Nhiệm vụ của hệ thống phát lực
Năng lượng từ khí cháy được tiếp nhận và chuyển đổi thành chuyển động tịnh tiến của piston trong xy-lanh, sau đó biến đổi thành cơ năng để quay trục khuỷu, tạo ra mô-men có ích cho hoạt động của động cơ.
Đảm bảo buồng cháy được bao kín, ngăn chặn khí cháy thoát ra ngoài Các-te (hộp trục khuỷu) có chức năng ngăn không cho dầu nhờn từ hộp trục khuỷu tràn vào buồng cháy.
- Làm nhiệm vụ nén trong quá trình thải và hút khí nạp mới vào buồng cháy trong quá trình nạp.
Điều kiện làm việc, yêu cầu và phân loại của từng bộ phận trong hệ thống
Piston có nhiệm vụ chính là tạo ra buồng cháy cùng với các chi tiết như xy-lanh và nắp xy-lanh Nó không chỉ truyền lực từ khí thể đến thanh truyền mà còn nhận lực từ thanh truyền để thực hiện quá trình nén khí.
Tải trọng cơ học lớn và có chu kỳ, cùng với áp suất cao lên đến 120 kG/cm², tạo ra lực quán tính lớn, đặc biệt khi áp dụng cho động cơ cao tốc.
Piston tiếp xúc trực tiếp với khí cháy, dẫn đến tải trọng nhiệt cao và có thể đạt nhiệt độ từ 500 đến 800 K Nhiệt độ cao này làm cho piston chịu ứng suất nhiệt lớn, gây ra hiện tượng bó kẹt, nứt, giảm sức bền và có thể dẫn đến kích nổ.
Ma sát lớn và ăn mòn hóa học là hai vấn đề quan trọng trong quá trình vận hành của động cơ Ma sát, do lực ngang gây ra, thường gặp khó khăn trong việc duy trì điều kiện bôi trơn hiệu quả, đặc biệt trong những tình huống khó khăn Đồng thời, ăn mòn hóa học xảy ra khi piston liên tục tiếp xúc với sản phẩm cháy, dẫn đến sự suy giảm hiệu suất và tuổi thọ của động cơ.
Dạng đỉnh piston tạo thành buồng cháy tốt nhất.
Có độ bền và độ cứng đủ để tránh biến dạng quá lớn và chịu mài mòn.
Đảm bảo bao kín buồng cháy để công suất động cơ không bị giảm sút do hiện tượng lọt khí từ buồng cháy xuống cacte.
Tản nhiệt tốt để tránh dãn nở nhiệt quá mức khi động cơ đang làm việc, ngoài ra tránh được hư hỏng piston do ứng suất nhiệt.
- Phân loại: Theo dạng đỉnh piston
Đỉnh bằng: diện tích chịu nhiệt nhỏ, kết cấu đơn giản
Đỉnh lõm có khả năng tạo ra xoáy lốc nhẹ, từ đó hỗ trợ quá trình hình thành hỗn hợp và đốt cháy hiệu quả Tuy nhiên, nó có sức bền kém hơn và diện tích chịu nhiệt lớn hơn so với đỉnh bằng.
Đỉnh chứa buồng cháy: thường gặp ở động cơ Diesel.
- Là chi tiết nối Piston với thanh truyền.
Chốt piston có nhiệm vụ truyền lực từ khí thể qua piston xuống thanh truyền Thường có cấu tạo rỗng, chốt piston được lắp lỏng với bệ chốt piston và đầu nhỏ của thanh truyền, giúp đảm bảo hiệu suất hoạt động của hệ thống.
Chốt piston hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt, bao gồm khả năng chịu lực va đập, tuần hoàn và nhiệt độ cao Bên cạnh đó, nó còn phải đối mặt với tình trạng bôi trơn khó khăn và ma sát dạng nửa ướt, dẫn đến nguy cơ bị mòn nhanh chóng.
Chốt piston cần được sản xuất từ vật liệu chất lượng cao để đảm bảo độ bền và cứng vững Bề mặt làm việc của chốt phải được tôi luyện bằng công nghệ đặc biệt, giúp tăng cường độ cứng và khả năng chịu mài mòn.
Ruột chốt cần có độ dẻo cao để chống mỏi hiệu quả Mặt chốt nên được mài bóng nhằm giảm thiểu ứng suất tập trung Khi lắp ghép với piston và thanh truyền, cần đảm bảo khe hở giữa các bộ phận là nhỏ để tăng tính chính xác và hiệu suất hoạt động.
Theo kiểu lắp ghép chốt:
Cố định chốt piston trên bệ chốt piston.
Nhiệm vụ chính của xec – măng là đảm bảo piston di động một cách dễ dàng trong xylanh Có hai loại xec – măng: xec – măng khí và xec – măng dầu Xec – măng khí giúp bao kín buồng cháy, ngăn chặn sự rò rỉ khí, trong khi xec – măng dầu có chức năng ngăn dầu bôi trơn từ hộp trục khuỷu xâm nhập vào buồng cháy.
Xec – măng được thiết kế để chịu đựng tải trọng cơ học lớn, bao gồm áp lực khí cháy và lực quán tính mạnh mẽ với chu kỳ và va đập Ngoài ra, xec – măng còn phải đối mặt với nhiệt độ cao, ma sát lớn, ăn mòn hóa học và ứng suất lắp ghép ban đầu, đảm bảo hiệu suất làm việc ổn định trong môi trường khắc nghiệt.
Chịu nhiệt cao: đặc biệt với xec – măng khí tiếp xúc trực tiếp với khí cháy.
Chịu lực va đập: vì khi làm việc lực khí thể và lực quán tính tác dụng lên xec – măng.
Chịu mài mòn: khi làm việc xec – măng ma sát với các xylanh rất lớn.
- Phân loại: có hai loại xec – măng là xec – măng khí và xec – măng dầu.
Thanh truyền là một chi tiết trung gian quan trọng trong động cơ, với đầu nhỏ kết nối với piston và đầu lớn liên kết với chốt khuỷu Nhiệm vụ chính của thanh truyền là truyền lực từ piston đến trục khuỷu, giúp chuyển đổi năng lượng từ quá trình đốt cháy thành chuyển động cơ học.
Điều kiện làm việc của thanh truyền rất phức tạp, bao gồm chuyển động tịnh tiến của đầu nhỏ cùng với piston, chuyển động lắc của thân thanh truyền và chuyển động quay của đầu to cùng trục khuỷu Do đó, thanh truyền phải chịu lực va đập tuần hoàn từ lực khí thể, lực quán tính của nhóm piston và chính lực tác động lên thanh truyền.
- Yêu cầu: Lựa chọn kích thước và vật liệu chế tạo hợp lý để thanh truyền chịu được các lực va đập tuần hoàn như trên.
- Phân loại: Theo tiết diện thân thanh truyền.
Tiết diện hình chữ I: có sức bền đều theo hai phương, được dùng rất phổ biến từ động cơ cỡ nhỏ đến động cơ cỡ lớn.
Tiết diện hình chữ nhật, ô van: có ưu điểm là dễ chế tạo, thường dùng ở động cơ mô – tô, xuồng máy cỡ nhỏ.
Nhiệm vụ chính của hệ thống là tiếp nhận lực tác dụng từ piston, tạo ra moment quay để kéo các máy công tác và nhận năng lượng từ bánh đà Sau đó, lực này được truyền cho thanh truyền, giúp piston thực hiện quá trình nén và trao đổi khí trong xylanh.
Trục khuỷu chịu lực T và Z do tác động của lực khí thể và lực quán tính từ nhóm piston và thanh truyền Bên cạnh đó, trục khuỷu còn phải chịu lực quán tính ly tâm từ các khối lượng quay lệch tâm của chính nó và thanh truyền Những lực này gây ra hiện tượng uốn, xoắn, dao động xoắn và dao động ngang, ảnh hưởng đến các ổ đỡ của trục khuỷu.
- Yêu cầu: Kết cấu trục khuỷu cần đảm bảo các yêu cầu:
Đảm bảo động cơ làm việc đồng đều, biên độ dao động của moment xoắn tương đối nhỏ.
Ứng suất sinh ra do dao động xoắn nhỏ.
Động cơ làm việc cân bằng ít rung động.
Công nghệ chế tạo đơn giản.
- Phân loại: có hai loại là trục khuỷu nguyên là trục khuỷu ghép.
Phân tích động học cơ cấu thanh truyền - trục khuỷu
- Trong động cơ đốt trong kiểu piston, cụm chi tiết chuyển động chính (piston, thanh truyền, trục khuỷu) làm việc theo nguyên tắc sau:
Nhóm piston chuyển động tịnh tiến lên xuống truyền lực khí thể cho thanh truyền.
Nhóm thanh truyền là bộ phận trung gian có chức năng chuyển đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu, đảm nhận vai trò quan trọng trong cơ cấu máy.
Trục khuỷu là một trong những bộ phận quan trọng nhất của động cơ, chịu trách nhiệm chuyển động quay và truyền công suất ra ngoài, từ đó dẫn động các máy công tác khác.
Sơ đồ cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền động cơ kiểu trục khuỷu cắt đường tâm xylanh.
1.2 Động học của piston (theo phương pháp giải tích)
Khi giả thiết trục khuỷu quay với vận tốc góc không đổi ω, góc quay trục khuỷu α sẽ tỷ lệ thuận với thời gian Tất cả các đại lượng động học liên quan đều là các hàm phụ thuộc vào biến số α.
Chuyển vị của piston trong xylanh động cơ được tính theo công thức: SP = SP1 + SP2, trong đó α là góc quay trục khuỷu, R là bán kính quay trục khuỷu và λ là thông số kết cấu.
SP1 SP2SP=SP1+SP2
- Vi phân phương trình chuyển vị theo thời gian
Vì là tốc độ piston là vận tốc góc trục khuỷu α VP1 VP2 VP=VP1+VP2
Vi phân phương trình tốc độ đối với thời gian, ta có công thức tính gia tốc của piston
Từ công thức (3), cho thấy gia tốc piston là tổng hai hàm điều hòa cấp I và cấp II α JP1 JP2 JP=JP1+JP2
VP1 VP2VP=VP1+VP2
1.3 Phân tích động lực học cơ cấu thanh truyền - trục khuỷu 1.3.1 Sơ đồ lực và moment tác động lên cơ cấu
JP1 JP2JP=JP1+JP2
Pkt: Lực khí thể tác dụng lên đỉnh piston.
Pj: Lực quán tính (văng) của khối lượng các chi tiết chuyển động thẳng.
PƩ: Lực tổng cộng tác dụng lên piston.
N: Lực ngang tác dụng lên vách xylanh, có hướng vuông góc với đường tâm.
Ptt: Lực dọc theo đường tâm thanh truyền.
Z: Lực pháp tuyến theo hướng nối từ tâm chốt đến tâm cổ khuỷu.
T: Lực tiếp tuyến vuông góc với lực pháp tuyến.
Mx: Moment xoắn của trục khuỷu.
ML: Moment lật của động cơ
Để phân tích lực và moment tác động lên cơ cấu, trước tiên cần xem xét lực tác dụng lên piston, bao gồm lực khí thể trong xylanh Pkt và lực quán tính chuyển động tịnh tiến Pj.
P0 ≈ 0,1 (MN/m 2 ): áp suất khí quyển
Pkt: Áp suất khí thể trong xylanh, (MN/m 2 )
Fp: diện tích tiết diện của piston, (m 2 )
Lực khí thể là đại lượng biến đổi theo góc quay của trục khuỷu, được xác định bởi áp suất khí thể pkt trong tính toán nhiệt của động cơ tại chế độ công suất cực đại.
1.3.3 Lực quán tính của các chi tiết chuyển động
- Lực quán tính được xác định theo công thức sau:
Pqt = mxJ m: khối lượng của các chi tiết chuyển động.
J: gia tốc chuyển động của các chi tiết.
m: khối lượng của nhóm piston
mn = mp + mx + mc mn: khối lượng nhóm piston
mp: khối lượng của piston
mx: khối lượng của xéc – măng
mc: khối lượng của chốt piston
- Khối lượng của khuỷu trục (các chi tiết chuyển động quay)
Phần khối lượng chuyển động quay theo bán kính R là phần khối lượng của chốt khuỷu
Phần khối lượng chuyển động quay có bán kính đại diện cho khối lượng của hai má khuỷu mm, trong đó là khoảng cách từ trọng tâm của má khuỷu đến tâm cổ khuỷu.
Để quy dẫn khối lượng má khuỷu mm về tâm chốt khuỷu, cần thay thế bằng khối lượng tương đương mmr và xác định thông qua phương trình cân bằng lực quán tính.
- Khối lượng chuyển động quay của trục khuỷu:
- Khối lượng của thanh truyền:
Hiện nay đối với các loại động cơ ô tô khối lượng quy về đầu nhỏ và đầu to thanh truyền xác định theo công thức kinh nghiệm sau:
- Khối lượng chuyển động tịnh tiến của cơ cấu: mj = mp +mA
Khối lượng chuyển động quay: mr = mK + mB
1.3.4 Lực quán tính (văng thẳng) của khối lượng chuyển động tịnh tiến
PjI: Lực quán tính tịnh tiến cấp I
PjII: Lực quán tính tịnh tiến cấp II
Pj = PjI + PjII là các hàm điều hòa, trong đó PjI có chu kỳ tương ứng với một vòng quay của trục khuỷu, còn PjII có chu kỳ tương ứng với hai vòng quay của trục khuỷu.
Lực Pj tác động liên tục lên đường tâm xylanh và thay đổi hướng khi piston chuyển động Khi piston ở điểm chết trên (ĐCT), Pj có giá trị âm và hướng tác động lên phía trên, tương ứng với chiều ly tâm so với trục khuỷu.
- Khi piston ở ĐCD, Pj có dấu dương và chiều quay xuống (hướng vào tâm trục khuỷu)
1.3.5 Lực quán tính (ly tâm) của khối lượng chuyển động quay P K
1.3.6 Hệ lực tác động lên cơ cấu
Lực tác động lên đỉnh piston bao gồm hợp lực khí thể và lực quán tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến Những lực này tác dụng trên đường tâm xylanh, do đó, lực tổng hợp có phương tác dụng theo đường tâm xylanh và giá trị bằng tổng đại số của hai lực này.
- Lực PƩ được phân thành lực tác dụng dọc tâm thanh truyền Ptt và lực ngang N ép lên thành xylanh, các lực này xác định bằng công thức sau:
Sau khi lực Ptt được dời xuống tâm chốt khuỷu, nó được phân thành hai thành phần chính: lực tiếp tuyến T, tạo ra moment quay, và lực pháp tuyến Z, gây uốn cho trục khuỷu Các thành phần lực này có thể được tính toán theo mối quan hệ nhất định.
Chọn các thông số cho tính toán nhiệt
2.1 Áp suất không khí nạp (p o )
- Áp suất không khí nạp được chọn bằng áp suất khí quyển: p o = 0,1013 (MN/m 2 )
2.2 Nhiệt độ không khí nạp mới (T o )
Nhiệt độ không khí nạp mới của xe chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ trung bình của môi trường xung quanh Tại miền Nam Việt Nam, khu vực nhiệt đới, nhiệt độ trung bình trong ngày thường được ước tính là tkk = 29°C.
2.4 Áp suất cuối quá trình nạp (p a )
Đối với động cơ không tăng áp, áp suất cuối quá trình nạp trong xy lanh thường thấp hơn áp suất khí quyển Nguyên nhân là do có tổn thất xảy ra tại ống nạp và bộ lọc, ảnh hưởng đến hiệu suất nạp khí.
- Động cơ 4 kỳ không tăng áp: p a = 0,8.p o = 0,8.0,1013 = 0,08104 (MN/m 2 )
2.5 Chọn áp suất khí sót (p r )
- Là thông số quan trọng đánh giá mức độ thải sạch sản phẩm khí cháy ra khỏi xy lanh động cơ.
- Giá trị áp suất khí sót pr phụ thuộc vào các yếu tố:
Diện tích thông qua của các xupap xả
Biên độ, độ cao, góc mở sớm, đóng muộn của xupap xả
Động cơ có lắp tăng áp bằng khí xả hay không
Độ cản của bình tiêu âm, bộ xúc tác khí xả…
- Đối với động cơ xăng chọn p r = 0,12 (MN/m 2 )
- Phụ thuộc thành phần hỗn hợp khí, mức độ giãn nở và sự trao đổi nhiệt trong quá trình giãn nở và thải.
- Đối với động cơ xăng chọn T r = 1000 ( o K)
2.7 Độ tăng nhiệt độ khí nạp mới (T)
Khí nạp mới khi di chuyển qua đường ống vào trong xy lanh động cơ sẽ tiếp xúc với vách nóng, dẫn đến việc được sấy nóng lên một trị số nhiệt độ là T.
- Đối với động cơ xăng chọn T = 10 ( o C)
2.8 Chọn hệ số nạp thêm 1
Hệ số nạp thêm 1 thể hiện mối quan hệ giữa lượng hỗn hợp khí công tác nạp thêm và lượng khí công tác trong thể tích Va Đối với động cơ thiết kế có tốc độ cao, sử dụng cơ cấu phân phối khí hiện đại và ống nạp dài, có thể chọn 1 ở mức cao nhờ vào quán tính lớn của dòng khí nạp.
- Đối với động cơ xăng chọn 1 = 1,07
2.9 Chọn hệ số quét buồng cháy 2
- Đối với động cơ không tăng áp do không có quét buồng cháy nên chọn 2 = 1.
2.10 Chọn hệ số hiệu đính tỷ nhiệt t
- Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt t phụ thuộc vào thành phần khí hỗn hợp và nhiệt độ khí sót
- Đối với động cơ xăng = 0,95 ta chọn t =1,12
Điều kiện làm việc, vật liệu chế tạo của piston
Piston là một bộ phận thiết yếu trong động cơ đốt trong, chịu áp lực lớn và nhiệt độ cao trong suốt quá trình hoạt động Sự tác động của khí thể và lực quán tính tạo ra ứng suất cơ học và ứng suất nhiệt trong piston Ngoài ra, ma sát và mài mòn xảy ra do thiếu dầu bôi trơn giữa piston và xylanh, dẫn đến sự giảm hiệu suất và tuổi thọ của động cơ.
Vật liệu chế tạo: do điều kiện làm việc của piston như trên, nên vật liệu dùng để chế tạo piston phải đảm bảo các yêu cầu sau:
- Có sức bên lớn ở nhiệt độ cao và khi tải trọng thay đổi
- Hệ số giản nở nhỏ, hệ số dẫn nhiệt lớn
- Chịu mòn tốt trong điều kiện bôi trơn kém và nhiệt độ cao
- Chống được sự ăn mòn hóa học của khí cháy
Vật liệu chế tạo piston thường dùng hiện nay là: gang và hợp kim nhẹ, thép ít được dùng để chế tạo piston.
bảng kích thước piston và thông số đầu vào của động cơ
STT Tên chi tiết Kí hiệu Gía trị (mm)
4 Chiều cao thân piston Lth 42
5 Chiều cao đầu piston lđ 17
9 Chiều dài chốt piston Hcp 61 Áp suất đầu kỳ nén P 1 50 Kpa Áp suất khí nạp p o 0,1013 MN/ m 2
Tính chất của môi chất công tác k 1.4
Nhiệt lượng đầu vào Q ¿ 1675 J/Kg.K
Nhiệt dung riêng của thể tích C v 0,821 KJ/Kg.K
Tốc độ động cơ N 6000 v/phút
Bán kính vòng quay trục khuỷu R 34 mm
Dung tích động cơ V H 1266 cm 3
Thể tích ban đầu của một xilanh V h 316,65 cm 3
Thể tích buồng cháy V c 150,7 cm 3
Chiều cao xéc măng dầu, xéc măng khí, bề dày
Bề dày xéc măng khí a a 1 a 2
Tiết diện đỉnh piston F b 46,47 cm 2
Tính toán thông số đầu vào
- Thông số kết cấu của động cơ
- Thể tích ban dầu của 1 xilanh
- Áp suất khí thể cuối kỳ nén Đồ thị chu trình cấp nhiệt đẳng tích.
Tính toán bền của piston
+ Áp suất khí thể P z tác dụng lên đỉnh piston phân bố đều, lực khí thể và phản lực gây uốn đỉnh piston, xét ứng suất uống tại tiết diện x-x.
Khi làm việc, đỉnh sẽ chịu uốn lớn nhất tại tâm đĩa do các lực P zmax 2 tác động lên cả phía trên và phía dưới mặt đỉnh piston.
- Lực khí thể này có giá trị
- Lực P zmax 2 tác dụng lên trọng tâm của nửa hình tròn, cách trục x-x một đoạn: y 1 = 2
- Lực P zmax 2 tác dụng lên trọng tâm của nửa hình tròn, cách trục x-x một đoạn: y 2 = D + D 2
- Ứng suất uốn đỉnh piston σ u = M u
- Vật liệu là nhôm, đỉnh có gân tăng bền:
Nhận xét thấy σ u < [ σ u ] nên đỉnh piston thỏa mãn điều kiện bền. b) Tính toán bền đầu piston
- Ứng suất kéo σ k cuối quá trình nén đầu quá trình nạp σ k = P jP
- Tính khối lượng m I−I phía trên tiết diện I-I: m I −I =γ.V
+ Piston làm bằng hợp kim nhôm chọn γ = 2,5 kg/d m 3 = 2,5.10 3 kg/ m 3
- V 2 là thể tích phần rỗng của đầu piston phía trên mặt cắt I-I:
- V 3 là thể tích phần rãnh xecmăng phía trên mặt cắt I-I:
- Thể tích phần đầu piston là:
- Khối lượng phần đầu piston là: m I −I =Vγ =¿ 8,1993.10 −5 2,5.10 3 =0,2049 (kg)
- Tính diện tíchF I−I của tiết diện I-I:
- Tính gia tốc lớn nhất của piston:
- Từ biểu thức tính gia tốc J ta nhận thấy J đạt giá trị cực đại khi α =0 ⇒ cos α =1
- Kết luận đầu piston thỏa mãn về sức bền kéo.
- Ứng suất nén tiết diện I-I được xác định theo công thức: Thay số ta được σ n = P zmax π D 2
- Đối với piston làm bằng hợp kim nhôm ta có σ n = 221,91 10 −3 (MN/m 2 ) ⇒ σ n < [ σ n ] %( MN / m 2 )
- Vậy đầu piston thỏa mãn điều kiện chịu nén.
+ Áp suất riêng trên bề mặt tếp xúc với mặt gương xilanh. q b = N max
Trong đó + Lực ngang lớn nhất đối với động cơ xăng được xác định bởi công thức
+ Áp suất riêng của thân piston q b =0.5349 Mpa thỏa trị số cho phép c) Tính bền chốt piston
* Điều kiện làm việc của chốt piston
Chốt piston là bộ phận quan trọng kết nối piston với thanh truyền, chịu trách nhiệm truyền lực từ khí thể lên thanh truyền để quay trục khuỷu Trong quá trình hoạt động, chốt piston phải chịu đựng lực khí thể và lực quán tính lớn, với sự thay đổi lực theo chu kỳ và tính chất va đập mạnh, đặc biệt trong động cơ cao tốc Do đó, vật liệu chế tạo chốt piston cần có sức bền cao, khả năng chống mòn tốt và độ dẻo lớn để đảm bảo hiệu suất làm việc.
- Vật liệu thường dùng là thép cacbon và thép hợp kim có thànhphần cacbon thấp như thép 20, 20X, 15XA, 15XMA, 12XH3A, …
Thông số Ký hiệu Giá trị
Chiều dài chốt piston l cb 61 mm Đường kính ngoài chốt piston d cb 18 mm Đường kính trong chốt piston l 0 11 mm
Khối lượng chốt piston m cp 75,86 g
Chiều dài thanh truyền l tt 123,5 mm
Khối lượng thanh truyền m tt 535,38 g
Khối lượng đầu nhỏ thanh truyền m a 136,5219 g Đường kính trong đầu nhỏ thanh truyền d t 11 mm Đường kính ngoài đầu nhỏ thanh truyền d c 18 mm
Khoảng cách giữa hai bệ chốt b 21mm
Chiều dài tiếp xúc với với bạc đầu nhỏ a 22mm
* Ứng suất uốn chốt σ u = ( P z − P jP )(l+ 2 b−1,5 a )
- Lực quán tính P jP do piston, xec măng, khóa hãm và chốt gây nên có giá trị :
- Ứng suất uốn cho phép [ σ u ] 50 ÷ 450 MN / m 2
- Kết luận vậy chốt piston đẩm bảo ứng suất uốn chốt.
- Khi làm việc chốt piston chịu lực cắt tại tiết diện nằm giữa brrj chốt và bạc đầu nhỏ và được các định như sau τ = 0.85 ( P z −P jP )(1 +α o +α o 2 ) d c 2 (1− α o 4 ) = 0,85(0,0348 −4,3678 10 −3 )(1+0,61 +0,61 2 )
0,018 2 (1−0,61 4 ) ¿183,86 Mpa d) Tính độ biến dạng của chốt
Khi chịu lực, áp lực phân bố không đồng đều theo chu vi, và chúng ta giả thuyết rằng áp lực này phân bố theo quy luật hình cosin hoặc hình ovan trên tiết diện ngang của chốt.
- Độ biến dạng của tiết diện giữa của chốt piston:
+Trong đó môdun đàn hồi đối với thép có giá trị E=2.10 5 Mpa
+ Hệ số hiệu chỉnh k theo α o được xác định như sau : k =1,5−15( α o −0,4) 3 =1,5−15 (0,61−0,4 )=1,36
- Độ biến dạng cho phép [ ∆ d max ] =0,2 d c =0,2.0,018=3,6.10 −3
- Xét độ biến dạng ∆ d max =1.31 10 −6 m1,5 a) Tính bền đầu nhỏ thanh truyền khi chịu kéo:
Trong đó: m: khối lượng tính trên đơn vị diện tích đỉnh piston m = ( m A + m np ) F 1 b
• Bán kính trung bình của đầu nhỏ thanh truyền:
Sơ đồ lực tác dụng khi đầu nhỏ thanh truyền chịu kéo.
H: chiều rộng thân chổ nối với đầu nhỏ. ρ 1 : Bán kính góc lượn nối đầu nhỏ với thân. r 2 : Bán kính ngoài của đầu nhỏ
Moment uốn tại tiết diện C-C:
Hệ số : phụ thuộc vào độ cứng của các chi tiết lắp ghép
Lực kéo thực tế tác dụng lên tiết diện của đầu nhỏ thanh truyền:
Ứng suất tổng cộng trên mặt ngoài đầu nhỏ thanh truyền: σ nj = [2 M j 6 p+ s s (2 p+ s) + N K ] l l s σ tj = [-2 M j s (2 6 p−s p− s) + N K ] l l d s = [-2.(-38,123).
0,022.0,004= 761,03( MN m 2 ) Ứng suất trên mặt ngoài và mặt trong đầu nhỏ thanh truyền.
Quan hệ giữa ứng suất mặt ngoài vời góc 𝜸 b) Tính sức bền của đầu nhỏ thanh truyền khi chịu nén.
Sơ đồ lực tác dụng khi đầu nhỏ thanh truyền chịu nén.
Lực nén tác dụng lên đầu nhỏ thanh truyền. p 1 = p kt F b - 𝑚𝑅 ω 2 (1 + ) F b 478,644.0,44.10 −3 -0,56743.0,034.523,6 2 (1+0,251).0,44.
Moment uốn trên cung BC (𝛾 ≥ 90°)
M z 2 = M A + N A ρ (1 - 𝑐𝑜𝑠𝛾) - P 1𝜌 ( sinγ 2 - π γ sinγ - π 1 𝑐𝑜𝑠𝛾)=1,301+36,545.0,12(1- cos139,67)-4,77.0,012( sin 139,67 2 - 139,67 π sin139,67- π 1 cos139,67),52( m N 2)
Lực tiếp tuyến trên cung BC (𝛾 ≥ 90°).
N z 2 = N A 𝑐𝑜𝑠𝛾 - P 1 ( sin 2 γ - π γ 𝑠𝑖𝑛𝛾 - π 1 𝑐𝑜𝑠𝛾)6,545.cos139,67-4,77( sin 139,67 2 - 139,67 π sin139,67- π 1 cos139,67)6,69(N)
Ứng suất mặt ngoài của tiết diện nguy hiểm nhất:
Ứng suất mặt trong của tiết diện nguy hiểm nhất: σ nz = [-2 M z2 s (2 6 ρ+ p+ s s) + N z2 ] l l d s =[-2.10,52 6.0,012+0,004
mtt: 0,344 (kg) m n =(0,2 ÷ 0,28) m tt =0,0688 (kg) m 2 =0,72 m tt = 0,24768(kg)
Ta có + Góc dẫn xuất về tâm đầu to thanh truyền : γ 0 = 40 °
+ Khoảng cách tính từ tâm của 2 bu lông đầu to thanh truyền : C = 0,055 (m) -Mô men uốn và lực pháp tuyến tác dụng lên tiết diện A-A của nắp đầu to:
= 0,0053 (MN)-Ứng suất lớn nhất tác dụng lên nắp đầu to thanh truyền: σ ❑= P d ¿+
L d :Chiều rộng tiết diện nắp đầu to: 0,026 (m) C: Khoảng cách 2 bu lông : 0,055(m) δ b :Chiều dày tiết diện bạc: 0,004 (m) δ : Chiều dày tiết diện nắp đầu to : 0,0015 (m)
Tính bền trục khuỷu
Trục khuỷu là một trong những bộ phận quan trọng nhất của động cơ đốt trong, với cường độ làm việc lớn và chi phí sản xuất cao Chức năng chính của trục khuỷu là nhận lực từ piston thông qua thanh truyền, chuyển đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay, từ đó truyền công suất ra ngoài.
Trục khuỷu thường được chế tạo từ vật liệu thép cacbon với hàm lượng trung bình từ C35 đến C50, bên cạnh đó còn sử dụng thép hợp kim như 18XHBA, 40X, HKCR-NI hoặc gang graphit cầu Các phương pháp gia công cho trục khuỷu bao gồm rèn và đúc, giúp tạo ra sản phẩm có độ bền cao và hiệu suất tốt.
3.2 Thu thập thông số đầu vào.
STT Tên gọi Ký hiệu Giá trị
1 Khoảng cách từ tâm của má khuỷu đến đường trung trực của chốt khuỷu a 22 mm
2 Chiều rộng của má hình chữ nhật h 72,02 mm
3 Khoảng cách giữa 2 tâm cổ khuỷu l0 98 mm
4 Khoảng cách từ tâm 2 cổ khuỷu tới đường trung trực của chốt khuỷu l’=l” 45,5 mm
5 Chiều dày của má hình chữ nhật b 15 mm
6 Khoảng cách từ tâm má khuỷu tới tâm cổ trục b’=b’’ 23,5 mm
8 Khoảng cách giữa tâm 2 đối trọng với đường trung trực của chốt khuỷu c=c’=c’’ 16 mm
9 Khoảng cách từ trọng tâm má khuỷu đến tâm quay rmk 18,9 mm
10 Khoảng cách từ trọng tâm đối trọng đến tâm quay rdt 7,29 mm
11 Khoảng cách từ tâm cổ trục khuỷu đến tiết diện nguy hiểm của má khuỷu r 16,24 mm
12 Khối lượng của chốt khuỷu mch 0,284 kg
13 Khối lượng ly tâm của má khuỷu mmk 0,265 kg
14 Khối lượng đối trọng mdt 1,255 kg
15 Khối lượng nhóm piston mnp 0,24974 kg
16 Khối lượng thanh truyền mtt 0,53538 kg
17 Đường kính ngoài của chốt khuỷu dch 40 mm
18 Áp suất khí thể pzmax 76,1 bar
20 Diện tích đỉnh piston F p 4647mm 2
3.3 Phương pháp tính sức bền theo cách phân đoạn đoạn như một dầm tĩnh đặt trên hai gối tựa Khi cắt đoạn trục khuỷu, ta giả thuyết rằng: trục khuỷu là một dầm có độ cứng vững tuyệt đối.
- Tính toán trường hợp khởi động là tính toán gần đúng với giả thuyết: Trục khuỷu ở vị trí điểm chết trên (α =0).
Khi khởi động động cơ, lực quán tính thường không đáng kể do số vòng quay thấp, và lực tác dụng trên khuỷu đạt giá trị tối đa Pzmax Tuy nhiên, trong thực tế, người dùng thường không mở hết bướm ga của động cơ xăng hoặc kéo hết thanh răng khía của động cơ diesel, dẫn đến lực tác dụng thường nhỏ hơn giá trị Pzmax.
- Do đó lực tác dụng lên trục khuỷu sẽ là:
Z = pz max F p v,1 10 5 4647.10 −6 =0,0353 ( MN ) -Các phản lực xác định theo công thức:
0,098 =0,0163( MN ) a Tính sức bền của chốt khuỷu
- Momen uốn chốt khuỷu (tính đối với tiết diện giữa các chốt) bằng:
- Do đó ứng suất uốn chốt khuỷu là: σ u = M u
M u - moduyn chống uốn của tiết diện ngang của chốt khuỷu + Đối với chốt đặc:
32 ∙ d ch 4 − δ ch 4 d ch (m 3 ) b Tính bền của má khuỷu
- Ứng suất uốn của má khuỷu bằng: σ u = M u
- Ứng suất nén má khuỷu: σ n = Z
- Ứng suất tổng cộng: σ Σ = σ u +σ n 1,83+ 16,338,16 (MN /m 2 ) c Tính sức bền của cổ trục khuỷu
- Ứng suất uốn cổ trục khuỷu:
Trong trường hợp này, momen tác dụng trên cổ trục thường nhỏ hơn nhiều so với momen uốn chốt khuỷu, do đó việc tính toán sức bền của cổ trục thường không cần thiết.
3.3.2 Trường hợp trục khuỷu chịu lực Z max
- Ta có : Khối lượng thanh truyền phân bổ về tâm chốt khuỷu: m 1 =(0,275 ÷ 0,359) m tt =(0,275 ÷ 0,359).0,53538=0,147 ÷ 0,192(kg) Chọn m1=0,17 kg
- Khối lượng thanh truyền quy dẫn về tâm chốt khuỷu: m 2 =(0,650 ÷ 0,725) m tt =(0,650 ÷ 0,725).0,53538=0,347 ÷ 0,388 (kg) Chọn m2=0,37 kg
M: là khối lượng chuyển động tịnh tiến của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền
C 1 : Lực quán tính ly tâm của chốt khuỷu
C 2 : Lực quán tính ly tâm của khối lượng thanh truyền quy về tâm chốt khuỷu
- Lực tác dụng (khi có xét đến ảnh hưởng của lực quán tính) Z max xác định theo công thức sau:
Z max = Pz max − MRω 2 (1+ λ )4800−0,41974.0,034 (523,598) 2 (1+0,275))811,55( N )=0,02981 ( MN )
Khuỷu trục không chỉ chịu lực Z0 mà còn phải đối mặt với lực quán tính ly tâm từ má khuỷu P r1 và đối trọng P r2 Trong tình huống này, lực tiếp tuyến T bằng không do α=0, dẫn đến T=0.
- Do đó phản lực tác dụng lên các gối trục được xác định theo các công thức sau:
- Nếu trục khuỷu hoàn toàn đối xứng thì:
Khi tính toán sức bền của khuỷu trục khuỷu động cơ nhiều xylanh, cần xem xét không chỉ lực Z max mà còn cả momen xoắn từ các khuỷu trước đó Do đó, khuỷu chịu lực và momen lớn nhất (Z max và (∑ Z 1−1) max) sẽ là khuỷu có nguy cơ hỏng hóc cao nhất.
Để xác định khuỷu nguy hiểm nhất, cần dựa vào đồ thị T = f(α) để tính giá trị của lực tiếp tuyến T tại các vị trí khác nhau Sau đó, lập bảng để phân tích và tìm ra momen lớn nhất.
( ∑ T 1−1 R ) max cũng tức là tìm khuỷu chịu lực tiếp tuyến ( ∑ T 1−1 ) max a.Tính bền của chốt khuỷu
Trong đó: c = c’ = c’’ (coi khuỷu trục hoàn toàn đối xứng)
- Ứng suất xoắn chốt khuỷu: ΣT I−1 =0( MN / m 2 )
W u =0( MN / m 2 ) Với: W K là mô đuyn chống xoắn ủa chốt khuỷu W K =2W u + Đối với trục đặc: W K ≈ 0,2 d ch 3 m 3
- Ứng xuất tổng khi chịu uốn và chịu xoắn: σ Σ = √ σ u 2 + 4 k 2 6,45( MN /m 2 ) b Tính bền của cổ trục khuỷu
- Tính sức bền của cổ trục khuỷu thường tính tiết diện ở chổ chuyển tiếp giữa cổ trục và má khuỷu (tiết diện nguy hiểm nhất).
- Ứng suất uốn cổ trục khuỷu (cổ trục đặc): σ u = M u
Trong đó: d ch :đường kính của ổ trục khuỷu (m)
- Ứng suất xoắn cổ trục:
- Ứng xuất tổng khi chịu uốn và chịu xoắn: σ Σ = √ σ u 2 + 4 ❑ k 2 G,49 ( MN / m 2 ) c Tính bền của má khuỷu
