Tính toán và thiết kế ô tô về nhóm piston ( bản vẽ + thuyết minh)

Bảng thông số kích thước cơ bảncủa piston, chốt piston, xéc măng2 Khoảng cách từ đỉnh piston đến xéc măng khí thứ nhất 5 Vị trí của chốt piston đến chân piston H-h 55 mm Phần 3 Tính toá

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

Chọn kích thước cơ bản của piston, chốt piston, xéc măng theo bảng 16 /Trang 51[I]

- Chiều dày đỉnh piston:

δ=(0,1÷0,2).D D =(0,1÷0,2).D D=(0,1÷0,2).D 105=10,5 21 (mm) Chọn =15 (mm)

- Khoảng cách C từ đỉnh piston đến xéc măng khí thứ nhất:

C (1÷2).D δ =(1÷2).D 15=15 30 (mm) Chọn =20 (mm)

- Chiều dày S của phần đầu:

S (0,05÷0,1).D D

S (0,05÷0,1).D 105=5,25 10,5 (mm) Chọn =10,5 (mm)

- Chiều cao H của piston:

H (1,0÷1,6).D D

H (1,0÷1,6).D 105=105 168 (mm) Chọn H=125 (mm)

- Vị trí của chốt piston (đến chân piston H-h:

H-h (0,5 1,2).D D H-h (0,5 1,2).D 105=52,5 126 (mm) Chọn -h=55 (mm)

 h=70 (mm)

- Đường kích chốt piston dcp :

dcp (0,3÷0,45).D D

(0,3÷0,45).D 105=31,5 47,25 (mm) Chọn dcp=35 (mm)

- Đường kính bệ chốt db :

db =(1,3÷1,6).D dcp

db =(1,3÷1,6).D 35=45,5 56 (mm) Chọn db=46 (mm)

- Đường kính lỗ chốt d0

d0 =(0,6÷0,8).D dch

d0 =(0,6÷0,8).D 35=21 28 (mm)

Để đảm bảo điều kiện bền chọn d0 =14 (mm)

- Chiều dày phần thân s1 :

s1=(2 5) (mm) Chọn s1=5 (mm)

- Số xéc măng khí:

=3 4 Chọn số xéc măng khí =3

- Chiều dày hướng kính t của xéc măng khí:

= 105=4,77 4,2 (mm) Chọn t=4,2 (mm)

- Chiều cao a của xéc măng khí:

a=2,2 4 (mm) Chọn a=2,5 (mm)

- Số xéc măng dầu:

=1 3 Chọn số xéc măng dầu =1

- Chiều dày bờ rãnh xéc măng a1 :

a1 a

Chọn a1=2,5mm

- Chiều dài chốt piston lcp :

lcp=(0,8 0,9)D =(0,8 0,9)105=84 94,5 (mm) Chọn chiều dài chốt piston lcp =90 (mm)

- Chiều dài đầu nhỏ thanh truyền lđ:

lđ=(0,33 0,45)D

=(0,33 0,45)105=34,65 47,25 (mm) Chọn chiều dài đầu nhỏ thanh truyền lđ=35 (mm)

Bảng thông số kích thước cơ bảncủa piston, chốt piston, xéc măng

2 Khoảng cách từ đỉnh piston đến xéc

măng khí thứ nhất

5 Vị trí của chốt piston (đến chân piston ) H-h 55 mm

Phần 3 Tính toán kiểm nghiệm bền nhóm piston

3.1 Tính kiểm nghiệm piston

3.1.1 Tính kiểm nghiệm bền đỉnh piston

Trong thực thế việc kiểm nghiệm chính xác đỉnh piston khá khó khăn.D Để đơn giản trong tính toán ta kiểm nghiệm đỉnh piston với những giả thiết nhất định.D

Áp dụng công thức Back để kiểm nghiệm cho piston với giả thiết:

-Coi đỉnh piston một đĩa tròn có chiều dày đồng đều đặt tự do trên một trụ rỗng

-Coi áp suất khí thể pz phân bố đều trên đỉnh (hình ).D

Lực khí thể Pz=pz.D Fp và phản lực của nó gây uốn đỉnh piston tại tiết diện x-x

Tính lực khí thể lớn nhất tác dụng lên piston:

Pzmax=pzmax.D Fp

Trong đó: pzmax- áp suất khí thể lớn nhất

Fp-diện tích đỉnh piston,được tính theo công thức :

=> lực khí thể lớn nhất tác dụng lên piston:

Pzmax = pzmax.D =8,1.D =0,07 01 (MN/m2 )

*Trên nửa piston có những lực tác dụng sau đây:

-Lực khí thể .D Lực này tác dụng lên trong tâm của nửa hình tròn các trục x-x một đoạn : 0,0223 (m)

-Phản lực khí thể phân bố trên nử đường tròn đường kính Di,cũng có trị

số bằng ,tác dụng tại trong tâm của nửa đường tròn,cách trục x-x một đoạn Coi Di xấp xỉ bằng D ta có:

0,0034 (m)

Do đó đỉnh chịu mô men uốn:

3,9070.D 10-4 (MN.D m)

Mô đun chống uốn của đỉnh :

(m3 )

Ứng suất uốn của đỉnh piston:

99,2250 (MN/m2 )

Với piston gang đỉnh có gân: [σu ] 90 200 (MN/m2)

Ta có σu=99,2250 MN/m2 <[σu ]

Vậy đỉnh piston đảm bảo điều kiện bền

3.1.2.Tính kiểm nghiệm bền đầu piston

Tiết diện I-I trên hình vẽ là tiết diện suy yếu nhất của đầu piston (tiết diện này cắt ngang qua rãnh của xécmăng dầu).D Tiết diện này chịu kéo bởi phần khối lượng

I

I

m  phía trên nó và chịu nén bởi lực khí thể trong quá trình cháy, giãn nở.D Vì vậy, để kiểm tra xem

đầu Piston có đảm bảo bền hay không ta cần phải xác định được ứng suất kéo và ứng suất nén tại tiết diện I-I

a.D Ứng suất kéo k :

Theo công thức 10-5/Trang 54 [I] ta có

(MN/m2 )

Trong đó: mI-I là khối lượng phía trên tiết diện I-I (kg)

jmax là gia tốc lớn nhất của piston (m/s2 )

FI-I là diện tích tiết diện I-I (m2 )

Tính khối lượng mI-I phía trên tiết diện I-I:

Áp dụng công thức:

mI-I = D V

Trong đó:

 là khối lượng riêng vật liệu làm piston, với piston làm bằng nhôm ta chọn

 = 7 kg/dm3= 7.D 10 3 (kg/m3)

V là thể tích phần đầu piston phía trên mặt cắt I-I : V = V1  V2  V3

Trong đó: V1là thể tích phần đầu piston phía trên mặt cắt I-I coi là đặc

2 3 3 ( 4

2 1

2 1

a a a C

D

2

004 , 0 0025 , 0 D 3 0025 , 0 D 3 02 , 0 ( 4

) 105 , 0 D ( 14 ,











V 2 là thể tích phần rỗng của đầu piston phía trên mặt cắt I-I

d1 D 2t  0 , 105  2 D 0 , 0042  0 , 0966 (m)

d2 d1  2S  0 , 105  2 D 0 , 0105  0 , 0756 (m)

2 3 3 ( 4

1

2 2

a a C

d V

5 2

2

004 , 0 0025 , 0 D 3 0025 , 0 D 3 02 , 0 ( 4

) 0756 , 0 D ( 14

,













3

V là thể tích phần rãnh xecmăng phía trên mặt cắt I-I

(m3 )

(m3 ) Thể tích phần đầu piston là:

V=V1- V1- V1

=3,2038.D 10-4 -9,8754.D 10 -5 - =2,0899.D 10-4 (m3) Khối lượng phần đầu piston là:

mI-I = D V (kg)

=7.D 103 D 2,0899.D 10-4 =1,463 (kg)

Tính diện tíchF II của tiết diện I-I

Áp dụng công thức:

0028 , 0 ) 0756 , 0 0966 , 0 ( 4

14 , 3 ) (

4

2 2

2 2 2



Tính gia tốc lớn nhất của piston

Áp dụng công thức:

 2 D cos D cos 2



R J

Trong đó:

R là bán kính quay của trục khuỷu (mm), R = 0.D 13/2 =0,0650 (m)

l=0,22

 là thông số kết cấu: λ=R/l =0,0650/0,22=0,2955(m)

 là vận tốc góc của pittông (rad/s) được xác định theo công thức

) / ( 8554 , 240 60

2300 D 14 , 3 D 2 60

.D D 2

s rad

n















Từ biểu thức tính gia tốc J ta nhận thấy J đạt giá trị cực đại khi

1 cos

 D Khi đó ta có:

) 1 ( D 2 max R  

J

8 , 4884 )

2955 , 0 1 ( 8554 , 240 D

J (m/s2 ) Ứng suất kéo sinh ra áp dụng theeo công thức 10.D 5(I)

0 , 0028 2516200

8 , 4884 D 463 , 1 D max













I I

I I k

F

J m

Nhận xét thấy k  2 , 5162 (MN/m2 )  k  10 (MN/m2 )  đầu piston thỏa mãn về sức bền kéo.D

Ứng suất nén:

Ứng suất nén tiết diện I-I được xác định theo công thức 10.D 6(I)

24 , 6951

0028 , 0

0701 D 0





I I

z

P

Đối với piston làm bằng gang ta có n  24 , 6951 (MN/m2 )  n  n  25 (MN/m2 )

vậy đầu piston thỏa mãn điều kiện chịu nén.D

3.2.3 Tính sức bền thân piston

Để kiểm tra xem thân piston có đảm bảo bền không ta cần phải tính được áp suất nén của thân piston lên vách xylanh sau đó so sánh với áp suất nén cho phép.D

Áp dụng công thức: (10-7/55 I)

, ( / )

.D

2

l D

N K

th

th 

Trong đó: K th là áp suất tác dụng lên vách xylanh

l thlà chiều dài thân piston

0860 , 0 ) 004 , 0 0025 , 0 D 3 0025 , 0 D 3 020 , 0 ( 125

,

0

) 3

3

























th

th

l

a a a C

H

l

.D (m) max

N là lực ngang cực đại được tính theo công thức

Nmax =(0,8 1,3)Pzmax.D Fp , (MN)

Chọn Nmax=1,3.D Pzmax.D Fp =1,3.D 0.D 0701.D 0.D 0087

=0,0316MN

(MN/m2 )

Nhận xét thấyK th<K th = 0,3 0,5.D Vậy thân Piston đảm bảo bền.D

3.1.4 Tính sức bền bệ chốt piston

Đối với bệ chốt Piston ta cần tính áp suất nén để kiểm tra xem có đảm bảo điều kiện bôi trơn không.D

Áp suất nén trên bệ chốt Piston được xác định theo công thức: 10-8 (I)

1

.D D

2d l

P K

ch

z

b  (MN/m2)

Trong đó:

d chlà đường kính ngoài của chốt Piston, d ch= 0,035 (m)

l1 là chiều dài bệ chốt tiếp xúc với chốt: 0 , 03

3

09 , 0 3

1 l cp  

33 , 3991

03 , 0 D 035 , 0 D 2

0701 D 0





b

K (MN/m2)

Đối với chốt lắp cố định, Piston làm gang ta có[Kb ]=20 40 (MN/m2) nhận xét thấy K b  33 , 3991 (MN/m2 ) K b bệ chốt Piston đảm bảo bền.D

3.1.5 Tính khe hở giữa piston và xylanh

Nói chung khe hở liên quan rất nhiều đến khả năng truyền dẫn nhiệt qua vách

xylanh.D

Nếu coi nhiệt độ trung bình của xylanh là 100 0C thì khe hở lắp ráp Piston phải lựa chọn sao cho đỉnh của Piston không vượt quá 3000 C đối với đông cơ xăng.D

Khe hở nóng khi Piston ở trạng thái làm việc xác định theo công thức kinh nghiệm sau đây:    D D

Trong đó :

 là khe hở tương đối của Piston

khe hở giữa Piston và xylanh ở phần đỉnh Piston đ  0 , 002  0 , 0025

đ  đ D D 0 , 002 D 0 , 105  2 , 1 D 10  4 (m)

khe hở giữa Piston và xylanh ở phần thân Piston th  0 , 001  0 , 0015

.D 0 , 001 D 0 , 105 1 , 05 D 10  4









th th D (m)

3.2 Tính kiểm nghiệm chốt piston

Chốt piston làm việc trong trạng thái chịu uốn, chịu cắt, chịu va đập và biến dạng.D Trạng thái chịu lực của chốt trên theo sơ đồ hình

3.2.1 Ứng suất uốn

Nếu coi chốt piston như một dầm đặt tự do trên hai gối đỡ, lực tác dụng có thể phân bố theo hình 3.D 4.D

Khi chịu lực khí thể, chốt bị uốn lớn nhất ở tiết diện giữa chốt.D Mômen uốn chốt có thể xác định theo công thức

Mô dun chống uốn của tiết diện chốt piston bằng:

0,1dcp3(1-α4) (m3) Trong đó:

l - Khoảng cách giữa hai gối đỡ.D m

lđ - Chiều dày đầu nhỏ thanh truyền.D m

dcp - Đường kính chốt piston.D m

d0 - Đường kính lỗ rỗng của chốt m

Nếu coi chiều dài chốt piston lcp 3l1và l1 lđ thì ứng suất uốn có thể tính theo công thức 10-11/Trang 63 [I]

150,3970 (MN/m2 )

Với chốt piston làm bằng vật liệu thép hợp kim có [σu]=150 250 (MN/m2)

Ta có σu=150,3970(MN/m2 )< [σu]

Vậy chốt piston đảm bảo điều kiện bền uốn

3.2.2 Ứng suất cắt

Chốt piston chịu cắt ở tiết diện I-I Ứng suất cắt xác định theo công thức

10-15/Trang63 (I)

(MN/m2)

Trong đó Fcp là tiết diện ngang của chốt ,m

9,6211.D 10-4 (m)

36,45 (MN/m2 ) Với chốt piston làm bằng vật liệu thép hợp kim ta có [ u]=50 60 (MN/m2 )

Ta có: u=36,45MN/m2<[ u] Vậy chốt piston đảm bảo điều kiện bền cắt

3.2.3 Áp suất tiếp xúc với đầu nhỏ thanh truyền

Áp dụng công thức 10-17/Trang 63 (I)

22,26 (MN/m2 )

Đối với chốt lắp tự do [Kđ]=20-35MN/m2

Kđ< [Kđ] Vậy áp suất tiếp xúc thỏa mãn điều kiện

3.2.4 Độ biến dạng tương đối

Khi chịu lực do chốt rỗng,thường bị biến dạng hình ôvan.D Nếu độ biến dạng lớn có thể gây bó kẹt.D

Độ biến dạng trên tiết diện ngang tính theo công thức 10-18/Trang64 (I)

Trong đó:

k-Hệ số hiệu đính xác định theo

k=[1,5-15( -0,4)3] k=1,5

E-Môđun đàn hồi của thép ; E=2.D 105MN/m2

6,6826.D 10-6 (MN/m2 )

Độ biến dạng tương đối tính theoo công thức 10-19/Trang 64 [I]

3.2.5 Ứng suất biến dạng

Do sự biến dạng thành hình ô van nên trong tiết diện piston sản sinh ứng suất biến dạng Trên các điểm 1,2,3,4 có ứng suất lớn nhất

Ứng suất biến dạng được tính theo công thức 10-20, 10-21, 10-22, 10-23/Trang 64,

65 [I]

Tại điểm 1 của mặt ngoaig ( =0 ) ứng suất kéo :

Tại điểm 3 của mặt ngoài ( =90 ) ứng suất nén :

Tại điểm 2 của mặt trong ( =0 ) ứng suất nén :

Tại điểm 4 của mặt trong ( =90 ) ứng suất kéo :

Ta có :[σmax]= 60 170 MN/m2

Theo tính toản ở điểm 2 có ứng suất nén lớn nhất và điểm 4 có ứng suất kéo lớn nhất

σmax= MN/m2<[σmax]=170 MN/m2

Vậy chốt piston đảm bảo điều kiền biến dạng

3.3 Tính kiểm nghiệm xecmăng

Kích thước xéc măng khí có liên quan mật thiết với ứng suất của xéc măng là chiều

dày t

Chiều dày xéc măng t được chuẩn hóa.D Có thể xác định trong phạm vi :

D/t=20 40 và A/t=2,5 4 Trong đó : D- đường kính xylanh

A-độ hở miệng xéc măng ở trạng thái tự do

D=0,105m ; t=0,0042 => D/t=25

Chọn A/t=3,với t=4,2mm => A=12,6 mm=0,0126m

3.3.1 Ứng suất uốn xéc măng ở trạng thái làm việc

Theo công thức 10-35/Tr77 [I] ta có:

(Mn/m2 )

Trong đó:

Cm-hệ số phân bố áp suất không đẳng áp,Cm=1,74-1,87;chọn Cm=1,8

ξ – Hệ số điều chỉnh ξ =0,196

E-mô đun đàn hồi của gang hợp kim E=1,20.D 105MN/m2

σu1=245,2031 MN/m2<[ σu1]=300 400MN/m2

3.3.2 Ứng suất uốn xéc măng khi nắp vào piston

Theo công thức 10-36/Tr77 [I] ta có:

Trong đó:

m-hệ số lắp ghép

m=1 nếu lắp bằng tay

m=2 nếu lắp bằng kìm chuyên dùng

m=3 nếu lắp bằng 3 tấm đệm

σu2= MN/m2<[ σu2]=400 450MN/m2

3.3.3 Ứng suất gia công phôi xéc măng:

σu3=(1,25 1,3)σu1 (MN/m2 )

Chọn σu3=1,25σu1 =306,5038 (MN/m2 )

σu3=306,5038MN/m2<[ σu3]=400MN/m2

3.3.4 Áp suất bình quân trên mặt xéc măng tác dụng lên mặt xy lanh

Theo công thức 10-37/Tr77 [I] ta có:

3.3.5 Quy luật phân bố áp suất không đẳng áp của xéc măng

Dạng đường cong áp suất p= ptb có thể xác định theo hệ sô