TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG` KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG BÀI TẬP MÔN HỌC ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRÊN ĐỘNG CƠ VÀ Ô TÔ Giảng viên hướng dẫn T S Phan Minh Đức Sinh viên thực hiện Tăng Võ Ngọc Nguyện Mã số si[.]
` TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG KHOA CƠ KHÍ GIAO THƠNG BÀI TẬP MÔN HỌC ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TRÊN ĐỘNG CƠ VÀ Ô TÔ Giảng viên hướng dẫn Sinh viên thực Mã số sinh viên Lớp sinh hoạt Lớp học phần : : : : : T.S Phan Minh Đức Tăng Võ Ngọc Nguyện 103190161 19C4CLC4 19.20 Đà Nẵng 2022 Trang | MỤC LỤC I YÊU CẦU ĐỀ BÀI .3 II TỔNG QUAN VỀ YÊU CẦU CỦA ĐỀ BÀI VÀ LÊN PHƯƠNG ÁN, LỰA CHỌN CÁCH THIẾT KẾ CƠ CẤU: Tổng quan yêu cầu đề Lên phương án thiết kế cấu .3 Phân tích lựa chọn phương án thiết kế tối ưu .6 II TÍNH TỐN SƠ BỘ VÀ ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ VCR CONROD ĐỂ THIẾT KẾ CƠ CẤU 1.Tính tốn sơ 2.Kết cấu nguyên lý hoạt động cấu VCR Conrod .8 Lập mơ hình tính tốn cho hệ thống VCR Conrod: 11 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………………16 Trang | I YÊU CẦU ĐỀ BÀI Thiết kế cấu piston, truyền, khuỷu trục động đốt với yêu cầu sau đây: - Tỷ số nén thay đổi khoảng 10 đến 12; - Đường kính piston D = 76 [mm]; - Hành trình piston tương ứng với tỉ số nén 10 82 [mm] II TỔNG QUAN VỀ YÊU CẦU CỦA ĐỀ BÀI VÀ LÊN PHƯƠNG ÁN, LỰA CHỌN CÁCH THIẾT KẾ CƠ CẤU: Tổng quan yêu cầu đề - Về mặt tổng quan, đề yêu cầu thiết kế cấu piston, truyền, trục khuỷu động đốt với đường kính piston hành trình piston ứng với tỷ số nén cho sẵn Việc thiết kế phải yêu cầu đảm bảo phù hợp cho động có tỷ số nén biến thiên thay đổi liên tục khoảng 10-12 Lên phương án thiết kế cấu -Để tỷ số nén thay đổi thay đổi thể tích buồng cháy Mà cụ thể phương pháp dễ thực thay đổi vị trí Piston Cụ thể ta có số phương án áp dụng nay: a Công nghệ SVC (Saab Variable Compression): Cách để tỷ số nén thay đổi mà nhà sản suất Saab công bố vào năm 2000 đầu xi lanh đơn vị xi lanh trượt Trang | Hình 1: Mơ kết cấu công nghệs Saab Variable Compression b Công nghệ VC-T (Variable Compression – Turbo): Cách để tỷ số nén thay đổi mà nhà sản suất Nissan công bố vào năm 2018 thay đổi độ dài hành trình cách sử dụng hệ thống “đa liên kết” phức tạp thay cho truyền thơng thường Như hình dưới, hệ thống đa liên kết bao gồm liên kết (thanh truyền trên), liên kết tâm hình thoi liên kết (thanh truyền dưới) Liên kết tâm hình thoi gắn ngõng trục khuỷu, tự xoay ngõng trục khuỷu Khi xoay theo chiều kim đồng hồ vài độ, đẩy piston lên làm tăng tỷ số nén Ngược lại, giảm tỷ số nén xoay ngược chiều kim đồng hồ vài độ Góc liên kết tâm hình thoi điều khiển liên kết Một động điện (được gọi “dẫn động điều hòa”) quay trục điều khiển thông qua cánh tay truyền động Trục điều khiển kết nối với liên kết xi lanh thông qua cam lệch tâm Khi trục điều khiển quay, liên kết di chuyển lên xuống, điều chỉnh góc liên kết tâm hình thoi tỷ lệ nén thay đổi Trang | Hình 2: Cơng nghệ CV-T động nhà sản xuất Nissan c Công nghệ VCR (Variable Compression Ratio) Conrod: Công nghệ VCR Conrod điều chỉnh khoảng cách tâm chốt piston tâm đầu nhỏ truyền cần trình vận hành động Khi khoảng cách tăng lên đồng nghĩa độ cao piston tăng lên, từ làm giảm thể tích buồng đốt Kết quả, tỷ số nén tăng Ngược lại, tỷ số nén giảm Điều tạo nhờ cấu tạo đặc biệt đầu nhỏ thành truyền, hai tâm trịn khơng đồng tâm Nó dẫn động xoay nhờ piston nhỏ tích hợp bên thân truyền Trang | Hình 3: Mơ cơng nghệ VCR Conrod Phân tích lựa chọn phương án thiết kế tối ưu - Cơng nghệ SVC: Khơng sản xuất phổ biến vấn đề tin cậy độ phức tạp - Công nghệ VC-T: Hệ thống đa liên kết cồng kềnh, cộng thêm trọng lượng, quán tính ma sát đáng kể - Công nghệ VCR Conrod: Chi tiết phức tạp đáp ứng yêu cầu biến thiên tỷ số nén tốt Mục đích phương án thay đổi tỷ số nén, qua khảo sát sơ ta thấy phương án VCR Conrod hiệu tối ưu thiết kế ➔ Chọn phương án công nghệ VCR Connrod để thiết kế Trang | II TÍNH TỐN SƠ BỘ VÀ ÁP DỤNG CƠNG NGHỆ VCR CONROD ĐỂ THIẾT KẾ CƠ CẤU 1.Tính tốn sơ - Các thông số đề cho sẵn: + Tỷ số nén khoảng từ: 10-12 + Đường kính piston D = 76 [mm] + Ứng với = 10 ta có S = 82 [mm] - - Để ɛ thay đổi từ 10 đến 12 ta sử dụng cơng nghệ VCR Conrod Ta có: Thể tích cơng tác Vct thể tích xilanh giới hạn hai điểm chết: D S V Vct Vtp Vbc ct mà Tỷ số nén tỷ số thể tích tồn phần thể tích buồng cháy: V Vbc Vct D S 762.82 118408 (mm3 ) 4 - Tại = 10, ta có: - Ta có hệ phương trình ẩn sau: Vtp Vbc Vct Vtp Vbc 118408 Vtp 413321,89(mm ) Vtp Vtp V V 10 Vbc 41332,189(mm ) bc bc - Với Vct không đổi , = 12, ta có phương trình ẩn: Vtp Vbc Vct Vtp Vbc 118408 Vtp 404573,16(mm ) Vtp Vtp 12 Vbc 33714, 43(mm ) V V bc bc Mục đích việc tính tốn để tìm kích thước để điều chỉnh khoảng cách tâm chốt piston tâm đầu nhỏ truyền cần trình vận hành động Khi khoảng cách tăng lên đồng nghĩa độ cao piston tăng lên, từ làm giảm thể tích buồng đốt Kết quả, tỷ số nén tăng Ngược lại, tỷ số nén giảm Có thể gọi kích thước thay đổi ∆h: Trang | h - (Vbc (10) Vbc (12) ).4 D (41332,189 33714, 43).4 1, 679(mm) 762 Vậy khoảng cách tâm chốt piston tâm đầu nhỏ truyền cần trình vận hành động thay đổi tỷ số nén từ 10 đến 12 là: ∆h = 1,679 mm 2.Tính tốn thơng số kết cấu nguyên lý hoạt động cấu VCR Conrod a) Về kết cấu tính tốn thơng số: - Thanh truyền bao gồm hệ thống treo chân piston lệch tâm, chân piston, thân nối, nắp nối, liên kết trái, xi lanh trái, liên kết phải, xi lanh phải, xi lanh phải, van cầu trái, van cầu phải, v.v - Đầu nhỏ truyền trang bị ống bọc lệch tâm chứa chân piston Bề mặt hình trụ ống bọc lệch tâm khớp với lỗ đầu nhỏ truyền ống bọc lệch tâm xoay lỗ đầu nhỏ truyền Hệ thống treo chốt piston lệch tâm kết nối với ống bọc lệch tâm Hệ thống treo chốt piston lệch tâm kết nối với liên kết bên trái xi lanh trái liên kết bên phải xi lanh phải tương ứng kết nối khớp nối Do đó, ống bọc lệch tâm xoay cách thay đổi vị trí hình trụ bên trái hình trụ bên phải Do đó,chiều dài truyền đảm bảo tỷ số nén thay đổi cách xoay ống bọc lệch tâm Từ đường kính xylanh đề cho D=76 mm ta có thơng số sau : + Đường kính chốt piston: Ta có cơng thức sau: dop=(0.3-0.45).D=28 mm Nên ta chọn dop=28 mm +Đường kính ngồi lỗ chốt: Ta có cơng thức sau dp=(1.3-1.6).dop=(45.5-56) mm Nên ta chọn dp=52 mm +Chiều cao H piston :Ta có cơng thức sau H=(1-1.5).D=(76-114) mm Nên ta chọn H= 90 mm Trang | Trang | Hình 4: Mơ hình truyền sử dụng công nghệ VCR Conrod - Hệ thống thủy lực hệ thống VCR Conrod liên tục bao gồm nguồn dầu áp suất thấp, nguồn dầu cao áp, van chiều, van điện từ, van cầu trái, van cầu phải, xi lanh trái, xi lanh phải, van điện từ điều chỉnh thể tích, điều chỉnh thể tích, v.v Hình 5: Sơ đồ hệ thống thủy lực công nghệ VCR Conrods - Thiết kế Trục Khuỷu : +Cổ trục khuỷu: Các giới hạn kích thước cổ trục: Đối với động : *dct=(0,70 – 0,85)D (với D đường kính xylanh) Trong việc thiết kế động này, ta chọn dct=0.75 * 76 = 57 (mm) → chọn dct= 57 mm + Chốt khuỷu - Kích thước chốt khuỷu thường nằm phạm vi sau: dch=(0.57 – 0.66) D (với D đường kính xylanh) Trong việc thiết kế động này, ta chọn dch=0.62*76=47.12 mm → chọn dch= 48 mm b) Nguyên lý hoạt động: Trong hệ thống VCR Conrod thủy lực, việc điều chỉnh tỷ số nén thực cách thay đổi vị trí chốt piston lắp ống bọc lệch tâm quay điều khiển Trang 10 | xi lanh bên trái xi lanh bên phải Kết là, việc điều chỉnh tỷ số nén hồn tồn dựa vào lực mơmen liên quan đến chuyển động piston để truyền động không cần lượng bên Nguyên lý làm việc hệ thống VCR Conrod thủy lực hình Hình 6: Sơ đồ trình điều chỉnh a) Giai đoạn điều chỉnh b) Giai đoạn điều chỉnh thứ hai c) Giai đoạn việc điều chỉnh hoàn thành Khi cần điều chỉnh tỷ số nén xylanh, cần điều chỉnh cần hạn chế vị trí hợp lý nhờ cấu dẫn động, theo tốc độ tải trọng động Khi xi lanh động chạy đến hành trình giãn nở, mạch dầu cao áp ngắt cách đóng van điện từ nguồn dầu cao áp Hệ thống cung cấp nguồn dầu áp suất thấp Đồng thời, van điện từ điều chỉnh âm lượng bật Dầu mạch dầu nối điều chỉnh thể tích, van cầu bên trái van cầu bên phải chảy vào điều chỉnh thể tích thơng qua van điện từ điều chỉnh thể tích, áp suất mạch dầu nối sau giảm Ở giai đoạn này, lực qn tính pít-tơng động cơ, chốt pít-tơng, v.v., di chuyển so với truyền động cơ, hướng lên hình Dưới tác dụng tổng hợp lực quán tính lực áp suất dầu lên pít-tơng bên trái, tâm chốt pít-tơng chuyển động lên trên, truyền động cho hệ thống treo chốt pít-tơng lệch tâm quay theo chiều kim đồng hồ, hình 6a Một hệ thống đóng tích lớn tạo thành hình trụ bên trái, hình Trang 11 | trụ bên phải, điều chỉnh thể tích mạch kết nối chúng Điều kiện âm lượng tối đa giống đạt điều chỉnh tỷ lệ nén Khi xi lanh chạy đến giai đoạn sau hành trình đầu vào giai đoạn đầu hành trình nén, tác dụng tổng hợp lực quán tính lực áp suất dầu lên piston trái piston phải, tâm chốt piston chuyển động lên trên, truyền động cho hệ thống treo chốt piston lệch tâm quay ngược chiều kim đồng hồ, hình 6b Do đó, áp suất dầu hệ thống tăng dần Van điện từ điều chỉnh âm lượng bị tắt Sau đó, môi chất xi lanh bên trái xi lanh bên phải trở nên nén để hệ thống treo chốt piston lệch tâm khơng cịn quay nữa, thể Hình 6c Từ cao, hành trình piston điều chỉnh thể tích điều khiển cách điều chỉnh vị trí cần giới hạn hợp lý, theo tỷ số nén yêu cầu Van cầu trái đóng áp suất hệ thống lớn áp suất đặt van cầu trái điều trì lần điều chỉnh tỷ số nén Van cầu bên phải giống van cầu bên trái Đồng thời, van điện từ nguồn dầu cao áp bật, có chức kết nối nguồn dầu cao áp mạch dầu nối Việc cung cấp nguồn dầu cao áp đảm bảo van cầu trái van cầu phải ln đóng Nếu tỷ lệ nén cần điều chỉnh lại, trình cần lặp lại Lập mơ hình tính tốn cho hệ thống VCR Conrod: - Hệ thống treo chốt piston lệch tâm, xi lanh bên trái xi lanh bên phải tạo thành hai cấu trượt tay quay cách sử dụng nối động làm tham chiếu cho chuyển động Trang 12 | Hình 7: Sơ đồ phân bố lực - Chú thích đại lượng hình vẽ sơ đồ phân bố lực + L0 kích thước lệch tâm; L1 chiều dài cánh tay trái hệ thống treo chốt piston lệch tâm, L2 chiều dài liên kết bên trái, L3 chiều dài cánh tay phải hệ thống treo chốt piston lệch tâm, L4 chiều dài liên kết bên phải + θ dịch chuyển góc hệ thống treo chốt piston lệch tâm; α dịch chuyển góc liên kết bên trái, •là dịch chuyển góc liên kết bên phải, δ góc lắp đặt xi lanh bên trái, φ góc lắp đặt xi lanh bên phải + F lực piston động tác dụng lên hệ thống treo chốt piston lệch tâm, FL1là lực liên kết bên trái tác động lên hệ thống treo chốt piston lệch tâm, FL2là lực liên kết bên trái tác động lên piston xi lanh trái, FLPlà lực áp suất dầu lên piston xi lanh bên trái, FR1 lực liên kết phải tác dụng lên hệ thống treo chốt piston lệch tâm, FR2 lực liên kết phải tác dụng lên piston xi lanh bên phải, FRP lực áp suất dầu lên piston xi lanh bên phải Sự dịch chuyển piston xilanh bên trái SdLcó thể biểu thị bằng: sdL L1 cos L2 sin L1 sin L2 cos Trang 13 | Sự dịch chuyển piston xi lanh bên phải SdR biểu thị bằng: sdR L3 cos L4 sin L3 sin L4 cos PT cân hệ thống biểu diễn dạng: d 2 F L0 cos FR1.L3 cos( ) FL1.L2 cos J dt Với J mơmen qn tính hệ thống treo chốt piston lệch tâm Phương trình cân piston xi lanh trái biểu thị bằng: d sdL ds FL sin( ) FLP mLP c dL 0 dt dt Trong đó: c hệ số tắt dần, mLP khối lượng piston xi lanh bên trái, δ góc d L PL lắp đặt xi lanh bên trái, FL2 = −FL1, FLP = , dL đường kính piston xi lanh bên trái pL áp suất hoạt động xi lanh bên trái Phương trình cân piston xi lanh bên phải biểu thị bằng: d sdR ds FR sin( ) FRP mRP c dR 0 dt dt Trong đó: c hệ số tắt dần, mLP khối lượng piston xi lanh bên phải, δ góc d L PL lắp đặt xi lanh bên phải, FL2 = −FL1, FLP = , dL đường kính piston xi lanh bên phải pL áp suất hoạt động xi lanh bên phải Phương trình dịng chảy liên tục xilanh bên trái sau: d d L dsdL d L e (VL sdL ) pL : (1) QL dt dt 0 : (2) QL biểu thức (1) van thủy lực bên trái mở biểu thức (2) van thủy lực bên trái đóng Trang 14 | •e hệ số đàn hồi mơi chất thủy lực VL0 thể tích ban đầu xilanh bên trái Phương trình dịng chảy liên tục xilanh bên phải sau: d d R dsdR d R e (VR sdR ) pR : (1) QR dt dt 0 : (2) QR biểu thức (1) van thủy lực bên phải mở biểu thức (2) van thủy lực bên phải đóng •e hệ số đàn hồi mơi chất thủy lực VR0 thể tích ban đầu xilanh bên phải Phương trình dịng chảy liên tục điều chỉnh thể tích sau: d pV dV dsdV dV e (VV sdV ) : (1) QR dt dt 0 : (2) QR biểu thức (1) van điện từ mở biểu thức (2) van điện từ đóng SdV dịch chuyển piston điều chỉnh thể tích, VV0 thể tích ban đầu điều chỉnh thể tích, dV đường kính piston điều chỉnh thể tích pV áp suất vận hành điều chỉnh thể tích Phương trình cân piston điều chỉnh thể tích sau: dV2 d sdV dsdV pV mV c FV kV sdV 0 dt dt Trong đó: FV0 lực siết chặt trước lị xo điều chỉnh thể tích kV0 độ cứng lò xo điều chỉnh thể tích Phương trình dịng chảy liên tục van chiều sau: Trang 15 | 2.(0, 25 pL ) : (1) A Qc cd 0 : (2) QC biểu thức (1) pL0,25 van thủy lực bên trái đóng A diện tích dịng chảy van chiều ρ khối lượng riêng môi chất thủy lực Phương trình cân dịng chảy hệ thống: Theo nguyên lý làm việc VCR Conrod, phương trình cân dịng chảy hệ thống chia thành hai trường hợp Trường hợp lực kết hướng lên lưu lượng xi lanh bên trái tổng lưu lượng xi lanh bên phải lưu lượng van chiều: QL QR QC Một trường hợp khác lực kết xuống dòng chảy xi lanh bên trái tổng lưu lượng xi lanh bên phải dòng chảy điều chỉnh thể tích: QL QR QV Trang 16 | TÀI LIỆU THAM KHẢO https://www.mdpi.com/2076-3417/9/21/4484/html Kết cấu tính tốn hệ thống động – PGS TS Trần Thanh Hải Tùng Hoeltgebaum, T.; Simoni, R.; Martins, D Reconfigurability of engines: A kinematic approach to variable compression ratio engines Mech Mach Theory 2016 Dhananjay, K.S.; Avinash, K.A Combustion characteristics of a variable compression ratio laser-plasma ignited compressed natural gas engine Caio, H.R.; Janito, V.F Kinematics of a variable stroke and compression ratio mechanism of an internal combustion engine Trang 17 | ... quan, đề yêu cầu thiết kế cấu piston, truyền, trục khuỷu động đốt với đường kính piston hành trình piston ứng với tỷ số nén cho sẵn Việc thiết kế phải yêu cầu đảm bảo phù hợp cho động có tỷ số nén... hồ vài độ Góc liên kết tâm hình thoi điều khiển liên kết Một động điện (được gọi “dẫn động điều hịa”) quay trục điều khiển thơng qua cánh tay truyền động Trục điều khiển kết nối với liên kết... .8 Lập mô hình tính tốn cho hệ thống VCR Conrod: 11 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………………16 Trang | I YÊU CẦU ĐỀ BÀI Thiết kế cấu piston, truyền, khuỷu trục động đốt với yêu cầu sau