Đồ án kết cấu tính toán động cơ đốt trong phần trục khuỷu

Động cơ đốt trong ngày nay đang phát triển rất mạnhcả về số lượng và chất lượng, nó đóng một vai trò quantrọng trong nhiều lĩnh vực kinh tế, xã hội, khoa học côngnghệ...Mặc dù hiện nay k

Động cơ đốt trong ngày nay đang phát triển rất mạnhcả về số lượng và chất lượng, nó đóng một vai trò quantrọng trong nhiều lĩnh vực kinh tế, xã hội, khoa học côngnghệ Mặc dù hiện nay khoa học công nghệ đã đạt đượcnhững thành tựu đáng kể về động cơ đốt trong nhưngtất cả đều dựa trên nguyên lý cơ bản của động cơ cổđiển, nó là nền tảng cơ sở để chúng ta tiếp tục nghiêncứu, sáng tạo, phát triển và hoàn thiện hơn nữa động cơđốt trong.

Môn học Kết cấu và tính toán động cơ đốt trong làmôn học chuyên ngành động cơ đốt trong với những nềntảng cơ sở về kết cấu và tính toán động cơ đốt trong mànhững sinh viên ngành động cơ đốt trong cần nắm vững

Đồ án môn học Kết cấu và tính toán động cơ đốttrong là một đồ án quan trọng giúp cho sinh viên hiểu sâuhơn những kiến thức đã được học, nắm vững kiến thứcmột cách chủ động, lý giải được các nguyên lý và cáchiện tượng có liên quan

Ngoài ra đồ án này còn giúp cho sinh viên năng độngsáng tạo trong quá trình tìm tòi, tra cứu tài liệu và ứngdụng tin học trong quá trình giải quyết

Em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Thanh Hải Tùng đãhướng dẫn tận tình để em có thể hoàn thành nhiệm vụđược giao

Dù đã rất cố gắng nhưng chắc chắn không thể tránhkhỏi sai sót, em rất mong được sự chỉ bảo thêm của thầyvà những ý kiến đóng góp của các bạn

Đà nẵng ngày 09 tháng 04 năm 2003

Sinh viên

Vũ văn Sơn

Bảng số liệu cho trước :

CÁC THÔNG SỐ CHO TRƯỚC Tên thông

Góc đóng muộnxupap

Góc đóng muộn xupap

Aïp suất cuối quá trình

CÁC THÔNG TÍNH TOÁN

Tên thông

Thể tích làm việc của

Thể tích buồng cháy Vc mm3 78152,3

1 VẼ ĐỒ THỊ CÔNG.

Để vẽ được đồ thị công ta cần thực hiện như sau :

1.1 XÂY DỰNG ĐƯỜNG CONG ÁP SUẤT TRÊN ĐƯỜNG NÉN :

Phương trình của đường nén đa biến là :

Ơí đây : n1 : chỉ số nén đa biến, chọn n1 = 1,34

1.2 XÂY DỰNG ĐƯỜNG CONG ÁP SUẤT TRÊN ĐƯỜNG GIÃN NỞ :

Phương trình của đường giãn nở đa biến :

PVn2 = constGọi x là điểm bất kỳ ttrên đường giãn nở thì :

P 

n2 : chỉ số giãn nở đa biến, chọn n2 = 1,14

Từ đó ta lập bảng để xác định các điểm thuộc haiđường trên

Bảng thông số xác định đường nén và đường giãn nở :

Pn vẽ Vx I vẽ I^n1V I^n1 Pc/I^n1 I^n2 1/I^n21/ Pgnx Pgnxvẽ

1.3 XÁC ĐỊNH ĐIỂM ĐẶC BIỆT :

Vẽ hệ trục toạ độ (V, P) với các tỷ lệ xích

v = 1158,266 = 0,008 (l/mm)

p = 0,032 (MN/m2.mm)Các điểm đặc biệt :

634 , 1

2 , 16

8 , 5 P

 c (Vc, Pc) :

Vc = 0,078 (l)

Pc = Pa.n1 = 0,085  16,21,34 = 3,55 (MN/m2)  b (0,078; 3,55)

 z (Vz, Pz) :

Vz = Vc = 1,634  0,078 = 0,182 (l)

Pz = 5,8  z (0,182 ; 5,8)

Sau đó nối các điểm trung gian của đường nén vàđường giãn nở với các điểm đặc biệt ta được đồ thị cônglý thuyết Dùng đồ thị Brick xác định các điểm :

- Đánh lửa sớm (c’)

- Mở sớm (b’), đóng muộn (r”) xupáp thải

- Mở sớm (r’), đóng muộn (a’) xupáp nạp

Hiệu chỉnh :

Hình 1 : Đường nén và đường giãn nở của đồ thị công

2 ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU KTTT

2.1 XÁC ĐỊNH ĐỘ DỊCH CHUYỂN CỦA PISTON (X) BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒ THỊ BRICK

Theo giải thích : chuyển dịch x của Piston được tính theocông thức :

x = R [(1 - cos) +



1

(1 - cos)]

Công thức tính gần đúng giá trị x :

x = R [(1 - cos) + 4 (1 + cos)] = RA

Với A = [(1 - cos) + 4 (1 + cos)]

Cách xây dựng đồ thị :

Chọn tỷ lệ xích s = 0.84mm 

mm và vẽ nửa vòng tròn tâm

O có đường kính AD =

s s

R 2 S





Điểm A ứng với ĐCT và  = 0o

Điểm D ứng với ĐCD và  = 180o

Từ tâm O lấy về phía điểm chết dưới một đoạn OO’ =

Từ O kẻ các tia tạo với OA các góc 10o, 20o, 30o

Từ O’ kẻ các tia song song với các tia ở trên Đó chính làdồ thị Brick

Ở phía dưới đồ thị Brick ta vẽ hệ trục toạ độ Ox.Trục O là trục tung biểu diễn gí trị góc Trục Ox là trụchoành biểu diễn khoảng dịch chuyển của piston

Từ các điểm trên đồ thị Brick, ta kẻ các đường dóngsong song với O, rồi từ các điểm chia góc trên trục Ox tadóng vuông góc, các đường dóng này sẽ cắt nhau từng đôimột ứng với 18 điểm chia trên đồ thị Brick và 18 điểm chiatrên trục Ox ta sẽ có 18 điểm cắt nhau, nối các điểm nàylại ta được đồ thị dịch chuyển

Chọn tỷ lệ xích s = r = 148125 = 0,84 

2.2 XÁC ĐỊNH VẬN TỐC PISTON BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒ THỊ

Theo giả thiết, vận tốc piston được xác định như sau :

n : số vòng quay trong 1 phút của trục khuỷu[v/ph]

Tiến hành xây dựng đồ thị :

Chọn tỉ lệ xích v = s = 183,26  0,84 = 154  mm 

mm s rad

- Vẽ 1/2 cung tròn tâm O, bán kính r1 = R. 62,5154183,26

- Vẽ đường kính AB = S = 2r1 = 148 (mm)

- Vẽ đường tròn đồng tâm O bán kính r2 =

v

R







= 9,67(mm)

Chia 1/2 cung tròn bán kính r1 và vòng tròn bán kính r2thành 18 phần bằng nhau Vòng tròn nhỏ bán kính r2 cũngchia thành 18 điểm như vậy, mỗi góc ở vòng tròn nhỏ cósố đo góc gấp đôi ở vòng tròn lớn

Từ các điểm trên 1/2 vòng tròn lớn, ta kẻ các đườngvuông góc với OA và từ các điểm trên vòng tròn nhỏ ta kẻcác đường thẳng song song với OA, các đường cắt nhau tạiđiểm 0, 1, 2 18 Nối các điểm này lại ta được đườngcong, đó chính là đồ thị vận tốc của piston

2.3 GIẢI GIA TỐC BẰNG ĐỒ THỊ TÔ-LÊ

Ta tiến hành vẽ hệ trục toạ độ (J.S)

Lấy đoạn AB trên trục S sao cho AB = S

Tỷ lệ xích s = 0,84[ mmmm]

Tại A về phía AB ta lấy điểm C sao cho AC vuông góc với

AB và AC =

j max J

, 38

22 , 1637

Cũng chia FD thành 5 phần bằng nhau, đánh số cùngchiều với CF 1’,2’,3’, 5

Nối các điểm tương ứng 1-1’; 2-2’, 5-5’

Tiến hành vẽ đường bao của các đoạn thẳng nối cácđiểm ta được đồ thị J= f (s)

3 ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU KTTT

3.1 KHỐI LƯỢNG THAM GIA CHUYỂN ĐỘNG THẲNG

Các chi tiết máy trong cơ cấu KTTT tham gia vào quá trìnhchuyển động thẳng bao gồm :

Các chi tiết trong nhóm piston và khối lượng thanhtruyền (TT) được quy về đầu nhỏ thanh truyền

Trong quá trình tính toán, xây dựng đồ thị, người tathường tính lực quán tính trên 1 đơn vị diện tích đỉnh piston(để cùng thứ nguyên với áp suất chát trong động cơ).

3.1.1 Khối lượng nhóm piston và thanh truyền

1000 110

07 , 4 F

' m

3.2 KHỐI LƯỢNG THAM GIA CHUYỂN ĐỘNG QUAY

Khối lượng tham gia chuyển động quay trong cơ cấuKTTT gồm :

+ Phần lớn khối lượng TT quy dẫn về đầu to

+ Khối lượng khuỷu trục

3.3 LỰC QUÁN TÍNH CHUYỂN ĐỘNG THẲNG

 PJmax = - 435,63  Jmax = - 435,63  2644,74 =

s

m m kg

m MN

PJmin = - 428,27  Jmin = 428,27  ( 1553,26) =

s

m m kg

= 0,677,152 2

m MNĐồ thị này vẽ chung với đồ thị công

Với Pj = p = 0,032 2

m m m MN

4 KHAI TRIỂN CÁC ĐỒ THỊ

4.1 KHAI TRIỂN ĐỒ THỊ P-V THÀNH P-

Vẽ hệ trục toạ độ V-, trục hoành lấy bằng giá trị Po.Trên trục o ta chia thành các giá trị góc với tỷ lệ xích  = 2độ /1mm

Sử dụng đồ thị Brick để khai triển P-V thành P-.Phương pháp triển khai các đồ thị PJ -V thành PJ - tương tựnhư trên

) sin(

) cos(

N = P1  tg

Từ P1 đo được trong đồ thị đã tính ở trên và các giá trị

,  tương ứng Sau khi tính toán ta được các giá trị của T, Z,

N cho trong bảng

Chú ý : quan hệ của  và  :

Sin  =  sin

Cos  = 1  sin2

Cos  = 1  2sin2

Đồ thị T - Z - N

Tính T :

Dựa vào thứ tự làm việc của động cơ ta xác định cácgóc làm việc 1,2,3,4 của các khuỷu

Thứ tự làm việc của động cơ 1-3-4-2

Vậy góc lệch công tác của động cơ là :

ct =

4

4 180 i

Để xây dựng đồ thị tổng T ta dựa vào công thức xácđịnh T đa nêu ở trên và lập bảng như sau :

tổng

Chọn tỷ lệ xích T = Z.

Đặt các giá trị T, Z lên các trục tương ứng, với mỗicặp điểm ta đánh số 0,1,2, 72 Nối các điểm ta được đồthị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu

MNF

.R.m

2 P

2 2

Trong đó : m2 : khối lượng TT quy về đầu lớn

m2 = 0,7  mtt = 0,7  2,8 = 1,96 (kg)

 = 183,26 (rad/s)

Fp = 0,0095(m2) : diện tích đỉnh piston

R = 625 (mm) = 0,0625m

R

Xây dựng đồ thị phụ tải tác dụng lên đầu to thanhtruyền :

Ta dùng một tờ giấy bóng mờ, vẽ lên đó một vòng tròncó bán kính thích hợp và chia vòng tròn đó thành 36 phầnbằng nhau Vẽ các tia từ tâm vòng tròn đến các điểm chia.Vẽ hệ trục toạ độ OZT có gốc O trùng với tâm đường tròntrên tờ giấy bóng Sau đó đặt tờ giấy bóng lên đồ thị phụtải tác dụng lên chốt khuỷu sao cho tâm đường tròn trùngvới tâm chốt khuỷu, trục OZ trên đường tròn trùng với trục

OZ trên đồ thị Khi đó ta thấy xuất hiện điểm 0 của đồ thịphụ tải, ta đánh dấu điểm này trên tờ giấy bóng, sau đó taxoay tờ giấy bóng theo chiều ngược chiều kim đồng hồ saocho tia chia của đường tròn trên tờ giấy bóng lần lượt trùngvới trục OZ của đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu vàđánh dấu các điểm đó trên tờ giấy bóng Ta xoay tờ giấybóng hai vòng và đánh dấu các điểm, nối các điểm này lại

ta được đồ thị phụ tải tác dụng lên đầu to thanh truyền

Đầu tiên ta xây dựng đồ thị lực tác dụng lên bề mặtchốt khuỷu

Ta tiến hành như sau :

- Chia vòng tròn tượng trưng cho bề mặt chốt khuỷuthành 24 phần bằng nhau

- Đo các giá trị của Q’ tác dụng lên các điểm 0,1,2 23của chốt khuỷu trên đồ thị phụ tải tác dụng lênchốt khuỷu và ghi các giá trị này vào các ô thể hiệnvùng ảnh hưởng của nó Do giả thiết miền ảnhhưởnh là 120o nên phải ghi Q’ vào 9 ô của bảng

- Cộng các giá trị của tổng các phụ tải trên các cột0,1,2 23 của bảng ta có Qo,Qo,Qo Q23 là tổng phụtải tác dụng lên các điểm 0,1,2 23 của bề mặt chốtkhuỷu.

- Dùng tỷ lệ xích thu nhỏ rồi đặt các giá trị này lêncác bán kính đi qua các điểm tương ứng Nối cácđầu mút lại ta được đồ thị mài mòn lý thuyết chốtkhuỷu

Vẽ đồ thị khai triển :

Vẽ hệ trục toạ độ Q - , trục tung biểu diễn Q, trụchoành biểu diễn  Dựa vào các số liệu trong bảng ta xácđịnh các điểm tương ứng Nối các điểm này lại ta đượcđồ thị khai triển Q - 

Bây giờ ta lập bảng số liệu để vẽ đồ thị khai triển Q =f()

Bảng số liệu đồ thị khai triển Q-

 T(MN/m2) Z(MN/m2) Q(MN/m2)  T(MN/m2) Z(MN/m2) Q(MN/m2)

6.1 ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC VÀ VẬT LIỆU CHẾ TẠO

Trục khuỷu chịu tải trọng bởi áp lực của khí, lực quántính của các phần chuyển động tính tiến và chuyển độngquay Các lực tác dụng có tính chất chu kỳ gây nên daođộng xoắn

Trục khuỷu là một chi tiết phức tạp nhất về mặt cấu

khuỷu là rất quan trọng Kim loại chế tạo trục khuỷu cầnphải có tính chống mài mòn, chống mỏi và chịu tải trọng

va đập cao Vì động cơ thiết kế thuộc loại cỡ trung bìnhnên ta chọn thép 45 làm vật liệu chế tạo

6.2 KẾT CẤU TRỤC KHUỶU

Trục khuỷu của động cơ Diezel tiếp nhận tải trọng lớnnên có nhiều gối đỡ Ta thiết kế 5 gối đỡ chính

Trục khuỷu gồm những phần sau :

Hình 2 : Phác hoạ kết cấu trục khuỷu1: chốt khuỷu 2 : cổ trục khuỷu 3 : đối trọng 4 : má

Hình 3 : Kết cấu đầu trục khuỷu

6.2.2 Cổ trục

Tất cả các cổ chính có cùng một đường kính, từ cổchính dầu bôi trơn theo các lỗ khoan trong má đểø đi bôi trơncác cổ biên Các chỗ chuyển tiếp của cổ chính và cổ biênđến má trục có góc lượn

Để giảm bớt trọng lượng của các phần không được cânbằng và của cả trục nói chung ta chế tạo trục khuỷu cócổ biên rỗng

Hình 4 : Kết cấu cổ trục và cổ chốt

6.2.3 Má khuỷu

Má khuỷu là bộ phần nối liền cổ trục và cổ chốt Đểlợi dụng vật liệu hợp lý và phân bố đồng đều áp suất tachọn thiết kế dạng má khuỷu hình ô van

6.2.4 Đuôi trục khuỷu

Đuôi trục khuỷu là nơi truyền công suất ra ngoài và trênđuôi trục khuỷu có lắp bánh đà

Ta chọn phương pháp lắp bánh đà lên đuôi bằng mặtbích Ở đuôi trục khuỷu ta bố trí các bộ phận sau :

- Bánh đà

- Đệm chắn di động dọc trục

- Ngoài ra còn có thể có bộ phận khác như vành hắtdầu, ren hồi dầu v.v

6.2.5 Đối trọng

Đối trọng dùng để :

- Cân bằng các lực và mômen quán tính không cânbằng của động cơ, chủ yếu là lực và mômen quántính ly tâm

- Giảm phụ tải cho ổ trục nhất là ổ giữa và tránhbiến dạng của trục khuỷu khi làm việc

Đối trọng được đúc liền với má khuỷu

Hình 5 : Kết cấu đầu trục khuỷu với bánh đà

6.2.6 Bánh đà

Bánh đà có nhiệm vụ làm đồng đều tốc độ góc củađộng cơ đến mức cần thiết cho phép Trong quá trình làmviệc, bánh đà có nhiệm vụ tích năng lượng ( khi mômenquay lớn hơn mômen cản) và phóng năng lượng ( khi mômencản lớn hơn mômen quay ) Ngoài ra, bánh đà là nơi ghi kýhiệu ĐCT, ĐCD, góc phun sớm, góc đánh lửa sớm v.v

Bánh đà được chế tạo bằng gang xám, ta chế tạobánh đà dạng đĩa, loại này có kết cấu đơn giản, dễ chếtạo Vành ngoài của bánh đà được ép lên một vành răngkhởi động

6.2.7 Bạc lót

Ta dùng bạc lót mỏng vì có ưu điểm sau :

- Thích hợp dễ dàng với điều kiện sản xuất hàngloạt theo các cốt sửa chữa quy định Điều này chophép lắp lẫn bạc lót mà không cần nguyên công cạobạc

- Do không cần cạo bạc nên giảm được thời gian sửachữa, mặt khác ít tốn nguyên liệu

- Khi lắp ghép bạc mỏng, mặt lưng bạc tiếp xuc tốtvới đầu to tạo điều kiện truyền nhiệt tốt

- Giảm được kích thước đầu to thanh truyền, tạo khảnăng tăng đường kính chốt khuỷu

6.2.7 Các kích thước chọn

2 TÍNH BỀN TRỤC KHUỶU

7.1 XÁC ĐỊNH KHỐI LƯỢNG CHUYỂN ĐỘNG QUAY THEO BÁN

KÍNH r CỦA MÁ KHUỶU

Hình 6 : Sơ đồ tính khối lượng má khuỷuKhối lượng má khuỷu mm xác định theo công thức sau :

mm = Fm.b

Trong đó :

Fm : diện tích phần má khuỷu có bán kính r

b : chiều dày má khuỷu, b = 0,25D = 0,25  110 = 27,5(mm)

 : khối lượng riêng của vật liệu trục khuỷu. = 7,852

Nếu ta coi phần diện tích má khuỷu có bán kính r gầnnhư 1 hình chữ nhật có diện tích a’.b’ với :

a’ = 1,2.D = 132 (mm) : chiều rộng má khuỷub’ = r =

2 2

 mm = 4290 27,5 7,852.10-6 = 0,9263 (kg)Để phần khối lượng má mm cùng quay với bán kính R taphải quy dẫn thành khối lượng tương đương đặt tại cáctâm chốt khuỷu, khối lượng quy dẫn được tính như sau :

mch : khối lượng chốt khuỷu vận động quay với bánkính R

Dn, dt : đường kính ngoài và trong của chốt khuỷu

l : chiều dài làm việc của chốt khuỷu, l = 60 (mm)

b1, b2 : chiều dài của má khuỷu, b1, b2 = 27,5 (mm)

 : khối lượng riêng của vật liệu chế tạo trục khuỷu

 mch = 4 (782 - 302) (60 + 27,5 + 27,5)  7,85.10-6 =3,689 kg

7.3 LỰC LY TÂM C 1 VÀ C 2

C1 = mch.R.2 = 7744,0 (kg)

C1 : lực ly tâm của chốt khuỷu quy về đầu to :

C2 = m2.R.2 = 0,7  2,8  0,0625  183,262 =4114,07 (kg)

C2 : lực ly tâm của khối lượng thanh truyền quy dẫn vềtâm chốt khuỷu :

7.4 LỰC QUÁN TÍNH LY CỦA MÁ KHUỶU VÀ ĐỐI TRỌNG

 Pr1 : lực quán tính ly tâm của má khuỷu quy về tâmchốt khuỷu

Pr1 = mmR R.2 = 0,482  62,5.10-3  183,262 =1011,09 (kg)

 Pr2 : lực quán tính ly tâm của đối trọng

Hình 7 : Sơ đồ tính phản lực gối đỡ

Vị trí Zmax xuất hiện tại  = 370o

Lực Zmax được tính như sau :

M = 4,07 kg = 4,07.10-5 MN

R = 62,5 (mm) = 0,0625 (m)

 = 0,26

C1 + C2 = 7744 + 4114,07 = 11858,07 kg = 0,119 MN  Zo = 5,8 - 4,07.10-5  0,0625  183,262  1,26 - 0,119 =5,574 MN

Ngoài Zmax, khuỷu còn bị xoắn bởi các khuỷu trước nó góccông tác của động cơ là 180o, thứ tự làm việc 1-3-4-2 Ta cóthể xác định giá trị lực T ở góc quay  như sau :

7.6 TÍNH SỨC BỀN TRỤC KHUỶU

- Ứng suất uốn chốt khuỷu

4 nch

2 r 1 r u

u

d

d d

32

c P a P ' ' Z W M

Z’ = 2,826 2

m

MN = 0,02686 (MN)l’ = 21lct2 + lmá + 21lch =

= 21  60 + 27,5  21  60 = 30 + 27,5 + 30 = 87,5(mm)

5 , 27 2

l 2

3

3 5

3 5

3

10 78

10 30 10

78 32

10 4 43 10

09 488 10

7 43 10

09 1011 10

5 87

02686

0

.

) ( ) (

,

,

,

,

, ,

- Ứng suất xoắn chốt khuỷu