Tính toán và kiểm nghiệm bền cho thanh truyền

Tính toán và kiểm nghiệm bền cho thanh truyền

Nhận xét, đánh giá của giáo viên hớng dẫn

Hng Yên, ngày tháng năm 2013.

Giáo viên hớng dẫn

Khổng Văn Nguyờn

Lời núi đầu

Trên thế giới không chỉ ở các nớc phát triển ôtô đã đóng vai trò hết sức to lớn trong mọi lĩnh vực của đời sống và sản xuất Với xu thế hội nhập ngày nay khi đất nớc ngày càng phát triển và tiến trình CNH-HĐH đất nớc đang diễn ra mạnh mẽ

ôtô càng phát huy tầm quan trọng của mình trong mọi lĩnh vực giao thông, vận tải xây dựng và sản xuất

Sau khi học xong môn thiết kế tính toán ôtô với đề tài đợc giao “Tính toán và kiểm nghiệm bền cho thanh truyền”

Trong quá trình thực hiện đề tài đợc sự giúp đỡ chỉ bảo tận tình của các thầycô giáo trong khoa đặc biệt là thầy giáo hớng dẫn Khổng Văn Nguyên đến nay em

đã hoàn thành đề tài này với các nội dung sau:

a Mô tả khái quát về thanh truyền

b Xác dịnh các thông số cần thiết

c Tính toán kiểm nghiệm bền

Mặc dù trong thời gian thực hiện đề tài bản thân chúng em đã nỗ lực tìm kiếmtài liệu chuyên nghành, vận dụng các kiến thức đã học và kinh nghiệm bản thânsong với khả năng, trình độ cũng nh kinh nghiệm còn ít nên chắc chắn không thểtránh khỏi những hạn chế và thiếu sót vì vậy em rất mong nhận đợc sự đánh giánhận xét của các thầy cô trong khoa và các bạn sinh viên để đề tài của em đợc hoànthiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo cô giáo trong khoa Cơ Khí Động LựcTrờng ĐHSPKT Hng Yên

Em chân thành cảm ơn!

Hưng Yờn, ngày tháng năm 2013

Phần I: Tổng quan về cơ cấu thanh truyền 1.1 Nhiệm vụ.

Thanh truyền là chi tiết nối giữa piston và trục khuỷu Nó có nhiệm vụtruyền lực khí thể từ piston làm quay trục khuỷu và điều khiển piston làm việctrong quá trình nạp, nén, xả Đồng thời biến chuyển động thẳng của piston thànhchuyển động quay của trục khuỷu

1.2 Điều kiện làm việc.

- Thanh truyền chịu lực khí thể, lực quán tính của nhóm piston và lực quántính 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 bảoyêu cầu làm việc

1.4 Kết cấu Thanh truyền

1: Bạc đầu nhỏ

Hình 1.2 Kết cấu đầu nhỏ thanh truyền

2: Đầu nhỏ thanh truyền 3: Thân thanh truyền 4: Bulông bắt nắp đầu to 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

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 nhiênhiện 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 λ= 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 làm 2 nửanửa trên liền với thân nửa dới lắp với nắp đầu to

Kích thớc đầu to phụ thuộc vào chốt khuỷu.Để tăng độ cứng vững của trụckhuỷu ngời ta sử dụng trục khuỷu có độ trùng điệp giữa cổ chốt và cổ trục bằngcách tăng đờng kính cổ chốt và cổ trục

Hình 1.5 Các dạng kết cấu đầu to thanh truyền.

Các dạng kết cấu đầu to thanh truyền (hình 1.5)

(Hình 1.5a,b) là phổ biến nhất vì nó tăng đợc tiết diện của thanh truyền, tăng

đờng kính của trục cơ, dễ tháo lắp

Hình 1.4 Kết cấu cố định bạc lót trên 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 épvào 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 trơntrong 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 cóthể 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 tínhcủa nhóm piston thanh truyền có tính chu kỳ

Hình 1.6 Một dạng kết cấu của bu lông và gugiông

1.6a bu lông thanh truyền 1.6b gugiông thanh truyền

- Nh đã trình bày ở trên , hai nửa đầu to thanh truyền có thể đợc ghép nối bằng

bu lông ( hình 1.6a) và gugiông (hình 1.6b)

- Bố trí phân đoạn và thắt vào một ít để tăng sứcbền mỏi

- Nhiệt luyện để đạt độ cứng sau đó ta rô ren

PhÇn II: TÝnh to¸n kiÓm nghiÖm bÒn 2.1 Th«ng sè cho tríc

Động cơ :Diesel, không tăng áp

 Chiều dài thanh truyền : 155 mm

 Khối lượng piston: 0,84 kg

 Khối lượng thanh truyền: 1,34 kg

 Áp suất khí thể lớn nhất: 6,2 Mpa

Chän d 0 = 26 (mm)ChiÒu dµy b¹c lãt Δ = (0,08 ¿ 0,085)dcp = (2,96 ¿ 3,145) (mm)Chän Δ = 3 (mm)mm)Khe hë híng kÝnh b¹c lãt vµ chèt piston Δ’= 0,001.dcp = 0,037 (mm)

- Gäi r1 lµ b¸n kÝnh trong ®Çu nhá thanh truyÒn:

r1=dcp/2+Δ+Δ’= 37/2+3+0,037 =21,537 (mm)Chän r1 =22 (mm)

- Gäi r2 lµ b¸n kÝnh ngoµi ®Çu nhá thanh truyÒn:

r2 = 1,4.r1= 30,8 (mm)Chän r2 =31 (mm)

- ChiÒu dµi ®Çu nhá thanh truyÒn : l d 1= (0,28 ¿ 0,32)D= (29,68 ¿ 33,92)(mm)

2.1.3 Khèi lîng nhãm thanh truyÒn

- Khèi lîng thanh truyÒn quy dÉn vÒ ®Çu nhá

m1=(0,275-0,35)mtt =(1,045 - 1,33) (kg)Chän m1=1,2 (kg)

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

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 suấtphụ 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 nàycũng là tính toán ở chế độ số vòng quay giới hạn lớn nhất của động cơ Nếu không

có bộ phận giới hạn số vòng quay (hoặc bộ điều tốc) thì số vòng quay lớn nhất nmaxcủa động cơ có thể vợt quá số vòng quay ở chế độ công suất lớn nhất ne=25% ¿

30% tức là: Nmax =(1,25 ¿ 1,30) ne

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 γ bằng

(2-1)Trong đó:

bán kính trong của đầu nhỏ :

H

2 = r 1 =22 (mm) bán kính ngoài đầu nhỏ; r2 = 31 (mm)

H - chiều rộng của thân chỗ nối với đầu nhỏ

ρ1 : Bán kính góc lợn nối đầu nhỏ với thân thanh truyền chọn theo hệ số thực

nghiệm Đối với thanh truyền có bán kính ngoài đầu nhỏ l 31 thì chọnà 31 thì chọn ρ 1 40

- 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





(rad/s) R=S/2=124/2=62 (mm)Thay vào (2-3) :

⇒ pj = 3,7.62.10 −3 189 2 (1+ 0,295) = 0,009738 (MN)

(MN)

Trên cơ sở giả thiết nêu trên, ta xây dựng sơ đồ tính toán và biểu thị ở

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

( (λ x≤ 900) ) và cung có lực phân bố (λ x≥ 900)

- Khi (λ x≤ 900) ta có :

Mômen uốn:

Mj =MA+NA(cosx)-0,5.Pj.(1-cosx) (2-4) Lực kéo:

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

Mjc = MA + NA (1-cos γ ) - 0,5Pj (sin γ− cos γ )

Njc = NAcos γ + 0,5PJ(sin γ− cos γ )

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

Mjc=3,82.10-6 + 4,12.10-3.26,5.10 −3 (1- cos135 0 ) - 0,5 0,01061.26,5.10-3.

(sin135 0 - cos135 0 ) = 1,82.10-5 (MN.m)

Njc=4,12.10-3cos135 0 +0,5 0,009738 (sin135 0 - cos135 0 )=0.00337 (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 phầncủa lực kéo đó, đặc trng bằng hệ số χ , tức là : Nk = χN J

Hệ số χ phụ thuộc vào độ cứng của các chi tiết mối ghép (bạc lót và đầu nhỏ) và

l d1 : Chiều dài đầu nhỏ thanh truyền; l d1 =32 (mm)

d 2 : Đờng kính ngoài đầu nhỏ: `d 2 = 62 (mm)

Fb : tiết diện dọc của bạc lót

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 mặt trong của đầu nhỏ (Hình 2.3)

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

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

H×nh 2.5 øng suÊt trªn ®Çu nhá thanh truyÒn khi chÞu nÐn

ứng suất bên ngoài mặt đầu nhỏ :

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 số an toàn đợc tính theo công thức:

159 68

113,5 2



 

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

e Độ biến dạng của đầu nhỏ thanh truyền

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

=3.10-6 MN/

m4

+ Với:

l d1 : Chiều dài đầu nhỏ thanh truyền; l d1 = 32 (mm)

P jnp : Lực quán tính của khối lợng nhóm piston

P jnp = m np R ϖ2 .(1 + λ )

⇒ P jnp =3,7 62.10 −3 189 2 (1+ 0,295) = 0,008887

(MN)Thay vào (2-22) ta đợc:

nên yêu cầu δ≤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 tínhtoán

Tiết diện nhỏ nhất chịu nén do tác dụng của hợp lực khí thể và lực quán tính vận

động tịnh 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 thanhtruyền

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 thanhtruyền

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

H1=2.r1=44 (mm)h1=0,668.H1=29 (mm)b/2=0,292.H1=13 (mm)B1=0,75.H1=33 (mm)

⇒ F min =44.10-3.33.10-3 – 29 10-3 13.10-3 = 1,278.10 −3 (m 2 )Thay vào (2-23) ta có:

σ n= 0 ,076

1 ,278 10−3 =59,1

(MN/m 2 )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

σ K= P jd

Fmin (MN/m 2

) (2-24)

Hệ số an toàn η d thờng nằm trong khoảng 2,0 – 3,0 vậy hệ số an toàn đã tính

càng đảm bảo 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 thanhtruyền nằm phía trên tiết diện trung bình ứng suất kéo đợc xác định theo biểu thứcsau :

Pjtb = (mnp + Mtb)R ω2(1+λ ) (MN)

(2-27)Mtb : khối lợng của thanh truyền nằm phía trên tiết diện trung bình Ftb

Do Mtb <

1

2 .m tt nên để đơn giản tính toán mà vẫn thoả mãn công thức (2-6)

Hình 2.6 Sơ đồ tính toán thân thanh truyền

σ K=0,0097382,2.10−3=4,14 (MN/m2 )

ứng suất nén và uốn dọc do lực tổng P∑¿¿

của lực khí thể và lực quán tính chuyển

động tịnh tiến, đợc xác định theo công thức Nave – Răngkin

⇒ P Σ= 0,076

J: mô men quán tính của tiết diện thân thanh truyền

Đối với trục x - x ta có:

(m) + b=

i : là bán kính quán tính của tiết diện

Đối với trục x-x ta có:Ix = √ J x

σ y: giới hạn đàn hồi của vật liệu.

L0: Chiều dài biến dạng của thân thanh truyền khi chịu uốn dọc.

m : Hệ số xét đến ngàm chịu lực của thân thanh truyền khi uốn dọc:

khi uốn trong mặt phẳng lắc của thanh truyền (uốn quanh x-x )ta có:

σ y= 0 ,076

3 10−3 1 ,35=47 (MN/m2 ) Thỏa mãn ứng suất cho phép của thân thanh truyền nh sau:

- Đối với thanh truyền thép hợp kim : 120 – 180 (MN/m2 )

2.2.3 Tính sức bền đầu to thanh truyền.

Do kết cấu đầu to có tiết diện thay đổi phức tạp, nên tính toán mang tính chất gần

đúng

Lực tính toán là hợp lực của lực quán tính vận động tịnh tiến và vận tốc quay của

đầu to không kể đến nắp, tính tại vị trí DCT:

Pd = M tt R ω2 (1+ λ ) + (M2 - Mn)R ω 2 ; (MN)Trong đó:

M tt =3,8(kg) : Khối lợng chuyển động tịnh tiến của thanh truyền

M2, Mn tơng ứng là khối lợng quy về đầu to, khối lợng nắp đầu to (kg)

Để đơn giản cho tính toán ta giả thiết : M2 - M n =2,87-0,7175= 2,15(kg)

- Đầu to coi nh một khối nguyên, không xét đến mối ghép

- Tiết diện ngang đầu to coi nh không đổi bằng tiết diện giữa của nắp

Khi lắp căng bạc lót đầu to với đầu to thì bạc lót và đầu to đồng thời cũng biến dạng nh nhau Do đó, mô men tác dụng tỷ lệ với mô men quán tính của tiết diện,còn lực tác dụng tỷ lệ với diện tích tiết diện

Coi đầu to nh một dầm cong tiết diện không đổi, ngàm một đầu ở tiết diện B Bứng với góc γ0 , thông thờng γ0 = 400 Dầm ngàm một đầu đó có đợc do cắt bỏ

một nửa của đầu to và thay thế sự ảnh hởng của nó bằng giá trị mô men uốn Ma vàlực pháp tuyến NA tại tiết diện cắt bỏ (A-A) Dầm có bán kính cong bằng một nửakhoảng cách giữa 2 đờng tâm lỗ lắp ghép bu lông thanh truyền

- Lực phân bố trên dầm cong của đâu to (gây ra lực Pđ) theo quy luật đờngcôsnnuýt

β : góc lệch so với đờng tâm thanh truyền.

Mô men uốn và lực pháp tuyến thay thế tại tiết diện A-A đợc tính theo biểu thứcsau:

MA = pd

C

2 (0,0127 + 0,00083 γ0 )