Kiểm tra độ bền trục khuỷu động cơ một xy lanh bằng phương pháp tính toán và mô phỏng

Những lực này có trị số rất lớn và thay đổi theo chu kỳ nhất định nên có tính chất va đập rất mạnh; - Các lực tác dụng gây ra ứng suất uốn và xoắn trục, đồng thời còn gây ra hiện tượng d

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

KIỂM TRA ĐỘ BỀN TRỤC KHUỶU ĐỘNG CƠ MỘT XY LANH

BẰNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Thanh Tuấn

TS Huỳnh Lê Hồng Thái Sinh viên thực hiện: Lê Đức Thịnh

Văn Nghĩa

Mã số sinh viên: 58132020

58132088

Khánh Hòa – 2020

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

KIỂM TRA ĐỘ BỀN TRỤC KHUỶU ĐỘNG CƠ MỘT XY LANH

BẰNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG

GVHD: TS Nguyễn Thanh Tuấn

TS Huỳnh Lê Hồng Thái SVTH: Lê Đức Thịnh

Văn Nghĩa MSSV: 58132020

58132088

Khánh Hòa – Tháng 07/2020

Quyết định giao ĐATN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

Khoa: Kỹ thuật Giao thông

PHIẾU THEO DÕI TIẾN ĐỘ VÀ ĐÁNH GIÁ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Tên đề tài: Kiểm tra độ bền trục khuỷu động cơ một xy lanh bằng phương pháp tính toán và mô phỏng

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Thanh Tuấn

TS Huỳnh Lê Hồng Thái Sinh viên được hướng dẫn: Lê Đức Thịnh MSSV: 58132020

Khóa: 2016 – 2020 Ngành: Kỹ thuật Ô tô

1 25/03/2020 Tìm tài liệu tham khảo và lập dàn ý

2 14/04/2020 Hoàn thành chương 1

3 27/04/2020 Tính toán và hoàn thành chương 2

4 28/05/2020 Hoàn thành nội dung chương 3

5 10/06/2020 Làm chương 4

6 25/06/2020 Sửa chữa bài và hoàn chỉnh bài

7 24/07/2020 Hoàn thiện đồ án và nộp bài

Kiểm tra giữa tiến độ của Trưởng Bộ môn

Ngày kiểm tra:

Nhận xét chung (sau khi sinh viên hoàn thành ĐA)

Điểm hình thức: ……/10 Điểm nội dung: ……/10 Điểm tổng kết: ……/10

Kết luận sinh viên: Được bảo vệ:  Không được bảo vệ:  Khánh Hòa, ngày ……, tháng ……, năm ………

Cán bộ hướng dẫn

(Ký và ghi rõ họ tên)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

Khoa: Kỹ thuật Giao thông

PHIẾU CHẤM ĐIỂM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

(Dành cho cán bộ chấm phản biện)

1 Họ tên người chấm:………

2 Sinh viên/ nhóm sinh viên thực hiện ĐATN (sĩ số trong nhóm: 02) (1) Lê Đức Thịnh MSSV: 58132020 (2) Văn Nghĩa MSSV: 58132088 Lớp: 58.CNOT-2 Ngành: Kỹ thuật Ô tô 3 Tên đề tài: Kiểm tra độ bền trục khuỷu động cơ một xy lanh bằng phương pháp tính toán và mô phỏng 4 Nhận xét - Hình thức:

- Nội dung:

Điểm hình thức: ……/10 Điểm nội dung: ……/10 Điểm tổng kết: ……/10

Kết luận sinh viên: Được bảo vệ:  Không được bảo vệ:  Khánh Hòa, ngày ……, tháng ……, năm ………

Cán bộ chấm phản biện

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan mọi kết quả của đề tài “Kiểm tra độ bền trục khuỷu động cơ

một xy lanh bằng phương pháp tính toán và mô phỏng” là công trình nghiên cứu của

tập thể nhóm sinh viên chúng tôi và chƣa từng đƣợc công bố trong bất cứ công trình khoa học nào khác cho tới thời điểm này

Khánh Hòa, ngày ……, tháng ……, năm ………

Sinh viên thực hiện

Lê Đức Thịnh Văn Nghĩa

LỜI CẢM ƠN

Xin chân thành gửi lời cảm ơn tới quý Phòng, Ban chủ nhiệm Khoa Kỹ thuật Giao thông cũng như Bộ môn Kỹ thuật Ô tô của trường Đại học Nha Trang đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để chúng em hoàn thành đề tài tốt nghiệp này

Xin chân thành cảm ơn quý Thầy trong Bộ môn Kỹ thuật ô tô thời gian qua đã truyền đạt và trang bị cho chúng em đầy đủ kiến thức để thực hiện tốt đề tài tốt nghiệp Đặc biệt là quý Thầy giáo, TS Nguyễn Thanh Tuấn và TS Huỳnh Lê Hồng Thái đã dành thời gian quý báu, công sức, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và động viên để cho chúng em hoàn thành tốt đề tài Qua đây, chúng em xin gửi lời cảm ơn với sự trân trọng và kính mến sâu sắc về sự giúp đỡ này

Lời cảm ơn cuối cùng chúng em xin chân thành gửi đến quý Thầy, Cô, gia đình, bạn bè đồng học đã quan tâm thăm hỏi và giúp đỡ trong suốt thời gian thực hiện đề tài Kính chúc quý Thầy, Cô luôn mạnh khỏe, hạnh phúc và thành công trong mọi công tác

Xin trân trọng cảm ơn!

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ 6

DANH MỤC BẢNG BIỂU 9

PHẦN MỞ ĐẦU 10

Lý do lựa chọn đề tài 10

Ý nghĩa của đề tài nghiên cứu 10

Mục tiêu nghiên cứu 10

Nội dung nghiên cứu 11

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU TRỤC KHUỶU 12

1.1 CÔNG DỤNG VÀ YÊU CẦU CỦA TRỤC KHUỶU 12

1.1.1 Công dụng 12

1.1.2 Yêu cầu 12

1.2 ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC CỦA TRỤC KHUỶU 12

1.3 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO 12

1.3.1 Vật liệu 13

1.3.2 Phương pháp chế tạo 13

1.3.2.1 Rèn tự do hoặc rèn khuôn 13

1.3.2.2 Đúc 13

1.4 KẾT CẤU TRỤC KHUỶU 14

1.4.1 Yêu cầu và đặc điểm của kết cấu trục khuỷu 14

1.4.2 Phân loại 14

1.4.2.1 Trục khuỷu ghép và trục khuỷu nguyên 14

1.4.2.2 Trục khuỷu thiếu cổ và trục khuỷu đủ cổ 15

1.4.3 Kết cấu các phần của trục khuỷu 16

1.4.3.1 Đầu trục khuỷu 17

1.4.3.2 Cổ trục khuỷu 18

1.4.3.3 Chốt khuỷu 18

1.4.3.4 Má khuỷu 18

1.4.3.5 Đối trọng 19

1.4.3.6 Đuôi trục khuỷu 20

1.5 GIỚI THIỆU CƠ CẤU TRỤC KHUỶU ĐỘNG CƠ MỘT XY LANH 21

Chương 2 TÍNH TOÁN ĐỘ BỀN TRỤC KHUỶU 22

2.1 THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ THAM KHẢO 22

2.2 CÁC THÔNG SỐ KÍCH THƯỚC CỦA CƠ CẤU TRỤC KHUỶU ĐỘNG CƠ MỘT XY LANH 23

2.3 TÍNH SỨC BỀN CỦA TRỤC KHUỶU 25

2.3.1 Giả thiết tính toán 25

2.3.2 Sơ đồ tính toán sức bền trục khuỷu 25

2.3.2.1 Trường hợp khởi động 27

2.3.2.2 Trường hợp khuỷu trục chịu lực pháp tuyến lớn nhất (Zmax) 29

2.3.2.3 Trường hợp khuỷu trục chịu lực tiếp tuyến lớn nhất (Tmax) 34

2.3.3 Nhận xét 43

Chương 3 MÔ PHỎNG KIỂM NGHIỆM BỀN TRỤC KHUỶU 44

3.1 TỔNG QUAN 44

3.1.1 Mục tiêu 44

3.1.2 Giới thiệu về bài toán mô phỏng 44

3.2 MÔ PHỎNG TRỤC KHUỶU ĐỘNG CƠ MỘT XY LANH 44

3.2.1 Trường hợp khởi động 45

3.2.2 Trường hợp khuỷu trục chịu lực Zmax 53

3.2.3 Trường hợp khuỷu trục chịu lực Tmax 56

3.2.4 Nhận xét 60

3.3 XÉT ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ VẬT LIỆU, CHIA LƯỚI ĐẾN SỰ THAY ĐỔI KẾT QUẢ CỦA BÀI TOÁN 63

3.3.1 Xét ảnh hưởng của vật liệu 63

3.3.1.1 Mô phỏng 63

3.3.1.2 Nhận xét 67

3.3.2 Xét ảnh hưởng của việc chia lưới 68

3.3.2.1 Mô phỏng 68

3.3.2.2 Nhận xét 70

3.4 THẢO LUẬN 70

Chương 4 KẾT LUẬN 73

4.1 KẾT LUẬN 73

4.2 ĐỀ XUẤT 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

PHẦN PHỤ LỤC 75

DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Trục khuỷu ghép 15

Hình 1.2 Trục khuỷu nguyên 15

Hình 1.3 Trục khuỷu thiếu cổ 16

Hình 1.4 Trục khuỷu đủ cổ 16

Hình 1.5 Kết cấu của trục khuỷu 17

Hình 1.6 Kết cấu đầu trục khuỷu 17

Hình 1.7 Chốt khuỷu rỗng và đường dẫn dầu bôi trơn 18

Hình 1.8 Các dạng má khuỷu 19

Hình 1.9 Đối trọng và cách lắp đối trọng với má khuỷu 20

Hình 1.10 Kết cấu đuôi trục khuỷu 21

Hình 1.11 Hình dạng và kết cấu trục khuỷu động cơ một xy lanh 21

Hình 2.1 Thông số kết cấu của trục khuỷu 23

Hình 2.2 Sơ đồ các lực và momen tác dụng lên trục khuỷu 26

Hình 2.3 Sơ đồ lực tác dụng lên khuỷu trục khi “khởi động” động cơ 27

Hình 2.4 Sơ đồ tính toán sức bền của khuỷu trục khi chịu lực Zmax 30

Hình 2.5 Đồ thị biểu diễn quan hệ của lực tiếp tuyến T và lực pháp tuyến Z biến thiên theo góc quay α của trục khuỷu 35

Hình 2.6 Tiết diện nguy hiểm của má khuỷu có độ trùng điệp (b) và má khuỷu không có độ trùng điệp (a) 38

Hình 2.7 Sơ đồ mặt cắt má khuỷu 39

Hình 2.8 Quan hệ của hệ số ứng suất g1, g2 với tổng số kích thước h/b 40

Hình 2.9 Ứng suất phân bố trên má khuỷu 41

Hình 3.1 Mô hình 3D của trục khuỷu động cơ một xy lanh 45

Hình 3.2 Chọn kiểu phân tích tĩnh trong Solidworks 46

Hình 3.3 Chọn vật liệu 46

Hình 3.4 Trục khuỷu sau khi gán vật liệu 47

Hình 3.5 Đặt điều kiện biên cho trục khuỷu 47

Hình 3.6 Thiết lập ngoại lực tác dụng 48

Hình 3.7 Trục khuỷu sau khi hoàn thành thiết lập lực 48

Hình 3.8 Kết quả chia lưới của trục khuỷu 49

Hình 3.9 Phân bố ứng suất trên trục khuỷu 50

Hình 3.10 Vị trí ứng suất lớn nhất trên trục khuỷu 50

Hình 3.11 Chuyển vị của trục khuỷu 51

Hình 3.12 Vị trí chuyển vị lớn nhất của trục khuỷu 51

Hình 3.13 Độ biến dạng của trục khuỷu 52

Hình 3.14 Vị trí có độ biến dạng lớn nhất của trục khuỷu 52

Hình 3.15 Phân bố ứng suất trên trục khuỷu khi chịu lực Zmax 53

Hình 3.16 Vị trí ứng suất lớn nhất của trục khuỷu khi chịu lực Zmax 54

Hình 3.17 Chuyển vị của trục khuỷu khi chịu lực Zmax 54

Hình 3.18 Vị trí chuyển vị lớn nhất của trục khuỷu khi chịu lực Zmax 55

Hình 3.19 Độ biến dạng của trục khuỷu khi chịu lực Zmax 55

Hình 3.20 Vị trí có độ biến dạng lớn nhất của trục khuỷu khi chịu lực Zmax 56

Hình 3.21 Thiết lập ngoại lực cho trục khuỷu trong trường hợp chịu lực Tmax 57

Hình 3.22 Phân bố ứng suất trên trục khuỷu khi chịu lực Tmax 57

Hình 3.23 Vị trí ứng suất lớn nhất trên trục khuỷu khi chịu lực Tmax 58

Hình 3.24 Chuyển vị của trục khuỷu khi chịu lực Tmax 58

Hình 3.25 Vị trí chuyển vị lớn nhất của trục khuỷu khi chịu lực Tmax 59

Hình 3.26 Độ biến dạng của trục khuỷu khi chịu lực Tmax 59

Hình 3.27 Vị trí độ biến dạng lớn nhất của trục khuỷu khi chịu lực Tmax 60

Hình 3.28 Biểu đồ thể hiện giá trị ứng suất lớn nhất của ba trường hợp 61

Hình 3.29 Biểu đồ thể hiện giá trị độ chuyển vị lớn nhất của ba trường hợp 61

Hình 3.30 Biểu đồ thể hiện giá trị độ biến dạng lớn nhất của ba trường hợp 62

Hình 3.31 Vật liệu AISI 304 64

Hình 3.32 Vật liệu Plain Carbon Steel 64

Hình 3.33 Vật liệu Cast Carbon Steel 65

Hình 3.34 Vật liệu Alloy Steel 65

Hình 3.35 Vật liệu Wrought Stainless Steel 66

Hình 3.36 Đồ thị biểu diễn giá trị ứng suất lớn nhất giữa các mác vật liệu 67

Hình 3.37 Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa kích thước lưới và ứng suất lớn nhất 69

Hình 3.38 Đồ thị thể hiện quan hệ giữa kích thước lưới và thời gian tính toán 69

Hình 3.39 Đồ thị biểu diễn giá trị ứng suất lớn nhất giữa hai phương pháp giải trong các trường hợp chịu lực 71

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của động cơ mẫu 22

Bảng 2.2 Các thông số kích thước của trục khuỷu 23

Bảng 2.3 Bảng xét dấu của ứng suất tác dụng trên má khuỷu 41

Bảng 3.1 Bảng giá trị các lực tác dụng lên khuỷu trục trong từng trường hợp 45

Bảng 3.2 Kết quả mô phỏng trục khuỷu trong ba trường hợp chịu lực 60

Bảng 3.3 Bảng thông số vật liệu giữa vật liệu đầu và các vật liệu thử nghiệm khác 63

Bảng 3.4 Ảnh hưởng của vật liệu đến kết quả bài toán 66

Bảng 3.5 Ảnh hưởng của việc chia lưới đến kết quả bài toán 68

Bảng 3.6 Bảng so sánh kết quả tính toán lý thuyết và giải bằng mô phỏng 70

PHẦN MỞ ĐẦU

Lý do lựa chọn đề tài

Trong những năm gần đây, nền kinh tế Việt Nam phát triển một cách mạnh mẽ

đã thu được rất nhiều thành quả Bên cạnh đó, ngành Kỹ thuật của nước ta cũng không ngừng tiến bộ Trong đó phải nói đến ngành động lực sản xuất ô tô, chúng ta đã liên doanh với rất nhiều hãng ô tô nổi tiếng trên thế giới như TOYOTA, MAZDA, HUYNDAI, FORD,… cùng sản xuất và lắp ráp ô tô Đặc biệt, chúng ta đã cho ra đời được thương hiệu ô tô riêng của Việt Nam mang tên VINFAST của Tập đoàn VINGROUP

Để góp phần nâng cao trình độ và kỹ thuật, đội ngũ kỹ thuật của nước ta phải tự nghiên cứu và chế tạo Việc chế tạo, gia công và kiểm tra độ bền của các cụm chi tiết

và chi tiết của động cơ là một công việc đòi hỏi phải có vốn kiến thức sâu rộng và kinh nghiệm thực tiễn của người kỹ sư, của bộ phận kỹ thuật viên Nhằm mục đích cuối cùng là tạo ra được sản phẩm chất lượng và đạt yêu cầu

Và để tiếp cận, nâng cao sự hiểu biết về lĩnh vực này, chúng em đã chọn và được

bộ môn Kỹ thuật Ô tô, Khoa Kỹ thuật Giao thông giao thực hiện đề tài “Kiểm tra độ

bền trục khuỷu động cơ một xy lanh bằng phương pháp tính toán và mô phỏng”

Ý nghĩa của đề tài nghiên cứu

- Nâng cao thêm sự hiểu biết về lĩnh vực ở góc độ tính toán và mô phỏng, góp phần củng cố cho sinh viên vốn kiến thức chuyên ngành trong học tập cũng như ngoài thực tế xã hội

- Phát huy tinh thần đồng đội, tăng cường khả năng làm việc theo nhóm kết hợp với làm việc độc lập một cách tự chủ, khoa học và có trách nhiệm

- Giúp chúng em có thêm nhiều kiến thức trên con đường trở thành kỹ sư ô tô để

áp dụng tư duy sáng tạo và vận dụng nghiên cứu vào môi trường làm việc thực tế

Mục tiêu nghiên cứu

- Kiểm tra độ bền của trục khuỷu động cơ một xy lanh trên cơ sở áp dụng hai phương pháp là tính toán theo lý thuyết và mô phỏng bằng phần mềm

- Cung cấp tài liệu cho các sinh viên khóa sau phục vụ cho nghiên cứu của mình

Nội dung nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu được kết cấu thành 4 chương chính:

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU TRỤC KHUỶU

Chương 2 TÍNH TOÁN ĐỘ BỀN TRỤC KHUỶU

Chương 3 MÔ PHỎNG KIỂM NGHIỆM BỀN TRỤC KHUỶU

Chương 4 KẾT LUẬN

Qua gần 17 tuần thực hiện, đề tài của chúng em đã hoàn thành đúng hạn Mặc dù

đã cố gắng rất nhiều trong quá trình thực hiện đồ án, song do vốn kiến thức và kinh nghiệm còn nhiều hạn chế nên bài làm không tránh khỏi những sai sót, kính mong nhận được sự đánh giá, đóng góp ý kiến của quý Thầy, Cô và những ai quan tâm đến

đề tài để đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU TRỤC KHUỶU

1.1 CÔNG DỤNG VÀ YÊU CẦU CỦA TRỤC KHUỶU

1.1.1 Công dụng

Trục khuỷu là một trong những chi tiết máy quan trọng nhất, cường độ làm việc lớn nhất và giá thành cao nhất của động cơ đốt trong Công dụng của trục khuỷu là tiếp nhận lực tác dụng trên piston truyền qua thanh truyền và biến chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục để đưa công suất ra ngoài (dẫn động các máy công tác khác) [2]

- 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 động

cơ nhưng đồng thời phải dễ chế tạo

1.2 ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC CỦA TRỤC KHUỶU

Trạng thái làm việc của trục khuỷu rất nặng [2]:

- Trong quá trình làm việc, trục khuỷu chịu tác dụng của lực khí thể, lực quán tính (quán tính chuyển động tịnh tiến và quán tính chuyển động quay) Những lực này

có trị số rất lớn và thay đổi theo chu kỳ nhất định nên có tính chất va đập rất mạnh;

- Các lực tác dụng gây ra ứng suất uốn và xoắn trục, đồng thời còn gây ra hiện tượng dao động dọc và dao động xoắn, làm động cơ rung động, mất cân bằng;

- Ngoài ra, các lực tác dụng nói trên còn gây ra hao mòn lớn trên các bề mặt ma sát của cổ trục và chốt khuỷu

1.3 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO

1.3.1 Vật liệu

Vật liệu chế tạo trục khuỷu thường là thép cacbon, thép hợp kim, gang cầu [8]:

- Thép cacbon rẻ tiền hơn; hệ số ma sát trong của thép cacbon lớn hơn của thép hợp kim Vì vậy, thép cacbon có khả năng giảm dao động xoắn lớn hơn thép hợp kim, biên độ dao động xoắn nhỏ hơn nên ứng suất xoắn cũng nhỏ [2]

- Thép hợp kim có ưu điểm là tính năng cơ lý và sức bền cao [8], do đó thường dùng trên các động cơ cao tốc hoặc phụ tải lớn Các thép hợp kim thường dùng là thép hợp kim mangan, thép hợp kim niken – crom [2]

- Ngày nay, ngoài thép người ta còn dùng gang graphit cầu để đúc trục khuỷu vì

nó có ưu điểm: rẻ tiền hơn và dễ đúc hơn thép; hệ số ma sát trong của gang lớn hơn; ít nhạy cảm với ứng suất tập trung, giữ dầu bôi trơn tốt và tính chịu mòn của gang cũng tốt hơn thép [2]

1.3.2 Phương pháp chế tạo

Chế tạo phôi trục khuỷu thường sử dụng hai phương pháp: rèn tự do hoặc rèn khuôn và đúc [2]

1.3.2.1 Rèn tự do hoặc rèn khuôn

- Thường dùng các loại thép cacbon và thép hợp kim để rèn;

- Phương pháp tạo phôi này được dùng trong sản xuất hàng loạt đối với loại trục khuỷu nhỏ;

- Đối với trục khuỷu có kích thước lớn thường dùng phương pháp rèn tự do;

- Nhược điểm của phương pháp này là lượng dư gia công lớn, khi gia công cắt gọt, thớ kim loại của trục khuỷu bị cắt đứt, không liên tục, do đó ảnh hưởng đến sức bền của trục khuỷu [2]

- Tuy nhiên cũng có nhiều nhược điểm như: thành phần kim loại đúc khó đồng đều ảnh hưởng đến sức bền trục khuỷu; gang graphit cầu có nhiều graphit nên khó mài bóng; dễ xảy ra khuyết tật khi đúc như rỗ khí, rạn nứt ngầm,… [2]

1.4 KẾT CẤU TRỤC KHUỶU

1.4.1 Yêu cầu và đặc điểm của kết cấu trục khuỷu

Hình dạng kết cấu của trục khuỷu phụ thuộc vào số xy lanh, cách bố trí xy lanh,

số kỳ của động cơ và thứ tự làm việc của các xy lanh Kết cấu của trục khuỷu phải đảm bảo các yêu cầu sau [2]:

- Bảo đảm động cơ làm việc đồng đều, biên độ dao động của momen xoắn tương đối nhỏ;

- Động cơ làm việc cân bằng, ít rung động;

- Ứng suất sinh ra do dao động xoắn nhỏ;

- Công nghệ chế tạo đơn giản nên giá thành rẻ

Kích thước của trục khuỷu phụ thuộc chủ yếu vào khoảng cách giữa hai đường tâm xy lanh, tức là phụ thuộc vào đường kính xy lanh, chiều dày của lót xy lanh và phương pháp làm mát động cơ Đối với động cơ hai kỳ, kích thước của trục khuỷu còn liên quan đến kết cấu của hệ thống quét thải [2]

1.4.2 Phân loại

1.4.2.1 Trục khuỷu ghép và trục khuỷu nguyên

- Trục khuỷu ghép [2]:

+ Loại trục khuỷu ghép thường chế tạo riêng từng bộ phận: cổ trục, chốt khuỷu,

má khuỷu,… ghép lại với nhau hoặc làm cổ trục riêng rồi ghép với khuỷu (hình 1.1); + Trong động cơ cỡ lớn, trục khuỷu được chế tạo thành từng đoạn (mỗi đoạn gồm vài khuỷu trục) rồi lắp nối lại với nhau bằng mặt bích;

+ Thường dùng cho động cơ cỡ lớn như động cơ tàu thủy và tĩnh tại, nhưng cũng thường dùng trong động cơ cỡ nhỏ như động cơ moto, động cơ xăng cỡ nhỏ

+ Thường được dùng trong động cơ xăng của ô tô, máy kéo và động cơ diesel công suất nhỏ do phụ tải tác dụng lên ổ trục nhỏ;

+ Kết cấu của loại trục khuỷu này có kích thước nhỏ gọn nên có thể rút ngắn chiều dài của thân máy và giảm nhẹ khối lượng của động cơ

Hình 1.3 Trục khuỷu thiếu cổ [2]

- Trục khuỷu đủ cổ trục [2]:

+ Là loại trục khuỷu có số cổ trục z nhiều hơn số khuỷu i: z = i + 1 (hình 1.4); + Loại trục khuỷu này có độ cứng vững khá lớn nên thường được dùng trong động cơ diesel

Hình 1.4 Trục khuỷu đủ cổ [8]

1.4.3 Kết cấu các phần của trục khuỷu

Trục khuỷu bao gồm các bộ phận: Đầu trục khuỷu, cổ trục khuỷu, chốt khuỷu,

má khuỷu, đối trọng và đuôi trục khuỷu (hình 1.5) [2]

Hình 1.5 Kết cấu của trục khuỷu [8]

1 – Đầu trục khuỷu; 2 – Chốt khuỷu; 3 – Cổ trục khuỷu; 4 – Má khuỷu;

5 – Đối trọng; 6 – Đuôi trục khuỷu

1.4.3.1 Đầu trục khuỷu

Đầu trục khuỷu (đầu tự do của trục khuỷu) thường dùng để lắp bánh răng dẫn động bơm nước, bơm dầu nhờn, bơm cao áp, bánh đai (puly) để dẫn động quạt gió và đai ốc khởi động để khởi động động cơ bằng tay quay (hình 1.6)

Ngoài ra, trong một số động cơ, người ta còn lắp bộ giảm dao động xoắn ở đầu trục khuỷu để dập tắt dao động gây ra bởi các momen kích thích trong hệ trục khuỷu Trong những động cơ tăng áp, trên đầu trục khuỷu còn có thêm một số cơ cấu phụ để dẫn động bơm tăng áp, bơm quét khí, máy nén khí,… [2]

Hình 1.6 Kết cấu đầu trục khuỷu [8]

1 – Đai ốc khởi động; 2 – Puly; 3 – Đầu trục; 4 –Then; 5 –Bánh răng chủ động

Hình 1.7 Chốt khuỷu rỗng và đường dẫn dầu bôi trơn [8]

1 – Chốt khuỷu; 2 – Đường dẫn dầu bôi trơn

1.4.3.4 Má khuỷu

Má khuỷu là bộ phận nối liền giữa cổ trục và chốt khuỷu Hình dạng má khuỷu chủ yếu phụ thuộc vào loại động cơ, trị số của áp suất khí thể và tốc độ quay của trục

khuỷu Hình dạng kết cấu của má có rất nhiều kiểu khác nhau Các dạng má khuỷu thường thấy có thể là hình chữ nhật, hình tròn và hình ô van [2] (hình 1.8):

- Má khuỷu hình chữ nhật (hình 1.8a) và hình chữ nhật vát góc (hình 1.8c) có kết cấu đơn giản nhất, dễ chế tạo;

- Má khuỷu hình tròn (hình 1.8b) có ưu điểm là sức bền cao, có khả năng giảm chiều dày của má do đó có thể tăng chiều dày cổ trục và chốt khuỷu để giảm mài mòn cho cổ trục và chốt khuỷu Ngoài ra, má tròn rất dễ gia công;

- Má khuỷu hình ô van (hình 1.8d) có dạng tương đối phức tạp Tuy nhiên, về mặt phân bố ứng suất, loại này có ứng suất phân bố đồng đều nhất

Hình 1.8 Các dạng má khuỷu [8]

1 – Má khuỷu; 2 – Chốt khuỷu; 3 – Cổ trục khuỷu

1.4.3.5 Đối trọng

Đối trọng lắp trên trục khuỷu có hai tác dụng chủ yếu [2]:

- Cân bằng các lực và momen lực quán tính không cân bằng của động cơ, chủ yếu là lực quán tính ly tâm, nhưng đôi khi còn dùng để cân bằng lực quán tính chuyển động tịnh tiến như trong một số động cơ chữ V có góc giữa hai hàng xy lanh bằng 90o

;

- Giảm phụ tải cho cổ trục, đặc biệt là cổ trục giữa của những động cơ bốn kỳ có

4, 6, 8 xy lanh

Mặt khác, trục khuỷu không phải là một chi tiết máy có độ cứng vững tuyệt đối,

và thân máy trong thực tế cũng bị biến dạng Nên trong động cơ cần phải dùng đối trọng để cân bằng, khiến cho động cơ ít bị rung động [2]

Đối trọng dùng trong động cơ thường có dạng như hình 1.9 Đối trọng lắp với má khuỷu thường theo các phương pháp sau [2]:

- Đối trọng làm liền với má khuỷu Loại này thường gặp trên động cơ ô tô, máy kéo và các động cơ xăng công suất nhỏ (hình 1.9a);

- Đối trọng làm riêng rồi hàn với má khuỷu Loại này ít dùng, vì sau khi hàn, trục khuỷu dễ bị biến dạng;

- Đối trọng làm riêng rồi lắp lên má khuỷu bằng bu lông Loại này thường gặp nhiều trên động cơ diesel tĩnh tại và động cơ ô tô, máy kéo Bu lông lắp ghép có thể bắt vào má khuỷu (hình 1.9b), nhưng cũng có thể không bắt vào má khuỷu mà bắt ngang để siết chặt đối trọng ăn khớp với phần đuôi cá trên má khuỷu (hình 1.9c) nhằm giảm tải trọng tác dụng lên bu lông

Hình 1.9 Đối trọng và cách lắp đối trọng với má khuỷu [8]

Hình 1.10 Kết cấu đuôi trục khuỷu [8]

1 – Ren hồi dầu; 2 – Đĩa chắn dầu; 3 – Lỗ thoát dầu; 4 – Phớt chắn dầu; 5 – Mặt bích;

6 – Bánh đà

1.5 GIỚI THIỆU CƠ CẤU TRỤC KHUỶU ĐỘNG CƠ MỘT XY LANH

Hình 1.11 biểu diễn hình dạng và kết cấu của trục khuỷu động cơ một xy lanh (trục khuỷu động cơ mô tô, xe máy)

Hình 1.11 Hình dạng và kết cấu trục khuỷu động cơ một xy lanh [8]

1 – Thanh truyền; 2 – Chốt khuỷu; 3 – Vòng bi; 4 – Cổ trục khuỷu;

5 – Má khuỷu; 6 – Đối trọng; 7 – Bánh răng; 8 - Ổ bi; 9 – Then (clavet)

Chương 2 TÍNH TOÁN ĐỘ BỀN TRỤC KHUỶU

2.1 THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA ĐỘNG CƠ THAM KHẢO

Bảng 2.1 thống kê một số thông số kỹ thuật cần thiết của động cơ mẫu phục vụ cho việc tính toán

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của động cơ mẫu [8]

1 Động cơ tham khảo Honda blade

2 Loại động cơ Xăng, không tăng áp

3 Công suất cực đại của động cơ Nemax 6,18 kW

4 Số vòng quay của trục khuỷu n 7500 vòng/phút

Trong đó:

- Khối lượng nhóm piston [3]:

mnp = K1.D3, với K1 = 1,7.103 kG/m3 (piston nhôm)

- Khối lượng nhóm thanh truyền [3]:

mtt = K2.D3, với K2 = 3,5.103 kG/m3 (chế tạo bằng phương pháp rèn)

2.2 CÁC THÔNG SỐ KÍCH THƯỚC CỦA CƠ CẤU TRỤC KHUỶU ĐỘNG

CƠ MỘT XY LANH

Hình 2.1 biểu diễn các thông số kết cấu của trục khuỷu động cơ một xy lanh Các thông số kích thước cần thiết cho việc tính toán sức bền của trục khuỷu gồm: chiều dài, đường kính, khối lượng, khoảng cách,… của các bộ phận, chi tiết được thống kê trong bảng 2.2

Hình 2.1 Thông số kết cấu của trục khuỷu [8]

b’, b’’ – Khoảng cách từ một đầu cổ trục đến đường tâm má khuỷu; a – Khoảng cách

từ đường tâm má khuỷu đến đường tâm xy lanh; c’, c’’ – Khoảng cách từ trọng tâm đối trọng đến đường tâm xy lanh; lch – Chiều dài của chốt khuỷu; lct – Chiều dài cổ trục khuỷu; R – Bán kính khuỷu; b – Chiều dày má khuỷu; h – Chiều rộng má khuỷu

Bảng 2.2 Các thông số kích thước của trục khuỷu

3 Đường kính chốt khuỷu dch 31 mm

8 Vận tốc góc của trục khuỷu ω 785,3982 rad/s

9 Khối lượng riêng của trục khuỷu [8] ρ 7800 kG/m3

12 Khoảng cách từ trọng tâm má khuỷu

13 Khoảng cách từ trọng tâm đối trọng

- Chiều dài chốt khuỷu [2]: lch = (0,45 ÷ 0,6).dch

- Chiều dày má khuỷu [2]: b = (0,2 ÷ 0,22).D

- Chiều rộng má khuỷu [2]: h = (1 ÷ 1,25).D

- Khoảng cách a [8]: a =

2

l2

2.3.1 Giả thiết tính toán

Ta giả thiết rằng [4], [5]:

- Trục khuỷu có độ vững cứng tuyệt đối;

- Không xét đến biến dạng thân máy;

- Các lực tác dụng tập trung tại điểm giữa của cổ trục và cổ khuỷu;

- Tính toán theo sức bền tĩnh

2.3.2 Sơ đồ tính toán sức bền trục khuỷu

Sơ đồ tính toán xem hình 2.2

Hình 2.2 Sơ đồ các lực và momen tác dụng lên trục khuỷu [4]

Kí hiệu các lực trên sơ đồ [2]:

Pr1 – Lực quán tính ly tâm của má khuỷu;

Pr2 – Lực quán tính ly tâm của đối trọng;

C1 – Lực quán tính ly tâm của chốt khuỷu;

C2 – Lực quán tính ly tâm của khối lượng quy dẫn về tâm đầu to thanh truyền;

Z’, Z” – Phản lực pháp tuyến các gối trục bên trái và bên phải;

T’, T” – Phản lực tiếp tuyến trên các gối trục bên trái và bên phải;

T và Z – Lực tiếp tuyến và lực pháp tuyến tác dụng lên chốt khuỷu xác định theo

)sin( 

)cos( 

M’K ,M”K – momen xoắn tác dụng trên cổ trục bên trái (cổ phía trước) và cổ trục

bên phải (cổ phía sau) Nếu khuỷu đang tính là khuỷu thứ i thì:

M’K = ΣTi – 1.R (MN.m) (2.3)

Với ΣTi – 1 – là tổng đại số các lực tiếp tuyến của các khuỷu đứng trước khuỷu thứ i

Ứng suất lớn nhất phát sinh trong trục khuỷu có thể xảy ra trong bốn trường hợp

chịu tải trọng sau đây [2]:

- Trường hợp “khởi động”, khi chịu lực Pzmax

- Trường hợp chịu lực pháp tuyến lớn nhất Zmax

- Trường hợp chịu lực tiếp tuyến lớn nhất Tmax

- Trường hợp chịu tổng lực tiếp tuyến lớn nhất ΣTmax (hoặc momen ΣMmax)

Vì trục khuỷu tính toán là trục khuỷu của động cơ một xy lanh nên trường hợp

thứ 4 cũng chính là trường hợp thứ 3 Do đó chỉ tính sức bền cho trục khuỷu trong các

trường hợp 1, 2 và 3

2.3.2.1 Trường hợp khởi động

Sơ đồ lực tác dụng xem hình 2.3

Hình 2.3 Sơ đồ lực tác dụng trên khuỷu trục khi “khởi động” động cơ [4]

Giả thiết khuỷu trục ở vị trí điểm chết trên (α = 0) (chỉ gần đúng) Bỏ qua lực

quán tính (do số vòng quay nhỏ) và lực tác dụng trên khuỷu có trị số lớn nhất Pzmax [2]

Khi đó, lực tác động lên khuỷu sẽ là [2]:

Zo = Z = Pzmax = pzmax.Fp (2.5)

T = 0

Với: Fp =

4.D2

 – diện tích đỉnh piston (m2) [1] (2.6)

=> Lực Zo = Z = Pzmax = 6,341

4

)10.50.( 3 2

l 

(MN) (2.7)

Z” = Z – Z’ = Z

0 l

10.8054,1



 = 60,6022 (MN/m2) (2.12)

Ta có điều kiện bền [6]: ứng suất lớn nhất phải nhỏ hơn ứng suất cho phép của

vật liệu σu ≤ [σ] (2.13)

Vì động cơ tham khảo thuộc loại động cơ tốc độ cao, trục khuỷu làm bằng thép

hợp kim nên ứng suất cho phép của chốt khuỷu [σch] = 80 ÷ 120 (MN/m2) [2]

=> σu = 60,6022 (MN/m2) < [σch]

Do đó chốt khuỷu thỏa mãn bền

 Tính sức bền của má khuỷu

Lực pháp tuyến Z gây ra ứng suất uốn và ứng suất nén tại tiết diện A – A của má

b Z 2

10.51

10.75,14.10.225,6

2 3 3

3 3

012451,

0



 = 11,6256 (MN/m2) (2.15) Ứng suất tổng cộng [2]:

σu =

u W

b

Z  

=

6

3 3

10.5937,3

10.75,14.10.2255,6

Và ứng suất cho phép của cổ trục khuỷu [σct] = 60 ÷ 100 (MN/m2) [2]

Do σu = 25,5520 (MN/m2) < [σct] nên cổ trục khuỷu thỏa mãn bền

Trong thực tế, momen tác dụng lên cổ trục trong trường hợp này thường nhỏ hơn

nhiều so với momen uốn chốt khuỷu nên thường không cần tính sức bền cổ trục [2]

2.3.2.2 Trường hợp khuỷu trục chịu lực Z max

Sơ đồ tính toán sức bền trong trường hợp này được giới thiệu như hình 2.4

Hình 2.4 Sơ đồ tính toán sức bền của khuỷu trục khi chịu lực Z max [4]

Trong trường hợp này, lực tác dụng trên khuỷu trục là Zmax

Lực tác dụng Zmax (khi có xét đến ảnh hưởng của lực quán tính) xác định theo

công thức sau [2]:

Zmax = Pzmax – M.R.ω2.(1 + λ), (MN) (2.19)

Trong đó: λ =

tt l

R

=

103

8 , 27

mch – khối lượng của chốt khuỷu (kg) [8]:

mch = Vch ρ =

4

d ch2



.lch ρ =

4

)10.31.( 3 2

Zo = -0,002178 (MN)

Ngoài lực Zo ra, khuỷu trục còn chịu lực quán tính ly tâm của má khuỷu Pr1 và lực quán tính ly tâm của đối trọng Pr2 Lực tiếp tuyến trong trường hợp này bằng không (T = 0) [2]

Lực quán tính ly tâm của hai đối trọng là [5]:

Pr2 = 2.mdt ρ dt ω2 = 2.0,19.29.10-3.785,39822.10-6 = 0,006798 (MN) (2.29) Lực quán tính ly tâm của hai má khuỷu là [5]:

r2 r1

0,1.d

c.P-a.Pl

σu = 3 3

3 3

3 3

)10.31.(

1,0

10.25,14.006798,

010.25,14.004663,

010.29.10.046

W

.RT



Vì trục khuỷu tính toán là trục khuỷu của động cơ một xy lanh nên ΣTi-1 = 0

Ứng suất tổng của ứng suất uốn và ứng suất xoắn bằng [2]:

.d32

b.Z





 =

3 3

3 3

) 10 33 (

32

10 75 , 14 10 046 , 1

1 - d 16

.R T





= 0 (vì động cơ thuộc loại một xy lanh nên ΣTi-1 = 0) (2.36)

Ứng suất tổng cộng khi chịu uốn và chịu xoắn bằng [2]:

σΣ = 2

k 2

4

Z r2

3

10.51.10.5,10

006798,

010.046,1

M

= uy

k

W

M = 6 b.h

R 2 1



i

(do động cơ loại một xy lanh nên ΣTi-1 = 0)

Ứng suất uốn trong mặt phẳng khuỷu trục (uốn quanh trục x – x) bằng [2]:

c) - (a P b Z

2 r2

10.51

10)

25,1425,14.(

006798,

010.75,14.10.046,

1

2 3 3

3 3

Và ứng suất cho phép của má khuỷu [σmk] = 120 ÷ 180 (MN/m2)

Do σΣ = 5,7223 (MN/m2) < [σmk]

Nên má khuỷu thỏa mãn bền

2.3.2.3 Trường hợp khuỷu trục chịu lực tiếp tuyến lớn nhất (T max )

Trong trường hợp này, vị trí tính toán là α = αTmax (góc αTmax được xác định dựa trên đồ thị T = f(α), ứng với điểm có T = Tmax) Ở vị trí này, ta cũng xác địng được lực pháp tuyến Z tác dụng trên khuỷu trục [xác định bằng đồ thị Z = f(α)] [2]

Như vậy, trong trường hợp này, lực tác dụng trên khuỷu trục của động cơ một xy lanh gồm có [2]:

)sin( 

)cos( 

 P

- Ta có bảng giá trị (phụ lục 1) và đồ thị (hình 2.5) của lực T và lực Z theo góc quay α của trục khuỷu