CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG KẾT CẤU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Tài liệu lưu hành nội bộ dành cho sinh viên Ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Biên[.]

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT KẾT CẤU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Tài liệu lưu hành nội - dành cho sinh viên Ngành Công nghệ Kỹ thuật Ơ tơ Biên soạn: GVC Nguyễn Lê Châu Thành Tài liệu: Kết cấu động đốt CHƯƠNG 1: ĐỘNG HỌC CƠ CẤU KHUỶU TRỤC THANH TRUYỀN (KTTT) 1.1 ĐỘNG HỌC CỦA CƠ CẤU KTTT GIAO TÂM Cơ cấu KTTT giao tâm cấu mà đường xuyên tâm xi lanh trực giao với đường tâm trục khuỷu điểm 1.1.1 Sơ đồ cấu x A ĐCT S B' B D β l ĐCD C α R O b) a) Hình 1.1 a) Mơ tả hoạt động động đốt trong; b) Sơ đồ động học cấu khuỷu trục truyền giao tâm O - Giao điểm đường tâm xi lanh đường tâm trục khuỷu C - Giao điểm đường tâm truyền đường tâm chốt khuỷu B' - Giao điểm đường tâm xi lanh đường tâm chốt piston A - Vị trí chốt piston piston ĐCT B - Vị trí chốt piston piston ĐCD R - Bán kính quay trục khuỷu (m) l - Chiều dài truyền (m) S - Hành trình piston (m) x - Độ dịch chuyển piston tính từ ĐCT ứng với góc quay trục khuỷu α (m) β - Góc lắc truyền ứng với góc α (độ) 1.1.2 Xác định động học piston phương pháp giải tích a Chuyển vị piston Từ hình 1.1 b) ta có chuyển vị x piston: x= AO - (B'D+DO) = [(R+l) - (lcosβ+Rcosα )] (1.1) Đặt λ = R tham số kết cấu động l  1   x = R 1 +  −  cos α + cos β  λ   λ   Xét tam giác OCB', theo quan hệ lượng giác ta có: GVC: Nguyễn Lê Châu Thành, Bộ mơn Cơ khí Ơ tơ, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tài liệu: Kết cấu động đốt DC = R.sinα Như vậy: λ = DC = l.sinβ sin β 2 cos β = − sin β rút ra: cos β = − λ sin α sin α Khai triển nhị thức Newton rút gọn thay vào (1.1) ta có cơng thức gần đúng: λ   x ≈ R (1 − cos α ) + (1 − cos 2α )   (1.2) b Vận tốc piston Đạo hàm chuyển vị theo thời gian ta biểu thức xác định vận tốc: dx dx dα dx = = ω dt dα dt dα dα Vận tốc góc trục khuỷu Với: ω = dt λ   Công thức gần đúng: v ≈ Rω sin α + sin 2α    v= (1.3) (1.4) Khi thiết kế động người ta thường quan tâm đến tốc độ trung bình piston: S.n v tb = (m/s) (một số tài liệu ký hiệu Cm) 30 Trong S: hành trình piston(m); n số vòng quay trục khuỷu (v/ph) Động tốc độ thấp có v tb = 3,5 ÷ 6,5 (m/s) Động tốc độ trung bình có v tb = 6,5 ÷ (m/s) Động tốc độ cao có v tb > (m/s) c Gia tốc piston dv dv dα dv = =ω dt dα dt dα Công thức gần đúng: j ≈ Rω (cos α + λ cos 2α ) j= (1.5) (1.6) Gia tốc j đạt cực trị khi: dj = −Rω2 (sin α + 2λ sin 2α ) = dα tương ứng với: α = α = 180 jα = = Rω2 (1 + λ) jα =180 = − Rω (1 − λ )   α = arccos −  jα = −Rω2 (λ + ) trị số tồn λ ≥ 8λ  4λ  1.1.3 Động học truyền a Góc lắc truyền Thanh truyền chuyển động song phẳng, góc lệch tâm truyền so với đường tâm xi lanh xác định: GVC: Nguyễn Lê Châu Thành, Bộ môn Cơ khí Ơ tơ, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tài liệu: Kết cấu động đốt β = arcsin(λ sin α) (1.7) b Vận tốc góc truyền ωtt = cos α dβ dβ dα dβ cos α = =ω = λω ; ω tt = λω dt dα dt dα cos β − λ2 sin α Khi α = α = 180, vận tốc góc truyền đạt cực trị (1.8) ω tt max = ±λω c Gia tốc góc truyền ε tt = dωtt dωtt dα dω sin α = = ω tt = −λω2 (1 − λ2 ) dt dα dt dα (1 − λ2 sin α)3 (1.9) Khi α = 900 α = 2700, gia tốc góc truyền đạt cực trị ε tt max = ± λω 1 − λ2 1.2 Động học cấu KTTT lệch tâm Cơ cấu KTTT lệch tâm cấu mà đường tâm xi lanh trực giao với đường tâm trục khuỷu không gian cách trục khuỷu khoảng e a (thường kí hiệu e): gọi độ lệch tâm, có giá trị e ≤ 5mm, e = k = 0,04 ÷ 0,2 gọi R độ lệch tâm tương đối e Gọi = k hệ số lệch tâm R R Và λ = tham số kết cấu l l: chiều dài truyền R bán kính quay trục khuỷu Hình 1.2 Cơ cấu trục khuỷu truyền lệch tâm 1.2.1 Mục đích cấu KTTT lệch tâm - Tăng hành trình nạp lý thuyết, để thời gian nạp kéo dài nhằm tăng lượng nạp - Tăng hành trình piston, tăng thể tích cơng tác giữ nguyên bán kính quay R đường kính xi lanh D - Giảm lực ngang N tác dụng lên thành xi lanh hành trình sinh cơng, giảm va đập, giảm mài mịn nhóm Piston, xi lanh - Giảm tốc độ piston gần ĐCT, q trình cháy hoàn thiện - Tăng khoảng cách đường tâm trục khuỷu đường tâm trục cam nên khả bố trí dẫn động cấu dễ ràng Nhược điểm: - Lực quán tính chuyển động thẳng tăng lên dẫn đến tăng hao mòn chi tiết, ảnh hưởng xấu đến tính cân động - Tính cơng nghệ chế tạo động GVC: Nguyễn Lê Châu Thành, Bộ mơn Cơ khí Ơ tơ, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tài liệu: Kết cấu động đốt - Để đơn giản hơn, người ta chế tạo lệch tâm chốt piston cách đường tâm piston khoảng a Như vậy, đường tâm piston trùng với đường tâm xi lanh cấu KTTT giao tâm Với mục đích giảm lực N hành trình sinh cơng nên độ lệch tâm ln phía chiều quay trục khuỷu Trong động tàu thủy có cấu đảo chiều không dùng cấu KTTT lệch tâm 1.2.2 Góc lệch truyền vị trí điểm chết α1 góc hợp truyền với đường tâm xi lanh piston ĐCT α2 góc hợp truyền với đường tâm xi lanh piston ĐCD λk e sin α1 = viết: sin α1 = λ +1 l+R λk e sin α = − rút ra: sin α = − l−R λ−l 1.2.3 Động học piston cấu KTTT lệch tâm Dựa vào cơng thức tính gần giá trị x, v, j cấu KTTT giao tâm có xét đến hệ số lệch tâm k a Độ dịch chuyển piston   x = R (1 − cos α) + (1 − cos 2α) − kλ sin α    b Vận tốc piston λ   v = Rωsin α + sin α − kλ cos α    c Gia tốc piston J = Rω2(cosα + λcos2α + kλsinα) 1.2.4 Động học truyền cấu KTTT lệch tâm dạng xác Sinβ = λ(sinα - k) a Góc lắc β = arcsin[λ(sinα - k] (1.10) b Vận tốc lắc λω cos α dβ cos α cos β = λω cos α ⇒ ωtt = λω ; ωtt = (1.11) dt cos β 1− λ2 (sin α − k ) c Gia tốc lắc R a với k = hệ số lệch tâm; λ = R l ε tt = − [ ] ω λ sin α − λ2 (sin α − k ) − λ2 cos α(sin α − k ) [1− λ (sin α − k) ] 2 (1.12) CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 1 Nêu ưu nhược điểm cấu khuỷu trục truyền lệch tâm Cho cơng thức tính chuyển vị piston: GVC: Nguyễn Lê Châu Thành, Bộ môn Cơ khí Ơ tơ, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tài liệu: Kết cấu động đốt λ   x = R (1 − cos α ) + (1 − cos 2α )   a Giải thích thành phần cơng thức b Thành lập công thức xác định vận tốc piston Vận tốc trung bình piston xác định c Thành lập công thức xác định gia tốc piston Vẽ sơ đồ động học cấu khuỷu trục truyền giao tâm thời điểm góc quay trục khuỷu 15 độ, cho bán kính khuỷu 150mm, chiều dài truyền 500mm: a Thành lập cơng thức xác định góc lắc truyền? b Tính giá trị góc lắc truyền? GVC: Nguyễn Lê Châu Thành, Bộ mơn Cơ khí Ơ tơ, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tài liệu: Kết cấu động đốt CHƯƠNG 2: ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU KHUỶU TRỤC THANH TRUYỀN 2.1 CÁC LỰC TÁC DỤNG LÊN CƠ CẤU KHUỶU TRỤC THANH TRUYỀN 2.1.1 Lực khí thể Áp suất buồng cháy tác dụng lên đỉnh piston sinh lực khí thể: Pkt = p kt π.D (MN ) (2.1) Áp suất khí thể thường tính áp suất dư, đó: p kt = p − p (MN/m2) (2.2) pkt - Áp suất khí thể tính theo áp suất dư (MN/m2) p - Áp suất khí thể đồ thị công (MN/m2) p0 - Áp suất khí trời (MN/m2) Khai triển đồ thị cơng p - V thành p - α lấy p0 làm trục ngang hệ toạ độ p0 -α đồ thị khai triển lực khí thể pkt = f(α) Để tính lực khí thể nhân áp suất khí thể với diện tích đỉnh piston: πD Pkt = p kt Fp = p kt (2.3) Hình 2.1 Khai triển lực Pkt, Pj, P1 theo góc quay trục khuỷu 2.1.2 Lực qn tính chuyển động thẳng Các khối lượng dùng xác định lực quán tính thường tính tốn theo đơn vị diện tích đỉnh piston thứ nguyên kg/m2 a Khối lượng quán tính chuyển động thẳng Do khối lượng chi tiết chuyển động thẳng dọc theo xi lanh với gia tốc j gây m = mnp+ m1 Khối lượng nhóm piston (kg): (2.4) mnp = mp + mch + msm + mvh + mg (2.5) Piston (mp), chốt piston (mch), sécmăng (msm), vòng hãm (mvh), guốc piston (mg) Khối lượng truyền: GVC: Nguyễn Lê Châu Thành, Bộ mơn Cơ khí Ơ tơ, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tài liệu: Kết cấu động đốt Thanh truyền chuyển động song phẳng bao gồm chuyển động thẳng theo đường tâm xi lanh chuyển động quay theo trục khuỷu Người ta thường thay khối lượng truyền nhiều khối lượng tương đương với điều kiện sau: Tổng khối lượng phần khối lượng truyền Trọng tâm hệ thay trùng với trọng tâm thực truyền Mơ men qn tính khối lượng thay so với trọng tâm mơ men qn tính thực khối lượng truyền với trọng tâm Tương đương với biểu thức: n ∑ m i = m tt  i =1 n ∑ m i ri =  i =1 n ∑ m i ri = I G  i =1 (2.6) ri : khoảng cách từ khối lượng thứ i đến trọng tâm IG : Mô men quán tính truyền Trong thực tế thường thay khối lượng truyền hai khối lượng, đó: mtt = m1 + m2 (2.7) m1 - khối lượng truyền tham gia chuyển động thẳng m2 - khối lượng truyền tham gia chuyển động quay Động Ơ tơ máy kéo: m1 = (0,275÷0,35)mtt m2 = (0,65÷0,725)mtt Động tàu thuỷ, tĩnh tại: m1 = (0,35÷0,4)mtt m2 = (0,65÷0,6)mtt Khối lượng chuyển động thẳng cấu khuỷu trục truyền là: (2.8) m = mnp + m1 Một số trường hợp chia khối lượng truyền thành khối lượng, dùng Hình 2.2 Chia khối lượng truyền thành khối lượng (ít dùng) b Biểu thức xác định lực quán tính chuyển động thẳng Pj = −mj = −mRω2 (cos α + λ cos 2α) (2.9) Lực chia làm hai thành phần: Pj1 = −mRω2 cos α , chu kỳ biến thiên vịng quay trục khuỷu (lực qn tính chuyển động cấp 1) GVC: Nguyễn Lê Châu Thành, Bộ mơn Cơ khí Ơ tơ, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tài liệu: Kết cấu động đốt Pj2 = −mRω2λ cos 2α , chu kỳ biến thiên 1/2 vịng quay trục khuỷu (lực qn tính chuyển động cấp 2) Quy ước dấu hai thành phần sau: Chiều quay lên (ly tâm tâm trục khuỷu) chiều (-), ngược lại chiều dương (+) o 360 ĐCT α Pj1=Ccosα o o 270 90 C=mRω2 + o ĐCD 180 o ĐCT o 315 Pj2=λCcos2α 2α 360 45 + + o 270 λC o 90 o 225 ĐCD o oo 135 o 180 Hình 2.3 Xét dấu lực qn tính chuyển động tịnh tiến 2.1.3 Lực quán tính ly tâm a Khối lượng chuyển động quay Bao gồm khối lượng chuyển động quay khuỷu trục truyền Khuỷu trục bao gồm: chốt khuỷu, má khuỷu, cổ trục sơ đồ hình 2.4 R ρ Hình 2.4 quy dẫn khối lượng khuỷu trục Phần chuyển động quay theo bán kính R phần khối lượng chốt khuỷu mck Phần chuyển động quay theo bán kính ρ phần khối lượng má khuỷu mm Nếu quy khối lượng mm tâm chốt khuỷu ta phải thay khối lượng tương đương mmR: m mR = m m ρ R (2.10) Khối lượng chuyển động quay khuỷu trục với bán kính quay R là: mk = mck + 2mmR (2.11) GVC: Nguyễn Lê Châu Thành, Bộ môn Cơ khí Ơ tơ, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tài liệu: Kết cấu động đốt 10 Khối lượng chuyển động quay cấu khuỷu trục truyền là: mR = mk + m2 b Biểu thức xác định lực quán tính ly tâm (2.12) PR = −m R R.ω2 (2.13) 2.2 HỆ LỰC VÀ MOMEN TÁC DỤNG LÊN CƠ CẤU KHUỶU TRỤC THANH TRUYỀN 2.2.1 Hệ lực tác dụng cấu khuỷu trục truyền ĐCT x A N Đặt hợp lực quán tính chuyển động tịnh tiến Pj lực khí thể Pkt P1 Lực P1 phân thành hai lực: S P1 = Pj + Pkt P1 = Ptt + N Ptt P1 ĐCD β PR B Lực ngang: N = P1.tgβ Ptt = P1 O (2.15) Lực dọc đường tâm truyền: α T Z (2.14) cos β (2.16) Lực Ptt lại phân thành hai thành phần: Ptt T = Ptt sin(α + β) = P1 Z = Ptt cos(α + β) = P1 Hình 2.5 Sơ đồ lực tác dụng lên cấu KTTT sin(α + β) cos β cos(α + β) cos β (2.17) (2.18) Lực T,Z,N có giá trị thay đổi theo góc quay trục khuỷu Biểu diễn lực đồ thị Lực quán tính khối lượng chuyển động quay lực ly tâm có chiều ly tâm giá trị không đổi: PR = −m R Rω2 2.2.2 Mô men quay trục khuỷu M = R.T (MN.m) (2.19) (2.20) Mô men cân với mô men cản Mc lực cản lực ma sát chi tiết chuyển động tác dụng lên bánh đà mô men sinh mơ men qn tính J0 tất chi tiết chuyển động quay với gia tốc ε quy tâm trục khuỷu Do đó: M = Mc + J0ε (2.21) GVC: Nguyễn Lê Châu Thành, Bộ mơn Cơ khí Ơ tơ, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật ...Tài liệu: Kết cấu động đốt CHƯƠNG 1: ĐỘNG HỌC CƠ CẤU KHUỶU TRỤC THANH TRUYỀN (KTTT) 1.1 ĐỘNG HỌC CỦA CƠ CẤU KTTT GIAO TÂM Cơ cấu KTTT giao tâm cấu mà đường xuyên tâm... Thành, Bộ mơn Cơ khí Ơ tơ, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tài liệu: Kết cấu động đốt CHƯƠNG 2: ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU KHUỶU TRỤC THANH TRUYỀN 2.1 CÁC LỰC TÁC DỤNG LÊN CƠ CẤU KHUỶU TRỤC... 2α ) Cân động GVC: Nguyễn Lê Châu Thành, Bộ mơn Cơ khí Ơ tơ, Khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tài liệu: Kết cấu động đốt 19 a Trình bày khái niệm cân động cơ, mục đích Nếu động khơng