Tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu động cơ KAMAZ740

Động học và động lực học cơ cấu khuỷu trục thanh truyền Động cơ đốt trong kiểu Piston thờng có vận tốc lớn nên việc nghiên cứu tính toán động học và động lực học của cơ cấu khuỷu trục t

Lời Nói Đầu

Những năm gần đây, nền kinh tế Việt Nam đang phát triển mạnh Bên cạnh

đó kỹ thuật của nớc ta cũng từng bớc tiến bộ Trong đó phải nói đến ngành động lực

và sản xuất ôtô, chúng ta đã liên doanh với khá nhiều hãng ôtô nổi tiếng trên thế giới , cùng sản xuất và lắp ráp ôtô Để góp phần nâng cao trình độ và kỹ thuật, đội ngũ kỹ thuật của ta phải tự nghiên cứu và chế tạo đó là một yêu cầu cấp thiết Có

nh vậy ngành sản xuất ôtô của ta mới có thể phát triển đợc.

Đây là lần đầu tiên em vận dụng lý thuyết đã học, tự tính toán thiết kế hệ thống nhiên liệu của một động cơ theo số liệu kỹ thuật (động cơ KAMAZ740) Trong quá trình tính toán mặc dù em đã đợc sự giúp đỡ và hớng dẫn rất tận tình của thầy Trần Văn Luận và các thầy trong bộ môn động lực, nhng vì mới lần đầu làm đồ án

về môn học này nên gặp rất nhiều khó khăn và không tránh khỏi sự sai sót, vì vậy

em rất mong đợc sự xem xét và giúp đỡ chỉ bảo của các thầy để bản thân ngày càng

đợc hoàn thiện hơn về kiến thức kỹ thuật.

Qua lần này em đã tự xây dựng cho mình phơng pháp nghiên cứu Rất mong đợc sự giúp đỡ hơn nữa của các thầy.

Sinh viên thực hiện Lê Tú

I Phần A: Vẽ đồ thị công

1 Giới thiệu thông số kỹ thuật động cơ:

Động cơ KAMAZ 740 là loại động cơ diezel đợc lắp trên xe ôtô tải do Liên Xô cũ sản xuất Các xi lanh đợc bố trí thành hình chữ V gồm 8 xi lanh

Đây là động cơ cao tốc và đã sử dụng khá phổ biến ở Việt Nam

Thứ tự làm việc của các xi lanh động cơ là : 1-5-4-2-6-3-7-8

Các số liệu ban đầu của động cơ đợc cho theo bảng sau:

2 Vẽ đồ thị công :

Để vẽ đợc đồ thị công cần phải thực hiện các bớc sau:

 Xây dựng đờng cong áp suất trên đờng nén:

Phơng trình của đờng nén đa biến: 1

n

p 

const

pV 1

 , do đó nếu gọi x là điểm bất kỳ trên đờng nén thì:

1 nx nx 1

c

1

c nx c nx

V V

1 p

p















Đặt i V

V

c

nx  ta có 1c

nx

i

p

p  1

n là chỉ số nén đa biến và đợc xác định thông qua tính toán nhiệt

34 1

1 

n

 Xây dựng đờng cong áp suất trên đờng giãn nở:

Phơng trình của đờng giãn nở đa biến:

const

pV 2

 , do đó nếu gọi x là điểm bất kỳ trên đờng giãn nở thì:

2 gnx gnx 2

z

z V p V

Rút ra:

2

z gnx z gnx

V V

1 p p















Chú ý rằng V  z ρ V c Đặt j

V

V

z

gnx

2 z gnx

j

ρ p

2

n là chỉ số giãn nở đa biến và đợc xác định thông qua tính toán nhiệt

2 1

2 

n

 Lập bảng xác định đờng nén và đờng giản nở:

Bảng số liệu đồ thị cụng

єVcVc єVc 46.3095953 0.085 31.0202761 0.3188796

 Xác định các điểm đặc biệt:

Vẽ hệ trục tọa độ V , p với các tỷ lệ xích:

] [

] [ 0082 , 0

μ

mm

l

] [

] [ 0345 0

mm m

MN

Các điểm đặc biệt đó là:

 rVc,pr: Chọn

] [

] [ 108 ,

m

MN

p r 

] [ 082253 ,



 aVa,pa: Chọn

] [

] [ 085

m

MN

p a 

] [ 439424

 bVb,pb:

] [

] [ 31888 , 0 5 , 17

9 6 ε

1

2 2

, 1

MN p

 l V

V b  a  1 , 439424

 cVc,pc: V c  0 082253 l

] [

] [ 936 , 3 5

, 17 085 , 0

m

MN p

a

 yVc,pz

 zVz,pz: V  z V c

] [

] [ 9 ,

m

MN

p z 

 Nối các điểm trung gian của đờng nén và đờng giãn nở với các điểm đặc biệt,

ta sẽ đợc đồ thị công lý thuyết

 Dùng đồ thị Brich xác định các điểm:

 Đánh lửa sớm (c’)

 Mở sớm (b’), đóng muộn (r’’) thải

 Mở sớm (r’), đóng muộn (a’) nạp

 Hiệu chỉnh đồ thị công:

Xác định các điểm trung gian:

 Trên đoạn cy lấy điểm c ,, với cy

3

1 c

c ,



 Trên đoạn yz lấy điểm z, với yz

2

1

yz , 

 Trên đoạn ba lây điểm b , sao cho ba

2

1

bb ,

 Nối các điểm , , ,

z c

c và đờng giãn nở thành đờng cong liên tục tại ĐCT,

ĐCD và tiếp xúc với đờng thải Ta sẽ nhận đợc đồ thị công đã hiệu chỉnh

3 Động học và động lực học cơ cấu khuỷu trục thanh truyền

Động cơ đốt trong kiểu Piston thờng có vận tốc lớn nên việc nghiên cứu tính toán động học và động lực học của cơ cấu khuỷu trục thanh truyền là cần thiết, để tìm quy luật vận động của chúng và để xác định lực quán tính tác dụng lên các chi tiết trong cơ cấu khuỷu trục thanh truyền nhằm mục đích tính toán cân bằng các chi tiết và tính toán hao mòn động cơ …

3.1 Động học cơ cấu khuỷu trục thanh truyền

Trong động cơ đốt trong kiểu Piston cơ cấu khuỷu trục thanh truyền có 2 loại: loại giao tâm và loại lệch tâm Ta chỉ xét với trờng hợp cơ cấu khuỷu trục thanh truyền giao tâm

Cơ cấu KTTT giao tâm là cơ cấu mà đờng xuyên tâm xy lanh trực giao với đ-ờng tâm trục khuỷu tại 1 điểm

Động cơ KAMAZ 740 là loại động cơ chữ V, dùng loại thanh truyền lắp kế tiếp tức là hai thanh truyền của hai hàng xi lanh giống hệt nhau lắp kế tiếp trên cùng một chốt khuỷu

Với:

 O: Giao điểm của đờng tâm xy lanh và

đ-ờng tâm trục khuỷu

 B: Giao điểm của đờng tâm thanh truyền

và đờng tâm chốt khuỷu

 A: Giao điểm của đờng tâm xy lanh và

đ-ờng tâm chốt khuỷu

 R: Bán kính quay trục khuỷu

 L: Chiều dài thanh truyền

 S: Hành trình của Piston



L

R

λ  : Tham số kết cấu của động cơ

 x: Độ dịch chuyển của Piston tính từ ĐCT

ứng với góc quay trục khuỷu α

 β: Góc lắc của thanh truyền ứng với góc

α [độ]

 ω: Vận tốc góc của trục khuỷu  

s rad

3.1.1 Xác định độ dịch chuyển của piston (x) bằng phơng pháp đồ thị Brich

Theo giải tích chuyển dịch x của piston tính theo công thức:











λ

1 α cos 1

R x

Công thức tính gần đúng giá trị x:

R

4

λ α cos -1 Giá trị A tơng ứng với các trị số của λ và α đợc cho ở bảng phụ lục cuối sách

Phơng pháp đồ thị Brich xác lập đợc mối quan hệ thuận nghịch giữa độ dịch chuyển x của Piston và góc quay α của trục khuỷu

 Cách xây dựng đồ thị:

Chọn tỷ lệ xích  

mm

mm

s 0 , 727

μ  và vẽ nửa đờng tròn tâm O, bán kính là

s

μ

R

có đờng kính AD S R mm

s s

165 μ

2

Điểm A ứng với ĐCT và α  0 o

Điểm D ứng với ĐCD và α  180 o

Từ tâm O lấy về phía ĐCD một đoạn OO R mm

s

312 , 10 μ

λ

Trong đó

R: Bán kính quay của trục khuỷu

: Tham số kết cấu

L: Chiều dài thanh truyền

Từ điểm O kẻ các tia OB ứng với các góc 10o, 20o, 30o,

Từ điểm O’ kẻ các tia O’B’ song song với OB cắt vòng tròn tại B’ Kẻ B’C thẳng góc với AD Theo Brich thì đoạn AC=x(độ dịch chuyển)

Vẽ hệ trục vuông góc Ox ở dới vòng tròn Brich, trục O biểu diễn giá trị góc còn trục Ox biễu diễn khoảng dịch chuyển của Piston Tùy theo các góc 

ta vẽ đợc tơng ứng khoảng dịch chuyển của piston Từ các điểm trên vòng chia Brich ta kẻ các đờng thẳng song song với trục O Và từ các điểm chia (có góc tơng ứng) trên trục O ta vẽ các đờng nằm ngang Các đờng này sẽ cắt nhau tại các điểm 1, 2, 3, , 18 Nối các điểm này lại ta đợc đờng cong biểu diễn độ dịch chuyển x của piston theo 

Chọn tỷ lệ xích s=R=0,727 [độ/mm]

3.1.2 Xác định vận tốc của piston bằng phơng pháp đồ thị

Theo giải tích vận tốc v của piston đợc xác định theo công thức:

B ω R ) α 2 Sin 2

λ α Sin (

ω

R

Trong đó: Sin 2 α

2

λ α Sin

Từ trên ta có:

2

1 v v α Sin ω R α Sin ω R ) α Sin 2

λ α Sin (

ω

R

α Sin ω

R

2

λ ( ω R

v2  Vận tốc trung bình của Piston đợc xác định theo công thức:

30

n

.

S

vtb 

Trong đó: S: Hành trình của Piston

n: Số vòng quay của trục khuỷu [v/ph]

Tỷ số

tb

max

v

v

thờng vào khoảng 1,6

Các bớc tiến hành xây dựng đồ thị:

mm s

m n

s s

v

328 , 190 727 , 0 30

2500 14159 , 3 30 ωμ

Vẽ 1/2 cung tròn tâm O, bán kính 82,53[ ]

727 , 0

60 μ

ω

r

s v









đ-ờng kính AB=S=2r1=165[mm] Sau đó vẽ đờng tròn đồng tâm O bán kính

] 312 10 727 , 0 2

25 , 0 60 2

μ

ωλ

r

s v













Chia 1/2 cung tròn bán kính r1 và vòng tròn bán kính r2 thành 8 phần bằng nhau Nh vậy góc chia của vòng tròn nhỏ gấp đôi vòng tròn lớn

Ta chia vòng tròn lớn làm 18 điểm, mỗi điểm cách nhau 22,5 độ Còn vòng tròn nhỏ chia làm 8 điểm, mỗi điểm cách nhau 45 độ

Từ các điểm trên 1/2 vòng tròn ta kẻ các đờng thẳng thẳng góc với OA, và từ các điểm chia trên vòng tròn nhỏ ta kẻ các đờng song song với bán kính AB Những

đờng này sẽ cắt nhau tại các điểm 0, 1, 2, , 8 Nối các điểm này lại ta đ ợc đờng cong, phần giới hạn của đờng cong này và 1/2 đờng cong lớn gọi là vận tốc của piston

Vẽ tọa độ vuông góc v-s, lấy đoạn OA=2R, trục Ov trùng với trục Ox, trục ngang biễu diễn giá trị S

Từ các điểm chia trên đồ thị ta kẻ các đờng thẳng song song với trục Ov, và cắt

OS các điểm 0, 1, 2, …, 8 Từ điểm này ta đặt các đoạn thẳng trên đồ thị giới hạn vào tốc độ Nối các điểm mút lại ta có đờng cong biễu diễn vận tốc của Piston theo góc 

3.1.3 GiảI gia tốc J bằng đồ thị Tôlê

Các bớc tiến hành nh sau:

Vẽ hệ trục J,s

Lấy đoạn AB trên trục s sao cho AB=s

Tỷ lệ xích s=0.727

Tại A về phía trên ta lấy AC=Jmax với:















2 2

30

2500 14159 , 3 06 , 0 λ 1 ω

s

m R

J













2 2

30

2500 14159 , 3 06 0 λ -1 ω

s

m R

J

Nối CD cắt AB tại E Dựng EF vuông góc về phía dới một đoạn:

] [ 40 μ

λ ω 3

j

R

Nối CF và FD, chia EF và FD làm 4 phần bằng nhau và ghi thứ tự cùng chiều 1,

2, 3, 4 Nối các điểm tơng ứng lại với nhau Ta có đờng cong biễu diễn gia tốc của piston theo vận tốc góc 

3.2 Động lực học cơ cấu khuỷu trục thanh truyền

3.2.1 Khối lợng tham gia chuyển động thẳng

Các chi tiết máy trong cơ cấu khuỷu trục thanh truyền tham gia vào chuyển

động thẳng bao gồm: Các chi tiết trong nhóm Piston và khối lợng nhóm thanh truyền đợc quy về đầu nhỏ thanh truyền Trong quá trình tính toán, xây dựng các

đồ thị đợc tiện lợi, ngời ta thờng tính toán lực quán tính trên một đơn vị diện tích đỉnh Piston (để cùng thứ nguyên với áp suất cháy trong động cơ)

3.2.1.1 Khối lợng nhóm piston

mnp=mp+mc+mx+mh+mg+ … [kg/m2]

Trong đó: mp: Khối lợng piston

mc: Khối lợng chốt piston

mx: Khối lợng xéc măng

mh: Khối lợng vòng hãm

mg: Khối lợng các guốc trợt

Ta có: mnp=3.4[kg]

3.2.1.2 Khối lợng nhóm thanh truyền đợc qui dẫn về đầu nhỏ thanh truyền

Khi tính toán khối lợng thanh truyền trong cơ cấu khuỷu trục thanh truyền, chúng ta phân chia thành nhiều khối lợng tơng đơng để quy dẫn về 2 dạng vận động: vận động thẳng và vận động quay Tùy thuộc vào mức độ chính xác cần thiết, ngời

ta có thể chia nhóm thanh truyền ra 2, 3 hoặc nhiều phần tơng đơng

Trong thực tế, chúng ta có thể tính gần đúng theo các công thức kinh nghiệm sau đây:

Đối với động cơ ôtô máy kéo: m1=(0,275 0,35)mtt

m1=(0,2750,35).Chọn m1 =0,3 Với mtt là khối lợng của thanh truyền

mtt=3,8[kg] do đó m1=0,3.3,8=1,14kg

Nh vậy khối lợng tham gia vào chuyển động thẳng gồm:

m’=m1+mnp [kg]

m’=1,14+3,4=4,54 [kg]

6

4241 , 401 120

π.

10 4 54 , 4 '

m

kg F

m m

p

3.2.2 Khối lợng tham gia vận động quay

Khối lợng tham gia vận động quay trong cơ cấu khuỷu trục thanh truyền gồm:

+ Phần khối lợng nhóm thanh truyền quy dẫn về đầu to

+ Khối lợng khuỷu trục gồm có: Khối lợng chốt khuỷu và khối lợng má khuỷu đợc quy dẫn về tâm chốt khuỷu

mR=m2+mkt.

Trong đó: m2: Khối lợng thanh truyền quy về đầu lớn

m2=(0,65 0,725)mtt=0,71.3,8=2,698[kg]

mkt: Khối lợng khuỷu trục

mkt=mch+2mmR

Với : mch: Khối lợng chốt

mmR:Khối lợng má khuỷu quy về tâm chốt khuỷu

Khối lợng thanh truyền tham gia chuyển động quay trên một đơn vị diện tích đỉnh

120 14159 , 1

4 698 , 2

=238,5556 2

m

kg

3.2.3 Lực quán tính chuyển động thẳng

PJ= - mj = - mR2(cos +cos ) [MN/m2]

Với m = 401,4241 [kg/m2]

Suy ra : PJmax= - 401,4241 Jmax= - 2,122[MN/m2]

Tơng tự ta có: PJmin = - 401,4241 Jmin= - 1,273 [MN/m2]

Đồ thị này vẽ chung với đồ thị công (ta vẽ đồ thị -PJ, có tỷ lệ xích

P=PJ=0,0345 [MN/mm.m2]

3.3 Khai triển các đồ thị

3.3.1 Vẽ và khai triền đồ thị công P-V thành đồ thị thành đồ thị công P-

Vẽ hệ trục vuông góc P- Trục ngang lấy bằng giá trị po Trên trục O- ta chia thành các giá trị góc với các tỷ lệ xích: =2độ/1mm

Sử dụng đồ thị Brich để khai triển đồ thị P-V thành đồ thị p-

Từ các điểm chia trên đồ thị Brich, dóng các đờng thẳng song song với trục OP

và cắt đồ thị công tại các điểm trên các đờng biểu diễn các quá trình nén, giãn nỡ hoặc thải Qua các giao điểm này ta vẽ các đờng ngang song song với trục hoành sang hệ tọa độ P- Từ các điểm chia trên tọa độ O, ta kẻ các đờng thẳng đứng song song với trục Op, những đờng thẳng này cắt các đờng nằm ngang tại các điểm tơng ứng cới các góc chia của đồ thị Brich và phù hợp với các quá trình làm việc của

động cơ

3.3.2 Khai triển đồ thị Pj-V thành P-.

Cách khai triển đồ thị này giống nh cách khai triển đồ thị P-V Tuy vậy, phải cần chú ý đến dấu của lực -PJ, do đó khi chuyển sang đồ thị PJ- cần phải đổi dấu

3.3.3 Cộng đồ thị

Từ trên đồ thị khai triển Pkt- với PJ- ta tiến hành cộng đồ thị theo công thức:

P1=Pkt+PJ.

Các đồ thị khai triển đợc vẽ trên hình bên

Ta có thể khai triển trực tiếp đồ thị PJ- từ đồ thị P-V Giá trị P1 đợc xác định từ hai đờng cong PJ với các đờng cong biễu diễn quá trình công tác của động cơ

3.3.4 Lập bảng tính lực tác dụng lên chốt khuỷu

Với các công thức sau:











m

MN β

cos

β α sin P T











m

MN β

cos

β α cos P Z

N=P1tg

Từ các giá trị P1 tính đợc trong các cộng đồ thị ở trên và các giá trị ,  tra trong các bảng tra 5 và 6 Sau khi tính toán ta có đợc các giá trị của T, Z, N trong bảng sau:

100 0.25 0.621 0.941 0.584 -0.424 -0.263 0.254 0.158

610 -0.24 0.9315 -0.857 -0.798 -0.569 -0.530 -0.242 -0.225

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

T Z N

Vẽ các đồ thị T,Z,N trong hệ tọa độ vuông góc với tỷ lệch xích:

T=Z=0,0345 [MN/m2mm]

N=0,0345[MN/m2mm]

3.3.5 Lập bảng tính T

Dựa vào thứ tự làm việc của động cơ để ta xác định các góc làm việc 1, 2, 3,

4, 5, 6, 7, 8, của các khuỷu Thứ tự làm việc của động cơ là: 1-5-4-2-6-3-7-8 Vậy góc lệch công tác của động cơ là:

0

90 8

4 180 τ 180

i

o ct

Góc lệch giữa hai hàng xi lanh: =90o

Lập bảng để xác định các góc của trục khuỷu ta có:

Khi trục khuỷu 1 nằm ở vị trí 1=0o thì:

+ Khuỷu 2 ở vị trí 2=450o

+ Khuỷu 3 ở vị trí 3=270o

+ Khuỷu 4 ở vị trí 4=540o

+ Khuỷu 5 ở vị trí 5=630o

+ Khuỷu 6 ở vị trí 6=360o

+ Khuỷu 7 ở vị trí 7=180o

+ Khuỷu 8 ở vị trí 8=90o

Trị số của Ti=f() đã có ở bảng T, căn cứ vào bảng đó mà ta tra các giá trị tơng ứng mà Ti đã định theo i, sau đó công tất cả các giá trị của Ti lại ta có giá trị của

T:

T=T1+T2+T3+T4

Sau khi có đờng T=f() ta vẽ đờng Ttb (đại diện cho mômen cản) bằng cách

đếm diện tích bao bởi đờng T với trục hoành O (F T), sau đó chia diện tích này cho chiều dài của trục hoành

Để đơn giãn thì ta có thể dùng công thức sau:

Ttb = 30. 10 3



V

nRF N

10 60 14159 , 3 60 2500 14159 , 3

150 30

 = 0.84MN/m2

Chọn tỷ lệ xích:  T=0,0345 

mm m

MN

2

Đồ thị tổng T

 T1  T2  T3  T4  T5  T6  T7  T8 

0 0.00 450 0.86 270 -0.48 540 0.00 630 -0.45 360 0.00 180 0.00 90 0.31 0.24

10 -0.46 460 0.97 280 -0.21 550 -0.18 640 -0.14 370 1.02 190 -0.16 100 0.58 1.43

20 -0.82 470 1.01 290 0.07 560 -0.35 650 0.14 380 1.49 200 -0.32 110 0.68 1.90

30 -1.07 480 1.02 300 0.40 570 -0.53 660 0.57 390 1.07 210 -0.47 120 0.76 1.75

40 -1.06 490 0.91 310 0.52 580 -0.66 670 1.11 400 0.64 220 -0.63 130 0.71 1.52

50 -0.98 500 0.75 320 0.53 590 -0.77 680 1.01 410 0.49 230 -0.75 140 0.63 0.89

60 -0.64 510 0.57 330 0.32 600 -0.81 690 0.97 420 0.40 240 -0.79 150 0.47 0.48

70 -0.42 520 0.37 340 0.07 610 -0.80 700 0.79 430 0.56 250 -0.77 160 0.32 0.13

80 0.07 530 0.19 350 -0.13 620 -0.65 710 0.43 440 0.75 260 -0.65 170 0.16 0.17

90 0.31 540 0.00 360 0.00 630 -0.45 720 0.00 450 0.86 270 -0.48 180 0.00 0.24