Đồ án môn học tính toán thiết kế động cơ đốt trong nhóm piston thanh truyền

Nhiệm vụ, điều kiện làm việc : - Trong quá trình làm việc của động cơ, nhóm piston cónhiệm vụ chính sau : + Bảo đảm bao kín buồng cháy, giữ không cho khí cháy lọt xuống cácte và ngăn k

3.Đặc điểm kết cấu và tính toán sức bền nhóm piston - thanh truyền

động cơ VAZ 2103 :

3.1 Nhóm piston :

Nhóm piston động cơ VAZ 2103 gồm có piston, chốt piston,

vòng hãm chốt piston, xécmăng khí, xécmăng dầu

3.1.1.Nhiệm vụ, điều kiện làm việc và vật liệu chế tạo piston :

3.1.1.1 Nhiệm vụ, điều kiện làm việc :

- Trong quá trình làm việc của động cơ, nhóm piston cónhiệm vụ chính sau :

+ Bảo đảm bao kín buồng cháy, giữ không cho khí cháy

lọt xuống cácte và ngăn không cho dầu nhờn từ hộp trụckhuỷu sục lên buồng cháy

+ Tiếp nhận lực khí thể thông qua thanh truyền, truyềnxuống trục khuỷu làm quay trục khuỷu trong quá trình cháyvà giãn nở ; nén khí trong quá trình nén ; đẩy khí ra khỏixylanh tong quá trinh thãi và hút khí nạp mới vào buồngcháy trong quá trình nạp

- Trong quá trình làm việc của động cơ, piston chịu lựcrất lớn, nhiệt độ rất cao và ma sát mài mòn lớn, do lựckhí thể, lực quán tính và do piston tiếp xúc với sản vậtcháy ở nhiệt độ cao, thiếu dầu bôi trơn gây nên ứng suất

cơ học, ứng suất nhiệt và ăn mòn hoá học trong piston + Tải trọng cơ học: trong quá trình cháy, hổn hợp khícháy sinh ra áp suất rất lớn trong buồng cháy,trong các chutrình công tác của động cơ, áp suất khí thể tác dụng lênđỉnh piston có trị số thay đổi rất nhiều, do đó lực khí thểcó tính va đập lớn, và do số vòng quay của động cơ cao nênlực quán tính tác dụng lên piston củng rất lớn

+ Tải trọng nhiệt:

Trong quá trình cháy piston tiếp xúc với khí cháy có nhiệtđộ cao (2300  2800)oK nên nhiệt độ của piston,nhất lànhiệt độ của phần đỉnh piston và xécmăng khí thứ nhấtcủng rất cao (500  800)oK , nhiệt độ của piston cao gây racác tác hại:sinh ra ứng suất nhiệt lớn làm rạn nứt piston ;Gây biến dạng làm bó kẹt piston trong xylanh, tăng ma sátgiữa piston và xylanh ; Làm giảm sức bền ,tuổi thọ piston ;Giãm hệ số nạp, ảnh hưởng đến công suất động cơ ;Làm dầu nhờn chóng bị phân huỷ

+ Ma sát và ăn mòn hoá học: trong quá trình làm việcpiston chịu ma sát lớn do thiếu dầu bôi trơn, do lực ngang Nép piston vào xylanh ngoài ra do lực khí thể, lực quán tính

và nhiệt độ cao làm piston bị biến dạng làm tăng ma sát.

Do piston luôn tiếp xúc với sản vật cháy ở nhiệt độ cao nên

bị sản vật cháy ăn mòn.Do các điều kiện trên nên khi chếtạo piston phải đảm bảo các yêu cầu sau:

- Đỉnh piston tạo thành buồng cháy tốt, đảm bảo baokín

- Tản nhiệt tốt, tránh kích nổ, giảm ứng suất nhiệt.-Trọng lượng nhỏ để giảm lực quán tính

- Đủ bền, đủ độ cứng vững để tránh biến dạng quálớn

- Chịu mài mòn tốt

3.1.1.2 Vật liệu chế tạo piston động cơ VAZ 2103 :

- Để đảm bảo các điều kiên làm việc của piston như trên,nên vật liệu chế tạo piston phải đảm bảo các yêu cầusau :

+ Có sức bền lớn ở nhiệt độ cao và tải trọng thayđổi

+ Trọng lượng riêng nhỏ

+ Hệ số giãn nở nhỏ, hệ số dẩn nhiệt lớn

+ Chống được sự ăn mòn hoá học của khí cháy vàchịu mài mòn ma sát tốt trong điều kiên nhiệt độ caovà bôi trơn kém

- Piston động cơ CMD 14 được chế tạo bằng hợp kimnhôm

3.1.2.Phân tích kết cấu piston :

- Đỉnh piston: Đỉnh piston động cơ CMD 14 là loại đỉnh được

đúc lõm như hình vẻ mục đích là để tạo sự xoáy lốc vàđể tạo hổn hợp nhiên liệu và không khí tốt hơn

- Đầu piston: Làm nhiệm vụ bao kín buồng cháy Trên bề

mặt trụ ngoài của piston có khoét 3 rảnh để lắp xécmăngkhí và 2 rảnh lắp xécmăng dầu, ở các rảnh lắp xécmăngdầu và ở dưới một tí người ta khoan các lỗ để dẩn dầuvào bên trong piston, số lỗ khoan trên mỗi hàng : 12 lỗ 2.Trên piston động cơ CMD 14 người ta bố trí 2 rảnh xécmăngdầu nằm về 2 phía của bệ chốt piston Khi tính toán thiếtkế đầu piston cần chú ý giải quyết 3 vấn đề : Tản nhiệt,vấn đề bao kín và sức bền

- Thân piston: Làm nhiệm vụ dẩn hướng cho piston chuyển

động trong xylanh và chịu lực ngang N

+ Chiều dài thân piston lth = 101 mm

+ Vị trí của lỗ bệ chốt piston tính từ đỉnh piston : h = 88mm

+ Để khắc phục hiên tượng bó kẹt piston người ta tiệnvát bớt mặt thân piston ở phía hai đầu bệ chốt.

- Xécmăng: Được chế tạo bằng gang hợp kim, trên bề

mặt ngoài (mặt lưng) xécmăng được mạ crôm để hạnchế mài mòn

Xécmăng khí số 2 và 3 có rãnh lõm trên bề mặt trong(mặt bụng) để tăng chất lượng nén của nó

- Chốt piston: được chế tạo bằng thép và rổng bên

trong Chốt piston được lắp tự do, các vòng hãm lắp trongbệ chốt piston giữ cho nó khỏi dịch chuyển dọc trục, mốilắp giữa chốt piston và bệ chốt pisston là mối lắp chặt,còn mối lắp giữa chốt và đầu nhỏ thanh truyền là lắplỏng

3.1.3.Tính toán kiểm nghiệm bền piston :

3.1.3.1.Các kích thước cơ bản của piston :

- Đường kính piston D  120 mm( )

- Chiều cao (chiều dài) piston H  158 mm( )

- Chiều dài đỉnh piston l d 51 mm( )

- Chiều dài thân piston l th 101 mm( )

- Chiều dày đỉnh  12 mm( )

- Khoảng cách c từ đỉnh đến xécmăng thứ nhất :

1  , 0 2 , 0 



- Vị trí của chốt piston tính từ đỉnh piston h  88 mm( )

Vị trí của chốt piston tính từ chân piston h 1 70 (mm)

- Chiều dày s của phần đầu piston s  ( 0 , 05  0 , 1 ).D ; chọn

)

(

12 mm

- Chiều dày phần thân piston s1  2  5 (mm)

- Đường kính chốt piston d cp  ( 0 , 3  0 , 45 ).D ; d cp 42 mm( )

- Đường kính lỗ trên chốt piston d0  ( 0 , 6  0 , 8 ).d cp ;

- Đường kính bệ chốt piston d b  ( 1 , 3  1 , 6 ).d cp ; d b 60 mm( )

- Số xécmăng khí : 3 ; Số xécmăng dầu : 2

- Chiều dày hướng khính của xécmăng khí và xécmăngdầu : t = 7 (mm)

- Chiều cao a của xécmăng khí : a = 4 (mm)

- Chiều cao của xécmăng dầu : b = 6 (mm)

- Chiều dày bờ rảnh xécmăng : a1 = 5 (mm)

- Số lỗ khoang dẩn dầu bôi trơn trên rảnh xéc măng dầu :

12 lỗ 2

- Aïp suất cực đại 6 , 4 ( / 2 )

m MN

3.1.3.2.Điều kiện tải trọng của piston:

Trong quá trình làm việc của động cơ piston chịu tácdụng của các lực:

3.1.3.3.Tính kiểm mghiệm bền đỉnh piston:

Đỉnh pittông chịu lực rất lớn và phức tạp, trạng tháiứng suất cũng phức tạp, nó vừa chịu tảu trọng cơ họcvà chịu tải trọng nhiệt Do đỉnh pittông chịu tải trọng phứctạp nên việc tính toán đỉnh pittông cũng tính toán theophương pháp gần đúng, theo những giả thiết nhất định

a) Tính theo phương pháp Back :

- Công thức Back xây dựng trên các giả

thiết sau :

+ Coi đỉnh pittông như một đĩa tròn, có

chiều dày đồng đều đặt tự do trên hình

trụ rỗng

+ Aïp suất khí thể P Z tác dụng lên đỉnh

pittông phân bố đều

- Lực khí thể P kt và phản lực của nó

gây uốn đỉnh pittông Xét ứng suất uốn ở tiết diện xx Trên nữa đỉnh pittông, có các lực tác dụng sau :

+ Lực khí thể : P kt D P z

4

2

1 2

D D P y y

4

)10.120.(

4,6

4

2 3

2 3 2

2

m MN D

b) Theo phương pháp Orơlin :

Coi đỉnh piston đỉnh piston là một đĩa tròn

ngàm cứng vào phần đầu piston

- Khi chịu áp suất Pz phân bố đều trên

đỉnh, ứng suất pháp tuyến hướng kính

lớn nhất ở vùng nối tiếp giữa đỉnh và

đầu được tính theo công thức sau :

3

2

2

m MN

y .r .P z

4

3 2 2

2

2

m MN



- Ứng suất cho phép đối với hợp kim nhôm :

u 60 (MN/m2 )

3.1.3.4.Tính kiểm nghiệm bền đầu piston:

Thường tính ứng suất trên tiết diện I-I.Tiết diện này làtiết diện bé nhất nó cắt qua rãnh của xecmăng dầu ởđầu pittông Tiết diện này chịu kéo bởi lực quán tính âmlớn nhất do khối lượng m II của phần pittông phía trêntiết diện này sinh ra Ngoài ra còn chịu ứng suất nén củalực khí thể (không xét lực quán tính ) trong quá trìnhcháy và giãn nở

* Ứng suất kéo : . max [MN/m2 ]

F

J m F

P

I I

I I I I

II k

Trong đó : m II  ( 0 , 4  0 , 6 ).m P ; chọn m II  0 , 5 m P  1 , 375 (kg)

FI-I diện tích tiết diên I-I ; I I ld

dI : đường kính trong của tiết diên I-I,

dI = D - 2.(s + t) = 120 - 2.(12+7) = 82 mm ; s :chiều dày đầu piston

Fld :diện tích tiết diên lổ dầu,

) ( 288 ) 12

14 ,

10 084 , 2773 375 , 1

P

I I

I I I I

7 , 3255 4

) 10 120 (

14 , 3 4 , 6

_

m MN F

D P F

P

I I

z I

- Ứng suất cho phép n 25 (MN/m2 )

3.1.3.5.Tính kiểm nghiệm bền thân piston :

- Tính thân piston chủ yếu là chọn chiều cao của thân đểáp suất của piston nén lên xylanh không lớn quá và để dểbôi trơn Kiểm nghiệm theo công thức sau :

( / )

.

2 max MN m l

D

N K

10 2 , 4021

2 3

3

6

l D

N K

* Tính kiểm nghiệm bền bệ chốt piston:

- Nhằm mục đích kiểm tra khả năng duy trì màng dầu bôitrơn chốt pittông Aïp suất trên bệ chốt tính theo côngthức :

1

1 2

2

.

l d

P l

d

F P K

cp kt cp

p z

10 73 , 11309 4 ,

3 3

6

m MN

3.1.4.Tính kiểm nghiệm bền chốt piston :

Trong quá trình làm việc chốt piston chịu lực khí thể vàlực quán tính rất lớn, các lực này thay đổi theo chu kỳ vàcó tính va đập mạnh Chốt piston làm việc trong trạng thái

chịu uốn, chịu cắt, chịu va đập và biến dạng Sơ đồ chịulực của chốt piston như hình vẽ.

* Các thông số

- Chiều dài chốt pittông : l CP 100 mm( )

- Đường kính ngoài chốt : d cp 42 mm( )

- Đường kính trong chốt : d o 29 mm( )

- Chiều dài đoạn lắp với đầu nhỏ thanh truyền

)

(

48 mm

l d 

- Chiều dài làm việc của bệ chốt : l1 = 26 (mm)

* Tính ứng suất uốn: Ta coi piston như một dầm đặt tự

do trên hai gối tựa Khi chịu lực khí thể cực đại ta coilực Pz/2 tác dụng ở điểm cánh đầu mút chốt piston mộtkhoảng bằng 2/3l1 Ứng suất uốn chốt xác định theo côngthức sau :

)1.(

.2,1

).5,1.2

4 3

1

m MN d

l l

l P

cp

d cp

kt u

) 10 42 (

2 , 1

10 ).

48 5 , 1 26 2 100 (

10 3 ,

4 3

3

3 6

m MN

)( / )

4 2

( 2

2

m MN l

l P

4 4

d d

d d W

Trong đó :

l:Khoảng cách giữa hai gối đỡ ; l = 48 (mm)

l d:Chiều dài đầu nhỏ thanh truyền ; l d 44 mm( )

Vậy :

) / ( 83 10

72456 , 5

10 5 , 470

) ( 10 72456 , 5 ) 6905 , 0 1 (

) 10 42 (

1 , 0

) / ( 10 5 , 470 10

).

4

44 2

48 (

2

10 3 , 72382

2 6

6

3 6 4

3 3

2 6

3 6

m MN W

M

m W

m MN M

u

u u u u

Ưïng suất uốn cho phép :u  60  120 (MN/m2 )

* Ứng suất cắt : Chốt piston chịu cắt ở tiết diên II-II Xác

định theo công thức :

cp

kt c

F

P

2





Trong đó F cp: tiết diện ngang của chốt

)(10.92,7244

])10.29()10.42.[(

4

)

m d

10 3 , 72382 2

2 6

6

m MN F

Ứng suất cắt cho phép  c  ( 50  60 )(MN/m2 )

* Áp suất tiếp xúc trên đầu nhỏ thanh truyền : Mục đích

kiểm tra điều kiện bôi trơn chốt pittông

10 42 10 44

10 3 , 72382

2 3

3

6

m MN d

l

P K

cp d

* Ứng suất biến dạng :

- Độ biến dạng trên tiết diện ngang tính theo công thứcsau :

k

l E

P d

cp

1

1

09 ,

6905 , 0 1 10 100 10 2

10 3 , 72382 09 ,

3 3

10 604 ,

- Do sự biến dạng thành hình ovan nên trong tiết diệncủa chốt pittông sản sinh ứng suất biến dạng Trên cácđiểm 1,2,3,4 có ứng suất lớn nhất

- Tại điểm 1, trên mặt ngoài(   0  ) ứng suất kéo :

d l

P

cp cp

1 (

) 1 )(

2 ( 19 , 0

, 0 1

6905 , 0 1 6905 , 0 2 19 , 0 10 42 10 100

10 3 , 72382

2 3

3

6 0

P

cp cp

1 (

) 1 )(

2 ( 174 , 0

, 0 1

6905 , 0 1 6905 , 0 2 174 , 0 10 42 10 100

10 3 , 72382

2 3

3

6 90

P

cp cp

) 1 (

) 1 )(

2 1 ( 19 , 0

, 0 6905 , 0 1

6905 , 0 1 6905 , 0 2 1 19 , 0 10 42 10 100

10 3 , 72382

2 3

3

6 0

P

cp cp

z

) 1 (

636 , 0

) 1 (

) 1 )(

2 1 ( 174 , 0

, 0 6905 , 0 1

6905 , 0 1 6905 , 0 2 1 174 , 0 10 42 10 100

10 3 , 72382

2 3

3 6 90

3.1.5.Tính toán xécmăng:

- Xécmăng làm việc trong điều kiên xấu, chịu nhiệt độcao áp suất va đập lớn, ma sát mài mòn nhiều và chịu ănmòn hoá học của khí cháy và dầu nhờn Xéc măng khí cónhiệm vụ bao kín buồng cháy ngăn không cho khí cháy từbuồng cháy lọt xuống cácte, khí cháy có thể lọt xuống

cácte qua ba đường : qua khe hở giữa mặt xylanh và mặtcông tác (mặt lưng xécmăng) ; qua khe hở giữa xécmăng vàrảnh xécmăng ; qua khe hở phần miệng xécmăng Xécmăngdầu ngăn không cho dầu nhờn chạy lên buồng cháy, gạtdầu bám trên vách xylanh trở về cácte, ngoài ra nó cònphân bố đều trên vach xylanh một lớp dầu mỏng.

- Ta tính toán kiểm nghiêm theo xécmăng không đẳng áp : Các hệ số

+ Hệ số lắp ghép (lắp bằng phiến đệm) m 1 , 57

+ Hệ số quan hệ với mômen uốn cực đại C m  1 , 8 + Hệ số 1 , 57 2 , 4589

8 , 1 25 , 1

2

2

C g

+ Môđun đàn hồi của gang E 1 , 2 10 5 (MN/m2 )

+ Hệ số phụ thuộc đường cong phân bố áp suất

E 

+ Chiều dày xéc-măng t  4 mm( )

+ Độ mở miệng của xéc-măng ở trạng thái tự do A :

1 30

4 , 1 30 8 , 1 57 , 1 25 , 1 2

4 196 , 0 3 14 , 3 2 1

/

4 , 1 / 2

3 2

mm t

D

t D gmC

t A

3

.

3

5 3

t

D D

E A

4 1 30 (

30 57 , 1

) 196 , 0 3 (

14 , 3 10 4

10 85 , 12 1

10 2 , 1 4 ) 4 , 1 (

) ) 3 ( 1

(

4

2 3

3 5

t

D t

D

m

t

A E

0 , 3194 ( / )

) 1 30 )(

196 , 0 3 (

30

4

85 , 12 10 2 , 1 425 , 0 ) 1 )(

3 (

425 , 0

2 3

5

3

m MN t

D t

A E

- Aïp suất phân bố trên xéc-măng: P P tb

 -hệ số phân bố áp suất, xác định theo góc 

/ 450 400

) / )(

400 300 (

m MN

m MN

3.2.Nhóm thanh truyền :

3.2.1.Phân tích đặc điểm kết cấu thanh truyền động

cơ CMD 14 :

- Trong quá trình làm việc của động cơ nhóm thanh truyềncó nhiệm vụ truyền lực tác dụng lên piston cho trụckhuỷu, làm quay trục khuỷu

- Khi động cơ làm việc thanh truyền chịu tác dụng của cáclực sau : Lực khí thể trong xylanh ; Lực quán tính chuyểnđộng tịnh tiến của nhóm piston ; Lực quán tính của thanhtruyền

- Đầu nhỏ thanh truyền bị biến dạng dưới tác dụng củalực quá tính, đầu to thanh truyền chịu tác dụng của lựcquán tinh của nhóm piston và thanh truyền, thân thanhtruyền chịu nén dưới tác dụng của lực khí thể và chịuuốn trong mặt phẳng lắc của nó dưới tác dụng của lựcquán tính Khi động cơ làm việc thì các lực khí thể vàlực quán thay đổi theo chu kỳ cả về trị số và hướng, tảitrọng tác dụng lên thanh truyền là tải trọng thay đổi và cótính chất va đập

- Thanh truyền động cơ CMD 14 được chế tạo bằng théptốt, có tiết diện chữ I Trên đầu nhỏ thanh truyền đượckhoét lỗ hứng dầu bôi trơn chốt piston và được lắp bạclót bằng đồng có độ dôi, bên trong bạc có rảnh lỗ đểdẩn dầu đến chốt piston Đầu to thanh truyền được cắtthành hai nữa phần trên nối liền với thân phần dưới lànắp đầu to thanh truyền và lắp với nhau bằng bulông thanhtruyền, mặt phẳng lắp ghép vuông góc với đương tâm trụcthân thanh truyền Bulông thanh truyền là loại bulông chỉchịu lực kéo,có mặt gia công đạt độ chính xác cao để

định vị Bạc lót đầu to tranh truyền chia thành hai phần vàđược tráng một lớp hợp kim cứng chịu mài mòn.

3.2.2.Tính toán kiểm nghiệm bền nhóm thanh truyền :

3.2.2.1.Các thông số cơ bản :

-Đường kính ngoài đầu nhỏ d 2 60 (mm)

-Đường kính trong đầu nhỏ d 1 48 (mm)

-Đường kính trong của bạc d b 42 mm( )

-Chiều dày đầu nhỏ S  6 mm( )

-Chiều rộng thân từ chỗ chuyển tiếp qua đầu nhỏ

)

(

30 mm

H 

-Bán kính góc lượn giữa đầu nhỏ và thân : 1  38 (mm)

-Môđun đàn hồi thép E t  2 10 5 (MN/m2 )

-Môđun đàn hồi đồng E d  1 , 15 10 5 (MN/m2 )

-Hệ số giản nở dài của thép 1 10  5



t

-Hệ số giản nở dài của đồng 1 , 8 10  5



b

-Hệ số poátxông   0 , 3

-Độ dôi lắp ghép bạc vào đầu nhỏ :   0 , 035 (mm)

-Chiều dài thanh truyền (tâm đến tâm) : l  280 mm( )

-Đường kính trong đầu to thanh truyền : D 1 83 (mm)

-Khoảng cách giữa hai tâm bulông thanh truyền : c  97 mm( ).-Góc lượn giữa thân thanh truyền và đầu to : 2  48 (mm).-Kích thước thân thanh truyền tại tiết diện trung bình :

) ( 30

B

-Bề rộng của đầu nhỏ thanh truyền lđ : l d 44 mm( )

3.2.2.2.Kiểm nghiệm bền đầu nhỏ thanh truyền :

Khi động cơ làm việc, đầu nhỏ thanh truyền chịu các lựcsau : Lực quán tính của nhóm pittông ; Lực khí thể ; Lực

do biến dạng gây ra Ngoài ra khi lắp ghép bạc lót, đầunhỏ thanh truyền còn chịu thêm ứng suất phụ do lắp ghépbạc lót có độ dôi gây ra Các lực trên sinh ra ứng suấtuốn, kéo, nén trên đầu nhỏ Ta có : d2/d1 = 60/48 = 1,25 <1,5 Nên ta dùng phương pháp tính sức bền của đầu nhỏthanh truyền mỏng

* Tính sức bền đầu nhỏ thanh truyền khi chịu kéo :

Lực kéo đầu nhỏ là lực quán tính Pj Giáo sưKinaxốtvily đã nêu các giả thuyết sau :

+ Lực quán tính P J phân bố đều theo hướng kính trênđường kính trung bình của đầu nhỏ thanh truyền



2

j

p

q  (MN/m2) ; với : bán kính trung bình đầunhỏ thanh truyền