Đồ án 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 ứng suất khá

LỜI NÓI ĐẦU

Để xây dựng thành công quá trình CNH-HĐH đòi hỏi phải xây dựng một nền khoa học kỹ thuật và công nghệ tương ứng.Ngành công nghiệp Ôtô là một trong những ngành phục 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 rất sôi động ở mỗi quốc gia khác nhau trên thế giới.Nhận thức đúng đắn về tầm quan trọng của ngành công nghiệp này Đảng và Nhà nước ta đã có những chính sách phù hợp thúc đẩy sự phát triển ngành công nghiệp Ôtô trong nước,từng bước phát triển và tiến tới sẽ sản xuất được 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 trong 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 được xây 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 Khổng Văn Nguyên, 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 đề nghiên 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 để đề tài được hoàn thiệnhơn

1.1 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 dụng biến lực của khí cháy đẩy piston qua thanh truyền thành chuyển động quay tròn và đưa công suất của động cơ ra ngoài (tới các bộ phận khác).Mặt khác biến lực quán tính của

nó thành chuyển động các thanh truyền và piston Nó làm quay các bộ phận khác như trục cam, 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 ứng suất khá lớn và chịu mài mòn Do vậy trục khuỷu được chế tạo bằng thép các bon rồi tôi tần số cao (các cổ trục), bằng thép hợp kim hoặc bằng gang

1.2 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 công suất ra ngoài Đồng thời biến lực quán tính của nó thành chuyển động tịnh tiến của piston và thanh truyền

1.3 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 động xoắn ngang

1.4 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 cacbonlớn hơn thép hợp kim Vì vậy, nó có khả năng giảm 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 trên các 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 trục khuỷu

vì nó có ưu điểm là: rẻ tiền, dễ đúc được kết cấu trục khuỷu lý tưởng, hệ số ma sát trong lớn, ít nhảy cảm với ứng suất tập trung và gang dễ giữ dầu bôi trơn

1.5 Yêu cầu của trục khuỷu

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

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

- Đảm bảo cân bằng động và tĩnh đồng đều mô men quay cao nhưng đơn giản dễ chế tạo

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

1.6 Kết cấu của trục khuỷu

- Hình dạng kết cấu của trục khuỷu phụ thuộc vào số xi lanh, số kỳ của động cơ, thứ tự làm việc của các xi lanh và số hàng xi lanh

- Kích thước của trục khuỷu phụ thuộc vào đường kính xi lanh, khoảng cách giữa hai đường tâm xi lanh, phương pháp làm mát động cơ

1.7 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 động cơ cỡ lớn đôi khi dùng cho các động cơ cỡ nhỏ như xe máy

a,Đầu trục khuỷu

Đầu trục khuỷu là đầu tự do của trục khuỷu, trên đầu trục khuỷu thường được lắp các bánh răng dẫn động trục cam, bơm cao áp, bơm nhiên liệu, bơm dầu nhờn và các bánh đai 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 dụng hãm 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 các động

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 khuỷu thường 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 hợp như 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 xy lanh kề nhau và chiều dài cổ trục cũng như ở cổ khuỷu, chốt khuỷu có thể làm rỗng để giảm trọng lượng và tạo thàh cốc lộc dầu bôi tơn Để dẫn dầu từ thân máy đến các cổ khuỷu rồi theocác đường khoan trong cổ, má khuỷu dẫn lên chốt khuỷu

Hình 1.7 Kết cấu dẫn dầu bôi trơn chốt khuỷu

d, Má khuỷu

- Má khuỷu là bộ phận nối liền cổ trục và chốt khuỷu Hình dạng má khuỷu phụ thuộc vào số vòng quay của động cơ Để giảm trọng lượng và do đó giảm lực quán tính, người

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

- Hình dáng của má khuỷu có các dạng như 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 đồng đều 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 chiều dài cổ trục, chốt khuỷu, thuận lợi cho điều kiện bôi trơn cổ trục, chốt khuỷu,

má tròn cũng đơn 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 kí hiệu là ε và được tính theo công thức sau:

R d

Trong đó dch : Đường kính của chốt

dc : 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 trục khủy lên hình chiếu cạnh

- Độ trùng điệp càng lớn, độ cứng vững và độ bền của trục khuỷu càng cao Muốn tăng

độ trùng điệp ta có đường kính của cổ khuỷu hoặc cổ chốt, áp suất tiếp xúc và mài mòn các cổ này sẽ giảm, giảm bán kính quay của trục khuỷu tứ là giảm hành trình hay vận tốc trung bình của piston nghĩa là giảm mài mòn cặp piston-xi lanh Điều đó được giải thích nhờ mối quan hệ sau:

S = 2.R ; vtb = 30ns

( n là số vòng quay động cơ )

-Do có sự thay đổi mặt cắt đột ngột tại chỗ chuyển tiếp, nên gây ra hiện tượng ứng suất,

do đó có thể tránh tập trung ứng suất người ta phải làm chỗ chuyển tiếp ( góc lượn ) có bán kính đủ lớn và hình dáng phù hợp

e, Đối trọng

Đối trọng là các khối lượng gắn trên trục khuỷu để tạo ra lực quán tính li tâm nhằm những mục đích sau:

- Cân bằng lực quán tính li tâm Pk của trục khuỷu (Hình 1.10a)

- Cân bằng một phần lực quán tính chuyển động tịnh tiến cấp 1 (Hình 1.10b) Thông thường người ta cân bằng một nửa lực quán tính chuyển động tịnh tiến cấp 1 của piston thanh truyền

Hình 1.10.Vai trò của đối trọng

- Như vậy trên phương ngang sẽ xuất hiện lực mất cân bằng mRω2.sinϕ/2 Phương

pháp cân bằng này về thực chất là chuyển một phần lực mất cân bằng trên một phương sang phương vuông góc Phương pháp này thường dùng cho những động cơ đặt nằm ngang Để cân bằng triệt để lực quán tính chuyển động tịnh tiến, người ta dùng cơ cấu cân bằng lăngxetche thường dùng ở động cơ một xi lanh Ví dụ : Động cơ máy kéo Bông Sen đối trọng trong trường hợp này không lắp trực tiếp trên trục khuỷu mà là lắp trên hai trục dẫn 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

bằng nhưng tạo ra cặp mômen Mpk luôn gây uốn cổ giữa khi có đối trọng, cặp mômen Mpk nên giảm 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 càng lớn Tuy nhiên, khi đó sẽ làm tăng kích thước hộp trục khuỷu về mặt kết cấu, có các loại đối trọng sau:

+ Đối trọng liền với má khuỷu, thông thường dùng cho động cơ cỡ nhỏ và trung bình như 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 pháp hàn thường làm cho trục khuỷu biến dạng và để lại ứng suất dư làm giảm sức bền của trục khuỷu nên phương pháp này ít được dùng.Thông thường đối trọng được lấy bằng bulông với trục khuỷu (Hình 1.11b) để giảm lực tác dụng lên bulông, đối trọng được lắp với má khuỷu bằng rãnh mang cá và được kẹp chặt bằng bulông (Hình 1.11c)

2.1 Các thông số cần thiết

2.1.1: Thông số cho trước

Loại động cơ Diesel, không tăng áp (YG6108ZLQB)

Chiều dài thanh truyền ltt 220(mm)

Khối lượng nhóm piston mnp2,5 (kg)

Khối lượng thanh truyềnmtt3,0(kg)

-Đường kính trong của chốt khuỷu : бc h = 0

-Đường kính ngoài cổ khuỷu:

dck= (0,70÷0,85)D T223-[I]

=(0,70-0,85).100= (70-85)

Chọn dck= 85(mm)

- Đường kính trong cổ khuỷu : бck = 0

- Chiều dài chốt khuỷu:

lch=(0,7÷1,0) T224-[I]

=(0,7-1,0).75 =(52,85 -75)

Chọn lch= 53(mm)

-Chiều dài cổ khuỷu :

-Khối lượng riêng của trục khuỷu :ρ=7800 ( kg m3)

-Khối lượng ly tâm của má khuỷu: mmk= 3,125 (kg)

-Khối lượng đối trọng : mdt=1,2 (kg)-Khối lượng nhóm piston: mnp=2,5(kg)

- Khối lượng thanh truyền: mtt=3,0(kg)

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

m1=(0,275÷0,350)mttT19-[I]

ω = π n30 = π 230030 = 240,73 (rad/s ) -C1:Lực quán tính ly tâm của chốt khuỷu.

D: đường kính xy lanh (m)Pz: áp suất khí thể (MPa)

Lực tiếp tuyến và pháp tuyến:

T= p1. sincos⁡(α+β) ⁡(β) .FpT31-[III]

Z=p1. coscos⁡(α+β) ⁡(β) .FpT31-[III]

Trong đó:

Ptổng: áp suất tổng (MPa) Ptổng = Pj + Pk Fp: diện tích đỉnh piston (m2)

-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 chịu lực lớn nhất để tính khuỷu đó trước

đồ tính toán sức bền trục khuỷu

Ký hiệu các lực trên sơ đồ như sau:

T, Z: lực tiếp tuyến và lực pháp tuyến tác dụng trên chốt khuỷu

Pr1, pr2: lực quán tính ly tâm của má khuỷu và của đối trọng

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

dẫnvề đầu to

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 -Giá trị của Mk’ là tích của tổng các lực tiếp tuyến của các khuỷu đứng trước nó với bán kính khuỷu Giả sử: khuỷu tính toán là khuỷu ở thứ i thì ta có

T'' Z'' Z

Trong đó: R là bán kính khuỷu

ΣTi-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 Zmaxkhi làm việc

+Trường hợp 3 : chiụ lực Tmax khi làm việc

+Trường hợp 4 : chịu lực ΣTmax

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

3.1 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 qa ảnh hưởng của lực quán tính khi đó lực tác dụng chỉ còn lại lực do áp suất lớn nhất của khí thể trong xylanh pzmax Giả thiết lúc đó lực xuất hiện tại điểm chết trên ( chỉ gần đúng ) nên

α = 0; T = 0; PJ = 0, Pr = 0

Z = PZmax = pZmax.FP = 4

D.p

2 max Z

π

T141-[II]

)10

Hình: 3.2 Sơ đồ lực tác dụng trên khuỷu trục khi khởi động động cơ

3.1.1 Tính nghiệm bền chốt khuỷu, mô men uốn chốt khuỷu

Mu =Z’.l’ = 0,0351.71.10-3 = 2,49.10-3(MN.m)

Wu : mô đun chống uốn của tiết diện ngang chốt.

2,49.10

−

−

= 57,77MN/m2 <[σu] = 120 (MN/m 2)(Do trục khuỷu làm bằng thép hợp kim nên ta có : [σu] = 120 (MN/m 2) )

Do vậy chốt khuỷu đủ bền

3.1.2 Tính nghiệm bền má khuỷu

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

Ứng suất uốn má khủyu:

b h

b Z

T142-[II] (MN/m2)Với b’= l ck+b

2 = 43+232 = 33 (mm)

σu = 6

)10.23.(

10

125

10.33.0351

,

0

2 3 3

σn = 2 bh

Z

= 2 23 125 10 6

0701 , 0

−

= 12,19(MN/m2)Ứng suất tổng

Do vậy má khuỷu đủ độ bền

3.1.3 Tính nghiệm bền cổ trục

Ứng suất uốn cổ trục:

3.2 Trường hợp chịu lực T max

Vị trí tính toán của khuỷu trục nguy hiểm lệch so với vị trí ĐCT một góc α=αTmax = 70 0Tmax= 0,07396 (MN)

Lúc này n ≠ 0, T = Tmax tồn tại các lực quán tính Căn cứ vào đồ thị T = f(α) ta xác định trị số lực tiếp tuyến và các góc tương ứng

T(MN/m2) 0,07396 -0,01966 -0,04713 0,07396 -0,01966 -0,04713Bảng 2.1: Tìm khuỷu nguy hiểm

-0,01966 -0,04713 0,07396

Σ T i-1 = -0,03996

W

M

2 r 1 r ' '

W

cpapl

T147-[II] (MN/m2)Trong đó :

+Wux ,Wuy: là mô men chống xoắn

Wux = Wuy = 0,1dch3 = 0,1.(75,5.10-3)3 = 4,31.10-5 (m3)

Pr1 = mmk.rmk ω2 = 3,125.56.10-3.240,732.10-6 = 0,01014 (MN)

+ Pr2: lực quán tính li tâm của đối trọng

Pr2 = mđt.rđt. ω2 = 1,2.55.10-3.270,732.10-6= 0,0048 (MN)

⇒σux = 5

3 3

3

10.31,4

10.38.0048,010.38.01014,010.71.02761

'

10.31.4

10.71.03698,0

= 60,92 T147 [II](MN/m2)Ứng suất uốn tổng cộng:

W2

R.T

10.65)

07396,000717

Ta tính cổ bên phải vì cổ này chịu lực lớn hơn cổ bên trái

Ứng suấtuốn do lực pháp tuyến Z’’ gây ra:

W

M

3 ''

''

10.14,6

10.33.02761,0

W

b.T

3

10.14,6

10.33.03698,0

−

−

= 19,88T148[II] (MN/m2)

R.T

10.65)

07396,000717,0(

−

−

+

= 42,94T148[II] (MN/m2)Ứng suất tổng khi chịu uốn và xoắn:

σΣ= ( ) ( )2 2 2

4 x

y u

b h

b Z

) 10 23 (

10 125

10 33 02761 , 0

2 3 3

caP

2 2

10 33 125

10 ).

38 38 (

0048 , 0

9 2

10 35 03698 , 0

9 2

3

−

−

= 21,61 (MN/m2)Trong đó: r là khoảng cách từ tâm cổ khuỷu đến tiết diện nguy hiểm nhất của

má khuỷu r = d ck

2 - ε2 = 42,5 - 7,625 ≈ 35 hình VIII.16 T421[I] (mm)

Ứng suất uốn do lực Mk’’ gây ra:

23

10 65 ).

07396 , 0 00717

,

0

(

9 2

σn = bh

Z''

= 23.125.10 6

02761,0

−

= 9,60T149[II](MN/m2)