Đồ án tính toán kiểm nghiệm bền cho piston động cơ tàu thủy

Nhiệm vụ: Piston là một chi tiết máy rất quan trọng thuộc cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền củađộng cơ đốt trong, nó có nhiệm vụ - Cùng với nắp máy, xylanh bao kín tạo thành buồng cháy

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……….

……… XXX, Ngày Tháng Năm 2011

Giáo viên hướng dẫn

MỤC LỤC

trang

Lời nói đầu……… …….3

Phần I: Mô tả chung về Piston, chốt Piston và Xec măng……… … 4

1.1 Piston……… 4

1.1.1 Nhiệm vụ……… …4

1.1.2 Điều kiệm làm việc……… 4

1.1.3 Vật liệu chế tạo Piston……… 4

1.1.4 kết cấu của Piston……… 5

1.2 Chốt Piston……… 8

1.2.1.Nhiệmvụ……… 8

1.2.2 Điều kiện làm việc……… 8

1.2.3 Vật liệu chế tạo……… 8

1.2.4 Kết cấu và các kiểu lắp ghép chốt piston………8

1.3 Xéc măng……….10

1.3.1 Nhiệm vụ……… 10

1.3.2 Điều kiện làm việc của xéc măng……… 10

1.3.3 Vật liệu và công nghệ chế tạo phôi xéc măng……… 10

1.3.4 Kết cấu của xéc măng………10

Phần II: Tính toán kiểm tra bền cho Piston……….13

2.1 Thông số ban đầu……… 13

2.2 Tính toán kiểm tra bền choPiston……….14

2.2.1 Tính sức bền của đỉnh Piston……….14

2.2.2 Tính sức bền đầu Piston……….16

2.2.3 Tính sức bền thân Piston……… 18

2.2.4 Tính sức bền bệ chốt Piston……… 19

2.2.5 Tính khe hở giữa Piston và xilanh……….19

Phần kết luận……… 20

Tài liệu tham khảo……… 21

LỜI NÓI ĐẦU

2

Động cơ đốt trong ngày nay đang phát triển rất mạnh giữ vai trò quan trọng trong nềnkinh tế quốc dân như nông nghiệp, giao thông vận tải đường bộ, đường sắt, đường biển,đường hàng không cũng như trong nhiều ngành công nghiệp khác.

Từ khi mở cửa, hội nhập và phát triển nền kinh tế của đât nước đã đạt được nhiều thànhtựu về khoa học và kỹ thuật cũng như mọi mặt của đời sống xã hội nói chung.Một trongnhững thành tựu đó là quá trình công nghiệp hoá hiện đại hoá Để xây dựng thành công quátrình CNH-HĐH đòi hỏi phải xây dựng một nền khoa học kỹ thuật và công nghệ tươngứng.Ngành công nghiệp Ôtô là một trong những ngành phục vụ rất hiệu quả cho quá trìnhCNH-HĐH

Ngành công nghiệp Ôtô tuy không phải là một ngành mới,nhưng nó vẫn diễn ra rất sôiđộng ở mỗi quốc gia khác nhau trên thế giới Nhận thức đúng đắn về tầm quan trọng củangành công nghiệp này Đảng và Nhà nước ta đã có những chính sách phù hợp thúc đẩy sựphát triển ngành công nghiệp Ôtô trong nước,từng bước phát triển và tiến tới sẽ sản xuấtđược Ôtô tại chính nước ta mà không phải nhập khẩu

Môn “Thiết kế và Tính toán Ôtô”là một trong những môn học đóng vai trò quan trọng trongviệc thiết lập những cơ sở khoa học để thiêt kế và kiểm nghiệm bền các chi tiết, các cơ cấu,

hệ thống cấu thành nên Ôtô

Môn học này là nền tảng cơ bản của ngành kỹ thuật Ôtô vì vậy nó đòi hỏi phải được xâydựng ngay từ những bước đi đầu tiên

Xuất phát từ những điều kiện trên, em giao đề tài: “Tính toán kiểm nghiệm bền cho Piston động cơ tàu thủy 150 cv”.

Trong quá trình thực hiện đề tài, được sự chỉ bảo tận tình của các thầy cô trong khoa, đặc

biệt là thầy XXX, cùng với sự cố gắng của bản thân đến nay em đã hoàn thành đề tài.

Do điều kiện về thời gian cũng như hạn chế về trình độ của bản thân, thêm vào đó vấn đềnghiên cứu còn mới mẻ nên đề tài không tránh khỏi sai sót Vì vậy em rất mong nhận được

sự đóng góp, bổ sung của các Thầy - Cô giáo trong khoa và các bạn đồng nghiệp để đề tầiđược hoàn thiện hơn

Em chân thành cảm ơn!

Hưng Yên, ngày 20 tháng 10 năm 2011

Sinh viên thực hiện

YYY

PHẦN I

MÔ TẢ KHÁI QUÁT CHUNG VỀ NHÓM PISTON 1.1 Piston

1.1.1 Nhiệm vụ:

Piston là một chi tiết máy rất quan trọng thuộc cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền củađộng cơ đốt trong, nó có nhiệm vụ

- Cùng với nắp máy, xylanh bao kín tạo thành buồng cháy

- Đồng thời trưyền lực của khí thể cho thanh truyền cũng như nhận lực từ thanh truyền

để nén hỗn hợp khí- nhiên liệu

- Ngoài ra ở môt số động cơ hai kỳ, Piston còn có nhiệm vụ đóng mở các cửa nạp vàthải của cơ cấu phối khí

1.1.2 Điều kiện làm việc

Do điều kiện làm việc của Piston rất khắc nghiệt, cụ thể là:

a Tải trọng cơ học lớn và có chu kỳ

-Áp suất lớn, có thể đến 120 kg/cm2 hoặc hơn nữa

- Lực quán tính lớn, đặc biệt là ở động cơ cao tốc

b Tải trọng nhiệt

Do tiếp xúc trực tiếp với khí cháy có nhiệt độ (khoảng 2200 – 2800oK) nên nhiệt độphần đỉnh Piston có thể đến (khoảng 500 – 800oK) Do nhiệt độ cao, pittông bị giảm sứcbền, bó kẹt, nứt, làm giảm hệ số nạp, gây kích nổ…., làm dầu nhờn chóng bị phân huỷ

1.1.3 Vật liệu chế tạo Piston

Vật liệu chế tạo Piston phải đảm bảo cho Piston làm việc ổn định và lâu dài trongnhững điều kiện làm viêc khắc nghiệt đã nêu trên Trong thực tế một số vật liệu sau đâyđược dùng để chế tạo Piston:

- Gang: Thường dùng gang xám, gang dẻo, gamg cầu Gang có sức bền nhiệt và bền cơhọc khá cao, hệ số giãn dài nhỏ nên khó bị bó kẹt, dễ chế tạo và rẻ

- Hợp kim nhôm: hợp kim nhôm có nhiều ưu điểm như nhẹ, hệ số dẫn nhiệt lớn, hệ số

ma sát với gang nhỏ, dễ đúc, dễ gia công nên được dùng khá phổ biến để chế tạo Piston

1.1.4 Kết cấu của piston

Piston gồm có 4 phần chính:

4

a b c

d e f

Hình 1: Sơ đồ kết cấu piston.

a Đỉnh piston: Là phần trên cùng của Piston, cùng với xylanh và nắp xy lanh tạo thành

- Đỉnh lồi (hình 2.b, c) Có độ cứng vững cao, không cần gân tăng bền dưới đỉnh nêntrọng lượng của Piston nhỏ hơn nhưng diện tích chịu nhiệt lớn nên nhiệt độ của đỉnh thườngcao hơn đỉnh bằng Loại đỉnh lồi thường dùng cho động cơ xăng có buồng cháy chỏm cầu,

xu páp treo (như động cơ Craysow, plinut…) và trong các động cơ xăng hai kỳ công suấtnhỏ như PD-10, Solex…

g h i

ab

- Đỉnh lõm (hình 2.d), có thể tạo xoáy lốc nhẹ, tạo thuận lợi cho quá trình hình thành khíhỗn hợp và cháy Tuy nhiên sức bền kém và diện tích chịu nhiệt lớn hơn so với đỉnh bằng.Loại đỉnh này dùng cho cả động cơ xăng và động cơ diesel

- Đỉnh chứa buồng cháy là loại đỉnh thường gặp trong động cơ diesel Đối với động cơdiesel có buồng cháy trên đỉnh Piston, kết cấu buồng cháy phải thoả mãn điều kiện sau đâytùy trường hợp cụ thể:

Phải phù hợp với hình dạng buồng cháy và hướng của chùm tia nhiên liệu để tổ chức tạothành hỗn hơp tốt nhất.(hình 2 e)

Phải tận dụng được xoáy lốc của không khí trong quá trình nén, hình (2 c,f): buồng cháyomega; hình (2g) buồng cháy đenta; hình (2 h) buồng cháy MAN

Động cơ xăng : 3 – 4 xécmăng khí, 1 – 2 xécmăng dầu

Động cơ diesel cao tốc : 3 – 6 xécmăng khí, 1 – 4 xécmăng dầu

Động cơ diesel tốc độ thấp : 5 – 7 xécmăng khí, 1 – 4 xécmăng dầu

- Tản nhiệt tốt cho xécmăng vì phần lớn nhiệt của Piston truyền qua xécmăng cho xylanhđến môi chất làm mát Để tản nhiệt tốt cho Piston thường dùng các kết cấu đầu Piston sau:Phần chuyển tiếp giữa đỉnh và đầu có bán kính R lớn

Dùng gân tản nhiệt ở dưới đỉnh Piston

Tạo rãnh ngăn nhiệt ở đầu Piston để giảm nhiệt lượng truyền cho xécmăng thứ nhất(3.a)Làm mát đỉnh Piston

6

a b c

N

Hình 3:Rãnh ngăn nhiệt ở phần đầu piston

Vấn đề sức bền: Tăng bền cho phần đầu Piston chủ yếu bằng các gân dưới đỉnh và gân nốiliền với bệ chốt, cần phải lựa chọn kiểu gân hợp lý để dễ thao tác khi đúc Piston

c Thân piston

Tác dụng của thân Piston là dẫn hướng cho Piston chuyển động tịnh tiến theo phươngđường tâm xylanh và chịu lực ngang N Khi thiết kế phần thân Piston thường phải giải quyếtnhững vấn đề sau:

- Chiều dài của thân Piston

- Chiều dài của thân Piston được quyết định bởi điều kiện áp suất tiếp xúc, do lực ngang

N gây ra, phải nhỏ hơn áp suất tiếp xúc cho phép

- Vị trí của lỗ bệ chốt

- Vị trí tâm chốt được bố trí sao cho Piston và xylanh mòn đều, đồng thời giảm va đập

và gõ khi Piston đổi chiều Một số động cơ có tâm chốt lệch với tâm xylanh một giá trị vềphía nào đó sao cho lự ngang Nmax giảm để hai bên chịu lực N của Piston và xylanh mònđều

Trạng thái biến dạng của Piston giới thiệu trên hình 4

Hình 4: Trạng thái biến dạng của thân piston

Xẻ các rãnh chữ T, chữ U ngược hoặc rãnh ngang trong rãnh xéc măng dầu.

Đúc gắn miếng hợp kim inva vào vùng bệ chốt để hạn chế giãn nở của vùng bệ chốt

Do trạng thái nhiệt của Piston giảm dần từ phía đỉnh xuống đến chân Piston nên khe hởgiữa Piston và xylanh cũng giảm dần

d Chân piston

Chân Piston thường có vành đai để tăng độ cứng vững của vùng mặt trụ ở vành đai nàythường là chuẩn công nghệ khi gia công pittông và là nơi điều chỉnh trọng lượng của Pistonkhi phân nhóm lắp ráp Sai lệch về trọng lượng của các Piston trong cùng một

nhóm không vượt quá (0.2-0.6)% đối với động cơ ô tô

1.2 Chốt Piston

1.2.1 Nhiệm vụ

Chốt Piston là chi tiết nối Piston với thanh truyền và truyền lực tác dụng trên Piston chothanh truyền để làm quay trục khuỷu Vì vậy tuy là một chi tiết máy có kết cấu đơn giảnnhưng lại rất quan trọng, yêu cầu có độ bền và độ tin cậy rất cao

1.2.2 Điều kiện làm việc

Chốt Piston chịu lực va đập, tuần hoàn, nhiệt độ cao và điều kiện bôi trơn khó khăn

Mặt trong có dạng côn (như hình 5.b, c, d, e) tuy có kết cấu phức tạp nhưng chốt nhẹ và

có sức bền đồng đều hơn Vì vậy các loại chốt này thường được dùng trên các động cơ caotốc Kích thước đường kính ngoài của chốt phải thiết kế theo hệ trục để việc lắp ghép đạtyêu cầu kỹ thuật, đảm bảo được khe hở lắp ghép với bệ chốt và khe hở lắp ráp với đầu nhỏthanh truyền

b Các kiểu lắp ghép chốt piston

Hình 6: Các kiểu lắp ghép chốt piston

a Lắp cố định chốt Piston trên đầu nhỏ thanh truyền

b Lắp cố định chốt Piston trên bệ chốt

c Lắp tự do chốt Piston.

- Cố định chốt trên đầu nhỏ thanh truyền (Hình 6.a)

Khi đó chốt phải được lắp tự do trên bệ chốt Do không phải giải quyết vấn đề bôi trơn của mối ghép với thanh truyền nên có thể thu hẹp bề rộng đầu thanh truyền và như vậytăng được chiều dài bệ chốt, giảm được áp suất tiếp xúc –mòn tại đây

- Cố định chốt Piston trên bệ chốt (hình 6.b)

Khi đó chốt phải được lắp tự do trên thanh truyền Cũng giống như phương pháp trên

do không phải giải quyết vấn đề bôi trơn cho bệ chốt nên có thể rút ngắn chiều dài của bệ đểtăng chiều rộng đầu nhỏ thanh truyền, giảm được áp suất tiếp xúc của mối ghép này Tuynhiên mặt phẳng chịu lực của chốt ít thay đổi nên tính chịu mỏi của chốt kém

Do mối ghép động nên phải giải quyết vấn đề bôi trơn cho các mối ghép này bằng cáchkhoan lỗ để dẫn dầu cho xéc măng dầu gạt về hoặc khoan lỗ hứng dầu Đối với thanhtruyền, để bôi trơn người ta có thể dùng lỗ hứng dầu hoặc bôi trơn cưỡng bức kết hợp vớilàm mát đỉnh Piston bằng dầu có áp suất cao dẫn từ trục khuỷu dọc theo thân thanh truyền

1.3 XÐc măng

1.3.1 Nhiệm vụ

Như đã trình bày ở phần đầu Piston, xéc măng khí làm nhiệm vụ bao kín tránh lọt khícòn xécmăng dầu ngăn dầu bôi trơn từ hộp trục khuỷu sục lên buồng cháy

1.3.2 Điều kiện làm việc của xéc măng

Cũng như Piston xécmăng chịu tải trọng cơ học lớn, nhất là xécmăng đầu tiên Ngoài raxécmăng còn chịu lực quán tính lớn có chu kỳ và va đập Đồng thời phải kể đến nhiệt độcao, ma sát lớn, ăn mòn hoá học và ứng suất uốn ban đầu khi lắp xécmăng vào rãnh Piston

1.3.3 Vật liệu và công nghệ chế tạo phôi xécmăng

Do điều kiện làm việc của xécmăng rất khắc nhiệt, nên vật liệu chế tạo xécmăng làgang xám pha hợp kim, như niken,molipden,crôm,vôphram…Nhất là xécmăng khí đầu tiên,được mạ crôm xốp có chiều dầy từ 0,03-0,06 mmcó thể tăng tuổi thọ của xécmăng

này nên 3- 3,5 lần

1.3.4 Kết cấu của xécmăng

Xécmăng có kết cấu rất đơn giản Nó có dạng một vòng tròn hở miệng như hình vẽ

10

Kết cấu của xécmăng được đặc trưng bằng kết cấu của tết diện và miệng xécmăng.

- Loại có mặt côn β (hinh 7.c) có áp suất tiếp xúc lớn và có thể rà khít nhanh chóng

vớí xylanh, tuy nhiên chế tạo phức tạp và phải đánh dấu khi lắp sao cho khi píttông đi xuống

sẽ có tác dụng như một lưỡi cạo để gạt dầu

- Loại xécmăng có tiết diện hình thang –vát (hình 7.f), có tác dụng giũ muội than khi xécmăng co bóp do đường kính xylanh không hoàn toàn đồng đều theo phương dọc trục, dođó tránh được hiện tượng bó kẹt

- Loại xécmăng có tiết diện phức tạp là loại tổng hợp những ưu điểm của các loại tiết diện, tuy nhiên loại này rất khó gia công

Về kết cấu miệng của xécmăng, loại thẳng(hình 7.g) dễ chế tạo nhưng dễ lọt khí và sục dầu qua miệng Loại vát( hình 7.h) có thẻ khắc phục phần nào nhược điểm trên Loại

bậc( hình 7.i) bao kín tốt nhưng khó chế tạo

b Xécmăng dầu và vấn đề ngăn dầu nhờn sục vào buồng cháy

Trong quá trình làm việc của động cơ đốt trong, xécmăng khí dù tốt đến mấy cũng không

thể ngăn được dầu nhờn sục vào buồng cháy của động cơ Đó là vì xécmăng khí đã có tác dụng “ bơm dầu” vào buồng cháy Sơ đồ nguyên lý tác dụng bơm dầu của

xécmăng khí như hình vẽ:

Hình 8:Tác dụng bơm dầu của xécmăng khí

1 Piston; 2:Xy lanh;3Xécmăng

Từ hình vẽ ta thấy khi piston đi xuống, xécmăng vét dầu tụ vào trong rãnh xécmăng Khi piston đổi chiều, đi lên xécmăng khí tiếp xúc với mặt rãnh phía dưới, dồn dầu đi lên phía trên Khi piston đi xuống lần thứ hai, xécmăng lại tiếp xúc với mặt rãnh trên, ép số dầu trong rãnh đi lên Cứ như thế dầu nhờn đi dần vào buồng cháy gây lên hiện tượng sục dầu

Để ngăn không cho dầu nhờn sục vào buồng cháy, phải dùng xécmăng dầu để gạt dầu trở về các te, chỉ phân bố trên mặt gương xylanh một lớp dầu mỏng

Kết cấu của xécmăng dầu như hình vẽ

Hình 9: Kết cấu xéc măng dầu

Các loại tiết diện có mặt côn, lưỡi dao đều có áp suất tác dụng trên mặt gương xylanh rất lớn(4÷6 at hoặc cao hơn) Rãnh lắp xécmăng dầu trên Piston phải có lỗ thoát dầu

Các xécmăng dầu tiết diện hình thang có mặt côn hoặc dạng lưỡi dao vét dầu qua lỗ thoát dầu phía dưới rãnh Các loại xécmăng dầu tổ hợp cũng thoát dầu bằng các lỗ thoát khoan bên trong rãnh xécmăng dầu

12

Bảng kích thước cơ bản của piston ,chốt piston và xéc măng

Thông số Động cơ diesel (ôtô , máy kéo ) Chiều dày đỉnh pistonδkhông làm mát

Chiều cao của xéc măng dầu a2 a2 a1

Vị trí của chốt piston đến chân piston

h = H (H −h¿

PHẦN II TÍNH TOÁN KIỂM TRA BỀN CHO PISTON, CHỐT PISTON

VÀ XÉC MĂNG

2.1 Thông số ban đầu, thông số chọn và thông số tham khảo của piston, chốt

và xéc măng

a Các thông số ban đầu

stt Thông số ban đầu Công thức tính toán Kết quả

b.Các thông số chọn cơ bản của piston, chốt và xéc măng

1 Chiều dầy đỉnh píton δ = (0,1÷0,2)D

h = H- 0,07= 0.105 - 0.07

0,07 m0,08 m

14

2.2 Tính toán kiểm tra bền cho piston

Tính toán kiểm tra bền cho piston bao gồm việc tính kiểm tra bền cho đỉnh, đầu, thân

- Coi đỉnh piston là một đĩa có chiều dày δ đồng đều đặt tự do trên gối đỡ hình trụ.

- Coi áp suất khí thể p z phân bố đều

- Tính lực khí thể tác dụng lên đỉnh piston

Sơ đồ tính toán lực như hình 11

16

2 phân bố trên nửa đường tròn đường kính D i , đặt lên trọng

tâm của nửa đường tròn và cách truc x-x một đoạn y2 :

2

0,1088

0,0343,14

D y



(m)

Do đó mô men uốn đỉnh M u :

u u u

M W

Tiết diện I-I trên hình vẽ là tiết diện suy yếu nhất của đầu piston (tiết diện này cắt

ngang qua rãnh của xécmăng dầu) Tiết diện này chịu kéo bởi phần khối lượng m I−I phíatrên nó và chịu nén bởi lực khí thể trong quá trình cháy, giãn nở Vì vậy, để kiểm tra xem đầu piston có đảm bảo bền hay không ta cần phải xác định được ứng suất kéo và ứng suấtnén tại tiết diện I-I

Trong đó: + m I−I là khối lượng phía trên tiết diện I-I (kg)

+ jmax là gia tốc lớn nhất của piston ( m/s2

)

+ F I−I là diện tích tiết diện I-I (m2)

18