Thiết kế và tính toán ôtô tính toán kiểm nghiệm bền trục khuỷu

- Trong quá trình làm việc trục khuỷu chịu phụ tải thay đổi theo chu kỳ của lực khí thể và lực quán tính của các khối vận động thẳng và quay, làm cho nó bị kéo, nén, uốn với ứngsuất khá

LỜI NÓI ĐẦU

Để xây dựng thành công quá trình CNH-HĐH đòi hỏi phải xây dựng một nền khoahọc kỹ thuật và công nghệ tương ứng.Ngành công nghiệp Ôtô là một trong những ngànhphục vụ rất hiệu quả cho quá trình CNH-HĐH

Ngành công nghiệp Ôtô tuy không phải là một ngành mới,nhưng nó vẫn diễn ra rấtsôi động 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 trọngtrong việc 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 đượcxây dựng ngay từ những bước đi đầu tiên Xuất phát từ những điều kiện trên,em đã được

thầy giáo giao cho đề tài: “Tính toán kiểm nghiệm bền trục khuỷu”.

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

khoa, đặc biệt là thầy Vũ Đình Nam, 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 đóvấn đề nghiên cứu còn mới mẻ nên đề tài không tránh khỏi sai sót Vì vậy em rất mongnhận được sự đóng góp, bổ sung của các Thầy - Cô giáo trong khoa và các bạn để đề tàiđược hoàn thiện hơn

Em chân thành cảm ơn!

Hưng Yên, ngày … tháng… năm 2011

Sinh viên thực hiện

Trần Hữu Thăng

MỤC LỤC

Trang

LỜI NÓI ĐẦU 1

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU TRỤC KHUỶU 3

1 : Mô tả khái quát về cơ cấu trục khuỷu 3

1.1: Chức năng của trục khuỷu 4

1.2: Điều kiện làm việc 4

1.3: Vật liệu và phương pháp chế tạo 4

1.4: Yêu cầu của trục khuỷu 4

1.5: Kết cấu của trục khuỷu 5

1.5.1: Phân loại 5

1.5.2: Kết cấu các bộ phận của trục khuỷu 6

PHẦN II: TÍNH TOÁN KIỂM NGHIỆM BỀN 11

2.1 : Các thông số cần thiết 11

2.1.1: Các thông số cho trước 11

2.1.2: Các thông số tính toán 11

2.2 Tính toán kiểm nghiệm trục khuỷu 16

2.2.1: Trường hợp chịu lực Pzmax 18

2.2.2: Trường hợp chịu lực Tmax 20

LỜI KẾT 28

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Phần I : TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU TRỤC KHUỶU

1 Mô tả khái quát về cơ cấu trục khuỷu

- Trục khuỷu là một chi tiết quan trọng và phức tạp nhất trong động cơ Nó có tác dụngbiến lực của khí cháy đẩy piston qua thanh truyền thành chuyển động quay tròn và đưacông suất của động cơ ra ngoài (tới các bộ phận khác) Mặt khác biến lực quán tính của nóthành chuyển động các thanh truyền và piston Nó làm quay các bộ phận khác như trụccam, quạt gió, bơm nước, máy phát điện

- Trong quá trình làm việc trục khuỷu chịu phụ tải thay đổi theo chu kỳ của lực khí thể

và lực quán tính của các khối vận động thẳng và quay, làm cho nó bị kéo, nén, uốn với ứngsuất khá lớn và chịu mài mòn Do vậy trục khuỷu được chế tạo bằng thép các bon rồi tôitần số cao (các cổ trục), bằng thép hợp kim hoặc bằng gang

Hình 1.2 Trục khuỷu và bánh đà

1.1 Chức năng của trục khuỷu

- Trục khuỷu là chi tiết rất quan trọng trong đông cơ ôtô và có nhiệm vụ:

- Tiếp nhận lực khí cháy đẩy piston qua thanh truyền làm quay trục khuỷu và đưa côngsuất ra ngoài Đồng thời biến lực quán tính của nó thành chuyển động tịnh tiến của piston

và thanh truyền

1.2 Điều kiện làm việc

- Chịu tải trọng thay đổi có chu kỳ do áp lực khí thể và lực quán tính

- Chịu mô men xoắn và uốn đổi chiều

- Chịu mài mòn do ma sát

- Tính không đều của mô men quay gây ra dao động dọc và dao đọng xoắn ngang

1.3 Vật liệu và phương pháp chế tạo

- Vật liệu chế tạo trục khuỷu thường là thép cacbon, thép hợp kim, gang cầu

- Hệ số ma sát trong của thép cacbon lớn hơn thép hợp kim Vì vậy, nó có khả nănggiảm biên độ dao động xoắn

- Thép cacbon rẻ tiền

- Thép hợp kim có ưu điểm là tính năng cơ lý và sức bền cao, vì vậy thường dùng trêncác đồng cơ tốc độ trung bình và cao, lực quán tính lớn

- Các loại thép hợp kim thường dùng là : 45Mn2; 50Mn; 40Cr …

- Ngày nay ngoài thép người ta thường dùng gang cầu như : GZ50-1,5 để đúc trụckhuỷu vì nó có ưu điểm là : rẻ tiền , dễ đúc được kết cấu trục khuỷu lý tưởng, hệ số ma sáttrong lớn, ít nhảy cảm với ứng suất tập trung và gang dễ giữ dầu bôi trơn

1.4 Yêu cầu của trục khuỷu

- Có sức bền cao, cứng vững nhưng trọng lượng nhỏ

- Có đọ chính xác gia công cao, độ cứng, độ bóng bề mặt cổ chốt, cổ khuỷu lớn

- Đảm bảo cân bằng động và tính đồng đều mô men quay cao nhưng đơn giản dễ chếtạo

- Không xảy ra dao động cổng hưởng trong phạm vi số vòng quay sử dụng

1.5 Kết cấu của trục khuỷu

- Hình dạng kết cấu của trục khuỷu phụ thuộc vào số xi lanh, số kỳ của động cơ thú

tự làm việc của các xi lanh và số hang xi lanh

- Kích thước của trục khuỷu phụ thuộc vào dường kính xi lanh, khoảng cách giữa haiđường tâm xi lanh Phương pháp làm mát động cơ

1.5.1 Phân loại

a Trục khuỷu ghép và trục khuỷu nguyên

- Trục khuỷu ghép là trục khuỷu gồm nhiều chi tiết ghép lại với nhau

- Loại trục này thường dùng cho các đọng cơ cỡ lớn đôi khi dùng cho các động cơ cỡnhỏ như xe máy

Hình 1.3 Trục khuỷu ghép

- Trục khuỷu nguyên là trục chỉ gồm một chi tiết thường dùng cho các động cơ cỡnhỏ và trung bình

Hình 1.4 Ttrục khuỷu động cơ 4 xi lanh

1 Đầu trục 2 Chốt khuỷu 3 Cổ khuỷu 4 Má khuỷu

5 Đối trọng 6 Đuôi trục khuỷu

để dẫn động quạt gió, bơm nước…

- Trên đầu trục khuỷu của một số động cơ còn lắp bộ giảm chấn xoắn

- Đầu mút của đầu trục khuỷu có lắp đai ốc để khởi động quay tay và còn có tác dụnghãm chặt các bánh đai, ổ chắn dọc trục …

Hình 1.6 Kết cấu đầu trục khuỷu

b ) Cổ trục khuỷu

- Cổ trục được gia công và xử lý bề mặt đạt độ cứng và độ bóng cao Phần lớn cácđộng cơ có cổ trục cùng một đường kính Đặc biệt có động cơ thường là động cơ cỡ lớn,với đường kính cổ trục lớn dần từ đầu đến đuôi trục khuỷu để có sức bền đều Tuy nhiên

nó sẽ rất phức tạp vì có nhiều bạc lót hoặc ổ đỡ có đường kính khác nhau Cổ trục khuỷuthường rỗng để làm rãnh dẫn dầu bôi trơn đến các cổ và chốt khác của trục khuỷu

c ) Chốt khuỷu

- Chốt khuỷu cũng được gia công và xử lý bề mặt để đạt độ bóng và độ cứng cao

- Đường kính chốt thường nhỏ hơn đường kính cổ khuỷu nhưng cũng có trường hợpnhư động cơ cao tốc do lực quán tính lớn đường kính chốt khuỷu có thể bằng đường kính

cổ khuỷu chiều dài của chốt khuỷu phụ thuộc vào khoảng cánh giữa hai đường tâm xylanh kề nhau và chiều dài cổ trục cũng như ở cổ khuỷu, chốt khuỷu có thể làm rỗng đểgiảm trọng lượng và tạo thàh cốc lộc dầu bôi tơn Để dẫn dầu từ thân máy đến các cổkhuỷu rồi theo các đường khoan trong cổ, má khuỷu dẫn lên chốt khuỷu

cố gắng giảm triệt để các phần không chịu lực của má

- Hình dáng của má khuỷu có các dạng nư sau:

- Loại má hình chữ nhật vát góc Loại này đơn giản dễ chế tạo

- Loại má hình ô van là loại má lợi dụng vật liệu hợp lý nhất và phân bố ứng suất đồngđều nhất nên được sử dụng nhiều nhất

- Loại má hình tròn có ưu điểm sức bền cao, cho phép giảm chiều dày má để tăng chiềudài cổ trục, chốt khuỷu, thuận lợi cho điều kiện bôi trơn cổ trục, chốt khuỷu, má tròn cũngđơn giản dễ chế tạo

Hình 1.8 Các dạng má khuỷu

- Để trục khuỷu có độ cứng vững và đồ bền thường được thiết kế có độ trùng điệp kíhiệu là ε và được tính theo công thức sau:

Trong đó d ch: Đường kính của chốt

d c : Đường kính của cổ khuỷu

R : Bán kính quay trục khuỷu

Hình 1.9 Các biện pháp tăng bền má khuỷu

- Độ trùng điệp là phần mà hai cổ chốt và cổ khuỷu trùng nhau khi biểu diễn trụckhủy lên hình chiếu cạnh

- Độ trùng điệp càng lớn, độ cứng vững và độ bền của trục khuỷu càng cao Muốntăng độ trùng điệp ta có đường kính của cổ khuỷu hoặc cổ chốt, áp suất tiếp xúc và màimòn các cổ này sẽ giảm giảm bán kính quay của trục khuỷu tứ là giảm hành trình hay vậntốc trung bình của piston nghĩa là giảm mài mòn cặp piston-xi lanh Điều đó được giảithích nhờ mối quan hệ sau:

S = 2.R ; v tb= n s30

( n là số vòng quay động cơ )

- Do có sử thay đổi mặt cắt đột ngột tại chỗ chuyển tiếp, nên gây ra hiện tượng ứngsuất, do đó có thể tránh tập trung ứng suất người ta phả làm chỗ chuyển tiếp ( gó lượn ) cóbán kính đủ lớn va hình dáng phù hợp

- Cân bằng một phần lực quán tính chuyển động tịnh tiến cấp 1 (Hình 1.10b) Thôngthường người ta cân bằng một nửa lực quán tính chuyển động tịnh tiến cấp 1 của pistonthanh truyền.

- Đối trọng- Lắp ngược với hướng của trục khuỷu- Tạo ra lực quán tính li tâm có giátrị bằng:

Hình 1.10 Vai trò của đối trọng

- Như vậy trên phương ngang sẽ xuất hiện lực mất cân bằng mR2.sin/2 Phươngpháp cân bằng này về thực chất là chuyển một phần lực mất cân bằng trên một phươngsang phương vuông góc Phương pháp này thường dùng cho những động cơ đặt nằmngang Để cân bằng triệt để lực quán tính chuyển động tịnh tiến, người ta dùng cơ cấu cânbằng lăngxetche thường dùng ở động cơ một xi lanh Ví dụ : Động cơ máy kéo Bông Senđối trọng trong trường hợp này không lắp trực tiếp trên trục khuỷu mà là lắp trên hai trụcdẫn động từ trục khuỷu (Hình 1.10c)

- Giảm tải trọng tác dụng cho một cổ trục, ví dụ: cho cổ giữa trục khuỷu động cơ 4 kỳ

4 xi lanh (Hình 1.10d) Đối với trục khuỷu này, các lực quán tính li tâm Pk tự cân bằngnhưng tạo ra cặp mômen Mpk luôn gây uốn cổ giữa khi có đối trọng, cặp mômen Mpk nêngiảm được tải cho cổ giữa

- Đối trọng còn là nơi để khoan bớt khối lượng khi cân bằng động hệ trục khuỷu

Về mặt nguyên tắc đối trọng càng bố trí xa tâm quay thì lực quán tính ly tâm cànglớn Tuy nhiên, khi đó sẽ làm tăng kích thước hộp trục khuỷu về mặt kết cấu, có các loạiđối trọng sau:

Pjl

2 =

2

- Đối trọng liền với má khuỷu, thông thường dùng cho động cơ cỡ nhỏ và trung bìnhnhư động cơ ôtô, máy kéo (Hình 1.11a).

- Để dễ chế tạo, đối trọng được làm rời rồi lắp với trục khuỷu, lắp bằng phương pháphàn thường làm cho trục khuỷu biến dạng và để lại ứng suất dư làm giảm sức bền của trụckhuỷu nên phương pháp này ít được dùng Thông thường đối trọng được lấy bằng bulôngvới trục khuỷu (Hình 1.11b) để giảm lực tác dụng lên bulông, đối trọng được lắp với mákhuỷu bằng rãnh mang cá và được kẹp chặt bằng bulông (Hình 1.11c)

PHẦN II : TÍNH TOÀN KIỂM NGHIỂM BỀN

2.1 Các thông số cần thiết

2.1.1: Thông số cho trước

Loại động cơ Xăng, không tăng áp

Chiều dài thanh truyền ltt 144 mm

Khối lượng nhóm piston mnp 0.36 kg

Khối lượng thanh truyền mtt 0.64 kg

- Đường kính trong của chốt khuỷu : б ch= 0

- Đường kính ngoài cổ khuỷu:

d ck = (0,65÷0,80)D (tài liệu [I] trang 223)

d ck = (0,65÷0,80)82,5=(53,63÷66) (mm)

Chọn dck= 60 (mm)

- Đường kính trong cổ khuỷu : б ck = 0

- Chiều dài chốt khuỷu:

l ch = (0,45÷0,6) dch (tài liệu [I] trang 224)

l ch = (0,45÷0,6) 54=(24,3÷32,4) (mm)

Chọn l ch = 28 (mm)

- Chiều dài cổ khuỷu :

l ck = (0,5÷0,6) d ck ( tài liệu [I] trang 223)

l ck = (0,5÷0,6) 60=(30÷36) (mm)

Chọn l ck = 32 (mm)

- Các kích thước của má khuỷu :

+ Chiều dày b : b = (0,2÷0,22)D (tài liệu [II] trang 131)

Chọn b=18 (mm)+ Chiểu rộng h: h = (1 ÷1,25)D (tài liệu [II] trang 131)

- Khối lượng đối trọng : m dt = 1,0 (kg)

- Khối lượng nhóm piston: mnp=0,36 (kg)

- Khối lượng thanh truyền: mtt=0,64 (kg)

- Khối lượng thanh truyền phân bố về tâm chốt piston:

m1=(0,275÷0,35)mtt=(0,275÷0,35).0,64 (kg)

Chọn m1=0,18 (kg)

- Khối lượng của thanh truyền quy dẫn về tâm chốt khuỷu

m2= mtt – m1= 0,64 – 0,18= 0,46 ( tài liệu [I] trang 21 ) (kg)

- M : khối lượng chuyển động tịnh tiến của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền

M= m1 + mnp=0,18 + 0,36 = 0,54 ( tài liệu [I] trang 21 ) (kg)

- C1:Lực quán tính ly tâm của chốt khuỷu

C1= mch.R.ω2 (tài liệu [I] trang 22)

C1= 0,5 46,4.10-3 554,732 = 7139,2 (kgm/s2 ) = 7,139.10-3 (MN)

- C2 – Lực quán tính ly tâm của khối lượng thanh truyền quy về tâm chốt khuỷu.C2= m2.R.ω2 = 0,46.46,4.10 -3.554,732 = 6568,1(kgm/s2 ) = 6,568.10-3 (MN)

2.2 Tính toán kiểm nghiệm bền trục khuỷu

- Tính sức bền trục khuỷu bao gồm tính sức bền tĩnh và sức bền động

- Do trục khuỷu là dầm siêu tĩnh, nên khi tính toán gần đúng, người ta phân trục khuỷu

ra làm nhiều đoạn, mỗi đoạn là một dầm tĩnh định nằm trong hai gối tựa là hai ổ trục.Thông thường, mỗi đoạn đó là một khuỷu Khi tính toán, ta phải xét đến khuỷu nào chịulực lớn nhất để tính khuỷu đó trước

- Sơ đồ tính toán sức bền tĩnh theo phương pháp phân đoạn được trình bày trên hìnhsau:

Pr1, pr2 : lực quán tính ly tâm của má khuỷu va của đối trọng (MN)

C1, C2 : lực quán tính ly tâm của chốt khuỷu và của khối lượng thanh truyền quy

p

Z' T'

dẫn về đầu to (MN)

Z ’, Z’’ : các phản lực tại gối tựa nằm trong mặt phẳng khuỷu (MN)

T’, T’’ : các phản lực tại gối tựa nằm trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng khuỷu

Mk’, Mk’’: mômen xoắn tại các cổ trục bên trái và bên phải của trục khuỷu tính toán

(MNm)

-Lực tiếp tuyến T và lực pháp tuyến Z tác dụng trên tâm chốt khuỷu:

T =P tt sin (α+β ) = P

∑¿sin(α+β) cosβ

Ti-1: tổng các lực tiếp tuyến của các khủyu đứng trước khuỷu tính toán (MN)

- Các trường hợp tính toán chịu lực lớn nhất của trục khuỷu khi động cơ làm việc : + Trường hợp 1 : chịu lực PZmax khi khởi động

+Trường hợp 2: chịu lực Zmax khi làm việc

+Trường hợp 3 : chiụ lực Tmax khi làm việc

+Trường hợp 4 : chịu lực Tmax

Trong thực tế vận hành của động cơ lực tác dụng trong trường hợp 1 bao giờ cũng lớnhơn trường hợp 2 và trường hợp 3 bao giờ cũng lớn hơn trường hợp 4 Nên ta chỉ tính kiểmnghiệm bền cho trường hợp 1 và 3

2.2.1 Trường hợp chịu lực P Zmax

- Đây là trường hợp khởi động Do tốc độ của động cơ còn nhỏ nên ta có thể bỏ quaảnh hưởng của lực quán tính khi đó lực tác dụng chỉ còn lại lực do áp suất lớn nhất của khíthể trong xylanh pzmax Giả thiết lúc đó lực xuất hiện tại điểm chết trên ( chỉ gần đúng ) nên

Z =P tt cos(α+β ) = P

∑¿cos( α+β) cosβ

¿

 = 0; T = 0; PJ = 0, Pr = 0

Z = PZmax = pZmax.FP = 4

D.p

2 max Z

Hình: 2.2 Sơ đồ lực tác dụng trên khuỷu trục khi khởi động động cơ

a) Tính nghiệm bền chốt khuỷu, mô men uốn chốt khuỷu

u =

M u

W u (MN/m2)Trong đó :

Wu : mô đun chống uốn của tiết diện ngang chốt

Vì chốt là chốt đặc nên :

Wu = 0,1.dch

3

= 0,1.(54.10-3)3 = 1,57.10-5 (m3)  u =

M u

W u =

1,08.10−3

1,57.10−5 = 68,79 MN/m2 < [u] = 180 (MN/m2)(Do trục khuỷu làm bằng thép hợp kim nên ta có : [u] = 180 (MN/m2)

Do vậy chốt khuỷu đủ bền

b) Tính nghiệm bền má khuỷu

- Lực pháp tuyến Z gây uốn và nén tại A-A

Ứng suất uốn má khủyu:

m2)

 u < [u] = 180 (MN/m2)

2.2 Trường hợp chịu lực tiếp tuyến lớn nhất (rad)T max)