Đồ án thiết kế động cơ đốt trong

Sơ đồ lực tác dụng lên cơ cấu khuỷu trục thanh truyền:+ Lực tác dụng trên chốt piston P1 là hợp lực của lực quán tính và lực khí thể.. Nó tácdụng lên chốt Piston và đẩy thanh truyền: P1

PHẦN I XÂY DỰNG ĐỒ THỊ CÔNG, ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC

ĐỘNG CƠ D1 V4-0415

1. XÂY DỰNG ĐỒ THỊ CÔNG:

1.1 Các thông số cho trước:

Bảng 1-1: Bảng các thông số cho trước

Đường kính x Hành trình piston (mm x mm) D x S 75.0 x 77.0Công suất cực đại / Số vòng quay (kW/(vg/ph)) Ne / n 64.7 / 3890

Áp suất cực đại (MN/m2) pz 6.2

2 1,26

6, 2

0, 236

17, 41,3

Gọi Vnx và pnx là thể tích và áp suất của không khí biến thiên theo quá trình nén của động

cơ Vì quá trình nén là quá trình đa biến, nên:

=

1.3.2 Xây dựng đường giãn nở:

Gọi Vgnx và pgnx là thể tích và áp suất của khí cháy biến thiên theo quá trình giãn nở của động cơ Vì quá trình giãn nở là quá trình đa biến, nên:

Đặt

2 2

n

gnx n c

1.3.3 Lập bảng xác định các điểm trên đường nén và đường giãn nở:

Cho i tăng từ 1, ρ, 2, 3, …, ε ; từ đó ta xác định được các điểm trên đường nén và đường giãn nở

+ Biểu diễn thể tích buồng cháy:

h hbd V

V V

p

µ

[MN/(m2.mm)]

+Về giá trị biểu diễn, ta có đường kính của vòng tròn Brick AB bằng giá trị biểu diễn của

Vh Nghĩa là giá trị biểu diễn của AB = Vhbd = 164,35 [mm]

0,077

0, 000469 164,35

Bảng 1-3: Bảng giá trị các điểm trên đường nén và đường giãn nở

i p nxbd i n2

2 2

n n

i

2

n z n

p i

Dựng vòng tròn đồ thị Brick với đường kính AB=164,35 [mm]

Dựng đường nén và đường giãn nở của đồ thị công dựa vào bảng 1-3 và các điểm đặc biệt sau:

+ Điểm phun sớm: c’ xác định từ Brick ứng với góc phun sớm φs

+ Điểm cuối đường nén không cháy: c V p( c; c)

hay c(10;145,35)

+ Điểm bắt đầu quá trình nạp: r V p( c; r)

hay r(10;3,58)+ Điểm mở sớm của xupap nạp: r’ xác định từ Brick ứng với α1

+ Điểm đóng muộn xupap thải: r’’ xác định từ Brick ứng với α4

+ Điểm đóng muộn của xupap nạp: a’ xác định từ Brick ứng với α2+ Điểm mở sớm của xupap thải: b’ xác định từ Brick ứng với α3

cc = cy

+ Điểm cuối quá trình cháy thực tế: b’’ sao cho

1 '' 2

bb = ba

Ta có đồ thị công hoàn chỉnh như sau:

1

2 3 4 5 6

11 12 13 14 15 16 17

Hình 1: Đồ thị công động cơ D1 V4-0415

2. Xây dựng đồ thị động học và động lực học:

2.1 Xây dựng đồ thị động học:

2.1.1 Xây dựng đồ thị chuyển vị S=f(α)

x=f( a)

C

Hình 2-1: Xây dựng đồ thị chuyển vị bằng phương pháp Brick+ Vẽ vòng tròn tâm O, bán kính R=38,5 [mm] Do đó, đoạn AD=2R=77 [mm] Điểm A ứng với góc quay 0

o

α =(vị trí điểm chết trên) và điểm D ứng với khi 180

o

α =

(vị trí điểmchết dưới)

+ Từ O, lấy điểm O’ trên đoạn AD dịch về phía D sao cho

+Từ O’ kẻ đoạn thẳng O’M song song với đường tâm má khuỷu OB Tại M, hạ đường

thẳng vuông góc với AD, cắt AD ở C Theo đồ thị Brick, đoạn AC = x Điều này có thể

chứng minh như sau:

+ Cứ như thế từ tâm O’ của đồ thị Brick kẻ các tia ứng với 100 ; 200…1800 Đồng thờiđánh số thứ tự từ trái qua phải 0,1,2…18.

+ Chọn hệ trục tọa độ với trục tung biểu diễn góc quay trục khuỷu, trục hoành biểu diễnkhoảng dịch chuyển của piston

+ Gióng các điểm ứng với 100; 200…1800 đã chia trên cung tròn đồ thị brick xuống cắtcác đường kẻ từ điểm 100; 200…1800 tương ứng ở trục tung của đồ thị x=f(α) để xác địnhchuyển vị tương ứng

+ Nối các giao điểm này với nhau, ta có đồ thị chuyển vị S = f(α), biểu diễn hành trìnhcủa piston theo góc quay trục khuỷu như sau:

a[ 0 ]

S[mm]0

Gọi giao điểm của các đường kẻ từ 1 và 1’ là a; giao điểm của các đường kẻ từ 2 và 2’ là b; giao điểm của các đường kẻ từ 3 và 3’ là c…

+ Nối các điểm 0, a, b, c … bằng các đường cong, ta được đường biểu diễn giá trị vận tốccủa piston tại các vị trí góc quay trục khuỷu khác nhau v=f(α) như sau:

i 0

12 13 14 15 16 17

18

3' 4' 5' 6'

7' 8' 9' 10' 11' 12' 13' 14' 15' 16' 17'

Từ các điểm 00, 100, 200, ,1800 trên đồ thị Brick, ta gióng các đường thẳng góc vớitrục OS, cắt trục này tại các điểm 0, 1, 2, ,18 tương ứng Từ các điểm này ta đặt cácđoạn tương ứng từ đồ thị vận tốc v=f(α), sau đó, nối các điểm của đầu còn lại của cácđoạn này, ta có đường biểu diễn v = f(S)

+ Lấy đoạn thẳng AB=S=2R Từ A, dựng đoạn thẳng AC vuông góc với AB, sao cho: AC

= Jmaxbd Từ B, dựng đoạn BD vuông góc với AB, sao cho: BD = Jminbd Nối CD, đoạn này cắt AB tại E

+Từ E, dựng đoạn EF vuông góc với AB sao cho:

Trước tiên ta thấy lực quán tính Pj = -m j ⇒ -Pj = m j Do đó, thay vì vẽ Pj , ta vẽ -Pjlấy trục hoành đi qua po của đồ thị công vì đồ thị -Pj là đồ thị j = f(x) có tỷ lệ xích khác

mà thôi Vì vậy ta có thể áp dụng phương pháp Tôlê để vẽ đồ thị -Pj=f(x)

Để có thể dùng phương pháp cộng đồ thị -Pj với đồ thị công thì -Pj phải có cùng thứ nguyên và tỷ lệ xích với đồ thị công, thay vì vẽ giá trị thực của nó ta vẽ -Pj = f(x) ứng vớimột đơn vị diện tích đỉnh piston

tt tt

Trong đó: m _ khối lượng tham gia chuyển động tịnh tiến

mnpt _ khối lượng nhóm Piston

mtt _ khối lượng nhóm thanh truyềnm’1 _ khối lượng nhóm thanh truyền quy về đầu nhỏ m’2 _ khối lượng nhóm thanh truyền quy về đầu to

Chọn:

1 2

tt tt

6 max

max

1518429, 22.10

48,98 0,031

min

911071, 05.10

29,39 0,031

11 12 13 14 15 16 17 18

+ Cách khai triển là dựa vào đồ thị Brick và đồ thị công để xác định điểm có áp suất theogiá trị α cho trước

+ Sở dĩ khai triển như vậy, bởi vì trên cùng trục toạ độ với đồ thị công nhưng -Pj được vẽ trên trục có áp suất p0

-30 0.52 -0.5

38.83 -39.33 280 4.89 4.3 2.40 6.70 520 9.08 3.9 29.32 33.22

-40 0.70 -0.6

31.72 -32.32 290 5.06 6.6 -5.90 0.70 530 9.25 3 29.38 32.38

-50 0.87 -0.6

23.49 -24.09 300 5.24 10.9

14.69 -3.79 540 9.42 2.3 29.39 31.69

-60 1.05 -0.6

14.69 -15.29 310 5.41 15.6

23.49 -7.89 550 9.60 1.7 29.38 31.08

-70 1.22 -0.6 -5.90 -6.50 320 5.59 24.6 31.72- -7.12 560 9.77 0.9 29.32 30.22

80 1.40 -0.6 2.40 1.80 330 5.76 42.1 38.83- 3.27 570 9.95 0.8 29.04 29.84

90 1.57 -0.6 9.80 9.20 340 5.93 71.1

44.33 26.77 580 10.12 0.7 28.32 29.02

-100 1.75 -0.6 16.01 15.41 350 6.11 129.1

47.80 81.30 590 10.30 0.7 26.89 27.59

-110 1.92 -0.6 20.91 20.31 360 6.28 160.1

48.98 111.12 600 10.47 0.7 24.49 25.19

-120 2.09 -0.6 24.49 23.89 370 6.46 197.1 47.80- 149.30 610 10.65 0.6 20.91 21.51

130 2.27 -0.5 26.89 26.39 380 6.63 140.1 44.33- 95.77 620 10.82 0.6 16.01 16.61

140 2.44 -0.5 28.32 27.82 390 6.81 94.1

38.83 55.27 630 11.00 0.6 9.80 10.40

-150 2.62 -0.5 29.04 28.54 400 6.98 58.1

31.72 26.38 640 11.17 0.6 2.40 3.00

-160 2.79 -0.5 29.32 28.82 410 7.16 38.6

23.49 15.11 650 11.34 0.6 -5.90 -5.30

-170 2.97 -0.5 29.38 28.88 420 7.33 27.4 14.69- 12.71 660 11.52 0.6 14.69- 14.09

-180 3.14 -0.5 29.39 28.89 430 7.50 19.9 -5.90 14.00 670 11.69 0.6 23.49- 22.89

-190 3.32 -0.5 29.38 28.88 440 7.68 15.1 2.40 17.50 680 11.87 0.6

31.72

31.12

-200 3.49 -0.3 29.32 29.02 450 7.85 11.8 9.80 21.60 690 12.04 0.6

38.83

38.23

-210 3.67 -0.2 29.04 28.84 460 8.03 9.5 16.01 25.51 700 12.22 0.6

44.33

43.73

-220 3.84 -0.1 28.32 28.22 470 8.20 8 20.91 28.91 710 12.39 0.6 47.80- 47.20

-230 4.01 0.5 26.89 27.39 480 8.38 6.9 24.49 31.39 720 12.57 0.6 48.98- 48.38

-Từ bảng số liệu, ta vẽ được đồ thị khai triển pkt, Pj , P1 như sau:

Sơ đồ lực tác dụng lên cơ cấu khuỷu trục thanh truyền:

+ Lực tác dụng trên chốt piston P1 là hợp lực của lực quán tính và lực khí thể Nó tácdụng lên chốt Piston và đẩy thanh truyền: P1 = Pkt + Pj

+ Phân tích P1 ra làm hai thành phần lực:

Ptt _ lực tác dụng trên đường tâm thanh truyền

N _ tác dụng trên phương thẳng góc với đường tâm xylanh

N Ptg

ββ

Hình 2-9: Sơ đồ lực tác dụng lên cơ cấu khuỷu trục – thanh truyền

Ta có bảng giá trị các thành phần lực T, Z, N theo α như sau:

Bảng 2-2: Bảng giá trị các lực T, Z và N theo α

10 0.17 0.04 -48.00 -0.32 -10.39 -1.45 -46.90 -0.06 -2.09

2.2.4 Xây dựng đồ thị ΣT-α

Để vẽ đồ thị ΣT-α ta thực hiện theo những bước sau:

+ Lập bảng xác định góc i

α ứng với góc lệch các khuỷu theo thứ tự làm việc

+ Góc lệch công tác:

0 ct

+ Sau khi lập bảng xác định góc i

α ứng với các khuỷu theo thứ tự làm việc Lấy tỉ lệ xích

2.2.5 Xây dựng đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu:

Đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu dùng để xác định lực tác dụng lên chốt khuỷu ở

mỗi vị trí của trục khuỷu Sau khi có đồ thị này, ta tìm được trị số trung bình của phụ tảitác dụng lên chốt khuỷu, cũng có thể dễ dàng tìm được lực lớn nhất và bé nhất, dùng đồthị phụ tải có thể xác định được khu vực chịu tải ít nhất để xác định vị trí lỗ khoan dẫndầu bôi trơn và để xác định phụ tải khi tính sức bền ổ trục

Các bước tiến hành vẽ đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu được tiến hành như sau:+ Vẽ hệ trục toạ độ TO’Z trong đó trục hoành O’T có chiều dương từ tâm O’ về phíaphải, còn trục tung O’Z có chiều dương hướng xuống dưới

+ Dựa vào bảng giá trị T = f( )α

, Z = f( )α

, ta có được toạ độ các điểm a i =(T Z i; i)

ứngvới các góc α = 100 ; 200…7200 Cứ tuần tự như vậy ta xác định được các điểm từ

cho đến 72=(T7 2;Z7 2)

.+ Nối các điểm đã xác định trên hệ trục toạ độ bằng một đường cong thích hợp, ta có đồthị biểu diễn phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu

Hình 2-12: Đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu

+ Tính lực quán tính của khối lượng chuyển động quay của thanh truyền (tính trên đơn vịdiện tích của piston)

0,031

Ro p

kỳ nằm trên đường biểu diễn đồ thị phụ tải

2.2.6 Xây dựng đồ thị phụ tải tác dụng lên đầu to thanh truyền

Để vẽ đồ thị phụ tải tác dụng lên đầu to thanh truyền, ta thực hiện theo các bướcnhư sau:

+ Vẽ tượng trưng đầu to thanh truyền lên tờ giấy bóng, đầu nhỏ hướng xuống, tâm củađầu to là O, trục tung OZ’ trùng với đường tâm thanh truyền và hướng xuống dưới, trụchoành OT’ hướng sang phải

+ Vẽ một vòng tròn bất kì tâm O Giao điểm của trục tung OZ’ với vòng tròn tâm O tạiđiểm 0o

+ Lấy điểm 0 ứng với điểm 0o đó, sau đó, chia tiếp trên vòng tròn tâm O các điểm từ 1, 2,

3, …36 theo chiều quay trục khuỷu (cùng chiều kim đồng hồ) và lần lượt tương ứng vớicác góc

ngược chiều kim đồng hồ), đồng thời đánh dấu các điểm mút của véc tơ 0

to thanh truyền Cụ thể như sau:

0 10 20 30 40 50

160 170 180 190 200

210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350

Z'[MN/m2]

T'[MN/m 2 ] O

Hình 2-13: Đồ thị phụ tải tác dụng lên đầu to thanh truyềnCách xác định lực trên đồ thị phụ tải như sau:

- Giá trị của lực tác dụng lên đầu to là độ dài đoạn thẳng nối từ tâm O đến điểm trênđường vừa vẽ xong nhân với tỷ lệ xích

- Chiều của lực hướng từ tâm O ra ngoài

- Điểm đặt lực là giao điểm của đường nối từ tâm O đến điểm tính với vòng tròntượng trưng cho đầu to thanh truyền.

2.2.7 Xây dựng đồ thị khai triển Q ch -α

2.2.8 Xây dựng đồ thị mài mòn chốt khuỷu

Đồ thị mài mòn chốt khuỷu là đồ thị biểu diễn trạng thái chịu lực của chốt khuỷutrong một chu trình công tác của động cơ, đồng thời phản ánh dạng mài mòn lý thuyếtcủa chốt khuỷu, xác định vùng chịu lực bé nhất để khoan lỗ dầu bôi trơn, đảm bảo đưadầu nhờn vào bôi trơn ổ trượt ở vị trí có khe hở giữa trục và bạc lót của ổ là lớn nhất Ápsuất bé làm cho dầu nhờn lưu động dễ dàng

Để xây dựng đồ thị mài mòn chốt khuỷu ta dùng các giả thuyết sau:

− Tính toán động cơ ở tốc độ định mức

− Độ mài mòn chốt khuỷu tại một vị trí tỷ lệ với lực tác dụng lên chốt khuỷu tại vị trí đó

− Tại mỗi điểm trên chốt khuỷu, lực tác dụng sẽ gây ảnh hưởng lên điểm đó và vùng lâncận về cả hai phía của điểm đó trong phạm vi 1200 (mỗi phía 600)

Để vẽ đồ thị mài mòn chốt khuỷu ta thực hiện theo các bước như sau:

+ Từ tâm O của đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu ta vẽ đường tròn tâm O, với bán

kính R tùy ý (vòng tròn đặc trưng mặt chốt khuỷu)

+ Chia đường tròn thành 24 phần bằng nhau, đánh số thứ tự theo chiều quy ước ngược

chiều kim đồng hồ

+ Tính hợp lực ∑Q’: từ các điểm 0, 1, 2 23 trên vòng tròn tâm O, ta kẻ đường thẳng qua

tâm O và kéo dài, các tia này sẽ cắt đồ thị phụ tải tại một hoặc một số điểm, và có bao

nhiêu giao điểm như vậy thì có bấy nhiêu lực tác dụng lên điểm đó

Nên ta có: ∑Q’i= Qi1+ Qi2+ Qi3 + QinVới: i _ điểm chia bất kỳ, n _ số giao điểm của tia chia và đồ thị phụ tải

+ Ghi kết quả tính được vào bảng trong pham vi tác dụng 1200

• Vẽ đường tròn tượng trưng cho chốt khuỷu

• Chia đường tròn thành 24 phần bằng nhau đồng thời đánh số thứ tự 0,1,2…23 theochiều ngược chiều kim đồng hồ

• Đặt các giá trị ∑Q

từ đường tròn hướng về tâm theo thứ tự các điểm

• Nối các điểm lại với nhau bằng một đường cong thích hợp ta được đường cong thểhiện đồ thị mài mòn chốt khuỷu

Σbd[mm

Từ bảng số liệu, ta có đồ thị mài mòn chốt khuỷu như sau:

2

34567

1617

1819

2021

22

23

891011

1213

1415

Hình 2-14: Đồ thị mài mòn chốt khuỷu

PHẦN II

PHÂN TÍCH ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA ĐỘNG CƠ CHỌN THAM KHẢO 2.1 CHỌN ĐỘNG CƠ THAM KHẢO:

Động cơ D1 V4-0415 là loại động cơ I4, thứ tự làm việc là 1-3-4-2 Dung tích xylanh của động cơ là 1.4 lít, hệ thống phối khí chỉ gồm 1 trục cam bố trí trên đỉnh piston, gồm

8 van xả và van nạp ( mỗi xylanh có 1 van xả và 1 van nạp) Động cơ này được lắp trên

xe với các thông số kỹ thuật sau:

Thông số kỹ thuật Động cơ chọn Yanmar

4JH-DTE

Động cơ yêu cầu

Hệ thống nhiên liệu Bosch PE inline pump Bosch PE inline pump

Hệ thống bôi trơn Cưỡng bức cácte ướt Cưỡng bức cácte ướt

Hình 1-1: Động cơ Yanmar 4JH-DTE

Hình 1-2: Hình chiếu động cơ Yanmar 4JH-DTE

2.2 ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU CỦA MỘT SỐ CƠ CẤU, HỆ THỐNG CỦA ĐỘNG CƠ 2.2.1 Cơ cấu piston, thanh truyền, trục khuỷu:

* Nhóm piston: Các chi tiết được lắp với piston bao gồm: piston, các xéc măng khí,

xéc măng dầu, chốt piston và các chi tiết khác

Cấu tạo của piston được thể hiện trên hình 2-1:

Hình 2-1: Piston động cơ Yanmar 4JH-DTE

- Vai trò: Vai trò chủ yếu của piston là cùng với các chi tiết khác như xylanh, nắpxylanh tham gia bao kín tạo thành buồng cháy, đồng thời truyền lực khí thể chothanh truyền, cũng như nhận lực từ thanh truyền để nén khí.

- Điều kiện làm việc: Điều kiện làm việc của piston rất khắc nhiệt Trong quátrình làm việc, piston phải chịu tải trọng cơ học lớn có chu kỳ, nhiệt độ cao Do

đó, piston của động cơ thường được chế tạo bằng hợp kim nhôm chịu nhiệt

Trên phần đầu piston có xẻ 3 rãnh để lắp các xéc măng khí và xéc măng dầu.Khe hở giữa phần đầu piston và thành xylanh nằm trong khoảng 0,4 -0,6 mm.Thân piston có dạng hình côn, tiết diện ngang hình ôvan và có hai bệ để đỡchốt pít tông, trên thân có phay rãnh phòng nở để tránh bó kẹt piston

Hình 2-2: Xéc măng khí và xéc măng dầu

- Xéc măng khí có nhiệm vụ bao kín buồng cháy của động cơ và dẫn nhiệt từ đỉnh

piston ra thành xylanh và tới nước làm mát Mỗi piston được lắp 2 xéc măng khí vàohai rãnh trên cùng của đầu piston Để xéc măng rà khít với thành xylanh nó được mạ

một lớp thiếc Xéc măng khí phía trên được mạ crôm để giảm mài mòn Vật liệu chếtạo xéc măng khí là thép hợp kim cứng.

- Xéc măng dầu được làm từ thép chống gỉ Xéc măng dầu có nhiệm vụ san đều lớp dầu trên bề mặt làm việc và gạt dầu bôi trơn thừa từ thành xy lanh về cácte Xéc măng dầu trong động cơ là xéc măng dầu tổng hợp có cấu tạo như hình 2-2

* Chốt piston:

Chốt piston là chi tiết nối piston và đầu nhỏ thanh truyền Tuy có kết cấu đơn giảnnhưng chốt piston có vai trò rất quan trọng để đảm bảo điều kiện làm việc bình thườngcủa động cơ

Hình 2-3: Chốt piston

Chốt piston có dạng hình trụ rỗng Các mối ghép giữa chốt piston và piston, thanhtruyền theo hệ trục để đảm bảo lắp ghép dễ dàng Chốt piston được lắp tự do ở cả haimối ghép Khi lắp ráp mối ghép giữa chốt và bạc đầu nhỏ thanh truyền là mối ghéplỏng, còn mối ghép với bệ chốt là mối ghép trung gian, có độ dôi

* Thanh truyền:

Là chi tiết nối giữa piston và trục khuỷu Nó có nhiệm vụ truyền lực khí thể tác dụng lên piston cho trục khuỷu và truyền lực từ trục khuỷu cho piston ở các hành trình còn lại Được chế tạo từ thép hợp kim

Cấu tạo thanh truyền gồm: 1- Đầu nhỏ thanh truyền, 2- Thân thanh truyền, 3- Bulongthanh truyền, 4- Đai ốc, 5- Đai ốc khóa, 6- Nắp đầu to

• Đầu nhỏ thanh truyền để lắp chốt khuỷu

• Thân thanh truyền có mặt cắt dạng chữ I và có tiết diện thay đổi tăng dần từ đầu nhỏ đếnđầu to thanh truyền

• Đầu to thanh truyền gồm hai nửa được nối với nhau bởi bulong Bác lót thanh truyền cũnggồm hai nửa ngăn cách giữa bề mặt khuỷu trục và thanh truyền