.3.10 Chọn hệ số quét buồng cháy  2

Động cơ không tăng áp do không có quét buồng cháy nên chọn 2 = 1

3.3.11 Chọn hệ số hiệu đính tỷ nhiệt  t

Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt t phụ thuộc vào thành phần của khí hỗn hợp  và nhiệt

độ khí sót Tr

Đối với động cơ xăng ta chọn t =1,15

3.3.12 Hệ số lợi dung nhiệt tại điểm Z ( Z )

Là thông số số biểu thị mức độ lợi dụng nhiệt của quá trình cháy, hay tỷ lệ lượng nhiên liệu đã cháy tại điểm Z

Động cơ xăng chọn Z = 0,75

3.3.13 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b ( b )

Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b b phụ thuộc vào nhiều yếu tố Khi tốc độ động

cơ càng cao, cháy rớt càng tăng, dẫn đến nhỏ

Động cơ xăng chọn b = 0,85

3.3.14 Chọn hệ số dƣ lƣợng không khí 

Lượng không khí đi vào xy lanh M1 có thể nhỏ hơn hoặc lớn hơn Mo

 = M1/Mo Trong đó: M1- lượng không khí thực tế nạp vào xilanh

Mo- lượng không khí lý thuyết cần thiết đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu

Theo đề bài  = 0,9

3.3.15 Chọn hệ số điền đầy đồ thị công ( d )

Hệ số điền đây đồ thị công đánh giá phần hao hụt về diện tích của đồ thị công thực tế so với đồ thị công tính toán

Động cơ xăng:d (0,92 0,97)  chọn d = 0,97

3.4 TÍNH TOÁN NHIỆT

3.4.1 Quá trình nạp:

- Hệ số nạp (v )

1 m a

1 1,5

P P

r a

r

1,5 1 1,5

0

p

p T

T b

mc a  T     T KJ Kmol K

+ Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản vật cháy

Do <1 nên sử dụng công thức sau :

 

5 3

1(19,806 0, 002095 ) 360, 34 252, 4 10

21(19,806 0, 002095 ) 360, 34 252, 4.0, 9 10

219,806 5, 0325.10

'

2

8, 314 1

+ Áp suất cuối quá trình nén

 

' 0

8,3141

1620, 69

1085,85 K

0, 3990,12

b r

b r

T T

P P

Sai số: r

r

1100 1085,85ΔT

1,303% 5%



Vậy nhiệt độ khí sót chọn lúc đầu là chấp nhận được

3.4.5 Tính toán các thông số đặc trƣng của chu trình

- Áp suất chỉ thị trung bình tính toán p i

i

p p

 = 4 - số chu kỳ của động cơ

i = 4 - số xilanh của động cơ

ne =6600 v/p - số vòng quay của động cơ

Ne =88 kW - công suất động cơ

Bảng 3.1: Bảng kết quả tính toán nhiệt của động cơ xăng

TT Thông số Đơn vị  = 0,9 TT Thông số Đơn vị  = 0,9

a a xn

V

Vp

p   

Bằng cách thay giá trị Vxn đi từ Va đến Vc ta lần lượt xác định được các giá trị pxn

- Dựng đường công giãn nở

2

n

xg

z z xg

V

V.p

+ Lấy từ tâm O một khoảng OO’ vẽ phía phải, với: λ.R

OO'

2

 trong đó  là thông số kết cấu, đã được chọn trước

+ Từ tâm O’ ta vẽ các tia hợp với đường kính nửa vòng tròn tâm O đã vẽ ở trên những góc nói trên Các góc này có thể chọn theo động cơ tham khảo

+ Từ giao điểm các tia cắt nửa vòng tròn tâm O đã vẽ ở trên ta đóng các đường song song với trục tung cắt đồ thị công và từ các điểm này ta xác định được các điểm (c’, r’, a’, b’, r”) trên đồ thị công

+ Hiệu đính phần đường cong của quá trình cháy trên đồ thị công

Ở động cơ xăng áp suất cực đại (điểm z’) có tung độ pz’= 0.85 pz

+ Điểm z” là trung điểm đoạn thẳng qua điểm z’ song song vớI trục hoành và cắt đường cong giãn nở

+ Điểm c” lấy trên đoạn cz’ với cc”= cz’/3

+ Điểm b” là trung điểm của đoạn ab

Dùng thước cong nối liền tất cả các điểm xác định trên thành một đường cong liên tục ta được đồ thị công chỉ thị của đông cơ tính toán

Bảng 3.3: Các trị số áp suất của MCCT của quá trình nén và dãn nở tính toán của

động cơ

V(cm3)

Đường nén Pn (MPa)

Hình 3.1: Đồ thị công chỉ thị

B TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC

3.5 PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC CƠ CẤU TRỤC KHUỶU - THANH TRUYỀN

Trong động cơ đốt trong kiểu piston, cụm chi tiết chuyển động chính (piston, thanh truyền, trục khuỷu) làm việc trên nguyên tắc sau:

- Nhóm piston thanh truyền chuyển động tịnh tiến lên xuống truyền lực khí thể cho thanh truyền

- Nhóm thanh truyền là chi tiết chuyển động trung gian biến chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu

- Trục khuỷu là chi tiết máy quan trọng nhất có chuyển động quay và truyền công suất của động cơ ra ngoài để dẫn động các máy công tác khác

Có ba loại kết cấu trục khuỷu - thanh truyền chính sau:

- Trục khuỷu cắt đường tâm xilanh

- Trục khuỷu lệch với đường tâm xilanh một khoảng nhỏ a<0,1.S

- Kết cấu thanh truyền kép lắp trên cùng một chốt khuỷu

Hình 3.2: Sơ đồ cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền

3.6 ĐỘNG HỌC CỦA PISTON (Phân tích theo phương pháp giải tích)

3.1.1 Chuyển vị của piston

Chuyển vị của piston trong xilanh động cơ được tính theo công thức :

cos (

) cos [(

R

S

)]

cos (

.[

R

S

) cos (

R

S

S S

4 1

2 1

4 1

Cho  thay đổi từ 0-360 độ theo hàm Sp ta sẽ cĩ được đồ thị

Hình 3.3: Đồ thị chuyển vị của piston 3.6.2 Tốc độ piston:

Tốc độ của piston trong xilanh động cơ được tính theo công thức sau:

3.6.3 Gia tốc của piston:

Gia tốc của piston trong xilanh động cơ được tính theo công thức sau:

Hình 3.5: Đồ thị gia tốc của piston

3.7 PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU TRỤC KHUỶU – THANH

TRUYỀN:

Trong động cơ đốt trong kiểu piston cụm chi tiết chuyển động chính (piston, thanh truyền, trục khuỷu) làm việc trên nguyên tắc sau:

- Nhĩm piston chuyển động tịnh tiến qua lại truyền lực khí thể cho thanh truyền

- Nhĩm thanh truyền là chi tiết chuyển động trung gian cĩ chuyển động phức tạp

để biến chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu

- Trục khuỷu là chi tiết máy quan trọng nhất cĩ chuyển động quay và truyền cơng suất của động cơ ra ngồi để dẫn động các máy cơng tác khác

Chọn kết cấu trục khuỷu – thanh truyền: trục khuỷu cắt đường tâm xilanh

Hình 3.6 Sơ đồ cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền

3.7.1 Sơ đồ lực và mômen tác động lên cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền động

cơ một xilanh

Quy ước chiều quay và dấu:

- Chiều quay của động cơ quy ước là “+” nếu động cơ quay theo chiều kim đồng hồ nhìn từ phía bánh đà ngược trở lại

- Dấu của các lực vàmômen tác dụng quy ước như trên hình vẽ

Hình 3.7 Sơ đồ lực và momen tác dụng lên cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền

Ghi chú:

Pkt :lực khí thể tác dụng lên đỉnh piston

Pj :lực quán tính của các chi tiết chuyển động thẳng

P∑ :lực tổng cộng tác dụng lên đỉnh piston

N :lực ngang tác dụng lên vách xilanh có hướng vuông góc với đường tâm xilanh

Ptt :lực dọc theo đường tâm thanh truyền

Z :lực pháp tuyến theo hướng từ tâm chốt đến tâm cổ khuỷu

T :lực tiếp tuyến vuông góc với lực pháp tuyến

Mq :moment quay của trục khuỷu

ML :moment lật động cơ

M

+ -

P

N + -

P + - T + -Z

4

DπppFppP

2 o kt p o kt

Trong đĩ: po 0.1 MN/m2 - áp suất khí quyển

pkt - áp suất trong xilanh động cơ

Fp - diện tích tiết diện của piston [m2]

- Lực khí thể là một đại lượng thay đổi theo góc quay trục khuỷu: Pkt = f(), xác định được từ áp suất khí thể pkt ở tính toán nhiệt của động cơ tại chế độ công suất cực đại (Nemax)

- Ta có thể triển khai giản đồ công chỉ thị thành đồ thị Pkt = f() bằng phương pháp đồ thị Brich

và thải các điểm tương ứng

4 Từ các điểm vừa xác định được trên kẻ các đường song song với trục hoành, chúng cắt các đường vuông góc với trục hoành của đồ thị Pkt = f() kẻ từ các góc  tương ứng 0o, 15o, 30o,…, 720o

5 Nối các điểm cắt trên lại thành một đường cong đều ta nhận được đồ thị lực khí thể Pkt tại các quá trình nạp, nén, dãn nỡ và thải

6 Tại các đoạn cong của quá trình cháy (tính từ điểm c’-c-c”-z’-z” đến điểm tiếp xúc với đường cong dãn nở) và quá trình thải sớm (b’-b”) được vẽ theo trình tự như trên với bước nhảy tăng của  là 5o (từ góc 350o, 355o, …, 375o

kt p i

p  với i = 1 đến trong đó : i = 1 tương ứng với  = 180o

i

 với i = 1 đến 

+ Quá trình thải (tính từ  = 550o đến = 720o)

Tại các đoạn cong của quá trình cháy và quá trình thải sớm được vẽ theo phương pháp đồ thị Brich, tương tự bước 6 Các giá trị tính tốn của lực khí thể Pkt ghi vào bảng số liệu

3.7.3 Lực quán tính của các chi tiết chuyển động

Lực quán tính được xác định theo cơng thức sau

qt

trong đĩ : m - khối lượng các chi tiết chuyển động

J - gia tốc chuyển động của các chi tiết đĩ Dưới đây là cách xác định khối lượng của các chi tiết chuyển động thẳng và chuyển động quay trịn của cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền

3.7.4 Khối lƣợng cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền:

3.7.4.1 Khối lượng nhĩm piston (khối lượng các chi tiết chuyển động thẳng):

bao gồm khối lượng của piston, xéc măng (vịng găng), chốt piston Ngồi ra cịn cĩ khối lượng của các guốc trượt… (thường cĩ trong cơ cấu động cơ tàu thủy) Ký hiệu:

m m m

mnp  p  x  c [kg]

g

1g

G

mnp  np  p  x  c trong đĩ: Gnp - trọng lượng của nhĩm piston

mnp - khối lượng nhĩm piston

Gp, Gc, mp, mc - trọng lượng và khối lượng của piston, xécmăng…

g - gia tốc trọng trường (m/s2)

3.7.4.2 Khối lượng của khuỷu trục (các chi tiết chuyển động quay):

Hình 3.9 Sơ đồ tính toán lực của phần khối lượng chuyển động quay

Ta tạm chia trục khuỷu thành các phần như hình vẽ

- Phần khối lượng chuyển động quay theo bán kính R là phần khối lượng của chốt khuỷu mChk (phần gạch dọc trên hình vẽ)

- Phần khối lượng chuyển động quay với bán kính  là phần khối lượng của hai

má khuỷu mm (phần gạch chéo trên hình vẽ)

-  là khoảng cách từ trọng tâm má khuỷu đến tâm cổ khuỷu

Quy dẫn khối lượng má khuỷu mm về tâm của chốt khuỷu ta phải thay thế bằng khối lượng tương đương “mmr” và xác định bằng phương trình cân bằng lực quán tính sau :

2 m 2

m

2m m

m

m ChK

K

mr ChK

3.7.4.3 Khối lượng của thanh truyền:

Thanh truyền chuyển động khá phức tạp, đầu nhỏ chuyển động tịnh tiến, đầu to chuyển động quay, thân chuyển động lắc Vì vậy, trong tính toán lực quán tính ta thay thế nhóm thanh truyền bằng một hệ tương đương có khối lượng tập trung tại ba điểm (tại tâm chốt piston, tâm chốt khuỷu và trọng tâm thanh truyền) như hình vẽ sau :

Khi thay thế thanh truyền thực bằng hệ tương đương trên phải thỏa mãn các điều kiện sau :

a) Tổng các khối lượng thay thế phải bằng khối lượng thực của thanh truyền:

mtt = mA + mB + mob) Trọng tâm của hệ tương đương phải trùng với trọng tâm thực của thanh truyền :

mA a + mB b =0  mA a = mB (L – a) c) Tổngmômen quán tính của các khối lượng thay thế đối với trọng tâm phải bằngmômen quán tính thực của thanh truyền đối với trọng tâm của nó:

J = mA a2 + mB b2 = mA a2 + mB (L – a)2d) Các khối lượng thay thế (khối lượng tương đương) phải nằm trên một đường thẳng và đi qua trọng tâm thanh truyền thực:

- Từ các thanh truyền trên ta suy ra:

J m

- Khối lượng mo thực hiện đồng thời chuyển động thẳng và chuyển động lắc tương đốI với đường tâm chôt piston

Vì mo khá nhỏ so với mA và mB, do đó để đơn giản trong tính toán động lực học, mo có thể bỏ qua vì vậy ta thay thế khối lượng thanh truyền bằng hệ tương đương gồm hai khối lượng tập trung ở đầu nhỏ và đầu to thanh truyền

Phân bố theo phương án này có sai số không đáng kể nên không ảnh hưởng đến kết quả tính toán, lại có ưu điểm là rất đơn giản và khối lượng thay thế được tính bằng công thức sau :

- Khối lượng chuyển động tịnh tiến của cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền:

mj = mp + mA

- Khối lượng chuyển động quay của cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền:

mr = mK + mBTrong thiết kế tính toán các khối lượng này thường tính trên đơn vị diện tích đỉnh piston như sau:

p A p p

j ' j

F

1)m(mF

p B K p

r ' r

F

1 ) m (m F

- Khi piston ở ĐCD, Pj có dấu dương và chiều quay xuống (hướng vào tâm trục khuỷu)

Đồ thị lực quán tính có dạng giống đồ thị lực gia tốc nhưng có chiều ngược lại

và có tỉ lệ xích:

pj = jp m

3.7.6 Lực quán tính (lực ly tâm) của khối lƣợng chuyển động quay P K

Lực quán tính của khối lượng chuyển động quay xác định bằng công thức sau:

PK =  mr.R.2 = -1,236 x 0.0468675 x 691,152 = -27671,639 N = -27,67 kN Lực này tác dụng trên đường tâm của má khuỷu, chiều ly tâm và có giá trị không đổi khi vận tốc góc  là hằng số

3.8 HỆ LỰC TÁC DỤNG LÊN CƠ CẤU TRỤC KHUỶU – THANH TRUYỀN:

- Tải trọng động tác dụng lên cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền gây nên bởi hợp lực khí thể và lực quán tính Ngoài ra còn chịu các lực như lực ma sát và trọng lực, tuy nhiên hai lực này có trị số nhỏ hơn nhiều nên trong tính toán động lực học của động

cơ ta chỉ xét đến hai lực nêu trước

- Lực tổng cộng tác dụng lên đỉnh piston P: chính là lực tác dụng lên chốt piston

P (hoặc lên piston) là hợp lực khí thể P và lực quán tính của khối lượng chuyển