Tính toán và kiểm nghiệm bền cho thanh truyền

1: Bạc đầu nhỏ 2: Đầu nhỏ thanh truyền 3: Thân thanh truyền 4: Bulông bắt nắp đầu to 5: Nửa trên thanh truyền 6: Bạc đầu to thanh truyền 7: Nửa dới thanh truyền Hình 1.1 Kết cấu của than

111Equation Chapter 1 Section 1 Nhận xét, đánh giá của giáo viên hớng

dẫn

Hng Yên, ngày tháng năm 2011.

Giáo viên hớng dẫn

Vũ Đỡnh Nam

LỜI NểI ĐẦU

Trên thế giới không chỉ ở các nớc phát triển ôtô đã đóng vai trò hết sức

to lớn trong mọi lĩnh vực của đời sống và sản xuất Với xu thế hội nhập ngàynay khi đất nớc ngày càng phát triển và tiến trình CNH-HĐH đất nớc đangdiễn ra mạnh mẽ ôtô càng phát huy tầm quan trọng của mình trong mọi lĩnhvực giao thông, vận tải xây dựng và sản xuất

Sau khi học xong môn thiết kế tính toán ôtô với đề tài đợc giao “Tínhtoán và kiểm nghiệm bền cho thanh truyền”

Trong quá trình thực hiện đề tài đợc sự giúp đỡ chỉ bảo tận tình của cácthầy cô giáo trong khoa đặc biệt là thầy giáo hớng dẫn Khổng Văn Nguyên

đến nay em đã hoàn thành đề tài này với các nội dung sau:

a Mô tả khái quát về thanh truyền

b Xác dịnh các thông số cần thiết

c Tính toán kiểm nghiệm bền

Mặc dù trong thời gian thực hiện đề tài bản thân chúng em đã nỗ lực tìmkiếm tài liệu chuyên nghành, vận dụng các kiến thức đã học và kinh nghiệmbản thân song với khả năng, trình độ cũng nh kinh nghiệm còn ít nên chắcchắn không thể tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót vì vậy em rất mongnhận đợc sự đánh giá nhận xét của các thầy cô trong khoa và các bạn sinhviên để đề tài của em đợc hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo cô giáo trong khoa Cơ Khí ĐộngLực Trờng ĐHSPKT Hng Yên

Em chân thành cảm ơn!

Khoỏi Chõu, ngày thỏng năm 2011

Hình 1.2 Kết cấu đầu nhỏ thanh truyền

1.2 Điều kiện làm việc.

- Thanh truyền chịu lực khí thể, lực quán tính của nhóm piston và lực quántính của bản thân thanh truyền Các lực trên đều là các lực tuần hoàn va

đập

- Trong quá trình làm việc thanh truyền luôn chịu các lực kéo, nén, uốn dọc

và khi đổi chiều chuyển động thì có lực quán tính làm nó bị uốn ngang

1.3 Vật liệu chế tạo

Thanh truyền thờng đợc chế tạo bằng thép cacbon hoặc thép hợp kimvới phơng pháp rèn khuôn Các loại vật liệu nặng cơ tính tốt, sức bền mỏi cao,

đảm bảo yêu cầu làm việc

1.4 Kết cấu Thanh truyền

1: Bạc đầu nhỏ 2: Đầu nhỏ thanh truyền 3: Thân thanh truyền 4: Bulông bắt nắp đầu to 5: Nửa trên thanh truyền 6: Bạc đầu to thanh truyền 7: Nửa dới thanh truyền

Hình 1.1 Kết cấu của thanh truyền

- Ngời ta chia kết cấu thanh truyền thành các phần:

+ Đầu nhỏ thanh truyền

+ Đầu to thanh truyền

+ Thân thanh truyền

+ Bu lông thanh truyền

+ Bạc lót đầu to và đầu nhỏ thanh truyền

Sau đây ta xét từng thành phần cụ thể

a Đầu nhỏ

Là bộ phận để lắp chốt píton, nó có cấu tạo hình trụ rỗng bên trong cóbạc lót có khoan lỗ dầu để bôi trơn Kết cấu đầu nhỏ thanh truyền phụ thuộcvào kích thớc và phơng pháp lắp ghép và có lắp bạc bằng đồng

Trong các hình trên (1.2a, b) đợc dùng phổ biến nhất trên các động cơ

ôtô hiện nay vì khả năng bôi trơn hoàn thiện, dầu đợc dàn đều trên bề mặt bạclót Hoạt động đồng đều

b Thân thanh truyền

Là phần nối giữa đầu nhỏ và đầu to thanh truyền

Kích thớc thân thanh truyền thờng thay đổi từ nhỏ đến lớn kể từ đầunhỏ đến đầu to để phù hợp với lực quán tính lắc của thanh truyền

Hình 1.3 Các loại tiết diện thân thanh truyền

+ Hinh 1.3a thân có tiết diện tròn, + Hình 1.3b, c thân có tiết diện chữ

Chiều dài thanh truyền đợc tính toán dựa vào công thức λ= R/l

c Đầu to thanh truyền

Kết cấu đầu to thanh truyền phải đảm bảo các yêu cầu sau:

Kích thớc đầu to phụ thuộc vào chốt khuỷu.Để tăng độ cứng vững củatrục khuỷu ngời ta sử dụng trục khuỷu có độ trùng điệp giữa cổ chốt và cổtrục bằng cách tăng đờng kính cổ chốt và cổ trục

Hình 1.5 Các dạng kết cấu đầu to thanh truyền.Các dạng kết cấu đầu to thanh truyền (hình 1.5)

(Hình 1.5a, b) là phổ biến nhất vì nó tăng đợc tiết diện của thanh truyền, tăng đờng kính của trục cơ, dễ tháo lắp.

1.5 Bạc thanh truyền.

a) Bạc đầu nhỏ.

Khi lắp chốt piston xoay tơng đối với đầu nhỏ thanh truyền thì trong

đầu nhỏ có ép vào 1 bạc đồng mỏng dày 14mm để giảm ma sát, chống mòn.mm để giảm ma sát, chống mòn.Bạc đợc ép vào lỗ rồi doa lại cho chính xác

b) Bạc đầu to.

Bạc đầu to lắp giữa đầu to thanh truyền và cổ trục khuỷu

Bạc gồm 2 nửa giống nhau có gờ chống xoay và thờng có rãnh dẫn dầubôi trơn trong bạc và khoan lỗ dẫn dầu

1.6 Bu lông thanh truyền

a) Chức năng.

Bu lông thanh truyền là chi tiết ghép nối hai nửa đầu to thanh truyền

Nó có thể ở dạng bu lông hay vít cấy (gugiông),

b) Điều kiện làm việc.

Bu lông thanh truyền khi làm việc chịu lực nh lực xiết ban đầu, lựcquán tính của nhóm piston thanh truyền có tính chu kỳ

c) Vật liệu chế tạo

Bu lông thanh truyền thờng đợc chế tạo bằng thép hợp kim có các thànhphần crôm, mangan, niken Tốc độ động cơ càng lớn, vật liệu bu lông thanhtruyền có hàm lợng kim loại quí càng nhiều

d) Kết cấu.

Hình 1.6 Một dạng kết cấu của bu lông và gugiông

1.6a bu lông thanh truyền 1.6b gugiông thanh truyền

- Nh đã trình bày ở trên, hai nửa đầu to thanh truyền có thể đợc ghép nốibằng bu lông ( hình 1.6a) và gugiông (hình 1.6b)

- Bố trí phân đoạn và thắt vào một ít để tăng sức bền mỏi

- Nhiệt luyện để đạt độ cứng sau đó ta rô ren

24mm để giảm ma sát, chống mòn.1 mó lực

2300 (vòng/phút)

167 ( g /ml.h)04mm để giảm ma sát, chống mòn kỳ

108 (mm)17,5

132 ( mm)06

1-5-3-6-2-4mm để giảm ma sát, chống mòn

220 (mm)2,5 (kg)3,0 (kg)

Khe hở hớng kính bạc lót và chốt pittông Δ’= 0,001.dcp = 0,038 (mm)

Gọi r1 là bán kính trong đầu nhỏ thanh truyền:

r1= dcp/ 2+ Δ + Δ’= 37,8/2+3+0,0378 =21,9 (mm) Chọn r1=22

Gọi r2 là bán kính ngoài đầu nhỏ thanh truyền:

r2 = 1,4mm để giảm ma sát, chống mòn r1= 30,8 (mm)Chọn r2=31

d1= 1,3 < 1,5 đầu nhỏ là loại đầu mỏng

Chiều dài đầu nhỏ thanh truyền

d Dt = (0,4mm để giảm ma sát, chống mòn.5 - 0,95 ) d ch

Chọn d Dt =0,9 d ch =0,9.75,6 = 68,04mm để giảm ma sát, chống mòn (mm)Chọn d Dt= 68

Phần III: Khối lượng nhúm thanh truyền

- Khối lợng thanh truyền quy dẫn về đầu nhỏ m1=(0,275-0,35)mtt

Khối lợng thanh truyền quy dẫn về đầu nhỏ m 1 0,9 (kg) Khối lợng thanh truyền quy dẫn về đầu to thanh

truyền

3.1 Tớnh toỏn kiểm nghiệm bền

3.1.1 Tớnh sức bền của đầu nhỏ thanh truyền

Khi động cơ làm việc đầu nhỏ thanh truyền chịu các lực tác dụng sau:

+ Lực quán tính của nhóm piston

+ Lực khí thể

+ Lực do biến dạng gây ra

+ Ngoài ra khi lắp ghép bạc lót, đầu nhỏ thanh truyền còn chịuthêm ứng suất phụ do lắp ghép bạc lót có độ dôi gây nên

Các lực trên gây ra ứng suất: uốn, kéo, nén tác dụng trên đầu nhỏ thanh

truyền

Tính toán đầu nhỏ thanh truyền thờng tính ở chế độ công suất lớn nhất.Nếu động cơ có bộ điều tốc hoặc bộ hạn chế tốc độ vòng quay thì tính toán ở

chế độ này cũng là tính toán ở chế độ số vòng quay giới hạn lớn nhất của

động cơ Nếu không có bộ phận giới hạn số vòng quay (hoặc bộ điều tốc) thì

số vòng quay lớn nhất nmax của động cơ có thể vợt quá số vòng quay ở chế độ

công suất lớn nhất ne=25% ¿ 30% tức là: Nmax =(1,25 ¿ 1,30) ne

Hình 2.1- Sơ đồ tính toán đầu nhỏ thanh truyền

a Tính sức bền đầu nhỏ khi chịu kéo

Tính trên giả thiết sau: Coi đầu nhỏ là một dầm cong đợc ngàm hai đầu, vị tríngàm là chỗ chuyển tiếp giữa đầu nhỏ và thân (tiết diện c-c) ứng với góc γbằng

(2-1) Trong đó:

bán kính trong của đầu nhỏ: :

H

H - chiều rộng của thân chỗ nối với đầu nhỏ

ρ1 : Bán kính góc lợn nối đầu nhỏ với thân thanh truyền chọn theo hệ số thc

- Khi lắp bạc lót vào đầu nhỏ, bạc lót và đầu nhỏ đều biến dạng

Mô men uốn Mj và lực kéo Nj ở tiết diện bất kỳ trên cung AA - BB

Trên cơ sở giả thiết nêu trên, ta xây dựng sơ đồ tính toán và biểu thị ở

Hình 2.2 Sơ đồ lực tác dụng khi đầu nhỏ thanh truyền chịu kéo

Dựa vào sơ đồ đó, ta có thể xác định các đại lợng mô men uốn và lực kéo tạitiết diện bất kì của dầm cong Dầm cong bao gồm hai cung: cung có lực phân

bố ( (λ x≤ 900) ) và cung có lực phân bố (λ x≥ 900)

Nh vậy mô men uốn và lực kéo tại tiết diện ngàm C -C bằng :

Mjc = MA + NA (1-cos γ ) - 0,5Pj.(sin γ− cos γ )

Njc = NAcos γ + 0,5PJ(sin γ− cos γ )

Thay MA, NA, , γ , và PJ vào (2-6) ta đợc:

Mjc=3,12.10-6+3,83.10-3.25,5.10 −3 (1-cos135 0 )-0,5.0,00826.25,5.10-3.(sin135 0 - cos135 0 ) = 9,4mm để giảm ma sát, chống mòn.3.10-5

Hệ số χ phụ thuộc vào độ cứng của các chi tiết mối ghép (bạc lót và đầunhỏ) và đợc xác định bằng biểu thức:

Với:

l d1 : Chiều dài đầu nhỏ thanh truyền;

d 2 : Đờng kính ngoài đầu nhỏ; d 2 =2.r2=2.31= 62 (mm)

d1: Đờng kính trong đầu nhỏ; d1 = 2.r1=2.22= 4mm để giảm ma sát, chống mòn.4mm để giảm ma sát, chống mòn (mm)

Fb : tiết diện dọc của bạc lót

Fb = ld1.(d1 - d cp )=33.10-3(2.4mm để giảm ma sát, chống mòn.4mm để giảm ma sát, chống mòn 10 −3 - 37,8.10 −3 ) = 162,64mm để giảm ma sát, chống mòn 10-6 (m 2)

b Tính sức bền đầu nhỏ khi chịu nén.

Lực nén tác dụng lên đầu nhỏ thanh truyền là hợp lực của lực khí thể và lựcquán tính của khối lợng piston

P = Pkt + Pjp = pz Fp + Mnp.R ω2 (1 + λ ) (2-10)

⇒ P = 5,8 0,091562+ 2,9 62,5.10 −3 188,4mm để giảm ma sát, chống mòn 2 (1+ 0,29) = 0,0829(MN) Trong đó

Ta cũng coi đầu nhỏ nh một dầm cong nh đã nói ở phần trên và do tính chất

đối xứng ta cắt bỏ đi một nửa tiết diện A -A, thay vào đó bằng các lực và mômen tơng ứng N A , M A Tra bảng trang 202 sách Kết cấu và tính toán

Thay giá trị MZ, NZ bằng MZ1, MZ2, NZ1, NZ2 theo biểu thức (2-12) và (2-13),

ta sẽ tìm đợc ứng suất tại tiết diện bất kỳ trên mặt trong và mặt ngoài của đầunhỏ và ta vẽ đợc biểu đồ ứng suất trên đầu nhỏ (Hình 2.5)

Hình 2.5 ứng suất trên đầu nhỏ thanh truyền khi chịu nén

Từ biểu đồ đó, ta thấy: ứng suất lớn nhất tại ngàm (tiết diện C -C ) tức là tại vịtrí γ x=γ .

d 1 : Đờng kính trong đầu nhỏ; d 1 = 4mm để giảm ma sát, chống mòn.4mm để giảm ma sát, chống mòn (mm)

Ett, Eb : mô đun đàn hồi của vật liệu thanh truyền và bạc lót

ứng suất biến dạng theo công thức Lame:

ứng suất bên ngoài mặt đầu nhỏ :

σ nΔ=p 2 d1

2

d22−d12 (MN/m2 ) 16)

d Hệ số an toàn của đầu nhỏ thanh truyền.

Do ứng suất trên đầu nhỏ thanh truyền thay đổi theo chu trình không đốixứng Vì vậy hệ số an toàn đợc tính theo công thức:

η σ= σ−1

Trong đó:

(Tra bảng 1-3 trang 31, sách Chi tiết máyT1 -Nguyễn Trọng Hiệp) ta đợc

σ−1 = 200(Mpa); σ0 = 4mm để giảm ma sát, chống mòn.60 (Mpa)

⇒ Ψ σ = 4602 200−460=−0, 13

Thay các kết quả tính đợc vào (2-18) ta đợc:

260

4,56 44,75 62, 27.( 0,13)



⇒ Thỏa mãn điều kiện hệ số an toàn trong khoảng 2,5 -5

e Độ biến dạng của đầu nhỏ thanh truyền.

Độ biến dạng δ đợc xác định theo biểu thức nghiệm sau đây.

s: Chiều dày đầu nhỏ; s = 9 (mm)

P jnp : Lực quán tính của khối lợng nhóm piston

P jnp = m np R ϖ2 .(1 + λ )

⇒ P jnp =2,9 62,5.10 −3 188,4mm để giảm ma sát, chống mòn 2 (1+ 0,29) = 0,008299(MN)

δ≤0,02−0,03 (mm)

3.1.2 Tớnh sức bền thõn thanh truyền

Tính thân thanh truyền thờng đợc tính toán ở các tiết diện: tiết diện nhỏ nhất (chỗ tiếp giáp giữa thân thanh truyền với đầu nhỏ), tiết diện trung bình vàtiết diện tính toán

Tiết diện nhỏ nhất chịu nén do tác dụng của hợp lực khí thể và lực quántính vận động tịnh tiến

Tiết diện trung bình chịu nén và uốn dọc cũng do các lực trên

Tiết diện tính toán chịu nén và uốn ngang do lực quán tính vận động lắccủa thanh truyền

Tính toán thờng đợc tiến hành ở chế độ công suất lớn nhất

Ngoài việc tính toán trên còn phải kiểm tra độ ổn định khi uốn dọc củathân thanh truyền

a.Tính tiết diện nhỏ nhất (tiết diện I-I)

ứng suất nén :

σ n= P Σ

(MN/m 2 )ứng suất kéo do lực quán tính của nhóm piston và khối lợng đầu nhỏ thanhtruyền đợc xác định theo biểu thức sau đây

Fmin (MN/m 2

) (2-24mm để giảm ma sát, chống mòn.)Trong đó :

Pjd = (mnp + m1).R ϖ2 .( 1+ λ )

Trong đó: mnp=mnp+m1 = 2,0+0,9=2,9 (kg)

m1 là khối lợng thanh truyền quy dẫn về đầu nhỏ m1= 0,9 (kg)

⇒ Pjd = (2,0+ 0,9) 62,5.10 −3 188,4mm để giảm ma sát, chống mòn 2 (1+ 0,29) = 0,08299(MN)

Thay vào (2-24mm để giảm ma sát, chống mòn.) ta đợc:

3

0, 08299

7,5 1,0698.10



Hệ số an toàn η d thờng nằm trong khoảng 2,0 – 3,0 vậy hệ số an toàn đã

tính càng đảm bảo vì nó có hệ số an toàn cao hơn

b.Tính ở tiết diện trung bình (tiết diện II-II).

Tính ở tiết diện trung bình, thân thanh truyền chịu ứng suất kéo, nén, uốn dọc

- Ứng suất kéo do lực quán tính của khối lợng nhóm piston và khối lợng thanhtruyền nằm phía trên tiết diện trung bình ứng suất kéo đợc xác định theo biểu thức sau :

+

b2

(mm)

4,9 1,68.10

K

(MN/m2 )ứng suất nén và uốn dọc do lực tổng P

∑ ¿ ¿

của lực khí thể và lực quán tínhchuyển động tịnh tiến, đợc xác định theo công thức Nave – Răngkin

J: mô men quán tính của tiết diện thân thanh truyền

Đối với trục x - x ta có:

Jx =

BH 3−bh 3

12 ( m4mm để giảm ma sát, chống mòn.29)

)(2-Đối với trục y- y ta có:

Jy =

12 (m4mm để giảm ma sát, chống mòn.) (2-30)

i : là bán kính quán tính của tiết diện

Đối với trục x-x ta có:Ix = √ J x

F tb

⇒ Ix =

6 3

σ y: giới hạn đàn hồi của vật liệu.

L0: Chiều dài biến dạng của thân thanh truyền khi chịu uốn dọc

m : Hệ số xét đến ngàm chịu lực của thân thanh truyền khi uốn dọc:

khi uốn trong mặt phẳng lắc của thanh truyền (uốn quanh x-x )ta có:



=190 (mm)

C : Hệ số đặc tính của vật liệu C = 2.10-4mm để giảm ma sát, chống mòn. – 5.10-4mm để giảm ma sát, chống mòn Chọn C = 3.10-4mm để giảm ma sát, chống mòn.

Nh vậy, ứng suất tổng do nén và uốn dọc trong mặt phẳng lắc tại tiết diệntrung bình sẽ là:

0,0829

.1,04 51 1,68.10

x

(MN/m2 )

0,0829

.1,11 54 1,68.10

y

(MN/m2 )

- Thỏa mãn ứng suất cho phép của thân thanh truyền nh sau:

- Đối với thanh truyền thép hợp kim : 120 – 180 (MN/m2 )

3.1.3 Tớnh sức bền đầu to thanh truyền

Do kết cấu đầu to có tiết diện thay đổi phức tạp, nên tính toán mang tính chấtgần đúng

Lực tính toán là hợp lực của lực quán tính vận động tịnh tiến và vận tốc quaycủa đầu to không kể đến nắp, tính tại vị trí DCT:

Pd = M tt R ω2 (1+ λ ) + (M2 - Mn)R ω 2 ;(MN)

Trong đó:

M tt = m np + m 1 = 2,0+0,9= 2,9(kg) : Khối lợng chuyển động tịnh tiếncủa thanh truyền

M2, Mn tơng ứng là khối lợng quy về đầu to, khối lợng nắp đầu to (kg)

Để đơn giản cho tính toán ta giả thiết M2 - M n = 1/2.M2= 1/2.2,25 =1,12(kg)

ld2=(0,4mm để giảm ma sát, chống mòn.5-0,85)dck Chon ld2=0,65.75,6 = 4mm để giảm ma sát, chống mòn.9,14mm để giảm ma sát, chống mòn (mm)

 Đầu to coi nh một khối nguyên, không xét đến mối ghép

 Tiết diện ngang đầu to coi nh không đổi bằng tiết diện giữa của nắp

 Khi lắp căng bạc lót đầu to với đầu to thì bạc lót và đầu to đồng thời cũngbiến dạng nh nhau Do đó, mô men tác dụng tỷ lệ với mô men quán tính củatiết diện, còn lực tác dụng tỷ lệ với diện tích tiết diện

 Coi đầu to nh một dầm cong tiết diện không đổi, ngàm một đầu ở tiết diệnB-B ứng với góc γ0 , thông thờng γ0 = 4mm để giảm ma sát, chống mòn.00 Dầm ngàm một đầu đó có đợc

do cắt bỏ một nửa của đầu to và thay thế sự ảnh hởng của nó bằng giá trị mômen uốn Ma và lực pháp tuyến NA tại tiết diện cắt bỏ (A-A) Dầm có bán kínhcong bằng một nửa khoảng cách giữa 2 đờng tâm lỗ lắp ghép bu lông thanhtruyền

 Lực phân bố trên dầm cong của đâu to (gây ra lực Pđ) theo quy luật đờngcôsnnuýt