Tính toán thiết kế động cơ đốt trong XZV4

Qua đồ án này giúp sinh viên chúng em nắm được các lực tác dụng, công suất của động cơ và điều kiện đảm bảo bền của vài nhóm chi tiết ôtô, máy kéo.. CHƯƠNG 1: TÍNH TOÁN XÂY DỰNG BẢN VẼ Đ

LỜI NÓI ĐẦU

Ôtô ngày càng được dùng rộng rãi ở nước ta như một phương tiện đi lại cá nhân cũng như vận chuyển hành khách, hàng hoá rất phổ biến Sự gia tăng nhanh chóng số lượng ôtô trong xã hội, đặc biệt là các loại ôtô đời mới đang kéo theo nhu cầu đào tạo rất lớn

về nguồn nhân lực phục vụ trong ngành công nghiệp ôtô nhất là trong linh vực thiết kế

Sau khi học xong giáo trình ‘ động cơ đốt trong ’ chúng em được tổ bộ môn giao nhiệm vụ làm đồ án môn học Vì bước đầu làm quen với công việc tính toán , thiết kế ôtô nên không tránh khỏi những bỡ ngỡ và vướng mắc Nhưng với sự quan tâm , động viên, giúp đỡ, hướng dẫn tận tình của thầy giáo hướng dẫn, cùng giáo viên giảng dạy

và các thầy giáo trong khoa nên chúng em đã cố gắng hết sức để hoàn thành đồ án trong thời gian được giao

Qua đồ án này giúp sinh viên chúng em nắm được các lực tác dụng, công suất của động cơ và điều kiện đảm bảo bền của vài nhóm chi tiết ôtô, máy kéo Vì thế nó rất thiết thực với sinh viên nghành công nghệ kỹ thuật ôtô

Tuy nhiên trong quá trình thực hiện dù đã cố gắng rất nhiều không tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy chúng em rất mong nhận được sự quan tâm đóng góp ý kiến của các thầy và các bạn để em có thể hoàn thiện đồ án của mình tốt hơn và cũng qua

đó rút ra được thành những kinh nghiệm quý giá cho bản thân nhằm phục vụ tốt cho quá trình học tập và công tác sau này

Em xin chân thành cảm ơn !

CHƯƠNG 1: TÍNH TOÁN XÂY DỰNG BẢN VẼ ĐỒ THỊ

Khối lượng nhóm thanh

Hệ thống bôi trơn Cưỡng bức cascte ướt

S (m) : Hành trình dịch chuyển của piston trong xilanh,

N (vòng/phút) : Tốc độ quay của động cơ,

Do Cm > 9 m/s nên động cơ là động cơ tốc độ cao hay động cơ cao tốc,

Chọn trước: n1 = 1,35 ( chỉ số nén đa biến trung bình)

n2 = 1,25 (chỉ số giãn nở đa biến trung bình)

 Chọn tỷ số giãn nở sớm(động cơ xăng): ρ = 1

 Áp suất cuối quá trình giãn nở sớm:

4

 Thể tích buồng cháy:

V c= V h ε−1[dm

 Áp suất khí sót (động cơ cao tốc) chọn:

Áp suất không tăng áp tuabin: pth = 1,03pk = 1,03,0,1 = 0,103 [MN/m2]

Gọi Pnx , Vnx là áp suất và thể tích biến thiên theo quá trình nén của độngcơ,Vì quá trình nén là quá trình đa biến nên:

Để dễ vẽ ta tiến hành chia Vh thành  khoảng , khi đó i = 1, 2 , 3, ,

c Xây dựng đường giãn nở

Gọi Pgnx , Vgnx là áp suất và thể tích biến thiên theo quá trình giãn nở củađộng cơ,Vì quá trình giãn nở là quá trình đa biến nên ta có:

Để dể vẽ ta tiến hành chia Vh thành  khoảng , khi đó i = 1, 2 , 3, ,

d Biểu diễn các thông số

- Biểu diễn thể tích buồng cháy: Chọn Vcbd = 15 [mm]

[mm]

- Biểu diễn áp suất cực đại:

pzbd = 160 - 220 [mm] Chọn pzbd = 160 [mm]

Bảng giá trị Đồ thị công động cơ xăng

Các điểm đặc biệt cần xác định trên đồ thị công động cơ diesel

+ Từ bảng giá trị ta tiến hành vẽ đường nén và đường giản nở,+ Vẽ vòng tròn của độ thị Brick để xác định các điểm đặc biệt:

 Điểm bắt đầu quá trình nạp : r(Vc;Pr) => r(0,0493; 0,11)

 Điểm mở sớm của xu páp nạp : r’ xác định từ Brick ứng với α1

 Điểm đóng muộn của xupáp thải : r’’ xác định từ Brick ứng với α4

 Điểm đóng muộn của xupáp nạp : a’ xác định từ Brick ứng với α2

 Điểm mở sớm của xupáp thải : b’ xác định từ Brick ứng với α3

 Điểm y (Vc, 0,85Pz) => y(0,0493; 3,485)

 Điểm áp suất cực đại lý thuyết: z (Vc, Pz) => z(0,0493; 4,1)

 Điểm áp suất cực đại thực tế: z’’=1/2yz’

Các giá trị biểu diễn trên đường nén và đường giãn nở

+ Từ O lấy đoạn OO’ dịch về phía ĐCD với :

+ Ta có : AC=AO - OC= AO - (CO’ - OO’) = R- MO’.cos +

- Muốn xác định chuyển vị của piston ứng với góc quay trục khuỷu là α =10o,

20o, 30o, ,,, ta làm như sau: từ O’ kẻ đoạn O’M song song với đường tâm má khuỷu

OB, Hạ MC vuông góc với AD, Điểm A ứng với góc quay =00(vị trí điểm chết trên)

và điểm D ứng với khi =1800 (vị trí điểm chết dưới) Theo Brick đoạn AC = x

- Vẽ hệ trục vuông góc OS, trục O biểu diễn giá trị góc còn trục OS biễu diễn khoảng dịch chuyển của Piston Tùy theo các góc  ta vẽ được tương ứng khoảngdịch chuyển của piston, Từ các điểm trên vòng chia Brich ta kẻ các đường thẳng song song với trục O Và từ các điểm chia (có góc tương ứng) trên trục O ta vẽ các đường song song với OS Các đường này sẽ cắt nhau tại các điểm Nối các điểm này lại ta được đường cong biểu diễn độ dịch chuyển x của piston theo 

Bảng giá trị đồ thị chuyển vị S = f(α)

α(độ) λ cosα cos2α x=R[(1-cosα)+λ/4(1-cos2α)] Xbd

108,64

113,45

116,90

118,98

119,67

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0

v

2300R

R2 sẽ là 2, 18 điểm trên nửa vòng tròn bán kính R1 mỗi điểm cách nhau 10 và trênvòng tròn bán kính R2 mỗi điểm cách nhau là 20.

- Trên nửa vòng tròn R1 ta đánh số thứ tự từ 0, 1, 2, ,,,, 18 theo chiều ngược kimđồng hồ, còn trên vòng tròn bán kính R2 ta đánh số 0’,1’,2’,,,,, 18’ theo chiều kim đồng

hồ, cả hai đều xuất phát từ tia OA

- Từ các điểm chia trên nửa vòng tròn bán kính R1, ta dóng các đường thẳng vuônggóc với đường kính AB, và từ các điểm chia trên vòng tròn bán kính R2 ta kẻ cácđường thẳng song song với AB Các đường kẻ này sẽ cắt nhau tương ứng theo từngcặp 0-0’;1-1’;,,,;18-18’ tại các điểm lần lượt là 0, a, b, c, ,,,, 18 Nối các điểm này lạibằng một đường cong và cùng với nửa vòng tròn bán kính R1 biểu diễn trị số vận tốc vbằng các đoạn 0, a,2b,3c, ,,,, 0 ứng với các góc 0, 

1,2, 3,,,18 Phần giới hạn củađường cong này và nửa vòng tròn lớn gọi là giới hạn vận tốc của piston

- Vẽ hệ toạ độ vuông góc OvS trùng với hệ toạ độ OS , trục thẳng đứng Ov trùngvới trục O Từ các điểm chia trên đồ thị Brick, ta kẻ các đường thẳng song song với

trục Ov cắt trục Os tại các điểm 0, 1, 2, 3, ,,, 18 Từ các điểm này, ta đặt các đoạn

thẳng 00, 1a, 2b, 3c, ,,,, 1818 song song với trục Ovvà có khoảng cách bằng khoảngcách các đoạn 0, a,2b,3c, ,,,, 0, Nối các điểm 0, a ,b c, ,,,, 18 lại với nhau ta có đườngcong biểu diễn vận tốc của piston v=f(S)

1.4.2 Đồ thị vận tốc V(α)α))

Giải vận tốc bằng đồ thị

Đồ thị vận tốc V = f(α)α))

- Vẽ hệ toạ độ vuông góc v - s trùng với hệ toạ độ trục thẳng đứng 0v trùng với trục 0

 Từ các điểm chia trên đồ thị Brích, ta kẻ các đường thẳng song song với trục 0v và cắt trục 0s tại các điểm 0,1,2,3,,,,18, từ các điểm này ta đặt các đoạn thẳng 00’’, 11’’, 22’’, 33’’, ,,, ,1818’’ song song với trục 0v có khoảng cách bằng khoảng cách các đoạn

tương ứng nằm giữa đường cong với nữa đường tròn bán kính r1 mà nó biểu diển tốc

độ ở các góc  tương ứng Nối các điểm 0’’,1’’,2’’,,,,,18’’ lại với nhau ta có đường cong biểu diễn vận tốc piston v=f(s)

1.5.ĐỒ THỊ GIA TỐC

1.5.1.Phương pháp

Để giải gia tốc j của piston, người ta thường dùng phương pháp đồ thịTôlê vì phương pháp này đơn giản và có độ chính xác cao Cách tiến hành cụthể như sau:

Lấy đoạn thẳng AB = S = 2R , Từ A dựng đoạn thẳng AC = Jmax =R2(1+), Từ B dựng đoạn thẳng BD = Jmin = -R2(1-) , nối CD cắt AB tại E

Lấy EF = -3R2 , Nối CF và DF , Phân đoạn CF và DF thành nhữngđoạn nhỏ bằng nhau ghi các số 1 , 2 , 3 , 4 ,  và 1’ , 2’ , 3’ , 4’ , (hình 1,6)

Nối 11’ , 22’ , 33’ , 44’ ,  Đường bao của các đoạn thẳng này biểu thịquan hệ của hàm số : j = f(x)

1.5.2.Đồ thị gia tốc j = f(α)x)

Jmax=Rλ⋅ω2.(1+λ ) 43,5 10 528,8 (1 0,24) 15083, 2 -3 2   [m/s2]

Jmin=− Rλ⋅ω2⋅( 1−λ) 43,5 10 528,8 (1 0,24) -9244,5 -3 2   [m/s2]

- Chọn tỷ lệ xích:

max J

Đồ thị gia tốc J = f(α)x)

1.6.VẼ ĐỒ THỊ LỰC QUÁN TÍNH

1.6.1 Phương pháp

- Các chi tiết máy trong cơ cấu khuỷu trục thanh truyền tham gia vào chuyển động tịnhtiến bao gồm các chi tiết trong nhóm piston và khối lượng của thanh truyền quy dẫn vềđầu nhỏ thanh truyền

m’ = mpt +m1 [kg]

Trong đó:

+ mpt: Khối lượng nhóm piston, Theo đề ta có mpt = 0,6 [kg]

+ m1: Khối lượng thanh truyền qui dẫn về đầu nhỏ thanh truyền Được chọn tùy theo loại động cơ ôtô máy kéo hay tàu thủy, tĩnh tại Vì động cơ đang thiết kế có các thông số phù hợp với động cơ ôtô máy kéo nên ta chọn m1 trong khoảng

Đồ thị PJ này vẽ chung với đồ thị công P-V.

Cách vẽ tiến hành tương tự như cách vẽ đồ thị J - S, với:

- Vẽ hệ trục toạ độ vuông góc OP, trục hoành O nằm ngang với trục po,

- Trên trục O ta chia 10o một, ứng với tỷ lệ xích  = 2 [o/mm],

- Kết hợp đồ thị Brick và đồ thị công như ta đã vẽ ở trên, ta tiến hành khai triển như sau:

+ Từ các điểm chia trên đồ thi Brick, dóng các đường thẳng song song với OP và cắt đồ thị công tại các điểm trên các đường biểu diễn các quá trình nạp, nén,cháy - giãn nở và thải, Qua các giao điểm này ta kẻ các đường ngang song song với trục hoành sang hệ trục toạ độ OP

+Từ các điểm chia trên trục O, kẻ các đường song song với trục OP, những đường này cắt các đường dóng ngang tại các điểm ứng với các góc chia của đồ thị Brick và phù hợp với quá trình làm việc của động cơ, Nối các giao điểm này lại ta

có đường cong khai triển đồ thị Pkt -  với tỷ lệ xích :

p = 0,0256 [MN/(m2,mm)]

 = 2 [0/mm]

1.7.2 Vẽ P j – α)

- Cách vẽ đồ thị khai triển này giống như cách vẽ đồ thị khai triển Pkt - α, Tuy nhiên, trên đồ thị p - V thì giá trị của lực quán tính là – PJ nên khi chuyển sang đồ thị P-α ta phải đổi dấu.

Đồ thị khải triển Pkt, Pj, P1 – α)

1.8.XÂY DỰNG ĐỒ THỊ T, Z, N – α)

1.8.1 Sơ đồ lực tác dụng lên cơ cấu trục khủy thanh truyền

Pkh N

l Pk

T Ptt

N

Z

Ptt O







Sơ đồ lực tác dụng lên cơ cấu khuỷu trục thanh truyển

- Lực tiếp tuyến tác dụng lên chốt khuỷu:

T = p tt Sin(α +β )= p1.Sin(α+β)

Cos β [MN/m2]

- Lực pháp tuyến tác dụng lên chốt khuỷu:

sinβ = ,sinα  = arcsin(sin)

- Ta lập bảng xác định các giá trị N, T, Z, Sau đó, ta tiến hành vẽ đồ thị N, T, Z theo  trên hệ trục toạ độ vuông góc chung (N, T, Z - )

- Với tỷ lệ xích :

T = Z = N = p = 0,0256 [MN/(m2,mm)]

 = 2 [0/mm]

1.8.2 Xây dựng đồ thị T, Z, N – α)

1.9.ĐỒ THỊ ∑T – α)

Thứ tự làm việc của động cơ : 1 – 3 – 4 – 2

Góc lệch công tác:

0 ct

Bảng thứ tự làm việc của động cơ

Từ bảng ta có, khi 1  00 xi lanh 1 ở đầu quá trình nạp thì :

+Xi lanh 2 ở đầu quá trình nén nên 2  1800

+Xi lanh 3 ở đầu quá trình thải nên 3  5400

+Xi lanh 4 ở đầu quá trình cháy nên 4  3600

+ Ni: công suất chỉ thị của động cơ

- Đồ thị véctơ phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu dùng để xác định lực tác dụng lên chốt khuỷu ở mỗi vị trí của trục khuỷu Từ đồ thị này ta có thể tìm trị

số trung bình của phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu cũng như có thể dễ dàng tìm được lực lớn nhất và lực bé nhất, Dùng đồ thị phụ tải ta có thể xác định khu

vực chịu lực ít nhất để xác định vị trí khoan lỗ dầu bôi trơn và để xác định phụ tải khi tính sức bền ở trục

- Vẽ hệ toạ độ T - Z gốc toạ độ O’ trục O’Z có chiều dương hướng

xuống dưới

- Chọn tỉ lệ xích :T = Z = p = 0,0256 [MN/(m2,mm)]

- Đặt giá trị của các cặp (T,Z) theo các góc  tương ứng lên hệ trục toạ

độ T - Z, Ứng với mỗi cặp giá trị (T,Z) ta có một điểm, đánh dấu các điểm từ 0

 72 ứng với các góc  từ 00 7200, Nối các điểm lại ta có đường cong biểu diễn véctơ phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu

- Dịch chuyển gốc toạ độ, Trên trục 0’Z (theo chiều dương) ta lấy điểm

0 với 00'=PRo (lực quán tính ly tâm).

+ Lực quán tính ly tâm :

P Rλ

o=m2.Rλ ω2

F P [MN/m2]+ m2: khối lượng thanh truyền qui dẫn về đầu to

m2 = 0,7mtt = 0,56 [kg]

2 6 R

Ro Pr0

Lập bảng tính xây dựng đồ thị Q - α:

Tiến hành đo các khoảng cách từ tâm O đến các điểm ai (Ti, Zi) trên đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu, ta nhận được các giá trị Qi tương ứng, Sau đó lập bảng Q - α:

Giá trị đồ thị khai triển phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu

Xác định Qtb:

72

0 tb

7363,39

i i

1.12.ĐỒ THỊ PHỤ TẢI TÁC DỤNG LÊN ĐẦU TO THANH TRUYỀN

+ Đồ thị phụ tải tác dụng lên đầu to thanh truyền được xây dựng bằngcách :

- Đem tờ giấy bóng đặt chồng lên đồ thị phụ tải của chốt khuỷu sao chotâm O trùng với tâm O của đồ thị phụ tải chốt khuỷu Lần lượt xoay tờ giấybóng cho các điểm 00 , 100 , 200 , 300,  trùng với trục +Z của đồ thị phụ tảichốt khuỷu Đồng thời đánh dấu các điểm đầu mút của các véc tơ ⃗Q0 , ⃗Q10

, ⃗Q20 , ⃗Q30 , của đồ thị phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu trên tờ giấy bóngbằng các điểm 0 , 10 , 20 , 30, 

Nối các điểm 0 , 15 , 30 ,  bằng một đường cong , ta có đồ thị phụ tảitác dụng trên đầu to thanh truyền

β (độ)

α +β (độ)

1.13.ĐỒ THỊ MÀI MÒN CHỐT KHUỶU

- Đồ thị mài mòn của chốt khuỷu (hoặc cổ trục khuỷu ,,,) thể hiện trạngthái chịu tải của các điểm trên bề mặt trục, Đồ thị này cũng thể hiện trạng tháihao mòn lý thuyết của trục, đồng thời chỉ rõ khu vực chịu tải ít để khoan lỗ dầutheo đúng nguyên tắc đảm bảo đưa dầu nhờn vào ổ trượt ở vị trí có khe hở giữatrục và bạc lót của ổ lớn nhất Áp suất bé làm cho dầu nhờn lưu động dễ dàng,

- Sở dĩ gọi là mài mòn lý thuyết vì khi vẽ ta dùng các giả thuyết sau đây:

+ Phụ tải tác dụng lên chốt là phụ tải ổn định ứng với công suất

- Các bước tiến hành vẽ như sau:

+ Trên đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu ta vẽ vòng tâm O,bán kính bất kì Chia vòng tròn này thành 24 phần bằng nhau, tức là chia theo

15o theo chiều ngược chiều kim đồng hồ, bắt đầu tại điểm 0 là giao điểm củavòng tròn O với trục OZ (theo chiều dương), tiếp tục đánh số thứ tự 1, 2, ,,,, 23lên vòng tròn

+ Từ các điểm chia 0, 1, 2, ,,,, 23 của vòng tròn O, ta kẻ các tiaqua tâm O và kéo dài, các tia này sẽ cắt đồ thị phụ tải tại nhiều điểm, có baonhiêu điểm cắt đồ thị thì sẽ có bấy nhiêu lực tác dụng tại điểm chia đó, Do đó

ta có :

ΣQ'Q'i=Q'i0+Q'i1+ +Q'inTrong đó:

+ i : Tại mọi điểm chia bất kì thứ i

+ 0, 1, ,,,, n: Số điểm giao nhau của tia chia với đồ thị phụ tải tại

- Chọn tỉ lệ xích: μΣQ'Qm=2,242[MN/( m2.mm )]

- Vẽ vòng tròn bất kỳ tượng trưng cho chốt khuỷu, chia vòng tròn thành

24 phần bằng nhau đồng thời đánh số thứ tự 0, 1, ,,,, 23 theo chiều ngượcchiều kim đồng hồ

- Vẽ các tia ứng với số lần chia

- Lần lượt đặt các giá trị Q0, Q1, Q2, …, Q23 lên các tia tương ứngtheo chiều từ ngoài vào tâm vòng tròn, Nối các đầu mút lại ta có dạng đồ thịmài mòn chốt khuỷu

- Các hợp lực Q0, Q1, Q2, …, Q23 được tính theo bảng sau :

∑Q 6

∑Q 7

∑Q 8

∑Q 9

∑Q1 0

∑Q1 1

∑Q1 2

∑Q1 3

∑Q1 4

∑'Q1 5

∑Q1 6

∑Q1 7

∑Q1 8

∑Q1 9

∑Q2 0

∑Q2 1

∑Q2 2

∑Q2 3

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU CHUNG ĐỘNG

CƠ THAM KHẢO 1NZ-FE 2.1 THÔNG SỐ KĨ THUẬT CHỌN ĐỘNG CƠ THAM KHẢO 1NZ-FE.

Số xylanh – cách bố trí 4 xylanh – thẳng hàng 4 xylanh – thẳng hàng

Công suất cực đại/số vòng

-30 ~ 370 BTD 150

Đóng muộnxupap nạp

130 ~ 530 ABDC 600

Mở sớmxupap thải

Đóng muộnxupap thải

Hệ thống bôi trơn Cưỡng bức cácte ướt Cưỡng bức cácte ướt

Hệ thống làm mát Cưỡng bức, sử dụng

môi chất

Cưỡng bức, sử dụngmôi chất lỏng

Hệ thống phân phối khí 16 valve – DOHC có

VVT-i

16 valve – DOHC

2.2.PHÂN TÍCH MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU CỦA ĐỘNG CƠ 1NZ-FE.

Động cơ 1NZ-FE lắp trên xe Vios của hãng Toyota là loại động cơ xăng thế

hệ mới, 4 xy lanh thẳng hàng, dung tích xylanh 1.6[lít] trục cam kép DOHC 16 páp dẫn động bằng xích có hệ thống cam thông minh VVT-i

xu-2.2.1 Nhóm piston, thanh truyền, trục khuỷu

2.2.1.1.Piston

Pít-tông của động cơ 1NZ-FE được làm bằng hợp kim nhôm,phần đỉnh đượcthiết kế đặc biệt để cải thiện chất lượng cháy Xét-măng áp lực thấp được sử dụng đểgiảm ma sát và nâng cao tính kinh tế nhiên liệu và chất lượng dầu bôi trơn được nângcao

Chân pít-tông có dạng vành đai để tăng độ cứng vững Để điều chỉnh trọnglượng của pít-tông, người ta thường cắt bỏ một phần kim loại ở phàn chân pít-tôngnhưng vẫn đảm bảo được độ cứng vững cần thiết cho pít-tông.

2.2.1.2.Thanh tryền

Tiết diện thanh truyền của động cơ 1NZ-FE có dạng chữ I Đầu nhỏ thanh truyền

có dạng hình trụ rỗng và được lắp tự do với chốt pít-tông Đầu to thanh truyền đượccắt thành hai nữa phần trên nối liền với than phần dưới là nắp đầu to thanh truyền vàlắp với nhau bằng bu-lông thanh truyền Bu-lông thanh truyền là loại bu-lông chỉchịu lực kéo, có mặt gia công đạt độ chính xác cao để định vị

2.2.1.3.Trục khuỷu

2.2.2 Cơ cấu phân phối khí

Thông thường thời điểm phối khí được cố định nhưng ở động cơ 1NZ – FE sửdụng hệ thống thay đổi thời điểm phối khí thông minh (VVT-i), hệ thống này sửdụng áp suất dầu thủy lực để xoay trục cam nạp và làm thay đổi thời điểm phối khí