tính toán kiểm nghiệm bền thanh truyền

LỜI NÓI ĐẦU Thiết kế – tính toán là một giai đoạn rất quan trọng trong các ngành,các nghề nhất là trong các ngành cơ khí. Trong ngành công nghệ chế tạo ôtô, thiết kế - tính toán là bước đầu tiên để hình thành nên một sản phẩm hoàn chỉnh.Là một sinh viên chuyên ngành công nghệ chế tạo ôtô , được nhận đồ án :” tính toán kiểm nghiệm bền thanh truyền” , nhận thức được tầm quan trọng của giai đoạn này trong quá trình hình thành nên sản phẩm , em đã cố gắng tìm hiểu và hoàn thành tốt nhất có thể đồ án được giao của mình. Đồ án môn học của em được chia ra hai phần chính: Phần một: Tổng quan về cơ cấu thanh truyền Phần hai : Tính toán kiểm nghiệm bền Trong quá trình thực hiện đồ án , tuy đã hết sức cố gắng và nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của các bạn, các thầy cô giáo bộ môn trong khoa , nhất là của giáo viên hướng dẫn Khổng Văn Nguyên. Nhưng do trình độ còn nhiều hạn chế , chắc chắn trong đồ án của em sẽ không tránh được các sai sót. Em mong nhận được sự góp ý của các bạn, thầy cô giáo trong khoa để đồ án của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Hưng yên, ngày tháng năm 2013 Sinh viên thực hiện : Vũ Văn LợiPHẦN IKHÁI QUÁT VỀ CƠ CẤU THANH TRUYỀN

Nhận xét, đánh giá của giáo viên hớng dẫn

ngày tháng năm 2013 Giáo viên hớng dẫn

Khổng Văn Nguyên

Lời nói đầu

Thiết kế – tính toán là một giai đoạn rất quan trọng trong các ngành,các nghề nhất là trong các ngành cơ khí Trong ngành công nghệ chế tạo ôtô, thiết kế

- tính toán là bớc đầu tiên để hình thành nên một sản phẩm hoàn chỉnh.Là một sinh viên chuyên ngành công nghệ chế tạo ôtô , đợc nhận đồ án :” tính toán kiểm nghiệm bền thanh truyền” , nhận thức đợc tầm quan trọng của giai đoạn này trong quá trình hình thành nên sản phẩm , em đã cố gắng tìm hiểu và hoàn thành tốt nhất

có thể đồ án đợc giao của mình.

Đồ án môn học của em đợc chia ra hai phần chính:

Phần một: Tổng quan về cơ cấu thanh truyền

Phần hai : Tính toán kiểm nghiệm bền

Trong quá trình thực hiện đồ án , tuy đã hết sức cố gắng và nhận đợc sự giúp

đỡ nhiệt tình của các bạn, các thầy cô giáo bộ môn trong khoa , nhất là của giáo viên hớng dẫn Khổng Văn Nguyên Nhng do trình độ còn nhiều hạn chế , chắc chắn trong đồ án của em sẽ không tránh đợc các sai sót Em mong nhận đợc sự góp

ý của các bạn, thầy cô giáo trong khoa để đồ án của em đợc hoàn thiện hơn Em xin chân thành cảm ơn!

Hưng yờn, ngày tháng năm 2013

Sinh viên thực hiện :

Vũ Văn Lợi

Phần i Khái quát về cơ cấu thanh truyền

1.1 Nhiệm vụ.

-Thanh truyền là chi tiết nối giữa piston và trục khuỷu

- Truyền lực khí thể từ piston làm quay trục khuỷu và điều khiển piston làm việc trong quá trình nạp, nén, xả

-Biến chuyển động thẳng của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu.

1.2 Điều kiện làm việc.

tính 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 kim với

ph-ơng pháp rèn khuôn Các loại vật liệu nặng cơ tính tốt, sức bền mỏi cao, đảm bảo yêu cầu làm việc.

Vật liệu chế tạo thanh truyền

- Đối với động cơ ô tô - máy kéo : C40, C45, .

- Đối với động cơ nhẹ cao tốc : 18XHBA, 18XH3A

- Đối với động cơ tàu thủy tĩnh tại tốc độ thấp : C35, C40, 40X

1.4 Kết cấu Thanh truyền

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 có bạc lót

có khoan lỗ dầu để bôi trơn Kết cấu đầu nhỏ thanh truyền phụ thuộc vào kích thớc

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 bạc lót 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 đầu nhỏ 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 I + 1.3d thân có tiết diện hình chữ nhật, Hình 1.3e thân có tiết diện hình elip

Có nhiều kiểu tiết diện: tiêt diện tròn, ovan, chữ nhật, elip , chữ I Tuy nhiên hiện nay dạng tiết diện thân thanh truyền hình chữ I đợc dùng phổ biến trên động cơ

ôtô và xe du lịch bởi tính bền và tính tiết kiệm vật liệu.

Chiều dài thanh truyền đợc tính toán dựa vào công thức   R/l

c Đầu to thanh truyền

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

+ Có độ cứng vững lón để đảm bảo bạc lót ko bị biến dạng.

+ Kích thớc nhỏ để lực quán tính nhỏ giảm đợc tải trọng lên chốt khuỷu + Chỗ chuyển tiếp với thân và đầu to phải có góc lợn để tăng cứng vững + Dễ dàng thao lắp cụm piston – thanh truyền với trục khuỷu Đầu to lam 2 nửa nửa trên liền với thân nửa dới lắp với nắp đầu to.

Hình 1.4 Kết cấu cố định bạc lót đầu to thanh truyền

1 Vấu lỡi gà định vị

2 Bạc lót

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 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 dầu bôi 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, lực quán tính của nhóm piston thanh truyền có tính chu kỳ.

Hình 1.5: Một dạng kết cấu của bu lông và gugiông

1.5a : bu lông thanh truyền 1.5b: gugiông thanh truyền

- Nh đã trình bày ở trên , hai nửa đầu to thanh truyền có thể đợc ghép nối bằng bu lông ( hình 1.5a) và gugiông (hình 1.5b)

- 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

PhÇn II TÝnh to¸n kiÓm nghiÖm bÒn

§êng kính xilanh : 95 (mm)

Hành trình piston : 100( mm)

+ §êng kÝnh bÖ chèt (db):dựa vào bảng 16 trang 51 ta có

db = (1,31,6)dcp; Chän db = 1,45 dcp  db = 1,45.30,4 = 44,08 (mm) + §êng kÝnh lç trªn chèt (d0): dựa vào bảng 16 trang 51 ta có

= 2217,,961126624 =1,3 < 1,5 ®Çu nhá lµ lo¹i ®Çu máng

+ ChiÒu dµi ®Çu nhá thanh truyÒn

= 0,28.Dxl = 0,28.95= 26,6 (mm) trang 83 tài liệu hdtttk + §êng kÝnh trong ®Çu to thanh truyÒn D1

2.1.3 Khèi lîng nhãm thanh truyÒn

+ Khèi lîng thanh truyÒn quy dÉn vÒ ®Çu nhá m1=(0,275-0,35)mtt

Chän m1=0,312.mtt VËy m1=0,312 1,34= 0,41808 (kg)

+Khối lợng thanh truyền quy dẫn về đầu to thanh truyền.

m2=0,6875.mtt=0,6875 1,34=0,92125 (kg)

2.2 Tính toán kiểm nghiệm bền

2.2.1 Tính 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 chịu thêm 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 tínhtoán ở chế độ số vòng quay giới hạn lớn nhất của động cơ Nếu không có bộ phận giớihạn số vòng quay (hoặc bộ điều tốc) thì số vòng quay lớn nhất nmax của động cơ có thể vợtquá số vòng quay ở chế độ công suất lớn nhất ne=25%  30% tức là:

Chiều dày đầu nhỏ ld (0,28-0,32)D

Chiều dày bạc đầu nhỏ (0,055-0,085)dcp

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 trí ngàm

là chỗ chuyển tiếp giữa đầu nhỏ và thân (tiết diện c-c) ứng với góc  bằng

(11-4-trang106) Trong đó:

bán kính trong của đầu nhỏ :

2

H

bán kính ngoài đầu nhỏ; r2 =1,3.r1=1,3.17,6624 =222,96112 (mm)

H - chiều rộng của thân chỗ nối với đầu nhỏ

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

nghiệm Đối với thanh truyền có bán kính ngoài đầu nhỏ là 22,96112 (mm) thì chọn  1

2 1







r r

31176 , 20 6624 , 17 arccos

- 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

MA = pj  ( 0 , 00033   0 , 0297 ) ( MNm)

NA = pj (0,572 0,0008) (MN) (11-7-tr107) Giá trị của  trong hai biểu thức trên tính theo độ

1 2

0 arccos 2 90

Trong đó:

pj : Lực quán tính của nhóm piston

Ta có : pj = mnp.R 2

 (1+) (tr 106)Trong đó:

3466 75

, 0

3466



 363 (rad/s)R=S/2=100/2= 50 (mm)

31176 ,

20 2

06535412 ,

0

 (MN) Trên cơ sở giả thiết nêu trên, ta xây dựng sơ đồ tính toán và biểu thị :

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 tại tiếtdiện bất kì của dầm cong Dầm cong bao gồm hai cung: cung có lực phân bố (( 90 0 )

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

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

Njc = NAcos  + 0,5PJ(sin cos  )

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

Mjc=0,19.10-6+0,03037.20,31176.10 3(1-cos134)-0,5.0,06535412.20,31176.10-3

(sin134- cos134)

= 1,07.10-4 (MN.m)

Njc=.0,03037cos134+0,5.0,06535412 (sin134- cos134)=0,0251 (MN)

Do có ép bạc lót đầu nhỏ nên có sự biến dạng đồng thời của đầu trục và bạc lót, trong đó

đầu nhỏ bị biến dạng kéo, còn bạc lót chịu biến dạng nén Do vậy phần của lực kéo đó,

d d

F E F E

F E





 (11-9 trang 107)Trong đó:

Ed:Mô đun đàn hồi của vật liệu chế tạo thanh truyền; Ed = 2,2.105 (MN/m2)

Eb : Mô đun đàn hồi của vật liệu chế tạo bạc lót; Eb = 1,15 10 5 (MN/m2)

Fd : Tiết diện dọc của đầu nhỏ thanh truyền

Fd = l 1.(d2 - d1) (m2)

+ Với:

d1:§êng kÝnh trong ®Çu nhá; d1= 34,96 (mm)

l 1: ChiÒu dµy ®Çu nhá thanh truyÒn; l 1=0,28.D= 0,28.92= 26,6 (mm)

d2: §êng kÝnh ngoµi ®Çu nhá; d2 = 45,448 (mm)

10 7898 , 2 10 2 , 2

4 5

4 5

4 5

N s s

s M

d J j

nj

1

1 ] )

2 (

6 2

3 3

3

3 3

4

10 29872 ,

5 610 , 26

1 ]

0251 , 0 1 ) 10 29872 ,

5 10 31176 , 20 2 (

10 29872 ,

5

10 29872 ,

5 10 31176 , 20 6

10 07

N s s

s M

d J j

tj

1

1 ] )

2 (

6 2

3 3

3 3

3

3 3

4

10 29872 ,

5 10 6 , 26

1 ]

0251 , 0 1 ) 10 29872 ,

5 10 31176 ,

20 2 (

10 29872 ,

5

10 29872 ,

5 10 31176 ,

20 6 10

07

Hình 2.3: ứng suất trên mặt trong và mặt ngoài của đầu

nhỏ thanh truyền khi chịu kéo.

Nếu giá trị Mj , NJ đợc tính ở mọi tiết diện bất kỳ nào của đầu nhỏ, ta xẽ tính toán

đợc ứng suất tại các tiết diện đó biết đợc quy luật phân bố ứng suất trên mặt ngoài và mặttrong của đầu nhỏ

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 lực quántính của khối lợng piston

P = Pkt + Pjp = pz Fp + Mnp.R 2

 (1 + ) ( trang108) Trong đó Fp : Diện tích đỉnh piston; Fp =  

4

95 4

2 2



7084,625 (mm2)

 P = 6,2.7084,625 10 6+ 0,84.47,5.10 3.3362(1 + 0,3226) = 5957,762 (MN)Theo Kinaxotsvili, lực P gây ra phân bố trên đầu nhỏ theo quy luật đờng cong cosinuyt

q =





cos P

11)

(2-Ta cũng coi đầu nhỏ nh một dầm cong nh đã nói ở phần trên và do tính chất đối xứng tacắt bỏ đi một nửa tiết diện A -A, thay vào đó bằng các lực và mô men tơng ứng NA , MA Tra bảng trang 202 sách Kết cấu và tính toán động cơ đốt trong ĐHBK

Hình 2.4: Sơ đồ tác dụng lực trên đầu nhỏ thanh truyền.

Mô men uốn và lực pháp tuyến (lực kéo) trên cung AB (x  900) là:

1 3

2 sin 3 2 2

3

2 sin

1 3

2 sin 3 2 2

3

2 sin

đầu nhỏ mà không phải là toàn bộ NZ chỉ là một phần của NZ tức là N Z.

ứng suất tổng gây ra trong đầu nhỏ khi chịu nén là:

Trên mặt ngoài :

S l

N s s

s M

d Z z

nz

1

1 ] )

2 (

6 2

tz

1

1 ] )

2 (

6 2

đợc ứng suất tại tiết diện bất kỳ trên mặt trong và mặt ngoài của đầu nhỏ và ta vẽ đ ợc biểu

10 29872 ,

5

10 29872 , 5 10 31176 , 20 6

3 3

3

3 3

5 10 31176 , 20 2 (

10 29872 ,

5

10 29872 ,

5 10 31176 , 20 6

3 3

3

3 3

5 10 6 , 26

5 10 31176 ,

20 2 (

10 29872 ,

5

10 29872 ,

5 10 31176 ,

20 6

3 3

3

3 3

5 10 31176 ,

20 2 (

10 29872 ,

5

10 29872 ,

5 10 31176 ,

20 6

3 3

3

3 3

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 vị trí x  

2 2 1

2 2 1 2

1

2 2

2 1

2 2

1

b b b

n

t

E

d d

d d E

d d

d d d

d2:đờng kính ngoài của đầu nhỏ (mm); d2 = 45,448 (mm)

db: Đờng kính trong của bạc lót (mm);db = 44,08 (mm)

d1: Đờng kính trong đầu nhỏ; d1 = 34,96 (mm)

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

Ett = 2,2.105 MN/m2; Ett = 1,15.105 MN/m2

.

] 10

15 , 1

3 , 0 5 , 29 21 , 34

5 , 29 21 , 34 10

2 , 2

3 , 0 21 , 34 47 , 44

21 , 34 47 , 44 [ 21 , 34

033 , 0 10 9

5

2 2

2 2

5

2 2

2 2

ứng suất biến dạng theo công thức Lame:

ứng suất bên ngoài mặt đầu nhỏ :

2

1

2

2 d d

) 10 21 , 34 (

2

2 3

2 1

2 2

d d

d d p

) 10 21 , 34 ( ) 10 47 , 44 (

2 3 2

ứng suất biến dạng cho phép có thể đạt đến 100 – 250MN/m2

d Hệ số an toàn của đầu nhỏ thanh truyền.

Do ứng suất trên đầu nhỏ thanh truyền thay đổi theo chu trình không đối xứng Vì vậy hệ

2

min max 

(2-Tính toán cho tiết diện nguy hiểm (tiết diện ngàm C -C ) và trên mặt ngoài nên:

2



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

) 41 , 0 (

10 52 , 38 10

10 600

6 4

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

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

10

) 90 ( 

l 1:Chiềudài đầu nhỏ thanh truyền; l 1=25,76 (mm)

s: Chiều dày đầu nhỏ; s =5,132 (mm)

 J=

12

) 10 132 , 5 (

10 76

   

 9 5

3

2 0 0 9 3

10 11 10 2 , 2 10

) 90 135 ( 10 34 , 39 012325

,

0

Thỏa mãn điều kiện đối với động cơ ô tô máy kéo, khe hở lắp ghép giữa chốt piston

và bạc lót thờng trong khoảng 0,04 – 0,06 mm, nên yêu cầu   0 , 02  0 , 03(mm)

2.2.2 Tính sức bền thân thanh truyền

Tính thân thanh truyền thờng đợc tính toán ở các tiết diện: tiết diện nhỏ nhất (chỗtiếp giáp giữa thân thanh truyền với đầu nhỏ), tiết diện trung bình và tiết diện tính toán.Tiết diện nhỏ nhất chịu nén do tác dụng của hợp lực khí thể và lực quán tính vận độngtịnh 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 lắc của 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 của thân thanh truyền

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

P : Lực nén tác dụng trên đầu nhỏ thanh truyền; P =12324,96 (MN)

Fmin: Tiết diện nhỏ nhất của thân thanh truyền -tiết diện I-I

96 , 12324



n

ứng suất kéo do lực quán tính của nhóm piston và khối lợng đầu nhỏ thanh truyền đợc xác

định theo biểu thức sau đây

Trong đó :

Pjd = (mnp + m1).R 2

 ( 1+ ) Trong đó: mnp=0,75(kg);

m1 là khối lợng thanh truyền quy dẫn về đầu nhỏ m1=(0,275-0,350)mtt

 Pjd = (0,75 + 0,312) 46.10 3.5312(1 + 0,267) = 17452,1 (MN)Thay vào (2-24) ta đợc:

3 26 , 85 106

10 65 , 0

1 , 17452

)(

2 1

k n k

41 , 0 ( 10 ) 85 , 26 19

(

10 600 2



Hệ số an toàn d thờng nằm trong khoảng 2,0 – 3,0 vậy hệ số an toàn đã tính càng đảmbảo 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 thanh truyền nằmphía trên tiết diện trung bình ứng suất kéo đợc xác định theo biểu thức sau :