thiết kế động cơ x74 0613

ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CƠ CẤU TRỤC KHUỶU THANH TRUYỀN: Động cơ đốt trong kiểu piston thường có vận tốc lớn, nên việc nghiên cứu tính toán động học và động lực học của cơ cấu trục k

LỜI NÓI ĐẦU

Những năm gần đầy, nền kinh tế Việt Nam đang phát triển mạnh Bên cạnh đó kỹ thuật của nước ta cũng từng bước tiến bộ Trong đó phải nói đến ngành động lực và sản xuất ôtô, chúng ta đã liên doanh với khá nhiều hãng ôtô nổi tiếng trên thế giới cùng sản xuất và lắp ráp ôtô Để góp phần nâng cao trình độ và kỹ thuật, đội ngũ kỹ thuật của ta phải tự nghiên cứu và chế tạo, đó là yêu cầu cấp thiết Có như vậy ngành ôtô của ta mới phát triển được

Sau khi được học hai môn chính của ngành động cơ đốt trong (Nguyên lý động cơ đốt trong, Kết cấu và tính toán động cơ đốt trong) cùng một số môn cơ sở khác (sức bền vật liệu, cơ lý thuyết, vật liệu học, ), sinh viên được giao nhiệm vụ làm đồ án môn học kết cấu và tính toán động cơ đốt trong Đây là một phần quan trọng trong nội dung học tập của sinh viên, nhằm tạo điều kiện cho sinh viên tổng hợp, vận dụng các kiến thức đã học để giải quyết một vấn đề cụ thể của ngành

Trong đồ án này, em được giao nhiệm vụ tính toán và thiết kế hệ thống bôi trơn của động cơ theo các thông số kĩ thuật Đây là một hệ thống không thể thiếu trong động cơ đốt trong Đây là một hệ thống quan trọng trong động cơ đốt trong Nó dùng để bôi trơn các chi tiết trong quá trình làm việc Nhằm bảo vệ và giảm ma sát giữa các bề mặt làm việc của chi tiết Đồng thời nó cũng đóng vai trò là môi chất làm mát

Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã cố gắng tìm tòi, nghiên cứu các tài liệu, làm việc một cách nghiêm túc với mong muốn hoàn thành đồ án tốt nhất Tuy nhiên, vì bản thân còn ít kinh nghiệm cho nên việc hoàn thành đồ án lần này không thể không có những thiếu sót

Cuối cùng, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các Thầy, Cô đã tận tình truyền đạt lại những kiến thức quý báu cho em Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn đến thầy

NGUYỄN QUANG TRUNG đã quan tâm cung cấp các tài liệu, nhiệt tình hướng dẫn trong quá trình làm đồ án Em rất mong muốn nhận được sự xem xét và chỉ dẫn của các thầy để em ngày càng hoàn thiện kiến thức của mình

Đà nẵng, ngày tháng năm

Sinh viên thực hiện

1 PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG ĐỒ THỊ CÔNG, ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC:

1.1 XÂY DỰNG ĐỒ THỊ CÔNG:

1.1.1 Xây dựng đường cong áp suất trên đường nén:

Ta có: phương trình đường nén đa biến: p.Vn1=const, do đó nếu gọi x là điểm bất kỳ trên đường nén thì [1]:

1

nx nx

n c

V V p p

V

i=Khi đó, áp suất tại điểm bất kỳ x:

1

n

c nx

+ Pa: áp suất cuối quá trình nạp

Động cơ bốn kỳ không tăng áp: pa = (0,8 ÷ 0,9)pk

1.1.2 Xây dựng đường cong áp suất trên đường giãn nở:

Phương trình của đường giãn nở đa biến là [1]: p.Vn2 = const, do đó nếu gọi x là điểm bất kỳ trên đường giãn nở thì:

2

gnx gnx

n z

z V p V

Từ đó rút ra: 2

1

z gnx z gnx

V V p p

+ pgnx và Vgnx :là áp suất và thể tích tại một điểm bất kỳ trên đường giãn nở

+ pz: áp suất cực đại, theo đề cho: pz= 4,4 [MN/m2]

+ Vz: Thể tích tại áp suất cực đại: Vz= ρ.vc Với ρ: tỷ số giãn nở sớm, ρ= 1

+ n2: chỉ số giãn nở đa biến, n2= (1,23 ÷1,27) Chọn n2= 1,23

Ta đặt:

c

gnx V

i p

p = ρ [MN/m2] (1.2)

1.1.3 Lập bảng tính:

Từ các công thức (1.1) và (1.2), kết hợp với việc chọn các thể tích Vnx và Vgnx ta tính được các giá trị áp suất pnx và pgnx

Bảng 1.1: Các điểm áp suất trên đường nén và đường giãn nở:

in1 1/in1 Pc/in1 in2 1/in2 Pz.ρn2/in2

81 1416 , 3 4

=

V h π = 440582,3037 [mm3]= 0,441 [dm3].Suy ra: V c =0,440582349,5−1 = 0.052 [dm3]

Như vậy động cơ ta khảo sát là động cơ tốc độ cao, do đó áp suất khí sót Pr được xác định theo [1]: Pr= (1,05÷1,1)P0

Vì động cơ không tăng áp, có lắp bình tiêu âm trên đường thải nên thay P0 ở trên bằng áp suất trên đường thải Pth, theo [1]: Pth= (1,02÷1,04)P0

Chọn Pth= 1,04.P0 và Pr= 1,08.Pth

Suy ra: Pr= 1,08.Pth= 1,08.1,04.P0= 1,08.1,04.0,1= 0,112 [MN/m2]

+ Điểm a(Va;Pa)

Va: thể tích toàn phần: Va= Vh+Vc= 0,441+0,052= 0,492 [dm3]

Pa: áp suất cuối quá trình nạp, Pa= 0,088 [MN/m2]

+ Điểm b(Va;Pb)

Pb: áp suất cuối quá trình giãn nở:

23 , 1

5,9

4,4

Bảng 1.3: Giá trị các điểm đặc biệt:

Giá trị biểu diễn Giá trị thật

= z p

+ Vẽ đường biểu diễn quá trình nạp và quá trình thải bằng hai đường thẳng song song với trục hoành đi qua hai điểm pa và pr Ta có được đồ thị công lý thuyết

0034555 ,

0 5 , 85

Từ O lấy đoạn OO’ dịch chuyển về phía điểm chết dưới một đoạn:

2

' Rλ

OO =

Với λ là tham số kết cấu: λ=0,25

Giá trị biểu diễn là:

6070588235 ,

0 2

25 , 0 75 , 42

Dùng đồ thị Brick để xác định các điểm

• Đánh lửa sớm c’

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

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

Áp suất cực đại của chu trình thực tế thường nhỏ hơn áp suất cực đại trong tính toán: Pz’= 0,85Pz = 0,85.4,4= 3,75 [MN/m2].

Vẽ đường đẳng áp Pz’= 3,75 [MN/m2]

Xác định các điểm trung gian:

• Trên đoạn cy lấy điểm c” với c”c= 1/3 cy

• Trên đoạn yz lấy điểm z” với yz”= 1/2 yz

• Trên đoạn ab lấy điểm b” với bb”= 1/2 ab

Nối các điểm c’c”z” và đường giãn nở thành đường cong liên tục tại ĐCT và ĐCD và tiếp xúc với đường thải, ta sẽ nhận được đồ thị công đã hiệu chỉnh

Hình 1-1.Đồ thị công.

1.2 ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CƠ CẤU TRỤC KHUỶU

THANH TRUYỀN:

Động cơ đốt trong kiểu piston thường có vận tốc lớn, nên việc nghiên cứu tính toán động học và động lực học của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền (KTTT) là cần thiết để tìm quy luật vận động của chúng và để xác định lực quán tính tác dụng lên các chi tiết trong cơ cấu KTTT nhằm mụch đích tính toán cân bằng, tính toán bền của các chi tiết

và tính toán hao mòn động cơ…

Trong động cơ đốt trong kiểu piston cơ cấu KTTT có hai loại là loại giao tâm và loại lệch tâm

Ta xét trường hợp cơ cấu KTTT giao tâm

Động học của cơ cấu giao tâm:

Cơ cấu KTTT giao tâm là cơ cấu mà đường tâm xilanh trực giao với đường tâm trục khuỷu tại 1 điểm (hình vẽ)

Hình 1-2 Sơ đồ cơ cấu khuỷu trục thanh truyền giao tâm.

DCD

DCT x

A - Vị trí chốt piston khi piston ở ĐCT

B - Vị trí chốt piston khi piston ở ĐCD

R - Bán kính quay của trục khuỷu [m]

l - Chiều dài của thanh truyền [m]

1.2.1 Xác định độ dich chuyển (x) của piston bằng phương pháp đồ thị Brick:

Hình 1- 3: Phương pháp xây dựng đồ thị chuyển vị piston bằng đồ thị Brick

+ Theo phương pháp giải tích chuyển dịch x của piston được tính theo công thức:

)]

2 cos 1 (

4 ) cos 1

0034555 ,

0 5 , 85

=

=

h

v s

+ Từ O lấy đoạn OO’ dịch chuyển về phía điểm chết dưới một đoạn:

2

' Rλ

OO =

Với λ là tham số kết cấu: λ = 0,25

Giá trị biểu diễn là:

607059 ,

0 2

25 , 0 75 , 42

+ Từ tâm O’ của đồ thị brick kẻ các tia ứng với 100,200,…,1800 Đồng thời đánh 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 diễn khoảng dịch chuyển piston

+ Gióng các điểm ứng với 100,200,…,1800 đã chia trên cung tròn đồ thị brick xuống cắt các đường kẻ tử điểm 100,200,…,1800 tương ứng ở trục tung của đồ thị x= f(α) để xác định chuyển vị tương ứng

+ Nối các giao điểm ta có đồ thị biểu diễn hành trình của piston v= f(α)

1.2.2 Đồ thị biểu diễn tốc độ của piston v= f(α):

Từ các điểm 00,100,200,…,1800 trên đồ thị brick ta gióng xuống các đường cắt đường

Ox tại các điểm 0, 1, 2, ,18 Từ các điểm này ta đặt các đoạn tương ứng từ đồ thị vân tốc, nối các điểm của đầu còn lại của các đoạn ta có đường biểu diễn v=f(x)

2'3' 4' 5' 6'7'

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

10

12

17

15 16 18

1.2.3 Đồ thị biểu diễn gia tốc j= f(x):

Chọn tỷ lệ xích: μj= 242221,581 [mm/s2.mm]

Lấy đoạn thẳng AB= S= 2R= 85,5 [mm]

Giá trị biểu diễn là:

67059 , 0

5 , 85

=

=

s

S AB

85 , 14533294

max =

=

j

j AC

Từ điểm B tương ứng với điểm chết dưới lấy xuống dưới một đoạn BD:

581 , 242221

912 , 8719976

min =−

=

j

j BD

Nối C với D, đường thẳng CD cắt trục hoành x tại E

Từ E lấy xuống một đoạn EF:

EF= =−2422218719976,581,912

j

EF

Nối CF và DF Phân các đoạn CF và DF thành các đoạn nhỏ bằng nhau ghi các số 1,

2, 3, 4, và 1’, 2’, 3’, 4’,…Sau đó nối 11’, 22’, 33’, 44’,… Đường bao của các đoạn thẳng này biểu thị quan hệ của hàm số j= f(x)

Vẽ theo phương pháp TôLê với trục hoành đặt trùng với P0 ở đồ thị công, trục tung biểu diễn giá trị Pj.

Vẽ đường biểu diễn lực quán tính được tiến hành theo các bước sau:

mpt: Khối lượng nhóm piston, mpt= 0,7 [kg]

m1: Khối lượng nhóm thanh truyền quy về đầu nhỏ

Đối với động cơ ôtô máy kéo: m1= (0,275 ÷ 0,35)mtt

Chọn m1= 0,3.mtt= 0,3.0,9= 0,27 [kg]

Với mtt: Khối lượng nhóm thanh truyền, mtt= 0,9 [kg]

Suy ra: m= 0,7 + 0,27 = 0.97 [kg]

Lực quán tính Pjmax:

p j

F

j m

4

81 1416 , 3 4

0

10 ).

912 , 8719976 (

97 , 0

min min

P

= 1,641 [MN/m2] (1.5)Đoạn EF:

005153009 ,

0

10 5056 , 521 75 , 42 25 , 0 3 97 , 0

.

R m

= 1,641 [MN/m2]

Từ A dựng đoạn thẳng AC thể hiện (-Pjmax)

Giá trị biểu diễn của (-Pjmax) là:

AC=− max =0,0244442,736

p j P

Từ B dựng đoạn thẳng BD thể hiện (-Pjmin)

Giá trị biểu diễn của (-Pjmin) là:

BD= min =0,0244441,641

p j P

1.2.5.1 Khai triển đồ thị công trên tọa độ p-V thành p= f(α):

Để biểu diễn áp suất khí thể Pkt theo góc quay trục khuỷu α ta tiến hành như sau:+ Vẽ hệ trục tọa độ p-α Trục hoành đặt ngang với đường biểu diễn P0 trên đồ thị công

+ Chọn tỷ lệ xích: μα= 2 [độ/mm]; μp= 0,0244444 [MN/m2.mm]

+ Dùng đồ thị Brick để khai triển đồ thị p−V thành p−α.

+Từ các điểm chia trên đồ thị Brick, dựng các đường song song với Op cắt đồ thị công tại các điểm trên các đường biểu diễn quá trình: nạp, nén, cháy - giãn nở,xả

+ Qua các giao điểm này ta kẻ các đường thẳng song song với trục hoành gióng sang

hệ tọa độp−α Từ các điểm chia tương ứng 00, 100, 200,…trên trục hoành của đồ thị α

−

p ta kẻ các đường thẳng đứng cắt các đường trên tại các điểm ứng với các góc chia trên đồ thị Brick và phù hợp với các quá trình làm việc của động cơ Nối các điểm lại bằng đường cong thích hợp ta được đồ thị khai triển p−α

Theo công thức P1= Pkt + Pj Ta đã cóP kt = f( α ) và P j =f( α ) Vì vậy việc xây dựng

đồ thị P1 = f(α)được tiến hành bằng cách cộng đại số các tọa độ điểm của hai đồ thị

)

( α

f

P kt = và P j =f( α )lại với nhau ta được tọa độ điểm của đồ thị P1 = f(α)

Dùng một đường cong thích hợp nối các tọa điểm lại với nhau ta được đồ thị

Hình1-6: Đồ thị khai triển Pkt, Pj, P1

1.2.6 Xây dựng đồ thị lực tiếp tuyến T, lực pháp tuyến Z, lực ngang N:

Các công thức để tính toán T, Z, N được chứng minh như sau:

Lực tác dụng lên chốt piston là hợp lực của lực quán tính và lực khí thể Nó tác dụng trên chốt piston và đẩy thanh truyền

P1= Pkt + Pj [MN]

Phân P1 thành hai thành phần lực: P→1=P→tt+N→

α

Trong đó:

tt

P : Lực tá c dụng lên đường tâm thanh truyền

N : Lực ngang tác dụng trên phương thẳng góc với đường tâm xy lanh

Từ quan hệ lượng giác ta có thể xác định được trị số của Ptt và N

β

Cos P

β

tg P

Pkh N

P1 Ptt

l Pk

T Ptt

P1 PttN

Z

Ptt O

β

α

α+β

Hình 1-7: Hệ lực tác dụng trên cơ cấu khuỷu trục thanh truyền giao tâm.

Phân Ptt thành hai phân lực: lực tiếp tuyến T và lực pháp tuyến Z (sau khi đã dời xuống tâm chốt khủyu) ta cũng có thể xác định trị số của T và Z bằng các quan hệ sau:

α β

α

Cos

Sin P Sin

P

T = tt ( + )= 1. ( + )

Z =P tt.Cos(α+β)=P1.Cos Cos(αβ+β)

Lập bảng tính T, N, Z tương ứng với các góc quay trục khuỷu α= 00, 100, 200,…, 7200

và β = arcsin(λ.sinα)

Chọn tỷ lệ xích: μT = μN = μZ = 0,0244444 [MN/m2.mm], μα = 2 [độ/mm]

Sử dụng các công thức trên, ta tính được các giá trị T, Z, N ứng với các góc α

Sin( + ) T

β α

Hình 1-8 Đồ thị T - α; Z - α; N - α

1.2.7 Xây dựng đồ thị ΣT=f(α):

Để vẽ đồ thị tổng T ta thực hiện theo những bước sau:

+ Lập bảng xác định góc αi ứng với góc lệch các khuỷu theo thứ tự làm việc

4

4 180

Ta có Bảng 1.6 xác định góc lệch công tác và thứ tự làm việc của các khuỷu trục:

+ Sau khi lập bảng xác định các góc αi ứng với các khuỷu theo thứ tự làm việc, dựa vào bảng tính N, T, Z và lấy tỷ lệ xích μΣT = μp = 0,0244444 [MN/m2.mm], ta lập được bảng tính ΣT=f(α).

+ Tính mômen tổng ΣT = T1 + T2 + T3 + T4

+ Tính giá trị của ΣTtb bằng công thức: π .ϕ

10

p

i F R n

N N

η

=

Với: ηm= (0,63 ÷ 0,93), chọn ηm= 0,8 => 108

7 , 0

6 , 75

R: bán kính quay của trục khuỷu, R= 42,75 [mm] = 42,75.10-3 [m]

φ: là hệ số hiệu chỉnh đồ thị công, φ= 1 (khi vẽ đã hiệu chỉnh đồ thị công)

Suy ra:

3 3

30.108.103,14.4980.42, 75.10 0, 005153009.1

+ Vẽ đồ thị tổng T bằng cách nối các tọa điểm a i = (a i; ∑T i)bằng một đường cong

thích hợp cho ta đường cong biểu diễn đồ thị tổng T

Hình 1-9: Đồ thị ∑T - α

1.2.8 Đồ thị phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu:

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

ở mỗi vị trí của trục khuỷu Sau khi có đồ thị này ta có thể tìm trị số trung bình của phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu cũng như có thể tìm được dễ dàng lực lớn nhất và lực bé nhất Dùng đồ thị phụ tải ta có thể xác định khu vực chịu lực ít nhất để xác định vị trí khoan lỗ dầu bôi trơn và để xác định phụ tải khi tính sức bền trục

Cách xây dựng được tiến hành như sau:

α

+ Vẽ hệ trục tọa độ TO’Z trong đó trục hoành O’T có chiều dương từ tâm O’ về phía phải, còn trục tung O’Z có chiều dương hướng xuống dưới.

+ Chọn tỷ lệ xích: μT =μT = 0,0244444 [MN/m2.mm]

+ Dựa vào bảng tính T=f(α) , Z=f(α).Ta có được tọa độ các điểm a i = (T i;Z i) ứng với các góc α= 100, 200,…,7200 Cứ tuần tự như vậy ta xác định được các điểm từ 0= (T0; Z0) cho đến 72= (T72; Z72)

+ Nối các điểm trên hệ trục tọa độ bằng một đường cong thích hợp, ta có đồ thị biểu diễn phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu

+ Trong quá trình vã để dễ dàng xác định các tọa độ điểm ta nên đánh dấu các tọa độ điểm đồng thời ghi các số thứ tự tương ứng kèm theo

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

R: bán kính quay của trục khuỷu, R= 42,75 [mm]

Suy ra: PRo= 0,63.42,75.10-3.521,50562 =7324,78061 [N] = 0,0073248 [MN]

Tính trên đơn vị diện tích piston:

4215 , 1 005153009 ,

0

0073248 ,

0

4215 , 1

P P

0 10

320 330 340

350

360

365

370 375 380

390 400

410 420

430 440

450 460 470 480 490 500 510 520 530 540 550 560 570 580

700

710 720

O O'

Hình 1-10 - Đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu 1.2.9 Đồ thị khai triển vectơ phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu Q=f(α):

Để vẽ đồ thị khai triển vectơ phụ tải tác dụng trên chôt khuỷu ta thực hiện các bước sau:

+ Chọn tỷ lệ xích: μQ= 0,0244444 [MN/m2.mm] và μα= 2 [độ/mm]

+ Lâp bảng xác định giá trị Qi bằng cách đo khoảng cách từ tâm O của đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu tới các điểm a i = (T i;Z i) ta nhận được các giá trị khác nhau của Q: Q0, Q1,…,Q72.Sau đó ta lập bảng Q = f(α)

Bảng 1.8: Bảng thể hiện giá trị Q = f(α)

Hình 1- 11: Đồ thị khai triển phụ tải chốt khuỷu.

1.2.10 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 các bước sau:+ Vẽ dạng đầu to thanh truyền lên tờ giấy bóng, tâm của đầu to là O

+ Vẽ một vòng tròn bất kỳ tâm O Giao điểm của đường tâm phần thân thanh truyền với vòng tâm O tại 00

+ Từ điểm 00, ghi trên vòng tròn các điểm 0,1,2, ,72 theo chiều quay trục khuỷu (chiều kim đồng hồ) và ương tự với các góc α +100 β 10 0,α 20 0 + β 20 0,…,α 720 0 + β 720 0.

+ Đem tờ giấy bóng đặt chồng lên đồ thị phụ tải của chốt khuỷu sao cho tâm O trùng với tâm O của đồ thị phụ tải chốt khuỷu Lần lượt xoay tờ giấy bóng sao cho các điểm 0,1,2, ,72 trùng với trục (+Z) của đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu Đồng thời đánh dấu các điểm đầu mút của các vectơ Q→0,Q→1,Q→2,…,Q→72, của đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu hiện trên tờ giấy bóng bằng các điểm 0,1,2,…,72