Kết cấu động cơ đốt trong - Chương 6

Giáo trình kết cấu động cơ đốt trong dùng cho sinh viên ngành động lực

Chương 6: Kết cấu và tính toán nhóm trục khuỷu - bánh đà

 6.1 TRỤC KHUỶU

I Nhiệm vụ và Điều kiện làm việc:

II Vật liệu và phương pháp chế tạo:

III Đặc điểm kết cấu:

Yêu cầu kết cấu trục khuỷu:

 Sức bền cao, cứng vững nhưng trọng lượng nhỏ

 Độ chính xác cao, độ cứng, độ bóng bề mặt cao

 Đảm bảo cân bằng và tính đồng đều mô men

 Không xảy ra dao động cộng hưởng trong vùng tốc độ sử dụng

Đặc điểm chung:

Trục khuỷu liền

Trục khuỷu ghép

Trục khuỷu tổ hợp

1 Đầu trục khuỷu:

2 Kết cấu các khuỷu:

 Cổ trục khuỷu

 Chốt khuỷu

 Má khuỷu

 Đối trọng.

3 Đuôi trục khuỷu:

4 Bố trí bôi trơn trục khuỷu:

5 Biện pháp nâng cao sức bền trục khuỷu:

 Tăng độ trùng điệp e=10mm SB tăng 3,5%; e=20 SB tăng 27%; e=30mm SB tăng 75%

 Tăng bán kính góc lượn

 Tăng kích thước má khuỷu (chủ yếu chiều rộng)

 Chốt rỗng lệch tâm

 Trục khuỷu đúc dạng tang trống

 Vị trí khoan lỗ dầu

 Rèn khuôn, tăng bóng và chai cứng bề mặt

 Tôi cao tần bề mặt hoặc thấm Nitơ

 6.2 BÁNH ĐÀ

I Nhiệm vụ và Điều kiện làm việc:

Tích trữ năng lượng Mbđ.D2, làm đồng đều tốc độ góc của động cơ

Nơi tiếp nối với các máy thu năng lượng

Nơi đặt các điểm dấu phục vụ cho sửa chữa và lắp ráp

II Vật liệu và phương pháp chế tạo:

Dùng gang xám hợp kim, chế tạo bằng phương pháp đúc

III Đặc điểm kết cấu:

 6.3 TÍNH SỨC BỀN TRỤC KHUỶU

Theo quan điểm sức bền vật liệu, Trục khuỷu là dầm siêu tĩnh đặt trên nền đàn hồi vì thân máy biến dạng

I Giả thiết tính toán:

 Trục khuỷu có độ cứng tuyệt đối

 Không xét đến biến dạng thân máy

 Không tính đến liên kết khi chịu các lực (xét từng khuỷu theo kiểu phân đoạn

 Tính toán theo sức bền tĩnh

 Khi xét đến sức bền động sử dụng các hệ số

an toàn, trên cơ sở hệ lực độc lập trên các khuỷu, trừ mô men

II Tính theo phương pháp phân đoạn:

1 Sơ đồ lực trên khuỷu trục:

l' l"

lo

b"

b'

Z"

Z'

Z

a"

a'

C1

C2

r1

r2

2 Trường hợp khởi động:

Lực pháp tuyến Z = Pzmax

lo

a Chốt chịu uốn:

u

u

W

   với chốt đặc W 0 1 , dch3 ; chốt rỗng

l”

l’

lo

Z

T

Z”

Z’

T”

T’

Pr1

Pr1

Pr2

Pr2 Z

b

h R

W d

d

u

ch ch ch

4 4

b Má khuỷu chịu ứng suất nén, uốn tại A-A:

u

M

W

Z b hb

6

MN/m2

n Z

bh



2 MN/m2

 Ứïng suất tổng:

u n MN/m2

3 Trường hợp lực Zmax:

Lực tác dụng Zmax xác định theo công thức:

l”

l’

lo

b’

b”

Z’

Z”

Zmax

a’

a”

C1

C2

r1

r2

b

h

x

x

I II

III

IV

Zmax  Pzmax  mR 2( 1   ) MN

Zo Zmax  (C1C2)

Với :

m: Khối lượng chuyển động tịnh tiến của cơ cấu

khuỷu trục thanh truyền (kg)

C1: Lực quán tính ly tâm của chốt khuỷu C1=mchR2

C2: Lực quán tính ly tâm của khối lượng thanh truyền

qui về đầu to C2=m2R2

Do vậy các lực tác dụng lên khuỷu trục bao gồm:

Zo  Pzmax  R 2[ ( m 1   )  mch  m2]

và Pr1, Pr2 là các lực quán tính ly tâm của má khuỷu và

đối trọng

Phản lực tại các gối:

l

l

o

o

2 2

Khi khuỷu trục đối xứng:

     

Z Z Zo P P

r r

2 1 2

a Xác định khuỷu nguy hiểm:

Khuỷu nguy hiểm là khuỷu vừa chịu lực Zmax và (T

i-1)max muốn biết phải dựa vào đồ thị T =f()

Ví dụ với động cơ 6 xi lanh, thứ tự làm việc

1-5-3-6-2-4 có giá trị T ở các góc  như sau:

Lập bảng ta biết được khuỷu thứ 2 chịu lực (T

i-1)max Do đó cần tính bền cho khuỷu này

b Tính sức bền chốt khuỷu:

 Ứng suất uốn chốt khuỷu: (Coi như khuỷu

đối xứng)

u u

u

r r u

M

W

Z l P a P c W

     1  2 MN/m2

 Ứng suất xoắn chốt khuỷu:

k k

k

i k

M

W

T R W

Trong đó Wk là mô dun chống xoắn của chốt: Wk = 2Wu

 Ứng suất tổng tác dụng lên chốt:

  u2  4 k2 MN/m2

c Tính sức bền cổ trục khuỷu:

 Ứng suất uốn cổ trục:

u u

M

W

Z b d

0 1, 3 MN/m2

 Ứng suất xoắn cổ trục:

k

i ck

M

W

T R d

 Ứng suất tổng tác dụng lên cổ trục:

  u2  4 k2 MN/m2

d Tính sức bền má khuỷu:

 Ứng suất nén má khuỷu:

n Z Pr

bh

 Ứng suất uốn quanh trục y-y:

uy u

y

uy

k uy

i

M

W

M W

T R bh

    12

6

MN/m2

 Ứng suất uốn quanh trục x-x:

ux u

x

ux

r

M

W

Z b P a c hb

     22 

6 ( )

MN/m2

 Ứng suất tổng khi chịu uốn và nén là:

4 Trường hợp lực Tmax:

Xác định khuỷu nguy hiểm:

Khuỷu nguy hiểm là khuỷu vừa chịu lực Tmax và (T

i-1)max muốn biết phải dựa vào đồ thị T =f()

Ví dụ với động cơ 6 xi lanh, thứ tự làm việc

1-5-3-6-2-4 có giá trị T ở các góc  như sau Tmax ở Tmax = 27

T(MN/m2) 1.810 0.55 -0.4 -0.78 0.4 -0.45

Lập bảng ta biết được khuỷu thứ 2 chịu lực (Ti-1)max

Do đó cần tính bền cho khuỷu này

a Tính sức bền chốt khuỷu:

 Ứng suất uốn quanh trục y-y

y

uy uy

M

W

T l W

 Ứng suất uốn quanh trục x-x:

x

ux

r r ux

M

W

W

Với chốt hình trụ: W W d

d

ux uy

ch ch ch

4 4

 Ứng suất uốn tổng tác dụng lên chốt:

u  ux2 uy2 MN/m2

 Ứng suất xoắn chốt khuỷu:

k

i ch

M

W

d

,

3

0 2

 Ứng suất tổng khi chịu uốn và xoắn tác dụng lên chốt khuỷu:

  u2  4 k2 MN/m2

b Tính sức bền cổ trục khuỷu:

Tính cho cổ trục bên phải vì chịu tải nặng hơn cổ trục bên trái:

 Ứng suất uốn do lực tiếp tuyến T” gây ra:

y

uy uy

M

W

T b W

 Ứng suất uốn do lực pháp tuyến gây ra:

x

ux ux

M

W

Z b W

Với cổ trục hình trụ: Wux Wuy 01, d3 ck

 Ứng suất uốn tổng tác dụng lên cổ:

u  ux2 uy2 MN/m2

 Ứng suất xoắn chốt khuỷu:

k

i ck

M

W

d

,

3

0 2

 Ứng suất tổng khi chịu uốn và xoắn tác dụng lên chốt khuỷu:

  u2  4 k2 MN/m2

c Tính bền má khuỷu:

Má khuỷu bên phải chịu lực lớn hơn nên tính toán cho má này

 Ứng suất uốn do lực pháp tuyến Z” gây ra:

u

M

W

Z b hb

6

MN/m2

 Ứng suất uốn do lực quán tính ly tâm P r2

gây ra:

u r

M W

P a c hb

6

MN/m2

 Ứng suất uốn do lực tiếp tuyến T gây ra:

uT T r

bh

 2

6

MN/m2 ; Với r là khoảng cách từ tâm cổ trục

đến tiết diện nguy hiểm của má

 Ứng suất uốn do mô men xoắn M”K gây ra:

bh

 2

6

 Ứng suất xoắn má khuỷu do lực tiếp tuyến T” gây ra:

K

K

T b

W

  

Do tiết diện má khuỷu dạng chữ nhật, ứng suất xoắn tại các điểm khác nhau:

Điểm 1,2,3,4 có K = 0

Điểm I,II có K =  Kmax =g hbT b 

1 2 Điểm III,IV có K =  Kmin = g 2Kmax ; g1,g2 là hệ số ứng

suất phụ thuộc h/b

 Ứng suất nén má khuỷu:

n Z Pr

bh

Lập bảng xét dấu ứng suất tác dụng trên má khuỷu:

(nén + ; kéo - )

b

4

3

x

x

I II

III

IV

1 2 3 4 I II II IV

 1 2 3 4 I II III IV

 1 2 3 4 I II III IV

 Ứng suất tổng tại các điểm 1,2,3,4 là:

1,2,3,4 =  1,2,3,4 MN/m2

 Ứng suất tổng tại các điểm I,II là:

I II,  I II2,  4 k2max MN/m2

 Ứng suất tổng tại các điểm II,IV là:

III IV,  III IV2 ,  4 k2min MN/m2

5 Trường hợp lực Tmax:

Vị trí tính toán là  = Tmax vị trí này xác định nhờ đồ thị T = f(), khuỷu nguy hiểm là khuỷu vừa chịu đồng thời

mô men Tmax R và mô men xoắn do tổng các lực tiếp tuyến các khuỷ trước đó (Ti-1)max Từ đồ thị T = f(), biết được Tmax quay ngược lại đồ thị T = f(), xác định các giá trị T tương ứng

Ví dụ Tmax =80 khi đó qua đồ thị T = f(), có bảng sau:

Lập bảng tìm khuỷu nguy hiểm Khuỷu nguy hiểm là

khuỷu thứ 5 Cách tính toán tương tự như trường hợp Tmax.

 6.4 TÍNH SỨC BỀN BÁNH ĐÀ

1 Bánh đà dạng vành:

Giả thiết:

 Ứng suất phân bố đều trên tiết diện vành

 Vành bánh đà không bị uốn theo phương đường sinh

 Phần nối, nan hoa không ảnh hưởng đến sức bền bánh đà

Khi đó ứng suất kéo trên vành bánh đà:

k bdv

g



2

MN/m2

Với: bd = trọng lượng riêng của vật liệu bánh đà (MN/

m3)

g = gia tốc trọng trường (m/s2)

v = tốc độ tiếp tuyến ở bán kính D/2 ở số vòng quay cực đại (m/s)

Gang xám [k] = 110MN/m2; thép các bon [k] = 200MN/m2

2 Bánh đà dạng đĩa:

 Ứng suất hướng kính:

g

r

2

2 2 2 2 2

( )( )( ) (MN/m2)

: tốc độ góc ứng với số vòng quay cực đại

: hệ số poát xông

r: bán kính từ phần tử tính toán đến tâm bánh đà

 Ứng suất tiếp tuyến cực đại (ứng với r =

r o ) được tính:

max  2 (  )  (  ))