Bài giảng kết cấu và tính toán động cơ đốt trong chương 2 HV kỹ thuật quân sự

- Vẽ vòng tròn tâm O1 tượng trưng cho bề mặt cổ khuỷu - Vẽ tượng trưng má khuỷu có tâm cổ trục theo chiều dương của Z - Lập bảng biến thiên của T, Z trong 1 chu kỳ - Xác định các điểm tr

CHƯƠNG 2 ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU

KHUỶU TRỤC THANH TRUYỀN

2.1 Xác định và qui dẫn các khối lượng chuyển động

2.2 Lực tác dụng lên CCKTTT

2.3 Lực và mô men tác dụng lên trục khuỷu động cơ 1 xi lanh

2.4 Lực và mô men tác dụng lên trục khuỷu động cơ một hàng nhiều XL 2.5 Đồ thị véc tơ phụ tải tác dụng lên cổ khuỷu và bạc đầu to thanh truyền 2.6 Đồ thị véc tơ phụ tải tác dụng lên cổ trục và bạc ổ trục

2.7 Đồ thị mài mòn

2.8 Động lực học động cơ kiểu chữ V

2.1 Xác định và qui dẫn các khối lượng chuyển động

2.1.1 Qui dẫn khối lượng nhóm pít tông:

m np = m p + m x + m c + m k + m g + … (kg) (2.1)

Khi piston có kết cấu đặc biệt (cơ cấu thay đổi tỷ số nén, khoang chứa dầu làm mát…) thì khối lượng của chúng cũng được tính chung vào mnp

2.1.2 Qui dẫn khối lượng nhóm thanh truyền

Nguyên tắc quy dẫn:

- Tổng khối lượng không đổi

- Trọng tâm không đổi

- Mô men quán tính đối với trọng tâm không đổi

Hình 2.1 Sơ đồ quy dẫn khối lượng TT về 3 điểm

Chú thích

m1 – khối lượng quy dẫn về tâm đầu nhỏ

m2 - khối lượng quy dẫn về tâm đầu to

m3- khối lượng quy dẫn về trọng tâm

l – chiều dài tính toán của TT

l1 – chiều dài từ trọng tâm tới tâm đầu nhỏ

• Hệ phương trình xác định m 1 , m 2 và m 3 :

mtt = m1 + m2 + m3

m1.l1 = m3(l – l1)

m1 l12 + m3(l – l1)2 = Jo (2.3)Do: m2 << m1, m3 và quy luật động học của

trọng tâm TT khá phức tạp nên để đơn giản

việc tính toán, quy dẫn mtt thành 2 thành

• Trọng tâm TT có thể xác định bằng phương pháp: cân (khi có TT thực), sử dụng các phần mềm CAD mô phỏng 3D (khi có bản vẽ).

Hình 2.3 Xác định trọng tâm TT theo PP cân

2.1.3 Qui dẫn khối lượng của khuỷu trục

Khối lượng khuỷu trục chia thành: mck, mm, mct

Quy dẫn mm về tâm cổ khuỷu: mmr = mm.ρ/RR

Khối lượng chuyển động quay không cân bằng của khuỷu trục:

mkh = mck + 2.mmr (2.5)Hình 2.4 Sơ đồ xác định khối lượng khuỷu trục

mck

mmR

ρ

mkh

R

mct

• Khối lượng chuyển động tịnh tiến của CCKTTT là:

2.1.4 Qui dẫn khối lượng của CCKTTT động cơ kiểu chữ V

Khối lượng chuyển động tịnh tiến

- ở dãy chính: mjc = mnp + mc1 + mp2’

- ở dãy phụ: mjp = mnp + mp1Khối lượng chuyển động quay:

mr = mkh + mc2 + mp2’’

Lực ma sát Lực cản khí – thủy động

Hình 2.5 Đồ thị triển khai lực khí thể theo GQTK và pha phối khí ĐC diesel 4 kỳ

ra-kỳ nạp; ac-kỳ nén; czz’b-kỳ cháy giãn nở; br-kỳ thải; r’a’-quá trình nạp; a’c-quá trình nén; czz’b’-quá trình cháy-giãn nở; b’r’’-quá trình thải; rr’’- giai đoạn trùng điệp; hc’-góc phun sớm; cc’-góc bất đầu cháy; hc-góc cháy trễ; fx, fn-tiết diện lưu thông cửa nạp và cửa xả

P kt , p kt

[MN];[MN/Rm 2 ]

α



2.2.2 Lực quán tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến

Chu kỳ Pj1 ứng với 1 vòng quay TK, Pj2 ứng với 1/R2 vòng quay TK

Pj luôn tác dụng trên đường tâm xi lanh, trùng với phương của Jp

Pj là dương khi nó cùng chiều với lực khí thể

Pj = - mj.jp = - mj.R.ω2.(cosα + λcos2α).10-6 (MN) (2.14)

Hình 2.6 Sơ đồ xác định chiều và dấu của lực quán tính cấp 1 và cấp 2

Hình 2.7 Diễn biến lực khí thể (Pkt), lực quán tính (Pj)

và lực tổng (P = Pkt + Pj) theo góc quay TK

2.2.3 Lực quán tính ly tâm

Khối lượng chuyển động quay của CCKTTT: mr

Lực quán tính ly tâm Pr được xác định theo công thức:

Pr = mr.R.ω2.10-6 [MN] (2.18)

Do mr, R, ω có giá trị không đổi (động cơ làm việc ổn định) nên

Pr có giá trị không đổi, phương luôn trùng với bán kính quay, hướng từ tâm TK ra ngoài

Hình 2.8 Lực và mô men tác dụng lên CCKTTT

2.3 Hợp lực và mô men tác dụng lên động cơ 1 xi lanh

Lực quán tính và lực khí thể cùng tác dụng trên đường tâm xi lanh nên tổng lực của chúng là:

Lực P được phân thành 2 lực:

- Ptt tác dụng dọc theo đường tâm thanh truyền; Ptt = P/Rcosβ

- Lực ngang N ép pít tông lên thành xi lanh; N = P.tgβ

Ptt được phân tiếp thành lực tiếp tuyến T (sinh ra mô men quay TK) và lực pháp tuyến Z (gây uốn TK):

T = Ptt.sin(α + β) = P.sin(α + β)/Rcosβ (2.20)

Z = Ptt.cos(α + β) = P.cos(α + β)/Rcosβ (2.21)

Mô men xoắn M của TK: M = T.RLực ngang N gây ra mô men lật (ngược chiều với mô men xoắn MR = - M) tác dụng lên thân máy và truyền xuống gối đỡ:

The end !

2.4 Lực và mô men tác dụng lên trục khuỷu động cơ một hàng nhiều xi lanh 2.4.1 Góc công tác:

Định nghĩa: góc công tác δ.

Khi chọn góc công tác cần chú ý các yêu cầu:

- Đảm bảo tính cân bằng và độ đồng đều mô men xoắn tốt nhất

- Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo

- Phụ tải trên ổ trục nhỏ

- Đảm bảo hiệu suất nạp khí tốt

- Đảm bảo sự làm mát đồng đều giữa các xi lanh

Góc công tác được xác định theo công thức (đối với động cơ có một góc công tác):

δ = 1800.τ/Ri

Định nghĩa: góc lệch khuỷu δ k

Góc tạo bởi 2 khuỷu của 2 XL kề nhau

Tình trạng chịu lực của khuỷu trục trong ĐC nhiều XL:

+ Lực pháp tuyến Zi

+ Lực tiếp tuyến Ti

+ Lực quán tính chuyển động quay Pri

+ Mô men xoắn tích luỹ tích của các khuỷu trục phía trước ΣMi-1

+ Mô men xoắn Mi của bản thân khuỷu trục thứ i (Mi = Ti.R)

+ Mô men uốn Mu của các lực Zi, Pri

ΣM phụ thuộc vào α, i và δ.

Hình 2.9 Sơ đồ kết cấu trục khuỷu động cơ 4 kỳ, L6, thứ tự làm việc 1 –

5 – 3 – 6 – 2 – 4

6-7 5-6

4-5 3-4

2-3 1-2

0-1

3, 4

2, 5

1, 6

• Trạng thái chịu lực của các cổ trục:

Các cổ 1 – 2; 2 – 3; 4 – 5 và 5 – 6 là như nhau; riêng cổ 3 – 4 chịu lực khác với các cổ còn lại

Cổ trục 0 – 1 chịu tác dụng của xi lanh thứ nhất, cổ 6 – 7 chịu lực của xi lanh thứ

6 và trọng lượng bánh đà

• Tính mô men tích luỹ tác dụng trên các cổ trục:

• Ta thấy tổng lực tiếp tuyến (hoặc tổng mô men) là hàm số biến đổi theo chu kỳ (180.τ)/Ri

Hình 2.9 Tính mô men tích luỹ và tổng mô men theo phương pháp lập bảng

2.4.2 Đồ thị véc tơ phụ tải tác dụng lên cổ khuỷu

• Tổng lực tác dụng:

Qck = T + Z + Pr2

• Trình tự xây dựng đồ thị VTPT tác dụng lên cổ khuỷu:

- Vẽ hệ toạ độ TOZ

- Xác định điểm O1: theo chiều dương của trục Z với giá trị 010 = Pr2 tương ứng với tỷ lệ xích tùy chọn

- Vẽ vòng tròn tâm O1 tượng trưng cho bề mặt cổ khuỷu

- Vẽ tượng trưng má khuỷu có tâm cổ trục theo chiều dương của Z

- Lập bảng biến thiên của T, Z trong 1 chu kỳ

- Xác định các điểm trên TOZ có cặp giá trị T, Z tương ứng

- Nối các điểm lại bằng đường cong trơn khép kín, đường cong nhận được với tâm

O1 là đồ thị cần vẽ

- Véc tơ có gốc tại O1, đỉnh thuộc đường cong chính là véc tơ Qck, điểm tác dụng là

A trên vòng tròn tượng trưng

- Chia càng nhiều điểm thì càng chính xác

- Do công nghệ chế tạo, tồn tại một vùng tiếp xúc giữa các bề mặt tại một thời

điểm

- Triển khai đồ thị VTPT về dạng Qck – α

- Xác định các giá trị Qck max, Qck min, Qck tb

Q

Hình 2.11 Đồ thị triển khai VTPT tác dụng lên cổ khuỷu theo 

Phụ tải riêng trung bình và cực đại tác dụng lên cổ khuỷu:

qtb = Qck tb/R(dc.lc) [N/Rm2] (2.24)

qmax = Qck max/R(dc.lc) [N/Rm2] (2.25)

Trong đó: Qck tb – phụ tải trung bình, [N] ; Qch max – phụ tải lớn nhất, [N];

dc; lc là đường kính và chiều dài cổ khuỷu tiếp xúc với đầu to TT [m]

• Trị số cho phép [qtb] quyết định bởi độ cứng vững của ổ trục (hình thức chịu lực của thân vỏ động cơ) và kết cấu của ổ trục (loại hợp kim chịu mòn, trạng thái bề mặt của chốt khuỷu …)

• Trị số cho phép [qmax] quyết định bởi độ khả năng làm việc của ổ trục, sự biến dạng của ổ và khả năng chịu tải của màng dầu bôi trơn

• Mức độ va đập của phụ tải đặc trưng bằng hệ số va đập χ = qmax/Rqtb Yêu cầu χ

 4 Với động cơ chữ V thanh truyền tổ hợp (V2, UTD-20) χ  1,5 Nếu χ > 4 nhưng qmax << [qmax] thì vẫn sử dụng được

Hình 2.12 Trị số cho phép của phụ tải tác dụng lên ổ trục

• Đặc điểm

- Ở chế độ mô men xoắn max, χ thường cao (Biện pháp: tăng m2)

- Đối với động cơ dùng ổ lăn, cách xác định trên có sai số lớn

- Với động cơ một hàng nhiều XL, ĐTVTPT vừa xây dựng coi như đặc trưng cho mọi cổ khuỷu

- Chu kỳ biến thiên của ĐTVTPT đối với động cơ 4 kỳ là 7200 GQTK, đối với động cơ 2 kỳ là 3600 GQTK

-Có thể xây dựng ĐTVTPT theo phương pháp 2 vòng tròn.1

- Từ ĐTVTPT có thể xác định được vị trí khoan lỗ dầu bôi trơn hợp lý

2.4.3 Đồ thị véc tơ phụ tải tác dụng lên bạc đầu to thanh truyền

Đồ thị VTPT tác dụng lên bạc đầu to được xác định thông qua ĐTVTPT tác dụng lên cổ khuỷu

Qb = - QckKhi khuỷu trục quay 1 góc α so với đường tâm xi lanh thì đầu to quay đi một góc

- Giao điểm của đường tròn với đường tâm TT là điểm Oo

- Theo chiều quay TK, xác định các điểm 15, 30, 45 … tương ứng với các góc 15 + β(15), 30 + β(30), 45 + β(45) … trên đường tròn

- Đặt tờ giấy lên trên ĐTVTPT cổ khuỷu sao cho tâm O trùng O1

- Chiều dương trục OZ đi qua điểm Oo

- Đánh dấu điểm mút của véc tơ Qck (Oo

hoặc 720o) là 0, 720

- Xoay tờ giấy quanh O để các điểm 15,

30, 45 … trùng với chiều dương trục OZ,

lần lượt đánh dấu các điểm đầu mút véc

tơ Qck (15o), Qck (30o), Qck (45o) … tương

ứng là 15, 30, 45 …

- Nối các điểm 0, 15, 30, 45 … bằng

đường cong trơn, kín ta được đồ thị

VTPT tác dụng lên bạc đầu to

- Đối với động cơ 2 kỳ thực hiện tương

tự, chu kỳ 360o

- Đồ thị VTPT tác dụng lên bạc đầu to

thực tế rất phức tạp, cách xây dựng trên

chỉ mang tính chất định tính Hình 2.17 Đồ thị véc tơ phụ tải

tác dụng lên bạc đầu to thanh truyền

2.6 Đồ thị véc tơ phụ tải tác dụng lên cổ trục và bạc ổ trục

• Đồ thị VTPT tác dụng lên cổ trục có dạng phức tạp do lực tác dụng lên cổ trục

là hợp lực của các phản lực do lực tác dụng lên hai khuỷu trục có cùng cổ trục gây ra Do đó, VTPT tác dụng lên cổ trục phụ thuộc vào góc lệch khuỷu, thứ tự làm việc của động cơ và các lực tác dụng trên hai khuỷu có chung cổ trục đó sinh

ra

• Đối với ĐC nhiều XL, ĐTVTPT của các cổ trục có hình dạng khác nhau

• Đa số các trường hợp, cổ trục chịu tải lớn nhất là cổ trục nằm giữa hai khuỷu có góc lệch khuỷu = 3600 Cổ trục này thường nằm giữa trục khuỷu và thường được làm dài hơn cổ trục khác

• Bằng phương pháp đồ thị, từ ĐTVTPT tác dụng lên cổ khuỷu có thể xác định ĐTVTPT tác dụng lên cổ trục và ĐTVTPT tác dụng lên bạc ổ trục

2.6.1 Đồ thị véc tơ phụ tải tác dụng lên cổ trục và bạc ổ trục động cơ 1 XL

Sơ đồ khuỷu trục động cơ 1 xi lanh và lực tác dụng

Phương pháp xây dựng:

- Xác định ĐTVTPT tác dụng lên bề mặt cổ khuỷu

- Xác định điểm O2 theo chiều dương OZ, sao cho O1O2 = Prk

- Vẽ vòng tròn tâm O2 tượng trưng cho bề mặt cổ trục

- Vẽ má khuỷu tượng trưng

- Véc tơ gốc O2, mũi là 1 điểm trên ĐTVTPT cổ khuỷu chính là Qb tại góc

quay tương ứng

- Lấy véc tơ Qb nhân với tỷ lệ xích a/R(a+b) hoặc b/R(a+b) ta được VTPT tác

dụng lên ổ đỡ bên phải hoặc trái tại góc quay tương ứng

- Đồ thị gốc O2 với đường cong VTPT cổ khuỷu với tỷ lệ xích T = b/R(a+b) và

P = a/R(a+b) chính là ĐTVTPT tác dụng lên bạc cổ trục bên trái và phải của ĐC

1 XL trong 1 chu kỳ

Đối với ĐTVTPT tác dụng lên cổ trục:

- Xoay ĐTVTPT bạc cổ trục tương ứng đi 1 góc 1800 quanh tâm O2

- Có thể triển khai các ĐT trên theo GQTK, xác định Qmax, Qtb, qmax (lấy thấp hơn 40% so với cổ khuỷu), qtb (lấy thấp hơn 20% so với cổ khuỷu)

ĐTVTPT tác dụng lên cổ trục ĐTVTPT tác dụng lên bạc cổ trục

2.6.2 Đồ thị véc tơ phụ tải tác dụng lên cổ trục và bạc ổ trục động cơ nhiều XL

Giả thiết: - TK đủ cổ trục

-TK cứng vững tuyệt đối

- Lực từ mỗi khuỷu chỉ tác dụng lên 2 bạc ổ đỡ của khuỷu đó mà không ảnh hưởngđến các ổ trục xa hơn

- ĐTVTPT cổ khuỷu là như nhau giữa các XL

- TK đứng yên, XL quay với tốc độ - 

Đặc điểm: ĐTVTPT bạc và cổ trục của ĐC nhiều XL rất phức tạp, do:

- Các XL làm việc lệch pha nhau

- Các khuỷu được bố trí lệch nhau

- Tải trên các ổ trục khác nhau

- TK có thể đủ hoặc thiếu cổ trục

PP xây dựng ĐTVTPT bạc ổ trục

Có 2 PP xây dựng: PP đồ thị và PP giải tích

PP đồ thị:

- Xác định ĐTVTPT cổ khuỷu của khuỷu trái

- Xác định điểm O2 theo chiều dương của OZ, sao cho O1O2 = Prk

- Vẽ đường tròn tâm O2 tượng trưng cho bề mặt cổ trục

- Vẽ tượng trưng má khuỷu

- Dùng O2 làm tâm, xoay toàn bộ hệ trục TOZ đi 1 góc lệch khuỷu k

- Xác định góc lệch pha công tác giữa XL ở khuỷu trái và khuỷu phải, ứng với góc quay của khuỷu trái là i thì góc quay khuỷu phải là i+1

- Lực Qbi’’ = Qbi.ai/R(ai+bi) là lực tác dụng lên ổ trục chung do khuỷu trái gây ra

- Lực Qbi+1’ = Qbi+1.bi+1/R(ai+1+bi+1) là lực tác dụng lên ổ trục chung do khuỷu phải gây ra

PP đồ thị (tiếp):

- Cộng 2 véc tơ ta được lực tổng Qbi+1 tác dụng lên ổ trục i+1 ứng với i

- Lặp lại việc xác định Qbi+1 cho góc i khác

- Nối các đầu mút của các véc tơ Qbi+1 bằng 1 đường cong kín ta có ĐTVTPT của bạc cổ trục chung ứng với gốc O2

- Lấy O2 làm tâm, quay ĐT vừa xây dựng 1 góc 1800, ta được ĐTVTPT tác dụng lên cổ trục chung

- Nếu Prk’  Prk’’ thì phải tịnh tiến đồ thị TOZ của khuỷu phải đi 1 đoạn bằng (Prk’ - Prk’’) theo chiều dương trục Z

PP giải tích

- Cổ trục thứ i+1 nằm giữa khuỷu i và i+1, chịu tác dụng của các lực Ti’’, Zi’’,

Pri’’ do khuỷu trái gây ra và Ti+1’, Zi+1’, Pri+1’ do khuỷu phải gây ra

- Chiếu các thành phần lực tiếp tuyến và pháp tuyến lên hệ TO2Z

- Lập bảng biến thiên của các lực.

- Lập hệ tọa độ TO’Z, trục O’Z thẳng đứng, có chiều dương hướng xuống

- Nối các điểm (Ti,i+1, Zi,i+1) thành 1 đường cong kín

- Xác định điểm O2 có tọa độ (-Tr, -Zr)

- Đường cong với tâm O2 là ĐTVTPT tác dụng lên cổ trục chung thứ i+1

- Quay đường cong quanh tâm O2 ta được ĐTVTPT tác dụng lên bạc cổ trục thứ i+1

Hình 2.15 Đồ thị VTPT tác dụng lên cổ trục khuỷu động cơ nhiều xi lanh bố trí một hàng, góc lệch khuỷu 2400.

PP xây dựng ĐTVTPT bạc ổ trục

2 PP xây dựng: PP đồ thị và PP giải tích

Hình 2.16 ĐTVTPT tác dụng lên ổ trục khuỷu, trục khuỷu có góc lệch khuỷu 2400

2.7 Đồ thị mài mòn cổ khuỷu

• Đồ thị mài mòn cổ khuỷu (hoặc cổ trục) thể hiện trạng thái chịu tải của các điểm trên bề mặt cổ, nó cũng thể hiện trạng thái hao mòn của bề mặt và giúp chỉ rõ khu vực hợp lý để khoan lỗ dẫn dầu bôi trơn (áp suât tiếp xúc nhỏ)

• Cách xây dựng đồ thị mài mòn cổ khuỷu bằng phương pháp lập bảng:

1 Vẽ vòng tròn bất kỳ tượng trưng cho cổ khuỷu và chia nó thành 2n phần bằng nhau, đánh số từ 0, 1, 2, …, 2n – 1

2 Tính hợp lực Q’ của các lực tác dụng lên các điểm 0, 1, 2, … và ghi phạm

vi tác dụng của chúng (giả thiết mỗi phía là 600) vào bảng

3 Xác định Q tại các điểm 0, 1, 2, Ghi vào hàng dưới cùng của bảng Dùng tỷ lệ xích thích hợp để đặt các đoạn thẳng tương ứng cho Q tại các điểm 0, 1, 2, … trên hình tròn (tính từ ngoài vào tâm)

4 Nối mút các đoạn thẳng  đồ thị mài mòn cổ khuỷu

Hình 2.13 Xác định hợp lực tác dụng lên các điểm bề mặt chốt khuỷu

+ Đồ thị mài mòn xác định theo PP này chỉ mang tính chất định tính, vì:

- Bề mặt trục và lỗ không tròn tuyệt đối và bị mòn trong khi làm việc

- Chưa xét đến ảnh huởng của chất lượng dầu bôi trơn và biến dạng của các chi tiết

- Giả thiết cung chịu lực là 1200 không sát với thực tế (do chốt bị đẩy lệch đi duới tác dụng chêm của dầu bôi trơn và khe hở trục – lỗ)

12

1 2

3 4 5 6 7 8 9

10 11

13 14 15 16 17 18

19 20 21

23 0

Hình 2.13 Đồ thị mài mòn