Hướng dẫn quy trình thiết kế hệ thống

PHẦN I THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRÊN Ô TÔ Quy trình thiết kế hệ thống B1 Xác định được yêu cầu của bài toán thiết kế B2 Đưa ra được sơ đồ khối mới cho hệ thống cần thiết kế B3 Lựa chọn phần tử trên hệ thống[.]

PHẦN I: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRÊN Ô TÔ Quy trình thiết kế hệ thống B1 - Xác định yêu cầu toán thiết kế B2 - Đưa sơ đồ khối cho hệ thống cần thiết kế B3 - Lựa chọn phần tử hệ thống B4 - Lựa chọn yêu cầu toán thiết kế cho phần tử dựa yêu cầu chung toán B5 - Thiết kế phần tử hệ thống theo yêu cầu xác định bước B6 - Kiểm nghiệm lại hệ thống sau thiết kế PHẦN II: VÍ DỤ MINH HỌA CÁC BƯỚC TRONG THIẾT KẾ HỆ THỐNG Đề Thiết kế cải tiến hệ thống dầu bôi trơn động D240 để tăng áp suất dầu sau bầu lọc tinh lên 10% a Xác định yêu cầu toán - Đưa sơ đồ khối ban đầu hệ thống bôi trơn Hình Sơ đồ ngun lí hệ thống bơi trơn động D240 A Bơm dầu; B Lọc dầu; D Trục cam dàn đòn gánh; - C Trục khuỷu; E két làm mát Xác định yêu cầu toán thiết kế: + Xác định yêu cầu độ lọc sạch, lưu lượng, nhiệt độ dầu sau bầu lọc tinh giống với hệ thống ban đầu: • Độ lọc sạch: Hệ số thông qua lọc =2.8 Tiết diện thông qua Ftq lõi lọc 𝐹𝑡𝑞 = 𝑉𝑏 0,89 10−3 102 = 102 = 6,742 10−3 (𝑐𝑚2 ) 𝑉𝑑 6.2,2 Diện tích lọc F lõi lọc xác định theo công thức sau : 𝐹= 𝐹𝑡𝑞 = 2,14 10−3 (𝑐𝑚2 ) 𝐾𝑡𝑞 F - Lưu lượng dầu sau bầu lọc thực tế: 𝑐𝑚3 𝑉𝑡𝑡 = 0,568447 10 ( ) 𝑠 −3 • Nhiệt độ dầu: 81oC • Áp suất cần thiết trước bầu lọc: [𝑉12 𝑃1 = 𝜋 𝑁 ) (𝑅2 − 𝑟02 ) 𝜇12 𝑓 ] 𝜌 − ( 30 𝜇12 𝑓12 (1 − 𝜓) 𝑃1 = 57,98606 (𝐾𝑔/𝑐𝑚2 )= 579860,5754 (Kg/m2) - Áp suất tổn thất lọc ∆𝑝 = 3500 (𝐾𝑔/𝑚2 ) - Áp suất sau lọc là: 𝑝2 = 𝑝1 − ∆𝑝 = 576360,5754 𝐾𝑔/𝑚2 + Xác định giá trị áp suất dầu bôi trơn sau bầu lọc tinh cho hệ thống lớn 10% so với hệ thống ban đầu • Áp suất dầu bơi trơn phải đảm bảo cho đầu : 𝑃2 ≥ 633996,6329 𝐾𝑔/𝑚2 b Thiết kế hệ thống - Đưa sơ đồ khối cho hệ thống bôi trơn cần thiết kế: + Đưa sơ đồ khối hệ thống giống với hệ thống ban đầu Hình Sơ đồ ngun lí hệ thống bơi trơn động D240 1- Khuỷu góc đường hút bơm dầu; (2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,11,12,13,14)-Các khuỷu góc đường đẩy bơm dầu; + Đưa sơ đồ khối khác hệ thống ban đầu - Xác định mối tương quan phần tử hệ thống bôi trơn + Đưa phương trình tốn học biểu thị mối tương quan thông số đầu vào thông số đầu • Tính tốn ổ trượt Thơng số đầu vào: - Ktb: tải trọng trung bình tác dụng lên cổ chốt tính cho đơn vị diện tích cổ chốt (l.d) - Ktbmax : tải trọng trung bình tác dụng lên cổ chốt vùng chịu tải lớn (l*d) - Fpt : diện tích đỉnh pison Fpt : 0,0095 (m2) - lchôt : bề rộng đầu to truyền : lchốt = 4.8 (cm) - dchốt: đường kính cổ chốt : dchốt = 6,8 (cm) Để hệ thống bôi trơn hoạt động tốt bơm dầu phải cung cấp đủ áp suất lưu lượng dầu cần thiết Theo số liệu kinh nghiệm lượng nhiệt dầu mang vào khoảng 1,5 ÷ 3% tổng nhiệt lượng nhiên liệu cháy sinh xi lanh Qd= (0,015÷0,03) Qo (KJ/s) Chọn Qd = 0,025 Qo Trong đó: - Qh : nhiệt trị thấp nhiên liệu với nhiên liệu Diesel Qh = 42,5 MJ/kg, hay Qh =42500 KJ/kg - Gnl : lượng tiêu hao nhiên liệu 1h Gnl = 10-3.Ge.ne (kg/h) ge = 183 g/ml.h hay 𝑔𝑒 = 183 0,7355 = 249 (𝑔/ 𝑘𝑤 ℎ) Ne=80 ml, hay Ne = 58,8 kW Thay vào công thức ta có : Gnl = 10-3.249.58,8=1464(kg/h) ⇒ 𝑄0 = 42500.14,64 3600 =172,8 (KJ/s) Qd =0,025.172,8=4,32 (KJ/s) Từ lượng nhiệt mà dầu mang ta xác định lưu lượng cần thiết dầu nhờn 𝑉𝑑 = 𝑄𝑑 ; 𝑚3 /𝑠 𝜌𝑑 𝐶𝑑 ∆𝑡𝑑 - 𝜌d =900kg/m3 : khối lượng riêng dầu nhờn - Cd = 2,094 KJ/kg độ : tỉ nhiệt dầu nhờn - ∆td = 120C: Độ chênh nhiệt độ dầu trước vào động Thay số vào công thức ta tính Vd 𝑉𝑑= 4,32 900.2,094.12 =0,000191074 (m3/s) Muốn đủ lượng dầu nói trên,bơm dầu thường phải tăng lưu lượng lớn gấp 2÷3,5 lần lưu lượng lý thuyết lưu lượng bơm dầu Vụ xác định sau: 𝑉𝑏′ = (2 ÷ 3,5)𝑉𝑑 = 3,5.0,191 10−3 = 0,000668761 m3/s Lượng dầu bơm cung cấp để tạo tuần hoàn dầu (xét đến hiệu suất bơm là: 𝑉ℎ = 𝑉𝑏′ /𝜂𝑏 với 𝜂𝑏 hiệu suất bơm dầu: 𝜂𝑏 = 0,7÷ 0,8 chọn 𝜂𝑏 = 0,75 𝑉ℎ = 𝑉𝑏′ /0,75 = 0,000891681 (m3/s) Khi tính tốn bơm bánh (loại thơng dụng nhất) người ta cho thể tích dầu nằm thể tích răng: 𝑉𝑏 𝑉(𝑛𝑏 /60) = (𝜋𝐷0 /60) ℎ 𝑏 𝑛0 (𝑚3 / 𝑠) Trong đó: - D0:Đường kính vịng sở bánh (m) - h,b:chiều cao chiều dày bánh - nb: số vòng quay bơm (vòng/phút) Chọn h = 2.m Do=m.z - m : môdun bánh răng, chọn m = mm= 0.004 m - Z: số (6 ÷ 12), chọn Z=9 chiều cao bánh h= 0,008 (m) 𝑉𝑏 = ( 2𝜋 ) 9(4.10 10−3 ) 𝑛𝑏 𝑏 (𝑚3 /𝑠) 60 - nb: số vòng quay bơm tính theo tốc độ vịng cho phép bơm 𝑛𝑏 = 𝑢𝑏 60/(𝜋 𝐷) - ub: tốc độ vòng quay bơm, ub = ÷10, chọn ub = 9(m/s) - D: đường kính ngồi bánh răng: D = m(Z+2)(m) Suy D= 0,044 (m); nb= 3908,51187 (vòng/phút) b= 0,015136558 (m) =15,1 (mm) Vb= 0,000891681 (m3/s) Công suất cần thiết để dẫn động bơm dầu: 𝑁𝑏 = 𝑉𝑏 𝑃𝑏 𝜂𝑚 103 (ml) Trong đó: + Pb áp suất bơm dầu: Pb=0,9 (MN/m2 ) + 𝜂𝑚 hiệu suất giới bơm, 𝜂𝑚 = (0,85 ÷ 0,9).ta chọn 𝜂𝑚 = 0,9 +Vb = 0,000891681 (m3 /s) Suy Nb= 0,89168089 (ml) Khi tính đến hiệu suất bơm lưu lượng thực tế bơm cung cấp là: V’b= ƞb Vb = 0,000668761 (m3/s) Khi ta dùng lọc ly tâm toàn phần khoảng 15÷20% lượng dầu nhờn phun qua lỗ phun làm quay rôto trở cacte lượng dầu nhờn phun qua lỗ phun tính sau : Vh=15%Vb =0,000100314 (m3/s) -Vậy lưu lượng dầu thực tế bôi trơn bề mặt ma sát là: Vtt=V’b -Vh=0,000568447 (m3/s) Xét tỉ số Vtt/Vd =2,975>1,5 (thỏa mãn yêu cầu hệ thống bơi trơn) Tính tốn bầu lọc * Lỗ phun : ta chọn lỗ phun có dạng () có thơng số sau: + Đường kính lỗ phun: d = l,1 mm + Tiết diện lỗ phun : f = 0,95 mm2 + Hệ số : 𝜀 =,0,9 𝜇= 0,8 + Khoảng cách từ tâm lỗ phun đến tâm quay : R = 36mm + Bán kính trục rơto : r0 = l0 mm + Chiều cao rôto : h = 85 mm + Đường kính rơto : Dt = 94 mm Với thông số ta tính tốn số vịng quay rơto Căn vào định lý xung lượng, phản lực tác dụng đường tâm lỗ phun khiến rôto quay, xác định theo công thức sau: 𝐹= 𝑚 𝐺 (𝑉𝑑 − 𝑉𝑟 ) = (𝑉 − 𝑉𝑟 ); 2𝑔 𝑑 𝐹= 𝜌 𝑉 𝑉 𝜋 𝑛 ( − 𝑅) 2𝑔 2𝑔 30 Trong : - m G : khối lượng trọng lượng dầu nhờn phun qua giây; - Vd: tốc độ tia dầu phun qua lỗ phun - Vr : tốc độ vòng tâm lỗ phun - 𝜌 :khối lượng riêng dầu bôi trơn 𝜌 = 900(kg/m3 ) - V1: lưu lượng dầu nhờn phun qua lỗ phun,được tính sau: V1=Vh/2=5,01571.10-5 (m3/s) Mô men dẫn động rôto tia phun sinh ra: 𝑀𝑞 = 𝐹 𝑅 = 𝜌 𝑉1 𝑅( 𝑉1 𝜋 𝑛 − 𝑅)(𝑁 𝑚) 𝜀 𝑓1 30 Ở trạng thái làm việc ổn định mô men quay rôto cân với mô men cản rôto, nghĩa Mq = Mc Mô men cản phụ thuộc vào ma sát ổ trục số vịng quay rơto Mơ men cản xác định sau: Mc = a+b.n (N.m) + a,b hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào dung tích rơm độ nhớt dầu Mô men cản rôto bắt đầu quay lấy a = l0-4 (N.m) Tốc độ tăng mô men cản, lấy b= 0,035.l0-4 (N.m/vịng/phút) Từ phương trình cân Mq = Mc ta có: 𝑉12 𝑅 𝜌 −𝑎 𝜀 𝑓1 𝑛= 𝜋𝜌 𝑉1 𝑅2 𝑏+ 30 Thay số ta tính n: n = 4901,259894 (vịng/phút) ; lấy n=4910 vịng/phút + Xác dính bán kính tối ưu theo công thức : 𝑅𝑡𝑢 𝑎 𝜀 𝑓 𝑎 𝜀 𝑓 30 𝑏 √ [ ] = + + 𝜋𝜌 𝑉1 𝜌 𝑉12 𝜌 𝑉12 Thay số ta tính Rtu=0,027613245 (m); lấy Rtu=0.0276 (m) 𝑉12 𝑅 −𝑎 𝜀 𝑓1 𝑛= 𝜋𝜌 𝑉1 𝑅2 𝑏+ 30 𝜌 Thay Rtu vào công thức ta tính ntu= 5077,260956 (vịng/phút) lấy ntu= 5077 (vịng/phút) áp suất dầu nhờn cần thiết vào bầu lọc là: 𝜋 𝑛 ) (𝑅2 − 𝑟02 ) 𝜇12 𝑓 ] 𝜌 30 𝜇12 𝑓 (1 − 𝜓) [𝑉12 − ( 𝑃1 = Thay số ta tính P1=579860,5754 (Kg/m2)= 57,98605754 (KG/cm2) Tổn thất áp suất qua lọc Δp=3500 (Kg/m2) Suy áp suất sau lọc p2=p1- Δp=576360.5754 KG/m2 B3: Thiết kế phẩn tử hệ thống theo yêu cầu xác định bước + Xác định giá trị áp suất dầu bôi trơn sau bầu lọc tinh cho hệ thống lớn 10% so với hệ thống ban đầu • Áp suất dầu bôi trơn phải đảm bảo cho đầu P2>= 633996.6329 KG/m2 Tính tốn thiết kế: Theo cơng thức tính ta tính tốn Chọn :nhiệt trị thấp nhiên liệu Qh= 42500 KJ/kg ge= 249 (g /kW h) Ne=58,8 (kW) gnl=10-3.Ge.ne (Kg/h) Suy Lượng nhiên liệu tiêu hao Gnl= 14,6412 (kg/ h) Qd = 0,025Q0 Chọn Qd= 4,3211875 (KJ/ s) Từ lượng nhiệt mà dầu mang ta xác định lưu lượng cần thiết dầu nhờn: 𝑉𝑑 = 𝑄𝑑 𝑚3 /𝑠 𝜌𝑑 𝐶𝑑 ∆𝑡𝑑 - 𝜌d =900kg/m3 : khối lượng riêng dầu nhờn - Cd = 2,094 KJ/kg độ : tỉ nhiệt dầu nhờn - ∆td = 120C: Độ chênh nhiệt độ dầu trước vào động Thay vào công thức ta tính Vd= 0,000191074 (m3/s) Muốn đủ lượng dầu nói trên,bơm dầu thường phải tăng lưu lượng lớn gấp 2÷3,5 lần lưu lượng lý thuyết lưu lượng bơm dầu V’b=3,5.Vd= 0,000668761 (m3/s) Lượng dầu bơm cung cấp để tạo tuần hoàn dầu (xét đến hiệu suất bơm là: Vh=V’b/ƞb= 0,000891681 (m3/s) với ƞb=0,75 Khi tính tốn bơm bánh (loại thơng dụng nhất) người ta cho thể tích dầu nằm thể tích 𝑛𝑏 𝜋𝐷0 𝑉𝑏 𝑉 ( ) = ( ) ℎ 𝑏 𝑛0 (𝑚3 /𝑠) 60 60 Trong đó: - Do:Đường kính vịng sở bánh (m) - h,b:chiều cao chiều dày bánh – nb: số vòng quay bơm (vòng/phút) Chọn h = 2.m Do=m.z - m : môdun bánh răng, chọn m = 4mm =0.004 m Z: số (6 ÷ 12), chọn Z=8 Đường kính vòng sở bánh (m) Do= 0,032 :chiều cao bánh h= 0,008 (m) ub: tốc độ vòng quay bơm, ub =8-10 m/s chọn ub= - D: đường kính ngồi bánh răng: D = m(Z+2)= 0.04 (m) - nb: số vòng quay bơm tính theo tốc độ vịng cho phép bơm 𝑛𝑏 = 𝑢𝑏 60 = 4299,363057( 𝑣ò𝑛𝑔/𝑝ℎú𝑡) 𝜋 𝐷 Chiều dày bánh b bằng: 𝑏= 60.𝑉ℎ 2.𝜋.𝑚2 𝑧.𝑛𝑏 = 0,015480571 (𝑚) 𝑉𝑏 = ( 2𝜋 ) 9(4.10 10−3 ) 𝑛𝑏 𝑏 = 0,001003141(𝑚3 /𝑠) 60 Công suất cần thiết để dẫn động bơm dầu: 𝑁𝑏 = 𝑉𝑏 𝑃𝑏 = 1,003141001(𝑚𝑙) 𝜂𝑚 103 Khi tính đến hiệu suất bơm lưu lượng thực tế bơm cung cấp 𝑉𝑏′ = 𝜂𝑏 𝑉𝑏 = 0,000752356 (𝑚3 /𝑠) Khi ta dùng lọc ly tâm toàn phần khoảng 15÷20% lượng dầu nhờn phun qua lỗ phun làm quay rôto trở cacte Vh=15%V’b= 0,000112853 (m3/s) -Vậy lưu lượng dầu thực tế bôi trơn bề mặt ma sát là: Vtt=V’b-Vh= 0,000639502 (m3/s) tỉ số Vtt/Vd = 3,346875 > 1,5 ( thỏa mãn yêu cầu hệ thống bơi trơn) Tính tốn bầu lọc * Lỗ phun : ta chọn lỗ phun có dạng () có thơng số sau: + Đường kính lỗ phun: d =1,1 mm =0.0011 m + Tiết diện lỗ phun : f= 0,95 mm2= 0,00000095 m2 + Hệ số : 𝜀 =,0,9 𝜇 = 0,8 + Khoảng cách từ tâm lỗ phun đến tâm quay : R = 36mm= 0,036 m + Bán kính trục rơto : r0 = l0 mm= 0,01 m + Chiều cao rôto : h = 85mm = 0,085m + Đường kính rơto : Dt = 94mm= 0,094 Với thông số ta tính tốn số vịng quay rơto Căn vào định lý xung lượng, phản lực tác dụng đường tâm lỗ phun khiến rôto quay, xác định theo công thức sau: 𝐹= 𝑚 𝐺 (𝑉𝑑 − 𝑉𝑟 ) = (𝑉 − 𝑉𝑟 ); 2𝑔 𝑑 𝐹= 𝜌 𝑉 𝑉 𝜋 𝑛 ( − 𝑅) 2𝑔 2𝑔 30 ρ :khối lượng riêng dầu bôi trơn ρ = 900(kg/m3) V1: lưu lượng dầu nhờn phun qua lỗ phun,được tính sau V1=Vh/2= 5,64267E-05 (m3/s) Mơ men dẫn động rôto tia phun sinh ra: 𝑀𝑞 = 𝐹 𝑅 = 𝜌 𝑉1 𝑅( 𝑉1 𝜋 𝑛 − 𝑅)(𝑁 𝑚) 𝜀 𝑓1 30 Ở trạng thái làm việc ổn định mô men quay rôto cân với mô men cản rôto, nghĩa Mq = Mc Mô men cản phụ thuộc vào ma sát ổ trục số vịng quay rơto Mơ men cản xác định sau: Mc = a+b.n (N.m) Mô men cản rôto bắt đầu quay lấy a = l0-4 (N.m) Tốc độ tăng mô men cản, lấy b= 0,035.l0-4 (N.m/vịng/phút) Từ phương trình cân Mq = Mc ta có: 𝑉12 𝑅 −𝑎 𝜀 𝑓1 𝑛= 𝜋𝜌 𝑉1 𝑅2 𝑏+ 30 𝜌 Thay số ta tính n= 5758,908491 (vòng/phút) lấy n= 5758 vòng/phút Xác định bán kính tối ưu theo cơng thức : 𝑅𝑡𝑢 𝑎 𝜀 𝑓 𝑎 𝜀 𝑓 30 𝑏 √ = = 0,025969817(𝑚) + [ ] + 𝜋𝜌 𝑉1 𝜌 𝑉1 𝜌 𝑉1 Suy số vòng quay tối ưu ntu= 6072,031229 vòng/phút Chọn Ѱ=0,3 áp suất dầu nhờn cần thiết vào bầu lọc 𝜋 𝑛 ) (𝑅2 − 𝑟02 ) 𝜇12 𝑓 ] 𝜌 30 = 781646,1102(𝐾𝑔/𝑚2 ) 𝜇12 𝑓 (1 − 𝜓) [𝑉12 − ( 𝑃1 = Tổn thât áp suât lọc Δp= 3500 KG/m2 áp suât sau bầu lọc sau thiét kế lại là: p’2=p1- Δp= 778146,1102 (KG/m2) > 633996.6329 ( p2 áp suất sau lọc thiết kế tính tốn cũ) => thỏa mãn đề để làm tăng áp suất dầu sau bầu lọc lên >=10 % ta chọn bơm có thơng số cũ thiết kế lại bánh bơm Z= thay cho Z=9 thiết kế cũ Hết ... tinh cho hệ thống lớn 10% so với hệ thống ban đầu • Áp suất dầu bôi trơn phải đảm bảo cho đầu :