Tính toán kiểm nghiệm bền cho piston

Các dạng đỉnh piston của động cơ xăng và động cơ điêzel thường dùng giới thiệu trên hình 1.1.. Loại đỉnh lồi thường dùng cho động cơ xăng có buồng cháychỏm cầu, xupáp treo như động cơ Cr

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN ……… ………….………

……… ………….………

……… ………….………

……… ………….………

……… ………….………

……… ………….………

……… ………….………

……… ………….………

……… ………….………

……… ………….………

……… ………….………

……… ………….………

……… ………….………

……… ………….………

……… ………….………

……… ………….………

……… ………….………

……… ………….………

……… ………….………

……… ………….………

……… ………….………

……… ………….………

……… ………….………

……… ………….………

LỜI NÓI ĐẦU

Ngành công nghiệp ôtô hiện nay đang phát triển mạnh, nó là một ngành côngnghiệp có vai trò quan trọng trong nền kinh tế của một đất nước Chính vì vậy việc đào tạo

kỹ sư trong nghành cũng hết sức quan trọng trong khi đó môn học “lý thuyết ôtô” chiếm vitrí quan trọng trong trương trình đào tạo kỹ sư nghành ôtô máy kéo Môn học “lý thuyếtôtô” cung cấp cho sinh viên những kiến thức cơ bản thuộc lĩnh vực lý thuyết ôtô, liên quanđến sự phát triển của nghành ôtô trong sự đổi mới của đất nước hiện nay Đồng thời cũng

đề cập đến các vấn đề liên quan đến sự phát triển kỹ thuật mới của ngành ôtô trên thế giớihiện nay

Nhận thấy tầm quan trọng và cần thiết của môn học này nên khoa động lực củatrường ĐHSPKT Hưng Yên đã giao cho các sinh viên của mình nhiệm vụ làm đồ án tínhtoán thiết kế ôtô về “lý thuyết ôtô” việc tính toán thiết kế lý thuyết ôtô đã giúp các sinhviên hiểu rõ hơn và sâu sắc hơn về các bộ phận chi tiết của ôtô điều đó đảm bảo cho sự antoàn khi xe chuyển động, sự tiết kiệm nhiên liệu hay tính kinh tế khi vận hành được dễdàng hơn

Em xin cám ơn khoa động lực của trường ĐHSPKT Hưng Yên và đặc biệt là thầyKhổng Văn Nguyên đã giúp đỡ và chỉ bảo tận tình cho em hoàn thành bản thiết kế đồ án

môn học về “Tính toán kiểm nghiệm bền cho piston” sau đây là bản thiết kế đồ án của

em

Em chân thành cảm ơn!

Hưng Yên; ngày tháng … năm, 2012

Sinh viên thực hiện

Phạm Hữu Tài

MỤC LỤC trang Lời nói đầu……… ……… 3

Phần I: Mô tả chung về Piston, chốt Piston và Xec măng……… …… 4

1.1 Piston……… 4

1.1.1 Nhiệm vụ……… 4

1.1.2 Điều kiệm làm việc……… 4

1.1.3 Vật liệu chế tạo Piston……….… 5

1.1.4 kết cấu của Piston……… … 6

1.2 Chốt Piston……… 10

1.2.1.Nhiệmvụ……… …….10

1.2.2 Điều kiện làm việc……… …10

1.2.3 Vật liệu chế tạo……… ….10

1.2.4 Kết cấu và các kiểu lắp ghép chốt piston……… … 10

1.3 Xéc măng……… ….12

1.3.1 Nhiệm vụ……… … 12

1.3.2 Điều kiện làm việc của xéc măng……… 12

1.3.3 Vật liệu và công nghệ chế tạo phôi xéc măng……… …… 12

1.3.4 Kết cấu của xéc măng……… ……14

Phần II: Xác định các thông số cần thiết 2.1 Thông số ban đầu, thông số chọn của piston và xécmăng……… 16

Phần II: Tính toán kiểm nghiệm bền cho Piston……… ………… …….18

3.1 Tính sức bền của đỉnh piston………,,……… … 18

3.2 Tính toán sức bền đầu Piston……… ……… ……….21

3.3 Tính sức bền của thân Piston……… …… 24

3.4 Tính sức bền bệ chốt Piston……… ………… 25

3.5 Tính khe hở giữa Piston và xilanh……… …………26

Phần kết luận……… …… 27

Tài liệu tham khảo……… …… 28

để nén hỗn hợp khí- nhiên liệu Ngoài ra ở môt số động cơ hai kỳ, píston còn có nhiệm vụđóng mở các cửa nạp và thải của cơ cấu phối khí

1.1.2 Điều kiện làm việc:

Do điều kiện làm việc của piston rất khắc nghiệt, cụ thể là:

a Tải trọng cơ học lớn và có chu kỳ

do lực khí thể Pz và lực quán tính Pj gây nên áp suất khí thể tăng đột ngột Pz=10 ÷ 12 (MPa) Các lực này biến thiên theo chu kỳ nên gây ra va đập dữ dội của các chi tiết máy, của nhóm piston,xilanh thanh truyền, làm cho piston bị biến dạng và gây hỏng

b Tải trọng nhiệt

Do tiếp xúc với nhiệt độ ở quá trình cháy đạt 27000C K và gây ra tác hại sau:

- Gây ra ứng suất nhiệt lớn làm rạn nứt cục bộ, giảm độ bền của piston

- Gây ra biến dạng làm piston bị bó kẹt trong xilanh và tăng ma sát giữa piston

và xilanh

- Giảm hệ số nạp làm giảm công suất động cơ

- Dầu nhờn chóng bị phân hủy

- Động cơ xăng gây ra hiện tượng cháy sớm và cháy kích nổ

c Ma sát và ăn mòn hoá học

Piston làm việc thường ở trạng thái nửa khô, thiếu dầu bôi trơn nên ma sát lớn Ngoài

ra đỉnh piston luôn tiếp xúc với khí cháy nên bị ăn mòn hóa học bởi các thành phần sinh ra trong quá trình cháy Do vậy yêu cầu khi thiết kế piston cần đảm bảo:

- Dạng piston tạo thành buồng cháy tốt nhất

1.1.3 Vật liệu chế tạo piston:

Vật liệu chế tạo piston phải đảm bảo cho piston làm việc ổn định và lâu dài trongnhững điều kiện làm viêc khắc nghiệt đã nêu trên Trong thực tế một số vật liệu sau đâyđược dùng để chế tạo piston:

-Gang: Thường dùng gang xám, gang dẻo, gang cầu Gang có sức bền nhiệt và bền

cơ học khá cao, hệ số giãn dài nhỏ nên khó bị bó kẹt, dễ chế tạo và rẻ Tuy nhiên gang rấtnặng nên lực quán tính của piston lớn do đó gang chỉ dùng ở những động cơ tốc độ thấp.Mặt khác hệ số dẫn nhiệt của gang nhỏ nên nhiệt độ đỉnh piston cao

-Hợp kim nhôm: hợp kim nhôm có nhiều ưu điểm như nhẹ, hệ số dẫn nhiệt lớn, hệ

số ma sát với gang nhỏ, dễ đúc, dễ gia công nên được dùng khá phổ biến để chế tạo piston.Tuy nhiên hợp kim nhôm có hệ số giãn nở dài lớn nên khe hở giữa piston và xylanh phảilớn để tránh bó kẹt Do đó lọt khí nhiều từ buồng cháy xuống hộp trục khuỷu, động cơ khókhởi động và có tiếng gõ khi piston đổi chiều

-Ở nhiệt độ cao sức bền của pittông giảm khá nhiều Ví dụ khi nhiệt độ tăng từ

1.1.4 Kết cấu của piston

Pittông gồm có 4 phần chính:

Hình 1.1: Sơ đồ kết cấu piston.

a Đỉnh piston : Là phần trên cùng của piston, cùng với xylanh và nắp xylanh tạo thành

buồng cháy

Các dạng đỉnh piston của động cơ xăng và động cơ điêzel thường dùng giới thiệu

trên hình 1.1 Có thể chia dạng đỉnh thành 3 loại lớn: đỉnh bằng, đỉnh lồi và đỉnh lõm.

Hình 1.2: Các dạng đỉnh piston

- Đỉnh bằng (hình 1.2 a) là loại rất phổ biến Nó có diện tích chịu nhiệt bé nhất, kết cấu

đơn giản, dễ chế tạo Loại đỉnh này hay dùng cho piston động cơ xăng có tỷ số nén thấp vàđộng cơ điezel có buồng cháy dự bị hoặc xoáy lốc

a b c

d e f

g h i

- Đỉnh lồi (hình 1.2 b) Có độ cứng vững cao, không cần gân tăng bền dưới đỉnh nên

trọng lượng của piston nhỏ hơn nhưng diện tích chịu nhiệt lớn nên nhiệt độ của đỉnhthường cao hơn đỉnh bằng Loại đỉnh lồi thường dùng cho động cơ xăng có buồng cháychỏm cầu, xupáp treo (như động cơ Craysow, plinut…) và trong các động cơ xăng hai kỳcông suất nhỏ như PD-10, Solex…

- Đỉnh lõm (hình 1.2 d), có thể tạo xoáy lốc nhẹ, tạo thuận lợi cho quá trình hình thành

khí hỗn hợp và cháy Tuy nhiên sức bền kém và diện tích chịu nhiệt lớn hơn so với đỉnhbằng Loại đỉnh này dùng cho cả động cơ xăng và động cơ diesel

- Đỉnh chứa buồng cháy là loại đỉnh thường gặp trong động cơ diesel Đối với động cơdiesel có buồng cháy trên đỉnh piston, kết cấu buồng cháy phải thoả mãn điều kiện sau đâytùy trường hợp cụ thể:

+Phải phù hợp với hình dạng buồng cháy và hướng của chùm tia nhiên liệu

+Động cơ xăng: 3 – 4 xécmăng khí, 1 – 2 xécmăng dầu

+Động cơ diesel cao tốc: 3 – 6 xécmăng khí, 1 – 4 xécmăng dầu

+Động cơ diesel tốc độ thấp: 5 – 7 xécmăng khí, 1 – 4 xécmăng dầu

- Tản nhiệt tốt cho xécmăng vì phần lớn nhiệt của piston truyền qua xécmăng choxylanh đến môi chất làm mát Để tản nhiệt tốt cho piston thường dùng các kết cấu đầupiston sau:

- Phần chuyển tiếp giữa đỉnh và đầu có bán kính R lớn

- Dùng gân tản nhiệt ở dưới đỉnh piston

- Tạo rãnh ngăn nhiệt ở đầu piston để giảm nhiệt lượng truyền cho xécmăngthứ nhất

- Làm mát đỉnh piston

Hình 1.3:Rãnh ngăn nhiệt ở phần dầu piston

- Vấn đề sức bền: Tăng bền cho phần đầu piston chủ yếu bằng các gândưới đỉnh và gân nối liền với bệ chốt, cần phải lựa chọn kiểu gân hợp lý để dễ thao tác khiđúc piston

c Thân piston

Tác dụng của thân piston là dẫn hướng cho piston chuyển động tịnh tiến theophương đường tâm xylanh và chịu lực ngang N Khi thiết kế phần thân piston thường phảigiải quyết những vấn đề sau:

+ Chiều dài của thân piston

Chiều dài của thân piston được quyết định bởi điều kiện áp suất tiếp xúc, do lựcngang N gây ra, phải nhỏ hơn áp suất tiếp xúc cho phép

+ Vị trí của lỗ bệ chốt

+ Vị trí tâm chốt được bố trí sao cho piston và xylanh mòn đều, đồng thời giảm

va đập và gõ khi piston đổi chiều Một số động cơ có tâm chốt lệch với tâm xylanh một giátrị về phía nào đó sao cho lực ngang Nmax giảm để hai bên chịu lực N của piston và xylanhmòn đều

b

Trạng thái biến dạng của piston giới thiệu trên hình 1.4.

Hình 1.4: Trạng thái biến dạng của chốt piston.

Hình 1.4.a là trạng thái biến dạng của thân piston khi chịu nhiệt độ cao Do kim loại

tập trung ở phần bệ chốt nên khi chịu nhiệt thân piston giãn nở theo đường tâm chốt

Hình 1.4.b là trạng thái biến dạng của thân piston khi piston chịu lực khí thể Áp

suất khí thể uốn cong đỉnh làm thân bị biến dạng cũng theo phương đường tâm chốt

Hình 1.4.c là trạng thái biến dạng của piston khi thân chịu tác động của lực ngang

Chiều biến dạng trùng với phương đường tâm chốt

Để khắc phục tình trạng bó piston người ta thường dùng các biện pháp thiết kế sau:

- Chế tạo thân piston có dạng ô van, trục ngắn trùng với phương đường tâm chốt

- Tiện vát hoặc đúc lõm ở hai đầu bệ chốt chỉ để lại một cunng khoảng 900 100 0

để chịu lực mà không ảnh hưởng nhiều đến phân bố lực

-Xẻ các rãnh chữ T, chữ U ngược hoặc rãnh ngang trong rãnh xéc măng dầu

- Đúc gắn miếng hợp kim vào vùng bệ chốt để hạn chế giãn nở của vùng bệ chốt

Do trạng thái nhiệt của piston giảm dần từ phía đỉnh xuống đến chân piston nên khe

hở giữa piston và xylanh cũng giảm dần

d Chân piston

Chân piston thường có vành đai để tăng độ cứng vững của vùng mặt trụ ở vành đainày thường là chuẩn công nghệ khi gia công piston và là nơi điều chỉnh trọng lượng củapiston khi phân nhóm lắp ráp Sai lệch về trọng lượng của các piston trong cùng một nhómkhông vượt quá (0.20.6)% đối với động cơ ô tô

a b c

N

1.2.2 Điều kiện làm việc

Chốt piston chịu lực va đập, tuần hoàn, nhiệt độ cao và điều kiện bôi trơn khó khăn

1.2.3 Vật liệu chế tạo

Để đảm bảo độ tin cậy cao, người ta thường dùng các loại thép hợp kim thành phầncác bon thấp để chế tạo chốt piston như: 20Cr; 15CrM; 18CrNiM… Để tăng độ cứng vữngcho bề mặt, tăng sức bền mỏi chốt được thấm than, xianua hoá, hoặc tôi cao tần và được

- Mặt trong có dạng hình trụ (hình 1.5a) có ưu điểm là dễ chế tạo nhưng vật liệu

phân bố lại không hợp lý, trọng lượng lớn

- Mặt trong có dạng côn (như hình 1.5b, c, d, e) tuy có kết cấu phức tạp nhưng chốt

nhẹ và có sức bền đồng đều hơn Vì vậy các loại chốt này thường được dùng trên các động

e

cơ cao tốc Kích thước đường kính ngoài của chốt phải thiết kế theo hệ trục để việc lắpghép đạt yêu cầu kỹ thuật, đảm bảo được khe hở lắp ghép với bệ chốt và khe hở lắp ráp vớiđầu nhỏ thanh truyền

*Cố định chốt trên đầu nhỏ thanh truyền (Hình 1.6a)

Khi đó chốt phải được lắp tự do trên bệ chốt Do không phải giải quyết vấn đề bôi trơncủa mối ghép với thanh truyền nên có thể thu hẹp bề rộng đầu thanh truyền và như vậytăng được chiều dài bệ chốt, giảm được áp suất tiếp xúc mòn tại đây

* Cố định chốt piston trên bệ chốt (hình 1.6b)

Khi đó chốt phải được lắp tự do trên thanh truyền Cũng giống như phương pháp trên

do không phải giải quyết vấn đề bôi trơn cho bệ chốt nên có thể rút ngắn chiều dài của bệ

để tăng chiều rộng đầu nhỏ thanh truyền, giảm được áp suất tiếp xúc của mối ghép này.Tuy nhiên mặt phẳng chịu lực của chốt ít thay đổi nên tính chịu mỏi của chốt kém

* Lắp tự do ở cả hai mối ghép (hình1 6c)

- Khi lắp ráp, mối ghép giữa chốt và bạc đầu nhỏ thanh truyền là mối ghép lỏng, cònmối ghép với bệ chốt piston là mối ghép trung gian có độ dôi 0,01  0,02(mm) đối vớiđộng cơ ô tô Trong qúa trình làm việc do nhiệt độ cao, piston làm bằng hợp kim nhôm

a b c

c

giãn nở nhiều hơn chốt piston nên chốt pittông có thể tự xoay Khi đó mặt phẳng chịu lựcthay đổi nên chốt piston mòn đều hơn và chịu mỏi tốt hơn Vì vậy phương pháp này đượcdùng khá phổ biến hiện nay Tuy nhiên phải giải quyết vấn đề bôi trơn ở cả hai mối ghép

và phải có kết cấu hạn chế di chuyển dọc trục của chốt, thông thường dùng vòng hãm hoặcnút kim loại mềm có mặt cầu

- Do mối ghép động nên phải giải quyết vấn đề bôi trơn cho các mối ghép này bằngcách khoan lỗ để dẫn dầu cho xéc măng dầu gạt về hoặc khoan lỗ hứng dầu Đối với thanhtruyền, để bôi trơn người ta có thể dùng lỗ hứng dầu hoặc bôi trơn cưỡng bức kết hợp vớilàm mát đỉnh piston bằng dầu có áp suất cao dẫn từ trục khuỷu dọc theo thân thanh truyền

1.3 XÐc măng

1.3.1 Nhiệm vụ

Như đã trình bày ở phần đầu piston, xéc măng khí làm nhiệm vụ bao kín tránh lọt khícòn xécmăng dầu ngăn dầu bôi trơn từ hộp trục khuỷu sục lên buồng cháy

1.3.2.Điều kiện làm việc của xéc măng

Cũng như píttông xécmăng chịu tải trọng cơ học lớn, nhất là xécmăng đầu tiên Ngoài

ra xécmăng còn chịu lực quán tính lớn có chu kỳ và va đập Đồng thời phải kể đến nhiệt độcao, ma sát lớn, ăn mòn hoá học và ứng suất uốn ban đầu khi lắp xécmăng vào rãnh piston

1.3.3.Vật liệu và công nghệ chế tạo phôi xécmăng

Do điều kiện làm việc của xécmăng rất khắc nhiệt, nên vật liệu chế tạo xécmăng là

loại gang xám pha hợp kim, như niken, molipden, crôm, vôphram…Nhất là xécmăng khíđầu tiên, được mạ crôm xốp có chiều dầy từ 0,03 0,06 (mm), có thể tăng tuổi thọ củaxécmăng này lên 3  3,5 lần

1.3.4.Kết cấu của xécmăng

Xécmăng có kết cấu rất đơn giản Nó có dạng một vòng tròn hở miệng như hình vẽ Kết cấu của xécmăng được đặc trưng bằng kết cấu của tết diện và miệng xécmăng

a.Xécmăng khí

Xécmăng khí có nhiệm vụ bao kín buồng cháy ngăn không cho khí cháy lọt xuống các

te Các tiết diện thường dùng giới thiệu như trên hình vẽ:

Hình 1.7: Kết cấu xéc măng khí

- Loại tiết diện hình chữ nhật(hình 1.7 i): Là loại thông dụng nhất vì đơn giản nhất,

dễ chế tạo, nhưng có áp suất riêng không lớn, thời gian rà khít với xylanh sau khi lắp lâu trọng lượng xéc măng cao

- Loại có mặt côn  (hình 1.7b) có áp suất tiếp xúc lớn và có thể rà khít nhanh

chóng vớí xylanh, tuy nhiên chế tạo phức tạp và phải đánh dấu khi lắp sao cho khi piston

đi xuống sẽ có tác dụng như một lưỡi cạo để gạt dầu

-Loại xécmăng có tiết diện hình thang –vát (hình 1.7 g), có tác dụng giũ muội than

khi xécmăng co bóp do đường kính xylanh không hoàn toàn đồng đều theo phương dọc trục, do đó tránh được hiện tượng bó kẹt

-Loại xécmăng có tiết diện phức tạp là loại tổng hợp những ưu điểm của các loại tiếtdiện, tuy nhiên loại này rất khó gia công

Về kết cấu miệng của xécmăng, loại thẳng(hình 1.7.d) dễ chế tạo nhưng dễ lọt khí và sục dầu qua miệng Loại vát( hình 1.7.e) có thể khắc phục phần nào nhược điểm trên Loại bậc ( hình 1.7f) bao kín tốt nhưng khó chế tạo.

b.Xécmăng dầu và vấn đề ngăn dầu nhờn sục vào buồng cháy

Trong quá trình làm việc của động cơ đốt trong, xécmăng khí dù tốt đến mấy cũng

không thể ngăn được dầu nhờn sục vào buồng cháy của động cơ Đó là vì xécmăng khí đã

có tác dụng “ bơm dầu” vào buồng cháy Sơ đồ nguyên lý tác dụng bơm dầu của xécmăng khí như hình vẽ:

Hình1.8: Tác dụng bơm dầu của xécmăng khí

1:Piston; 2:Xy lanh; 3Xécmăng

Từ hình vẽ ta thấy khi piston đi xuống, xécmăng vét dầu tụ vào trong rãnh xécmăng.Khi piston đổi chiều, đi lên xécmăng khí tiếp xúc với mặt rãnh phía dưới, dồn dầu đi lên phía trên Khi piston đi xuống lần thứ hai, xécmăng lại tiếp xúc với mặt rãnh trên, ép số dầu trong rãnh đi lên Cứ như thế dầu nhờn đi dần vào buồng cháy gây lên hiện tượng sục dầu

để ngăn không cho dầu nhờn sục vào buồng cháy, phải dùng xécmăng dầu để gạt dầu trở về các te, chỉ phân bố trên mặt gương xylanh một lớp dầu mỏng

Kết cấu của xécmăng dầu như hình vẽ:

Hình 1.9: Kết cấu xéc măng dầu

- Các loại tiết diện có mặt côn, lưỡi dao đều có áp suất tác dụng trên mặt gương xylanh rất lớn(4÷6 at hoặc cao hơn) Rãnh lắp xécmăng dầu trên pittông phải có lỗ thoát dầu

- Các xécmăng dầu tiết diện hình thang có mặt côn hoặc dạng lưỡi dao vét dầu qua

lỗ thoát dầu phía dưới rãnh Các loại xécmăng dầu tổ hợp cũng thoát dầu bằng các lỗ thoát khoan bên trong rãnh xécmăng dầu

PHẦN II XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CẦN THIẾT

2.1 Thông số ban đầu, thông số chọn và thông số tham khảo của piston, chốt piston

và xéc măng.

Các thông số ban đầu (dựa theo tài liệu tính toán ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG phần II )

stt Thông số ban đầu Công thức tính toán Kết quả

b.Các thông số chọn cơ bản của piston, chốt và xéc măng

Stt Các thông số chọn Công thức tính toán Lựa chọn

1 Chiều dầy đỉnh píton  = (0,1÷0,2)D

024 , 0 012 , 0 12 , 0 ) 2 , 0 1 , 0

h = H- 0,04= 0.15- 0.04

0,090 m 0,060 m