Kết cấu động cơ đốt trong - Chương 2

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

CHƯƠNG 2 ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU KHUỶU

TRỤC THANH TRUYỀN

1 Các lực tác dụng lên cơ cấu khuỷu trục thanh truyền

1.1. Lực khí thể:

Do áp suất trong buồng cháy tác dụng lên đỉnh piston

4

D p P

2 kt kt



Áp suất khí thể thường được tính bằng áp suất tương đối, khi đó:

0

kt p p

pkt - Áp suất khí thể tính theo áp suất tương đối (MN/m2)

p - Áp suất khí thể trên đồ thị công (MN/m2)

p0 - Áp suất khí trời (MN/m2)

Chúng ta có thể dùng đồ thị Brick để khai triển đồ thị công

p - V thành p -  và nếu lấy p0 làm trục ngang của hệ toạ độ p0

- thì đồ thị khai triển lực khí thể sẽ là pkt = f() Để tính lực khí thể chúng ta nhân áp suất khí thể với diện tích đỉnh piston:

Pkt = pktFP = pkt

4

D 2



1.2. Lực quán tính:

Các khối lượng khi dùng xác định lực quán tính thường được tính toán theo đơn vị diện tích đỉnh piston do đó thứ nguyên sẽ là kg/m2

1.2.1 Lực quán tính chuyển động thẳng:

Do khối lượng của chi tiết chuyển động thẳng dọc theo xi lanh

với gia tốc j gây ra

m = mnp+m1

a, Khối lượng của nhóm piston:

mnp = mp + mch + msm + mvh + mg (kg) Piston (mp), chốt piston (mch), sécmăng (msm), vòng hãm (mvh),

guốc piston (mg)

b, Khối lượng của thanh truyền:

Thanh truyền chuyển động song phẳng bao gồm chuyển động thẳng theo đường tâm xi lanh và chuyển động quay theo trục khuỷu Người ta thường thay thế khối lượng thanh truyền bằng nhiều khối lượng tương đương với điều kiện sau:

 Tổng khối lượng của các phần bằng khối lượng của thanh truyền

 Trọng tâm của hệ thay thế trùng với trọng tâm thực của thanh truyền

 Mô men quán tính của các khối lượng thay thế so với trọng tâm bằng chính mô men quán tính thực của khối lượng thanh truyền với trọng tâm của nó

Tương đương với biểu thức:

i n

i i i

n

i n

































1 1

2 1

0

Trong đó ri : khoảng cách từ khối lượng thứ i đến trọng tâm

IG : Mô men quán tính của thanh truyền

Trong thực tế thường thay thế khối lượng thanh truyền bằng hai khối lượng, khi đó:

mtt = m1 + m2 Trong đó: m1 khối lượng của thanh truyền tham gia chuyển động thẳng

m2 khối lượng của thanh truyền tham gia chuyển động quay

Động cơ Ô tô máy kéo: m1 = (0,2750,35)mtt

m2 = (0,650,725)mtt Động cơ tàu thuỷ, tĩnh tại: m1 = (0,350,4)mtt

m2 = (0,650,6)mtt Khối lượng chuyển động thẳng của cơ cấu khuỷu trục thanh truyền là:

1.2.2 Biểu thức xác định lực quán tính chuyển động thẳng:

) 2 cos (cos

mR mj

j         

Lực này có thể được chia làm hai thành phần:

+ Pj1   mR 2cos , chu kỳ biến thiên là một vòng quay trục khuỷu

+ Pj2   mR 2 cos 2 , chu kỳ biến thiên là 1/2 vòng quay

trục khuỷu

Hình 2.1 Xét dấu lực quán tính chuyển động tịnh tiến

Qui ước dấu của hai thành phần này như sau: Chiều quay lên trên (li tâm đối với tâm trục khuỷu) là chiều (-), ngược lại là chiều dương (+)

1.3. Lực quán tính ly tâm:

1.3.1 Khối lượng chuyển động quay:

Bao gồm khối lượng chuyển động quay của khuỷu trục và của thanh truyền Khuỷu trục bao gồm: chốt khuỷu, má khuỷu, cổ trục chính sơ đồ như hình 2.2

 Pj2=Ccos2



+

ĐCT

ĐCD

2

315

360 o

180 o

C

-+

-135 o

225 o

 Pj1=Ccos

-+

ĐCT

ĐCD



270

360 o

180 o C=mR2

Hình 2.2 Qui dẫn khối lượng khuỷu trục

Phần chuyển động quay theo bán kính R là phần khối lượng chốt khuỷu mck

Phần chuyển động quay theo bán kính  là phần khối lượng má khuỷu mm Nếu qui khối lượng về mm tâm chốt khuỷu

ta phải thay thế bằng khối lượng tương đương mmr:

R

mr  m  Khối lượng chuyển động quay của trục khuỷu với bán kính quay R là:

mk = mck + 2mmr Khối lượng chuyển động quay của cơ cấu khuỷu trục thanh truyền là:

mr = mk + m2

1.3.2 Biểu thức xác định lực quán tính ly tâm:

2

P m R

2 Hệ lực và mô men tác dụng lên cơ cấu khuỷu trục thanh truyền

2.1. Hệ lực tác dụng trên cơ cấu khuỷu trục thanh

truyền:

Đặt hợp của lực quán tính chuyển động tịnh tiến Pj và lực khí thể Pkt là P1 Lực P1 phân thành hai lực:

N P

P1  tt 

Lực ngang:



 P tg

Lực dọc đường tâm thanh truyền:



 cos

1 P

Ptt 1

Lực Ptt lại được phân thành hai thành phần:

















cos

) sin(

P ) sin(

P



















cos

) cos(

P ) cos(

P

Lực T,Z,N có giá trị thay đổi

theo góc quay trục khuỷu Biểu diễn

các lực này trên đồ thị

Lực quán tính của khối lượng

chuyển động quay là lực ly tâm có

chiều li tâm và giá trị không đổi:

2



R m

P R  r

2.2. Mô men quay trục khuỷu:

M = RT (MN.m)

Mô men này cân bằng với mô men

cản Mc do lực cản và lực ma sát của

các chi tiết chuyển động tác dụng

lên bánh đà và mô men sinh ra bởi mô men quán tính J0 của tất cả các chi tiết chuyển động quay với gia tốc  qui về tâm trục khuỷu Do đó:

M = Mc + J0

3 Hệ lực và mô men tác dụng lên trục khuỷu động

cơ một hàng xilanh

3.1. Góc công tác:

Là góc quay trục khuỷu ứng với khoảng thời gian giữa hai lần làm việc kế tiếp nhau của hai xi lanh, nó quyết định tính đồng đều của quá trình làm việc của động cơ nhiều xilanh

Góc công tác được xác định theo công thức sau:

i

180

ct



Góc lệch công tác không phụ thuộc vào thứ tự làm việc mà chỉ phụ thuộc vào số kỳ và số xi lanh

Góc lệch khuỷu k là góc lệch của hai khuỷu kế tiếp nhau (góc kết cấu), góc này phụ thuộc vào thứ tự làm việc của các

xi lanh Lựa chọn thứ tự làm việc phải đảm bảo: phụ tải trên các cổ bé nhất, hiệu quả quá trình nạp thải cao nhất, kết cấu

x

B

O

S

ĐCT

A

ĐCD

 L

R

Z

Ptt T

N

PR

Hình 2.3 Sơ đồ lực tác dụng lên

cơ cấu KTTT

trục khuỷu đơn giản, dễ chế tạo Một kết cấu trục khuỷu có thể dùng cho nhiều thứ tự làm việc khác nhau Ví dụ động cơ 6

xi lanh kết cấu như sau có thể có các thứ tự làm việc :

1 5 3 6 2 4; 1 5 4 6 2 3; 1 2 3 6 5 4; 1 2 4

-6 - 5 - 3

3.2. Hệ lực và mô men tác dụng lên trục khuỷu động cơ

một hàng xilanh

Lực tiếp tuyến T, pháp tuyến

Z, lực quán tính ly tâm PR

Mô men của các khuỷu phía

trước Mi-1, mô men do lực T của bản

thân khuỷu Mi, mô men tại cổ trục

sau Mi

Mô men tổng Mi = Ti.R

Tổng lực Ti được tính từ

đồ thị T = f() khi biết thứ tự làm việc của các xi lanh

Lập bảng thứ tự làm việc

Từ bảng thứ tự làm việc

phân tích tình hình chịu lực của các

cổ và xác định được vị trí các khuỷu so với khuỷu thứ nhất (khuỷu thứ nhất lấy làm chuẩn) Ví dụ động cơ 4 kỳ, 4 xi lanh thứ tự làm việc 1 - 3 - 4 - 2 có bảng thứ tự làm việc như sau:

Khuỷu 1

1, 6

2,

0-1

1

6-0

3

6

T

M i-1

P K

M i

Z

00

180

0

540 0

Hình 2.4 Sơ đồ lực tác dụng lên

trục khuỷu

Khuỷu 2

nổ

Khuỷu 3

Khuỷu 4

4 Xây dựng đồ thị phụ tải tác dụng lên cơ cấu KTTT

Nghiên cứu tình trạng chịu lực, trạng thái hao mòn của các chi tiết trong cơ cấu KTTT được đánh giá thông qua các đồ thị phụ tải và đồ thị mài mòn Dưới đây chúng ta nghiên cứu cách xây dựng một số đồ thị phụ tải hay còn gọi là đồ thị vectơ phụ tải tác dụng lên cơ cấu KTTT

4.1. Đồ thị phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu:

Mục đích xây dựng đồ thị phụ tải trên chốt khuỷu nhằm:

- Xác định lực tác dụng trên chốt ở mỗi vị trí của trục khuỷu

- Khai triển đồ thị phụ tải theo quan hệ Q- chúng ta các định được phụ tải lớn nhất , bé nhất và trung bình trên chốt khuỷu

- Từ đồ thị phụ tải tác dụng

trên chốt khuỷu, chúng ta xây dựng

được đồ thị phụ tải trên đầu to

thanh truyền và các đồ thị mài mòn

trên chốt khuỷu cũng như trên đầu to

thanh truyền, từ đó biết được khu

vực chịu phụ tải bé nhất trên chốt

khuỷu để khoan lỗ dẫn dầu bôi trơn

trên chốt khuỷu được tối ưu nhất

Khi vẽ đồ thị phụ tải tác dụng

trên chốt khuỷu, chúng ta có một vài

nhận xét sau:

- Tại điểm A chịu tác dụng của các lực : Q  Z  T  P Ro

- Trên chốt khuỷu chịu tác dụng của lực quán tính ly tâm (PR0 ), lực này do khối lượng vận động quay m2 của nhóm thanh truyền quy về đầu to thanh truyền

- Lực (PRo) có trị số không

đổi và luôn hướng ra ngoài trên

cùng phương với lực Z nhưng

ngược chiều

Từ hai nhận xét trên, khi vẽ đồ thị ta chưa xét đến lực (PRo) và sẽ dùng phương pháp dịch gốc tọa độ O’ đến tâm O có giá trị bằng ( -PRo ) nằm trên trục Oz

Cách vẽ:

Bước1: Chọn tọa độ Z-T, gốc O’, chiều của tọa độ như

hình 2.5

Bước 2: Chọn tỷ lệ xích (Q) với lực Z và T

Bước 3: Trên tọa độ Z-T tìm các điểm tương ứng của từng

cặp T, Z theo góc  của trục khuỷu, chẵng hạn Oo,15o, 20o cho hết một chu trình công tác của động cơ Trị sốï Z và T xác định theo công thức (2-11) , (2-12) hoặc trên đồ thị T, Z theo góc quay trục khuỷu Ta đánh dấu giao điểm của tọa độ Z và T theo thứ tự 0,1,2

Bước 4: Nối các điểm 0, 15, 30, 720 theo thứ tự ta có

đường cong biểu diễn đồ thị phụ tải trên chốt khuỷu

Bước 5: Dịch gốc tọa độ.

- Tính giá trị lực ly tâm PRo (MN/m2)

PRo = -m2R2

Với cùng tỷ lệ xích (Q) dời O’ xuống O có trị số -m2R2.Q Điểm O xác định tâm của chốt khuỷu

Bước 6: Xác định giá trị, chiều và điểm đặt của một điểm

bất kỳ trên đồ thị phụ tải:

- Lấy một điểm bất kỳ (A) trên đồ thị phụ tải chúng ta có thể xác định được giá trị của véc tơ phụ tải bằng cách nối điểm (A) với gốc O của đồ thị

Hình 2.5 Đồ thị phụ tải tác dụûng chốt khuỷu

Ro a

a Q ' P

Q   mà Q 'a  Z  T (Ta vẽ) nên Q a  Z  T  P Ro như công thức

- Xác định chiều: chiều của các véc tơ phụ tải theo chiều từ tâm O ra điểm cần xác định (Oa)

- Điểm đặt: là điểm giao nhau của véc tơ OA và kéo dài về phía gốc cho đến khi cắt vòng tròn tượng trưng chốt khuỷu tại (A)

Nhận xét về hình dáng đồ thị :

- Lực Pj càng lớn (động cơ cao tốc) thì phần đầu của đồ thị càng to

- Lực khí thể càng lớn (động cơ điêden tốc độ thấp) thì phần đuôi đồ thị phụ tải càng dài

4.2. Khai triển đồ thị phụ tải trong hệ tọa độ cực O

thành đồ thị Q-:

Để tính Qmax, Qmin, và Qtb

Xác định các trị số đơn vị phụ tải trên chốt khuỷu (hoặc ổ trục) theo các công thức sau :

- Phụ tải cực đại p

c c

max

l

d

Q

K   2

m

MN

- Phụ tải bé nhất p

c c

min

l

d

Q

K   2 

m

MN

- Phụ tải trung bình p

c c

tb

l

d

Q

K   2

m

MN

Trong đó : Qmax , Qmin , Qtb là phụ tải cực đại,cực tiểu và trung bình được xác định trên đồ thị Q- có đơn vị là  2

m MN

dc , lc là đường kính ngoài và chiều dài làm việc của chốt khuỷu (m)

Fp là diện tích đỉnh piston (m2)

Hình 2.6 Đồ thị phụ tải chốt khuỷu khai triển theo 

- Hệ số va đập biểu thị mức độ va đập của phụ tải :

tb

max tb

max

Q

Q K

K





Hệ số  4

Trị số cho phép của phụ tải ổ trục :

Kiểu động cơ, kết cấu ổ trục và







2 tb

m

MN

m

MN K

Động cơ điêden,ổ hợp kim đồng

chì,bề mặt tôi cao tần

Động cơ điêden,ổ hợp kim babit,chốt

tôi

Trường hợp  > 4 cần phải xét :

1)  > 4 nhưng Kmax << [Kmax] vẫn cho phép

2)  > 4 nhưng Kmax >> [Kmax] cần phải điều chỉnh hệ số  bằng cách chúng ta có thể tăng khối lượng nắp đầu to thanh truyền như vậy m2 tăng và do đó tăng PR0 nên gốc tọa độ được dịch xuống gần phần đuôi của đồ thị phụ tải

Do vậy giảm được phụ tải Qmax nên  giảm Mặt khác khi tăng m2 của nắp đầu to thanh truyền, không làm tăng lực kéo bu

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750

Góc

4.3. Đồ thị phụ tải tác dụng lên đầu to thanh truyền

Dựa trên nguyên lý lực và

phản lực tác dụng tại 1 điểm bất

kỳ trên chốt khuỷu và đầu to thanh

truyền và xét đến sự chuyển

động tương đối của chúng, ta có thể

xây dựng được đồ thị phụ tải tác

dụng lên đầu to thanh truyền, nhờ có

kết quả xây dựng đồ thị phụ tải

tác dụng lên trục khuỷu

Tại bất kỳ một điểm trên đồ

thị hình11 chúng ta hoàn toàn xác

định được giá trị, phương, chiều và

điểm đặt của lực tác dụng lên

chốt khuỷu

Bây giờ chúng ta xây dựng đồ

thị phụ tải tác dụng lên đầu to

thanh truyền có nghĩa là tìm các

phản lực tác dụng lên ổ trượt đầu

to thanh truyền do phụ tải Q trên

chốt khuỷu gây ra

Như vậy ứng với một giá trị Q ta sẽ có một phản lực Q’i bằng nhau về giá trị nhưng ngược chiều nhau Còn điểm đặt của phản lực này do có sự chuyển động tương đối nên tại vị trí của một chốt khuỷu có góc i thì trên đầu to thanh truyền sẽ có một góc tương ứng i + i , chiều

quay của đầu to thanh truyền ngược

chiều quay với chốt khuỷu

Giá trị i có thể là dương có thể là âm tùy thuộc vào  và  được cho trong phụ lục

Cách vẽ đồ thị phụ tải:

1 Vẽ tượng trưng một đầu to thanh truyền trên tờ giấy bóng mờ, đầu nhỏ hướng xuống dưới, lấy tâm O (tâm đầu to thanh truyền) Đường tâm thanh truyền OZ’ cắt vòng tròn tại điểm O và lấy vòng tròn làm điểm góc 00

Hình 2.7 Đồ thị phụ tải tác dụûng đầu to

2 Chia vòng tròn O thành n phần bằng nhau thường từ (1015o) và chia theo chiều kim đồng hồ xuất phát từ góc 00 Ứng với một góc i sẽ có giá trị i (dương hoặc âm) Do vậy tại các điểm chia tương ứng với góc i sẽ là góc i + i Chẳng hạn là góc 0 + 0 , 15 + 15 , 30 + 30 .(nếu ta chia 150) Để đơn giản trên các điểm chia của vòng tròn ta chỉ ghi theo giá trị i có nghĩa là : 0, 15, 30, 45, 360,

3 Đem tờ giấy bóng mờ đặt trùng lên đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu (hình 2.5) sao cho tâm 0 trùng với góc 0 của đồ thị, đường tâm thanh truyền OZ’ trùng với OZ của đồ thị

Trên tờ giấy bóng hiện lên điểm 0 của đầu vecto Q0 và ghi điểm đầu bằng O trên giấy bóng mờ Tiếp tục xoay tờ giấy bóng ngược chiều kim đồng hồ lần lược để các điểm chia (tia chia) trùng với trục OZ Trên tờ giấy bóng sẽ hiện lên các đầu mút của các vectơ Q 15 , Q 30 , Q 45 và ta ghi theo thứ tự 0, 15, 30, 45, , 360, Đối với động cơ 4 kỳ chúng ta phải tiếp tục quay tờ giấy bóng thêm 1 vòng nữa

4 Nối lần lượt các vừa đánh dấu trên tờ giấy bóng theo đúng thứ tự, ta sẽ có đường cong biểu diễn đồ thị phụ tải tác dụng lên đầu to thanh truyền (hình 2.7) Xác định giá trị bất kỳ một điểm nào đó trên đồ thi và chính bằng đoạn ob Q, chiều từ tâm O ra điểm b và điểm đặt là giao điểm của vectơ ob và vòng tròn tượng trưng cho đầu to thanh truyền (điểm B)

4.4. Đồ thị mài mòn chốt khuỷu:

Đồ thị mài mòn chốt khuỷu thực chất là đồ thị biểu diễn trạng thái chiûu lực của chốt khuỷu trong một chu trình công tác của động cơ qua đồ thị này cũng phản ánh được dạng mài mòn lý thuyết của chốt khuỷu, xác định vùnh chịu lực bé nhất khoan lỗ dẫn dầu bôi trơn

Các giả thiết cơ bản để xây dựng đồ thị mài mòn trục khuỷu:

1 Khi tính toán mài mòn, ta tính ở động cơ ở tốc độ định mức

2 Độ mài mòn tỷ lệ với lực tác dụng trên chốt khuỷu

3 Tại một điểm trên chốt khuỷu lực tác dụng sẽ gây ảnh hưởng lên vùng lân cận về cả hai phía trong phạm vi 1200 (mỗi phía của lực 600)

Căn cứ vào các giả thiết trên, chúng ta vẽ đồ thị mài mòn chốt khuỷu bằng phương pháp lập bảng

Cách tiến hành:

1 Vẽ vòng tròn bất kỳ tượng trưng cho chốt khuỷu, tâm O trùng với tâm của đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu (hình 2.8) Ta chia vòng tròn thành n phần bằng nhau, chẳng hạn chia theo 150 thì có 24 phần, ngược với kim đồng hồ, bắt đầu từ điểm O là giao điểm đường tâm má khuỷu và vòng tròn tâm O trên vòng tròn sẽ có cấc điểm 0,1,2, 23

2 Tính hợp lực Q ' i

Từ các điểm 0, 1, 2, 3, 23 ta kẻ qua tâm O và kéo dài, các tia này sẽ cắt đồ thị phụ tải, và có bao nhiêu điểm giao nhau thì có bấy nhiêu lực tác dụng tại một điểm

Do đó ta có: Q ' i = Qi1 + Qi2 + + Qin

Trong đó:

i : Tại mọi điểm chia bất kỳ thứ i

1, 2, n : Số điểm giao nhau của tia chia và đồ thị phụ tải.(Trong bảng 3) gồm 24 hàng và 24 cột

3 Ghi kết quả tính Q ' i vào bảng (nếu ta chia theo 150 thì mỗi giá trị Q ' i được ghi vào 9 cột )

4 Tính Q i theo các dòng:

Q = Q i = Q ' 0 +Q ' 1+ + Q ' 23

5 Chọn tỷ lệ xích thích hợp  









 mm m

MN

2 , và đặt các đoạn

 Q0. Q

'

OO ,11 ' Q1 Q, 2323 ' Q23 Q , lên các tia chia tương ứng về phía trong vòng tròn ta sẽ có điểm mút 0’, 1’, 2’, , 23’

Dùng thước cong nối các điểm đó lại ta sẽ có đồ thị biểu diễn dạng mài mòn lý thuyết của chốt khuỷu

Bảng 3 Điể

m

Q ' i