phương pháp tính toán kết cấu động cơ đốt trong

Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học môn “Phương pháp tính toán kết cấu động cơ đốt trong” đến nay đã trải qua một chặn đường khá dài, chúng em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giú

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

Loại xe : Toyota Corolla compact 1.3 GL 1992

Ký hiệu : Toyota 2E engine

- Kiểu : Corolla 6th generation (E90)

- Kiểu động cơ: đánh lửa bằng tia lửa, 4 thì

- Loại nhiên liệu: xăng

- Engine manufacture: Toyota 2E engine

- Hệ thống nhiên liệu: bộ chế hòa khí

- Hệ thống nạp: hút khí tự nhiên

- Cách bố trí xylanh: 4 xylanh thẳng hang, không tăng áp

- Sô xupap trên 1 xylanh: 3 , SOHC

- Góc đánh lửa sớm: 5 10trước điểm chết trên

- Làm mát bằng nước

LỜI CẢM ƠN

Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ

dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học môn “Phương pháp tính toán kết cấu động cơ đốt trong” đến nay đã trải qua một chặn đường khá dài, chúng em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của các Thầy

ở khoa ô tô, đặc biệt là thầy NGUYỄN QUỐC SỶ Với lòng biết ơn sâu sắc, chúng em xin gửi đến thầy NGUYỄN QUỐC SỶ - Giảng viên Trường Đại Học Công Nghiệp tp HCM đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học tập.Và trong học kỳ này, Khoa đã tổ chức cho chúng em được tiếp cận với môn học mà theo em là rất hữu ích đối với sinh viên ngành Kĩ thuật ô tô cũng như tất cả các sinh viên thuộc các chuyên ngành Khoa Học Kỹ Thuật khác Đó là môn học

“Phương pháp tính toán kết cấu động cơ đốt trong ” Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy

đã tận tâm hướng dẫn chúng em qua từng buổi học trên lớp cũng như những giải đáp thắc mắc về môn học và đồ án môn học này Điều đó đã giúp cho chúng em có thể hoàn thành được đồ án này đúng với tiến độ đề ra Nếu không có những lời hướng dẫn, dạy bảo của thầy thì em nghĩ đồ án này của chúng em rất khó có thể hoàn thiện được Một lần nữa, chúng em xin chân thành cảm ơn thầy

Bài báo cáo này dù ít hay nhiều thì nó sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, chúng

em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của Thầy và các bạn học cùng lớp

để kiến thức của em trong lĩnh vực chuyên môn nói chung và môn học này nói riêng này được hoàn thiện hơn

Sau đây là kết quả của nhóm chúng em về đồ án môn học “Phương pháp tính toán kết cấu động cơ đốt trong ”

Ý KIẾN CỦA GIÁO VIÊN

CHƯƠNG 1: TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.Chọn các thông số tính toán nhiệt

1.1 Áp suất không khí nạp: p o 0,1013(MN m/ 2)

1.2 Nhiệt độ không khí nạp mới: t kk 29o C, T0  t kk 273 29 273 302(   o K)

1.3.Áp suất khí nạp trước xupáp nạp: p k  p o 0,1013(MN m/ 2)

1.4 Nhiệt độ khí nạp trước xupáp nạp: T k  T0 302(o K)

1.5 Áp suất cuối quá trình nạp: p a 0,83p o 0,83.0,1013 0,084079( MN m/ 2)

1.12 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z : z  0,8

1.13.Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b :  b 0,9

1.14.Chọn hệ số dư lượng không khí :   0,9

1.15.Chọn hệ số điền đầy đồ thị công:  d 0,97

1.16.Tỷ số tăng áp: p  3 4 chọn p3,6

1.17 Thông số kết cấu: λ = 0,25

P P

k T t r r

r a

1 2

-Hệ số biến đổi phân tử khí thực tế 

8, 314 1

1.7 Tính toán các thông số kết cấu của động cơ

-Thể tích công tác Vh của một xylanh động cơ

ly khổ Ao nên chọn Vh trong khoảng 22 25cm và Pz trong khoảng 25 29cm

1.8.2 Xác định các điểm đặc biệt của đồ thị công

Điểm a: điểm cuối hành trình nạp

P V p V  const

 

2

n z

CHƯƠNG 2: DỰNG ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH NGOÀI CỦA ĐỘNG

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC CƠ CẤU TRỤC

KHUỶU – THANH TRUYỀN 3.Phân tích động học của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền

CHƯƠNG 4:TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU TRỤC

KHUỶU – THANH TRUYỀN

4 Lực quán tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến

Lực quán tính chuyển động tịnh tiến:

Với: R - bán kính quay của khuỷu trục, m

 - vận tốc góc trục khuỷu, 1/s

 - hệ số kết cấu của động cơ

Mà tổng khối lượng chuyển động tịnh tiến của CCKT-TT được xác định bằng công thức: m j m npm A

Với: m np 0, 482( )g (theo phương pháp thiết kế và phương pháp cân)

4.1 Hệ lực tác dụng lên cơ cấu trục khuỷu thanh truyền

Trong đó: po - áp suất phía dưới đỉnh piston

pkt - áp suất khí trong xylanh động cơ

F p - diện tích tiết diện của piston,m2

D – đường kính danh nghĩa của piston,m

Lực ngang N ép piston lên thành xilanh:

Với  arcsinsin

Thay các giá trị α và β vào các phương trình ta được bảng thông số như sau:

N (MN)

Z (MN) T tổng Ptt

0.0117

0.0010 0.0120

-20 51.5809 0.0900 0.0000 -0.0111 -0.0111

-0.0047

0.0010

0.0101

0.0018 0.0111

-30 66.7083 0.0840 -0.0001 -0.0097 -0.0098

-0.0059

0.0012

0.0078

0.0023 0.0098

-40 86.8212 0.0840 -0.0001 -0.0079 -0.0080

-0.0061

0.0013

0.0052

0.0023 0.0080

-50 110.9642 0.0840 -0.0001 -0.0059 -0.0060

-0.0052

0.0012

0.0029

0.0020 0.0060

-60 138.0503 0.0840 -0.0001 -0.0037 -0.0038

-0.0036

0.0008

0.0011

0.0014 0.0038

-70 166.9404 0.0840 -0.0001 -0.0015 -0.0015

-0.0015

0.0004

0.0002

0.0006 0.0015

0.0072

0.0004 0.0073

-200 363.2736 0.0865 -0.0001 0.0073 0.0073

-0.0019

0.0006

0.0070

0.0007 0.0073

-210 353.6667 0.0897 0.0000 0.0073 0.0072

-0.0028

0.0009

0.0067

0.0011 0.0072

-220 340.3256 0.0945 0.0000 0.0071 0.0071

-0.0036

0.0012

0.0061

0.0014 0.0071

-230 323.3890 0.1014 0.0000 0.0067 0.0067

-0.0042

0.0013

0.0052

0.0016 0.0067

-240 303.0747 0.1108 0.0000 0.0061 0.0062

-0.0046

0.0014

0.0042

0.0018 0.0062

-250 279.7050 0.1237 0.0001 0.0052 0.0053

-0.0044

0.0013

0.0029

0.0017 0.0053

-260 253.7307 0.1414 0.0002 0.0040 0.0042

-0.0038

0.0011

0.0017

0.0015 0.0042

-270 225.7500 0.1659 0.0003 0.0025 0.0027

-0.0026

0.0007

0.0007

0.0010 0.0027

-280 196.5180 0.2006 0.0004 0.0006 0.0010

-0.0010

0.0003

0.0001

0.0004 0.0010

0.0073

0.0004 0.0074

-560 363.2736 0.1100 0.0000 0.0073 0.0074

-0.0019

0.0006

0.0071

0.0007 0.0074

-570 353.6667 0.1100 0.0000 0.0073 0.0073

-0.0028

0.0009

0.0067

0.0011 0.0073

-580 340.3256 0.1100 0.0000 0.0071 0.0071

-0.0036

0.0012

0.0061

0.0014 0.0071

-590 323.3890 0.1100 0.0000 0.0067 0.0068

-0.0043

0.0013

0.0053

0.0016 0.0068

-600 303.0747 0.1100 0.0000 0.0061 0.0062

-0.0045

0.0014

0.0042

0.0018 0.0062

-610 279.7050 0.1100 0.0000 0.0052 0.0053

-0.0044

0.0013

0.0029

0.0017 0.0053

-620 253.7307 0.1100 0.0000 0.0040 0.0040

-0.0037

0.0010

0.0017

0.0014 0.0040

-630 225.7500 0.1100 0.0000 0.0025 0.0025

-0.0024

0.0006

0.0006

0.0009 0.0025

-640 196.5180 0.1100 0.0000 0.0006 0.0006

-0.0006

0.0002 0.0000

0.0002 0.0006

c Biểu đồ thể hiện lực ngang N tác dụng lên vách xy lanh

d Biểu đồ thể hiện lực pháp tuyến Z gây uốn trục khuỷu

4.2 Đồ thị tổng lực tiếp tuyến và monmen tổng

Quy ước các momen tác dụng lên trục khuỷu như sau:

- Mi – momen tác dụng lên trục khuỷu thứ i

- Mi-1 – momen của các khuỷu phía trước khuỷu thứ i

- Mi – tổng momen tác dụng lên ổ trục cuối cùng Tổng momen Mi được xác định theo quan hệ sau:

Mi = Ri i 1T i

Trong đó: Ti – tổng lực tiếp tuyến

R – bán kính quay của trục khuỷu

 PHƯƠNG PHÁP CỘNG ĐẠI SỐ

1 Tính góc lệch công tác K:

180 4

o K

2 Chọn thứ tự làm việc của động cơ: Đảm bảo lực tác dụng lên trục khuỷu được phân bố tương đối đồng đều trên toàn chiều dài của trục khuỷu

Đảm bảo quá trình nạp thải tốt nhất

Đảm bảo kết cấu trục khuỷu đơn giản và có tính công nghệ cao

Bảng biến thiên của các lực tiếp tuyến của động cơ 4 xy lanh

4.3 Đồ thị vecto phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu

- Đồ thị vecto phụ tải tác dung lên chốt khuỷu dùng để xác định lực tác dụng lên chốt khuỷu ở mỗi trục khuỷu Từ đồ thị này ta có thể tìm trị số trung bình phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu cũng như tìm được lực lớn nhât và bé nhất Dùng đồ thị phụ tải ta có thể xác định khu vực chịu lực ít nhất để định vị trí khoan lỗ dầu bôi trơn và để xác định phụ tải khi tính sức bền ở trục

- Nghiên cứu về hệ lực tác dụng lên trục khuỷu, trước tiên ta xét trên mỗi khuỷu trục, tại chốt khuỷu nếu có lực tác dụng sau:

-trình tự vẽ đồ thị vecto phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu

1 Vẽ tọa độ vuông góc T – Z gốc tọa độ tại O, chiều âm của lực T hướng trái và chiều âm của Z hướng lên OT là trục tung hướng sang phải, OZ là trục hoành hướng xuống phía dưới

2 Tùy thuộc vào khổ giấy, chia tỉ lệ xích phù hợp, các tỉ lệ xích của T,Z,Pko phải bằng nhau

3 Trên tọa độ T – Z xác định các điểm ứng với trị số của T và Z tương ứng với các góc α = 0o, α = 10o, α = 20o, α = 30o, α = 40o,… ,α = 720o Sau đó, nối các điểm ta vừa tìm được thành đường cong liền nét, ta được đồ thị lực thanh truyền Ptt trong hệ tọa độ mà trục khuỷu đứng yên, còn thanh truyền quay tương đối góc α + β ( so với trục khuỷu ) về phía trái

4 Vẽ từ tâm O xuống phía dưới vectơ lực Pko, vectơ này nằm trên trục Z, gốc của vectơ là điểm Och ( là tâm chốt khuỷu giả đỉnh )

5 Nối Och với A ( ứng với α = 380o ) ta có được vectơ biễu diễn phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu

6 Tìm điểm tác dụng lên vecto Qch lên chốt khuỷu ta kéo dài về phía gốc cho đến khi gặp vòng tròn tượng trưng bề mặt chốt khuỷu

7.Triển khai đồ thị cực trên thành đồ thị vuông gốc Q ch  f   , xác định được

các giá trị phụ tải trung bình  Q ch tb , phụ tải cực đại  Q ch max và phụ tải min

 Q ch min tác dụng lên chốt khuỷu

Tính đơn vị phụ tải trung bình và đơn vị phụ tải cực đại (đơn vị 2

/

MN m )tác dụng lên chốt khuỷu (hoặc trên ổ trục ) theo công thức sau

0.0131

10.741.219 10

Trong đó :d ch - đường kính chốt khuỷu (m)

l ch - chiều dài chốt khuỷu (m)

 Q ch tb - trị số tải trọng trung bình (đơn vị MN) tác dụng lên bề mặt chốt khuỷu:

 2

i

chi i

Như vậy, mức độ va đập vẫn nằm trong mức cho phép

4.4.Đồ thị vectơ phụ tải bạc đầu to thanh truyền

a Dựa vào đồ thị vectơ phụ tải chốt khuỷu ta có thể xây dựng đồ thị vectơ bạc đầu to thanh truyền theo phương pháp truyền thống

1 Vẽ dạng đầu to thanh truyền tâm O

2 Vẽ vòng tròn tâm O bán kính bất kỳ Điểm 0o là giao điểm của vòng tròn đó với đường tâm thân thanh truyền

3 Lập bảng biến thiên của  và α +  theo α Từ điểm 0o đánh dấu các điểm 10, 20, 30…trên vòng tròn đó theo chiều quay trục khuỷu tương ứng với các góc 10o + 𝛽10o

, 20o + 𝛽20o

…

4 Đặt chồng các hình đã vẽ lên đồ thị vectơ cổ khuỷu sao cho tâm O trùng với tâm O1 của cổ khuỷu tượng trưng, điểm 0o trùng với chiều dương trục OZ

5 Lần lượt xoay hình đã vẽ cho các điểm 10, 20, 30…trùng với chiều dương trục OZ

và đánh dấu các điểm tương ứng

6 Nối các điểm đó lại bằng đường cong, ta được đồ thị vectơ phụ tải bạc đầu to thanh truyền

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN KIỂM NGHIỆM BỀN CÁC CHI

TIẾT CHÍNH CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 5.1 Khái quát:

Trong quá trình động cơ hoạt động, các chi tiết có khối lượng trong động cơ sẽ sinh ra các lực ly tâm, quán tính, v.v Đồng thời, ở các chế độ khác nhau sẽ sinh ra các lực tác dụng khác nhau Như vậy, chi tiết có bền hay không phụ thuộc vào vật liệu chế tạo, cách gia công kim loại, tốc độ hoạt động của các chi tiết Vì thế, sau khi tính toán kích thước, chọn vật liệu, các gia công thì cần kiểm nghiệm bền lại so với các lực trên cơ sở

lý thuyết đã tính có đủ bền để động cơ hoạt động êm dịu hay không

5.2 Tính toán các chi tiết chính của nhóm piston:

5.2.1 Piston:

5.2.2 Đỉnh piston:

Tính toán theo ứng suất uốn (phương pháp Back) với các giả thiết sau:

- Coi đỉnh piston là đĩa tròn, dày đồng đều và đặt tự do trên ống hình trụ rỗng - Áp suất khí thể Pzmax tại ĐCT, cuối nén và phân bố đều - Bỏ qua lực quán tính và trọng lực

đới với piston bằng gang đỉnh có gân.\

Xét ứng suất cho phép đối với đỉnh hợp kim nhôm có gân u 25 190 MPa thỏa mản điều kiện

 2

dc – đường kính chốt khuỷu, m Tra thông số động cơ dc = 20 mm

l1 – chiều dài tiếp xúc giữa chốt và bệ chốt, m

1 2.92 8 0.7 11.62

5.3 Chốt piston:

(1) u 156.24MPa

Trong đó:

b – khoảng cách giữa hai bệ chốt, b = 0.024 (m)

a – chiều dài tiếp xúc với bạc đầu nhỏ, a 0.022 (m)

l – chiều dài chốt piston, l = 0.62 (m)

P P

MPa d

Tiết diện giữa của chốt có độ biến dạng lớn nhất và được xác định theo

E là mô đun đàn hồi, đối với thép: E = 2.105 (Mpa)

a) Phân bố áp suất xécmăng còn mới; b) phân bố áp suất xécmăng đã bị mòn

1 – xécmăng không đẳng áp 2 – xécmăng đẳng áp

-Áp suất trung bình của xecmang lên mặt gương xylanh:

3

0.15

0.121

tb

A E

u

A E

MPa D

- Ứng suất uốn lắp ghép lớn nhất tại bề mặt trong ( ứng suất kéo bề mặt trong):

2

4 1 0.11

440.81.4

u

A E

5.5 Tính toán nhóm thanh truyền

5.5.1 Tính toán đầu nhỏ thanh truyền:

Đầu nhỏ thanh truyền chịu lực kéo thay đổi có tính chất chu kỳ, ngoài ra nếu được ép bạc trượt thì đầu nhỏ còn chịu ứng suất biến dạng (kéo) do mối ép căng gây nên Với động cơ cao tốc, kết cấu đầu nhỏ thanh truyền có chiều dày mỏng 2

- Chiều rộng phần đầu nhỏ thanh truyền:

2 1

0.030.026

0.022

0.032

Qua khảo sát , người ta thấy rằng tiết diện C-C là nguy hiểm tại đó ứng suất kéo trên

bề mặt ngoài, tức là tại vùng chuyển tiếp là lớn nhất

Ứng suất tổng cộng trên bề mặt ngoài là:



  

Khi chịu nén (ở ĐCT, đầu hành trình dãn nở)

- Lực nén tác dụng lên đầu nhỏ thanh truyền:

c

c t

d d

d d

d d

d d d

1.001 10 ( ) 10

j

P

m EJ

 

Với 3  

10 41.173 1012

d

l s

J     m momen quán tính tiết diện dọc của đầu nhỏ

5.3.2)Tính toán thân thanh truyền

Thân thanh truyền động cơ cao tốc

- Lực tác dụng khi thanh truyền:

99.55( )

 

Cũng tại vị trí ĐCT của piston ở cuối hành trình thải, đầu hành trình nạp, lực quán tính

đã nêu trên gây ra ứng suất kéo tiết diện trung bình:

5.5.3 Tính bền đầu to thanh truyền

- Lực tổng các lực kéo, lực chuyển động quán tính và lực quán tính chuyển độngquay của đầu to thanh truyền:

l :chiều rộng đầu to thanh truyền

C: khoảng cách của 2 tâm bulong thanh truyền

j :momen xoắn tiết diện bạc

J: momen xoắn tiết diện nắp

t

F: diện tích tiết diện của nắp

  z  100;300 ( MPa)

5.6 Tính bền bulong thanh truyền

- Lực kéo mỗi bu lông:

Trong đó: z - số bu lông cho thanh truyền Chọn Z = 2

- Lực xiết bu lông thanh truyền (sách hướng dẫn đồ án môn học động cơ đốt

2 3

31.39 2

5.9.1 tính chốt khuỷu theo xoắn

Tiết diện ngang ở giữa chốt khuỷu chịu ứng suất uốn lớn nhất nên là tiết diện nguy

hiểm nhất Gĩa sử rằng khuỷu trục được ngàm cứng tại tiết diện nguy hiểm đó Ta có momen xoắn chốt khuỷu:

5.9.2 tính chốt khuỷu theo uốn

-Momen uốn tác dụng trong mặt phẳng Z(mặt phẳng chứa khuỷu trục)

 max

0.0005

59.780.044

17.94 0.1 41.480.7

F -diện tích tiết diện ngàm  2

m ; F A b h -Ứng suất trong mặt phẳng chứa khuỷu trục (do Z gây nên):

h – chiều rộng má khuỷu ; b – chiều dày má khuỷu tại tiết diện nguy hiểm

-Ứng suất uốn trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng khuỷu trục ( do lục T và Mi gây nên);

r – khoảng cách từ tâm cổ trục tới tiết dirneenj ngàm (m)

-Ứng suất xoắn tiết diện ngàm (do T’ gây nên ):

góc uốn n(k) uốn n(k) uon u(t)

0.1020 380 7.4360 -22.3768 7.3192 0.0488

-30 4.7339 5.0954

19.2811

0.1286 390 6.7668 -15.5731 4.2208 0.0282

-40 5.2838 -0.4954

19.7722

0.1319 400 6.4753 -12.6098 1.3024 0.0087

-50 5.7859 -5.6000 16.9614 - 0.1131 - 410 6.4304 -12.1526 0.7896 0.0053

60 6.1608 -9.4119 11.6478 - 0.0777 - 420 6.4616 -12.4703 2.8971 0.0193

70 6.3648

11.4859 -5.0051

0.0334 430 6.4516 -12.3683 6.7647 0.0451

-80 6.3933

11.7754 1.7286 0.0115 440 6.3471 -11.3058 11.1944 0.0747