THIẾT kế hệ THỐNG PHÁT lực ĐỘNG cơ 3 XI LANH

Trong xã hội hiện đại công nghiệp ngày nay, không ai có thể phủ nhận vai trò quan trọng của động cơ đốt trong. Động cơ đốt trong xuất hiện trên nhiều lĩnh vực thiết yếu của cuộc sống như: sản xuất công nghiệp, nông nghiệp hay giao thông vận tải. Ở các nước có nền công nghiệp phát triển song đều có một nền công nghiệp sản xuất, chế tạo động cơ tiên tiến, không những để đáp ứng nhu cầu trong nước mà còn để xuất khẩu . Việt Nam có nền khoa học công nghệ còn lạc hậu, chưa thể tự sản xuất được những động cơ tốt, công suất lớn nhưng không vì thế mà chúng ta xem nhẹ việc phát triển ngành công nghiệp chế tạo động cơ đốt trong. Hiện nay, nhờ sự tập trung nghiên cứu cũng như chuyển giao công nghệ, chúng ta đã có thể sản xuất được các động cơ diesel cỡ nhỏ và trong tương lai sẽ ngày càng hoàn thiện hơn.

ĐAMH: THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG NHIỆM VỤ: THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT LỰC ĐỘNG CƠ 3 XI-LANH MỤC LỤC

Chương 1 Phân tích điều kiện làm việc, yêu cầu của hệ thống

Chương 3 Tính và chọn các thông số bố trí chung của hệ thống

1 Đại cương về thiết kế bố trí chung động cơ đốt trong 44

2 Các thông số kết cấu và kích thước cơ bản của hệ thống 45

Chương 5 Quy trình tháo, lắp, điều chỉnh, bảo dưỡng và sửa chữa hệ thống

2 Kiểm tra tình trạng kỹ thuật của nhóm pit – tông, séc – măng, 98thanh truyền

3 Sửa chữa nhóm pit – tông, séc – măng, thanh truyền 102

LỜI NÓI ĐẦU

Trong xã hội hiện đại công nghiệp ngày nay, không ai có thể phủ nhận vai trò quantrọng của động cơ đốt trong Động cơ đốt trong xuất hiện trên nhiều lĩnh vực thiết yếucủa cuộc sống như: sản xuất công nghiệp, nông nghiệp hay giao thông vận tải Ở cácnước có nền công nghiệp phát triển song đều có một nền công nghiệp sản xuất, chế tạođộng cơ tiên tiến, không những để đáp ứng nhu cầu trong nước mà còn để xuất khẩu

Việt Nam có nền khoa học công nghệ còn lạc hậu, chưa thể tự sản xuất đượcnhững động cơ tốt, công suất lớn nhưng không vì thế mà chúng ta xem nhẹ việc phát triểnngành công nghiệp chế tạo động cơ đốt trong Hiện nay, nhờ sự tập trung nghiên cứucũng như chuyển giao công nghệ, chúng ta đã có thể sản xuất được các động cơ diesel cỡnhỏ và trong tương lai sẽ ngày càng hoàn thiện hơn

Trong chương trình đào tạo kỹ sư ô tô của khoa Kỹ Thuật Giao Thông, trường Đạihọc Bách Khoa TP HCM, đồ án môn học Thiết kế động cơ đốt trong là một môn học tốiquan trọng, nhằm trang bị cho sinh viên về phương pháp luận để thiết kế động cơ đốttrong cũng như những hiểu biết sâu sắc về kết cấu và tính toán thiết kế động cơ Để giúpsinh viên nắm vững những lý thuyết đã học cũng như để làm quen với trình tự thiết kếđộng cơ theo như thực tế ở bên ngoài, vì vậy bộ môn ô tô đã đưa vào môn học Đồ án thiết

kế động cơ đốt trong này

Vì đây là lần đầu tiên thực hiện một đồ án chuyên ngành về động cơ đốt trong nênkhông tránh khỏi những sai xót,em kính mong quý Thầy (Cô) góp ý và chỉ ra những thiếuxót, khuyết điểm của em trong Đồ án này, để em có thể rút kinh nghiệm và cố gắng hoànthiện tốt hơn kiến thức chuyên ngành của mình Em xin chân thành cảm ơn thầy NguyễnĐình Hùng đã tận tình hướng dẫn em hoàn thành đồ án này Kính chúc quý Thầy (Cô)luôn dồi dào sức khỏe và thành công

HỒ NGUYỄN CÔNG MINH

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC VÀ YÊU CẦU HỆ THỐNG

 Nhiệm vụ của hệ thống phát lực :

- Nhóm các chi tiết phát lực có nhiệm vụ biến áp lực của khí thể cháy sinh ra trong

xylanh thành mô men của trục khuỷu động cơ để dẫn động máy công tác

- Nhóm các chi tiết phát lực bao gồm : nhóm pit-tông, nhóm thanh truyền, nhóm trục

khuỷu bánh đà

1 Pit-tông :

a) Công dụng :

- Pit-tông là một chi tiết máy quan trọng của động cơ đốt trong Trong quá trình làm

việc của động cơ, pit-tông tiếp nhận lực khí thể và truyền lực ấy cho thanh truyền (trong quá trình cháy và giãn nở ) để làm quay trục khuỷu; nén khí trong quá trình nén; đẩy khí thải ra khỏi xylanh trong quá trình thải và hút khí nạp mới vào buồng cháy trong quá trình nạp

b) Điều kiện làm việc của pit-tông :

- Trong quá trình làm việc của động cơ, pit-tông chịu lực rất lớn, nhiệt độ rất cao và

ma sát mài mòn lớn Lực tác dụng và nhiệt độ cao do khí thể và lực quán tính sinh ra gây nên ứng suất cơ học và ứng suất nhiệt trong pit-tông, còn mài mòn là do thiếu dầu bôi trơn mặt ma sát của pit-tông với xylanh khi chịu lực

c) Kết cấu :

Pit-tông gồm 3 phần chính :

- Đỉnh pit-tông là phần trên cùng của pit-tông cùng với xylanh và quy-lát tạo thành

buồng cháy Ta thiết kế đỉnh pit-tông theo dạng đỉnh bằng, nó có tiết diện chịu nhiệt bénhất,kết cấu đơn giản dễ chế tạo

- Đầu pit-tông bao gồm đỉnh pit-tông và vùng đai lắp các xecmăng dầu và khí, làm

nhiệm vụ bao kín

- Thân pit-tông là phần phía dưới rãnh xecmăng dầu cuối cùng ở đầu pit-tông, làm

nhiệm vụ dẫn hướng pit-tông

2 Chốt pit-tông :

a) Công dụng :

- Chốt pit-tông là chi tiết máy nối piston với thanh truyền, nó truyền lực tác dụng của

khí thể tác dụng trên pit-tông cho thanh truyền để làm quay trục khuỷu Vì vậy, tuy là mộtchi tiết máy đơn giản nhưng rất quan trọng

b) Điều kiện làm việc và yêu cầu :

- Trong quá trình làm việc, chốt pit-tông chịu lực khí thể và lực quán tinh rất lớn Mà

chốt pit-tông lại khó chuyển động xoay tròn trong bệ chốt nên khó bôi trơn Ma sát dưới dạng nửa ướt, chốt pit-tông dễ bị mòn

- Nên yêu cầu phải chế tạo pit-tông bằng vật liệu tốt để đảm bảo sức bền và độ cứng

vững Chốt pit-tông phải được nhiệt luyện theo công nghệ đặc biệt, đảm bảo bề mặt làm

việc của chốt có độ cứng cao, chống mòn tốt, nhưng ruột chốt lại phải dẻo để chống mỏi tốt Mặt chốt phải mài bóng để tránh ứng suất tập trung, khi lắp ráp khe hở phải nhỏ

c) Vật liệu chế tạo :

- Vật liệu chế tạo chốt piston là thép hợp kim

3 Xéc măng :

a) Công dụng :

- Xéc măng dùng để bao kin buồng cháy không cho khí cháy lọt xuống đáy dầu và

không cho dầu lọt vào buồng cháy

- Xéc măng truyền phần lớn nhiệt lượng từ đầu pit-tông sang thành xylanh rồi ra nước

làm mát hoặc không khí để làm mát cho động cơ

b) Điều kiện làm việc :

- Xéc-măng làm việc trong điều kiện xấu : chịu nhiệt độ cao, áp suất va đập lớn, ma

sát mài mòn nhiều và chịu ăn mòn hóa học của khí cháy và dầu nhờn

c) Vật liệu chế tạo :

- Hầu hết ngày nay các nước trên thế giới cũng như nước ta đều dùng gang xám hợp

kim để chế tạo xéc măng

4 Nhóm thanh truyền :

a) Công dụng :

- Biến chuyển động tịnh tiến của pit-tông thành chuyển động quay tròn của trục

khuỷu, nhận lực của pit-tông biến thành mô men của trục khuỷu Nhận lực quán tính quay tròn của trục khuỷu truyền chuyển động cho pit-tông

b) Điều kiện làm việc :

- Thanh truyền có chuyển động phức tạp

- Chịu lực quán tính chuyển động thẳng, chịu lực quán tính chuyển động quay

c) Kết cấu :

- Nhóm thanh truyền bao gồm các chi tiết : đầu nhỏ thanh truyền, bạc lót đầu nhỏ nắp

đầu to thanh truyền, hai nửa bạc lót đầu to thanh truyền, đầu to thanh truyền, đai

ốc và bulông thanh truyền

5 Trục khuỷu :

a) Nhiệm vụ :

- Trục khuỷu là một trong những chi tiết quan trọng nhất, cường độ làm việc lớn nhất

và giá thành cao nhất của động cơ

- Tiếp nhận lực tác dụng trên pit-tông truyền qua thanh truyền và biến chuyển động

tịnh tiến của pit-tông thành chuyển động quay của trục để đưa công suất ra ngoài (dẫn động các máy công tác khác)

b) Điều kiện làm việc :

- Chịu tác dụng của lực khí thể trong xylanh

- Lực quán tính chuyển động tịnh tiến của nhóm pit-tông

- Lực quán tính của trục khuỷu

- Những lực này có trị số rất lớn và thay đổi theo chu kỳ nhất định nên có tính chất va

đập rất mạnh

c) Yêu cầu kỹ thuật :

- Trục khuỷu phải có sức bền lớn, độ cứng vững lớn, trọng lượng nhỏ và ít mòn

- Độ chính xác gia công cao

- Các bề mặt làm việc của trục khuỷu cần có độ bóng bề mặt và độ cứng cao

- Không xảy ra hiện tượng dao động cộng hưởng trong phạm vi tốc độ sử dụng

- Kết cấu của trục khuỷu phải đảm bảo tính cân bằng và tính đồng đều của dộng cơ

- Đảm bảo tính công nghệ dễ chế tạo

d) Chọn phương án thiết kế :

- Vật liệu chế tạo : thép Cacbon

- Sử dụng phương pháp bối trơn cưỡng bức bằng các mạch dầu

- Sử dụng trục khuỷu co chốt khuỷu rỗng

6 Bánh đà :

a) Công dụng :

- Tích trữ năng lượng dư sinh ra trong hành trình sinh công để bù đắp phần năng

lượng thiếu hụt trong các hành trình tiêu hao công, khiến cho trục khuỷu quay đồng đều hơn

b) Vật liệu chế tạo :

- Động cơ tốc độ cao : thép các bon có thành phần các bon thấp

CHƯƠNG 2: CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG

- Động cơ nhiều xilanh:

Từ những nhược điểm của động cơ một xilanh,biện pháp tốt nhất để tăng công suất động

cơ là tăng số xilanh

- Động cơ hai hàng xi - lanh:

Loại động cơ kiểu này trước kia thường dùng trong máy bay nhất là động cơ chữ V làm mát bằng nước, sau đó được dùng nhiều trên ôtô và xe tăng, có thế nói rằng động cơ chữ

V đang dần dần chiếm ưu thế tuyệt đối trong các xe du lịch có công suất lớn

2 Sơ đồ cấu tạo

- Nhóm pit-tông chuyển động tịnh tiến lên xuống truyền lực khí thể cho thanh truyền

- Nhóm thanh truyền là chi tiết chuyển động trung gian, có chuyển động phức tạp để

biến chuyển động tịnh tiến của pit-tông thành chuyển động quay của trục khuỷu

- Trục khuỷu là chi tiết máy quan trọng nhất, có chuyển động quay và truyền công

suất của động cơ ra ngoài để dẫn động máy công tác khác

- Theo chu kỳ lý thuyết, mỗi kỳ khởi sự ngay tại một điểm chết mà cũng chấm dứt

ngay tại một điểm chết Trong động cơ bốn kỳ thì mỗi kỳ sẽ thực hiện một quá trình và có:

Hình 2.2 Các kỳ của động cơ

- Kỳ nạp/hút : pit-tông nhận năng lượng từ bánh đà thông qua kết cấu trục khuỷu và

thanh truyền dịch chuyển từ ĐCT xuống ĐCD thực hiện quá trình nạp môi chất công tác

- Kỳ nén : pit-tông cũng nhận năng lượng từ bánh đà thông qua kết cấu trục khuỷu và

thanh truyền dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCT, thực hiện quá trình nén, thể tích xylanh nhỏ lại từ Va đến Vc

- Kỳ sinh công : xảy ra quá trình cháy – giãn nở và sinh công Pit-tông nhận áp lực từ

khí cháy sinh ra trong xylanh động cơ dịch chuyển từ ĐCT xuống ĐCD và truyền ra ngoài cho thiết bị công tác thông qua cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền

- Kỳ thải/xả/thoát : pit-tông tiếp tục nhận năng lượng từ bánh đà thông qua cơ cấu

truc khuỷu – thanh truyền, dịch chuyển từ ĐCD lên ĐCT thực hiện quá trình thải sản vật cháy ra ngoài

4 Tính toán nhiệt

4.1 Giới thiệu

Tính toán nhiệt đông cơ đốt trong (ĐCĐT) chủ yếu là xây dựng trên lý thuyết đồ thịcông chỉ thị của một động cơ cần được thiết kế thông qua việc tính toán các thông sốnhiệt đông học của chu trình công tác trong động cơ gồm các quá trình :

Nạp – Nén – Cháy – Dãn nở

4.2 Các thông số cho trước của động cơ

Trường hợp thiết kế mới động cơ :

Suy ra : Dung tích xylanh V = 1647 [cm3]

4.3 Chọn các thông số cho tính toán nhiệt :

4.3.1 Áp suất không khí nạp (po)

Áp suất không khí nạp được chọn bằng áp suất khí quyển :

po = 0.1013 [MN/m2]4.3.2 Nhiệt độ không khí nạp mới (T0)

Nước ta khu vực nhiệt đới, nhiệt độ trung bình trong ngày có thể chọn là tkk =

29 oC

Do đó: To = (tkk + 273)K = 29 + 273 = 302 K

4.3.3 Áp suất khí nạp trước xupap nạp (pk)

Động cơ bốn kỳ không tăng áp: pk = po = 0.1013 [MN/m2]

4.3.4 Nhiệt độ khí nạp trước xupap nạp (Tk)

Đối với động cơ bốn kỳ không tăng áp Tk = To = 302 K

4.3.5 Áp suất cuối quá trình nạp (pa)

Đối với động cơ không tăng áp, áp suất cuối quá trình nạp thường nhỏ hơn ápsuất khí quyển, do có tổn thất trên ống nạp và bầu lọc gây nên

pa = 0.83*po = 0.83*0.1=0.084 [MN/m2]4.3.6 Chọn áp suất khí sót (pr)

Đối với động cơ diesel chọn pr = 0.115 [MN/m2]

4.3.10 Chọn hệ số quét buồng cháy 2

Động cơ không tăng áp do không có quét buồng cháy nên chọn 2 = 1

4.3.11 Chọn hệ số hiệu đính tỷ nhiệt t

Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt t phụ thuộc vào thành phần khí hỗn hợp  và nhiệt độ khísót Tr

Đối với động cơ Diesel  = 1.42 - 1.75 ta chọn t =1.11

4.3.12 Hệ số lợi dung nhiệt tại điểm Z (Z)

Là thông số số biểu thị mức độ lợi dụng nhiệt của quá trình cháy, hay tỷ lệlượng nhiên liệu đã cháy tại điểm Z

Căn cứ theo bảng 1.7 chọn Z = 0.65

4.3.13 Hệ số lợi dung nhiệt tại điểm b (b)

Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b b phụ thuộc vào nhiều yếu tố Khi tốc độ động

cơ càng cao, cháy rớt càng tăng, dẫn đến nhỏ

Căn cứ theo bảng 1.8 chọn b = 0.9

4.3.14 Chọn hệ số dư lượng không khí 

Lượng không khí đi vào xy lanh M1 có thể nhỏ hơn hoặc lớn hơn Mo

 = M1/Mo Trong đó: M1 - lương không khí thực tế nạp vào xylanh

Mo - lượng không khí lý thuyết cần thiết đốt cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu

Theo đề bài  = 1.42 - 1.75

4.3.15 Chọn hệ số điền đầy đồ thị công (d)

Hệ số điền đây đồ thị công đánh giá phần hao hụt về diện tích của đồ thị côngthực tế so với đồ thị công tính toán

p

 

Trong đó: pz - áp suất cuối quá trình cháy

pc - áp suất cuối quá trình nén

 12 . . 18 1 0.8115 0.1013 8001 0.115 302 0.0311

k r r

V k r

T P

302 10 1.11 0.0311 800

0.115 327.0635

m m a

k t r r

r a

- Lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt cháy 1kg nhiên liệu xăng

1

0.7737

1.0426 0.74205

M M

- Hệ số biến đổi phân tử khí thực tế

2 1

r r

2γ

β

z vz

Giải phương trình đó và chọn nghiệm dương là giá trị Tz = 2120.21 oK

- Áp suất cuối quá trình cháy







- Xác định chỉ số giãn nở đa biến trung bình n 2

Ở nhiệt độ từ 1200 – 2600 oK, sai khác của tỷ nhiệt không lớn lắm do đó ta có thểxem:

( Nhiệt độ cuối quá trình dãn nở )

Giải hệ phương trình trên bằng cách thay dần từng cặp các giá trị n2 và Tb vào cácphương trình giải bằng cách lặp lại nhiều lần, ta nhận được giá trị :

n2 = 1.255

Tb = 1078.97 K

- Áp suất cuối quá trình dãn nở

2 1.255

7.9375

0.285714.1408

z

b n

P P

0.2857

m m r

T T

1 0.74205 0.773 302

42530 0.1013 0.8115

i k i

e h

 = 4 - số chu kỳ của động cơ

i = 3 - số xylanh của động cơ

ne = 2800 v/p - số vòng quay của động cơ

Ne = 26.1 kW - công suất động cơ

pe = 0.6725 MN/m2 - áp suất có ích trung bình

- Đường kính piston

3 3

0.8727 (m) = 87.2792.4

 Vẽ đồ thị công chỉ thị

- Thể tích cuối hành trình nén

h c

- Bằng cách thay giá trị Vxn đi từ Va đến Vc ta lần lượt xác định được các giá trị pxn

- Dạng đường công giãn nở

Bằng cách thay giá trị Vxg đi từ Vz đến Vb ta lần lượt xác định được các giá trị pxg

+ Dùng đồ thị Brich xác định điểm đánh lửa sớm c’ và các điểm phối khí (mở sớm

và đóng muộn của các xupap nạp, thải : r’, a’, b’, r”) trên đồ thị công

+ Dựng phía dưới đồ thị công nữa vòng tròn có bán kính R, tâm O là trung điểm củađoạn Vh



(trong đó  làthông số kết cấu, đã được chọn trước.)

+ Từ tâm O’ ta vẽ các tia hợp với đường kính nửa vòng tròn tâm O đã vẽ ở trênnhững góc nói trên Các góc này có thể chọn theo động cơ tham khảo

+ Từ giao điểm các tia cắt nửa vòng tròn tâm O đã vẽ ở trên ta đóng các đườngsong song với trục tung cắt đồ thị công và từ các điểm này ta xác định được các điểm (c’,r’, a’, b’, r”) trên đồ thị công

+ Hiệu đính phần đường cong của quá trình cháy trên đồ thị công

Ở động cơ xăng áp suất cực đại (điểm z’) có tung độ pz’= 0.85 pz

+ Điểm z” là trung điểm đoạn thẳng qua điểm z’ song song vớI trục hoành và cắtđường cong giãn nở

+ Điểm c” lấy trên đoạn cz’ với cc”= cz’/3

+ Điểm b” là trung điểm của đoạn ab

Dùng thước cong nối liền tất cả các điểm xác định trên thành một đường cong liêntục ta được đồ thị công chỉ thị của đông cơ tính toán

- Trục trung thể hiện áp lực khí thể với tỉ lệ xích:

Việc xác định quan hệ giữa chuyển vị piston và gócquay alpha có thể xác định bằng phương pháp vòng trònBrick như sau:

- Từ điểm O’ của đồ thị công chỉ thị dựng tia O’A, tianày cắt đường tròn Brick tại 1 điểm, từ đó dựngđường gióng thẳng đứng (song song trục áp suất) cắtđồ thị công chỉ thị tại điểm tương ứng (với quá trìnhnạp, nén, dãn nở hoặc thải) Từ giao điểm đó gióngngang sang đồ thị lực khí thể và cắt đường thẳngđứng tương ứng gióng từ trục alpha lên Giao điểm đóchính là độ lớn của lực khí thể tại góc alpha tươngứng trên đồ thị lực khí thể P k t  f( ) .

- Lần lượt cho góc alpha lớn dần (00, 100, 200, 300…) vàtiến hành tương tự như trên ta được tập hợp các giaođiểm trên đồ thị P k t  f( ) .

- Nối các giao điểm nhận được bằng đường cong liêntục ta nhận được đồ thị biến thiên lực khí thể theogóc quay alpha P k t f( )

- Tại các đọan cong của quá trình cháy của quá trìnhcháy (tính từ điểm c’ – c – c” – z’ – z “ đến điểm tiếpxúc với đường cong giãn nở ) và quá trình thải sớm(b’ – b”) được vẽ theo trình tự như trên với bước tăngcủa alpha là 50 (từ góc 3500, 3550, 3600,… 3900)

- Trong khỏang alpha = 350 đến 375 thường bị sai sót doquá trình cháy mãnh liệt xảy và áp suất trong xylanhđạt giá trị cực đại, cần chú thêm các giá trị alphatrung gian:3650, 3700, 3750…

Hình 2.4 Đồ thị áp suất khí thể

5 Tính tốn động học

Nhiệm vụ phân tích động học của cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền là thiết lập quy luật chuyển động của piston và thanhtruyền trên cơ sở đã biết quy luật chuyển động của trục khuỷu với giả thiết trục khuỷu quay với vận tốc góc  = const

Trong động cơ đốt trong kiểu piston, cụm phát lực ( piston, thanh truyền, trục khuỷu ) chuyển động theo nguyên tắc sau :

- Piston chuyển động tịnh tiến lên xuống truyền lực khí thể cho thanh truyền

- Thanh truyền chuyển động song phẳng trong mặt phẳng lắc của nó: đầu nhỏ thanh truyền chuyển động tịnh tiến cùng với piston , đầu to thanh truyền chuyển động quay quanh 1 trục cố định là đường tâm của trục

khuỷu thanh truyền là chi tiết trung gian biến đổi

chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu

- Trục khuỷu chuyển động quay quanh 1 trục cố định,

truyền công suất ra ngoài

ĐỘNG HỌC CỦA PISTON :

góc quay của trục khuỷu tỉ lệ thuận với thời gian t Ta có :

;

Vị trí của góc quay  là vị trí của chốt khuỷu khi chốt piston ở vị trí điểm chết trên Chiều dương của  là

chiều kim đồng hồ

5.1 Chuyển vị của piston

Khi trục khuỷu quay 1 góc  thì piston dịch chuyển 1 đọan là Sp theo hình vẽ ta có :

Trong đó : R _ bán kính tay quay trục khuỷu;

 _ thông số kết cấu; = 0,25

Khi áp dụng hệ thức lượng trong tam giác ta suy ra :

Do đó :

Khai triển vế trái bằng nhị thức Newton, ta có :

Vì <1, sin < 1 nên các số hạng lũy thừa 4 trở lên rất nhỏ ta có thể bỏ qua các số hạng lũy thừa 4 trở lên :

Thay biểu thức trên vào biểu thứ tính Sp ta có :

Hình 2.5 Đồ thị chuyển vị của piston

5.2 Vận tốc của piston :

Vận tốc của piston là đạo hàm của chuyển vị theo thời gian :

Ta nhận thấy rằng tốc độ của piston là tổng của hai hàm điều hòa cấp I và cấp II với chu kỳ điều hòa của hàm cấp II bằng hai lần hàm cấp I:

VpI = Rsin

VpII = R(/2)sin2

5.3 Gia tốc của piston :

Gia tốc của piston là đạo hàm của vân tốc piston theothời gian :

Jp = R2(cos + cos2)Gia tốc piston là tổng hai hàm điều hòa cấp I và cấp

Hình 2.7 Đồ thị gia tốc của piston

6 ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CƠ CẤU TRỤC KHUỶU – THANH TRUY ỀN

Trong động cơ đốt trong kiểu piston cụm chi tiết chuyển động chính (piston, thanhtruyền, trục khuỷu) làm việc trên nguyên tắc sau :

- Nhĩm piston chuyển động tịnh tiến qua lại truyền lực khí thể cho thanh truyền

- Nhĩm thanh truyền là chi tiết chuyển động trung gian cĩ chuyển động phức tạp

để biến chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu

- Trục khuỷu là chi tiết máy quan trọng nhất cĩ chuyển động quay và truyền cơngsuất của động cơ ra ngồi để dẫn động các máy cơng tác khác

Chọn kết cấu trục khuỷu – thanh truyền : trục khuỷu cắt đường tâm xylanh

6.1 Sơ đồ lực và moment tác động lên cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền của một xylanh

Quy ước chiều quay và dấu

- Chiều quay của động cơ quy ước là “+” nếu động cơ quay theo chiều kim đồng

hồ nhìn từ phía bánh đà ngược trở lại

- Dấu của các lực và moment tác dụng quy ước như trên hình vẽ

Ghi chú:

Pkt:lực khí thể tác dụng lên đỉnh piston

Pj :lực quán tính của các chi tiết chuyển động thẳng

P∑ :lực tổng cộng tác dụng lên đỉnh piston

N :lực ngang tác dụng lên vách xylanh có hướng vuônggóc với đường tâm xylanh

Ptt :lực dọc theo đường tâm thanh truyền

Z :lực pháp tuyến theo hướng từ tâm chốt đến tâm cổkhuỷu

T :lực tiếp tuyến vuông góc với lực pháp tuyến

Mq:moment quay của trục khuỷu

ML:moment lật động cơ

M

+ -

P

N + -

P +- T + - Z

6.2 Lực khí thể P kt

- Để xét lực và moment tác động lên cơ cấu, trước hết ta xét lực tác dụng lênpiston Các lực này gồm có lực khí thể trong xylanh Pkt, lực quán tính chuyển động tịnhtiến Pj

trong đó: po  0.1 MN/m2 - áp suất khí quyển

Pkt - áp suất trong xylanh động cơ

Fp - diện tích tiết diện của piston [m2]

- Lực khí thể là một đại lượng thay đổi theo góc quay trục khuỷu: Pkt = f(), xácđịnh được từ áp suất khí thể pkt ở tính toán nhiệt của động cơ tại chế độ công suất cực đại(Nemax)

- Ta có thể triển khai giản đồ công chỉ thị thành đồ thị Pkt = f() bằng phương pháp

3 Từ các điểm xác định được trên kẻ các đường song song với trục tung,chúng cắt các đường cong trên giản đồ công chỉ thị tại các quá trình nạp,nén, dãn nỡ và thải các điểm tương ứng

4 Từ các điểm vừa xác định được trên kẻ các đường song song với trụchoành, chúng cắt các đường vuông góc với trục hoành của đồ thị Pkt = f()

375o)

- Lực khí thể còn có thể được xác định bằng phương pháp giải tích kết hợp vớiphương pháp đồ thị Brich : các giá trị lực khí thể P tại các quá trình nạp – nén – dãn nở -thải được xác định bằng các quan hệ sau :

+ Quá trình nạp (tính từ  = 3 đến  = 180 o) : pkt = pa

+ Quá trình nén (tính từ  = 180o đến  = 360o - s) :

với i = 1 đến trong đó : i = 1 tương ứng với  = 180o

i =  tương ứng với  = 360o - s

+ Quá trình dãn nở (tính từ  tương ứng với điểm cuối quá trình cháy tính

toán là điểm Z trên giản đồ công chỉ thị đến  = 540o - 4)

Đối với động cơ xăng: với i = 1 đến 

+ Quá trình thải (tính từ  = 550o đến = 720o)Tại các đoạn cong của quá trình cháy và quá trình thải sớm được vẽ theophương pháp đồ thị Brich, tương tự bước 6 Các giá trị tính toán của lực khí thể Pkt ghivào bảng số liệu

6.3 Lực quán tính của các chi tiết chuyển động

Lực quán tính được xác định theo công thức sau

trong đó : m - khối lượng các chi tiết chuyển động

J - gia tốc chuyển động của các chi tiết đóDưới đây là cách xác định khối lượng của các chi tiết chuyển động thẳng vàchuyển động quay tròn của cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền

a- Khối lượng cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền

1 Khối lượng nhóm piston (khối lượng các chi tiết chuyển động thẳng):

bao gồm khối lượng của piston, xéc măng (vòng găng), chốt piston Ngoài ra còn có khốilượng của các guốc trượt… (thường có trong cơ cấu động cơ tàu thủy) Ký hiệu:

[kg]

hoặc:

trong đó: Gnp - trọng lượng của nhóm piston

mnp - khối lượng nhóm piston

Gp, Gc, mp, mc - trọng lượng và khối lượng của piston,xécmăng…

g - gia tốc trọng trường (m/s2)

2 Khối lượng của khuỷu trục (các chi tiết chuyển động quay)

Ta tạm chia trục khuỷu thành các phần như hình vẽ

- Phần khối lượng chuyển động quay theo bán kính R là phần khối lượng của chốtkhuỷu mChk (phần gạch dọc trên hình vẽ)

- Phần khối lượng chuyển động quay với bán kính  là phần khối lượng củahai má khuỷu mm (phần gạch chéo trên hình vẽ)

-  là khoảng cách từ trọng tâm má khuỷu đến tâm cổ khuỷu

Quy dẫn khối lượng má khuỷu mm về tâm của chốt khuỷu ta phải thay thếbằng khối lượng tương đương “mmr” và xác định bằng phương trình cân bằng lực quántính sau :

Khối lượng chuyển động quay của trục khuỷu là :

3 Khối lượng của thanh truyền

Thanh truyền chuyển động khá phức tạp, đầu nhỏ chuyển động tịnh tiến,đầu to chuyển động quay, thân chuyển động lắc Vì vậy, trong tính toán lực quán tính tathay thế nhóm thanh truyền bằng một hệ tương đương có khối lượng tập trung tại ba điểm(tại tâm chốt piston, tâm chốt khuỷu và trọng tâm thanh truyền) như hình vẽ sau :

Khi thay thế thanh truyền thực bằng hệ tương đương trên phải thỏa mãn cácđiều kiện sau :

a) Tổng các khối lượng thay thế phải bằng khối lượng thực của thanhtruyền:

mtt = mA + mB + mob) Trọng tâm của hệ tương đương phải trùng với trọng tâm thực của thanhtruyền :

mA a + mB b =0  mA a = mB (L – a)c) Tổng moment quán tính của các khối lượng thay thế đối với trọng tâmphải bằng moment quán tính thực của thanh truyền đối với trọng tâm của nó :

J = mA a2 + mB b2 = mA a2 + mB (L – a)2d) Các khối lượng thay thế (khối lượng tương đương) phải nằm trên mộtđường thẳng và đi qua trọng tâm thanh truyền thực :

- Từ các thanh truyền trên ta suy ra :

Phân bố theo phương án này có sai số không đáng kể nên không ảnh hưởngđến kết quả tính toán, lại có ưu điểm là rất đơn giản và khối lượng thay thế được tínhbằng công thức sau :

4 Khối lượng chuyển động tịnh tiến của cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền:

mj = mp + mA

5 Khối lượng chuyển động quay của cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền:

mr = mK + mBTrong thiết kế tính toán các khối lượng này thường tính trên đơn vị diệntích đỉnh piston như sau :

Chọn khối lượng các cụm :

- Khi piston ở ĐCD, Pj có dấu dương và chiều quay xuống (hướng vào tâm trục khuỷu)

Đồ thị lực quán tính có dạng giống đồ thị lực gia tốc nhưng có chiều ngược lại và có

tỉ lệ xích:

pj = jp  m

c- Lực quán tính (lực ly tâm) của khối lượng chuyển động quay P K

Lực quán tính của khối lượng chuyển động quay xác định bằng công thức sau:

- Tải trọng động tác dụng lên cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền gây nên bởi hợp lựckhí thể và lực quán tính Ngoài ra còn chịu các lực như lực ma sát và trọng lực, tuy nhiênhai lực này có trị số nhỏ hơn nhiều nên trong tính toán động lực học của động cơ ta chỉxét đến hai lực nêu trước

- Lực tổng cộng tác dụng lên đỉnh piston P: chính là lực tác dụng lên chốt piston

P (hoặc lên piston) là hợp lực khí thể Pkt và lực quán tính của khối lượng chuyển độngthẳng Pj, do chúng cùng tác dụng trên đường tâm xylanh và có gí trị bằng tổng đại số củahai lực này:

- Lực tác dụng dọc tâm thanh truyền Ptt và lực ngang N ép piston lên thành xylanh làcác lực thành phần của (theo sơ đồ H.2.2), các phân lực này được xác định bằng côngthức:

- Lực Ptt sau khi dời xuống tâm chốt khuỷu lại được phân thành hai lực là lực tiếptuyến T, sinh ra mômen quay và lực pháp tuyến Z, gây uốn trục khuỷu: