(TIỂU LUẬN) bài tập lớn TÍNH TOÁN kết cấu ĐỘNG cơ đốt TRONG CHI TIẾT TRỤC KHUỶU TRONG hệ THỐNG PHÁT lực ĐỘNG cơ 1NZ FE TOYOTA VIOS 2007

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ ĐỘNG LỰC -o0o - BÀI TẬP LỚN TÍNH TỐN KẾT CẤU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG CHI TIẾT TRỤC KHUỶU TRONG HỆ THỐNG PHÁT LỰC ĐỘNG CƠ 1NZ-FE TOYOTA VIOS 2007 Nhóm thực hiện: nhóm Giảng viên hướng dẫn: Ts Lê Minh Đảo TP Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng năm 2022 PHÂN CƠNG CƠNG VIỆC Thành viên nhóm STT Phân công công việc Đề tài: tính tốn trục khuỷu động 1NZ-FE Toyota Vios 2007 Cơng việc Vẽ vẽ chi tiết Tính tốn động học kết cấu truyền trục khuỷu Tính tốn bền piston Tính tốn bền truyền Tính tốn bền trục khuỷu MỤC LỤC Chương I Nhiệm vụ hệ thống phát lực: Điều kiện làm việc, yêu cầu phân loại phận hệ thống: .5 2.1 Piston: 2.2 Chốt Piston: 2.3 Xec – măng: 2.4 Nhóm truyền: 2.5 Trục khuỷu: 2.6 Bánh đà: Chương II 10 Phân tích động học cấu truyền - trục khuỷu 10 1.1 Phân tích động học cấu 10 1.2 Động học piston (theo phương pháp giải tích) 10 1.3 Phân tích động lực học cấu truyền - trục khuỷu 14 Chọn thơng số cho tính tốn nhiệt: 20 2.1 Áp suất khơng khí nạp (po) 20 2.2 Nhiệt độ khơng khí nạp (To) 20 2.3 Nhiệt độ khí nạp trước xupap nạp (Tk) 20 2.4 Áp suất cuối trình nạp (pa) 21 2.5 Chọn áp suất khí sót (pr) 21 2.6 Nhiệt độ khí sót (Tr) 21 2.7 Độ tăng nhiệt độ khí nạp ( T) 21 2.8 Chọn hệ số nạp thêm 21 2.9 Chọn hệ số quét buồng cháy 21 2.10 Chọn hệ số hiệu đính tỷ nhiệt t 21 Chương III 22 Tính bền piston 22 1.1 Điều kiện làm việc, vật liệu chế tạo piston 22 1.2 bảng kích thước piston thơng số đầu vào động 22 1.3 Tính tốn thơng số đầu vào 23 1.4 Tính tốn bền piston 24 Tính bền truyền 32 2.1 Thiết lập thông số đầu vào: 33 2.2 Tính bền truyền 34 Tính bền trục khuỷu 41 3.1 Điều kiện làm việc 41 3.2 Thu thập thông số đầu vào 41 3.3 Phương pháp tính sức bền theo cách phân đoạn 43 Chương I PHÂN TÍCH ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC, NHIỆM VỤ VÀ YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG PHÁT LỰC Nhiệm vụ hệ thống phát lực: - Tiếp nhận lượng khí cháy, tạo thành chuyển động tịnh tiến piston (trong xy – lanh) biến thành làm quay trục khuỷu, tạo mơ – men có ích cho động làm việc - Bảo đảm bao kín buồng cháy, giữ khơng cho khí cháy buồng cháy lọt xuống Các-te (hay hộp trục khuỷu) ngăn không cho dầu nhờn từ hộp trục khuỷu sục lên buồng cháy - Làm nhiệm vụ nén q trình thải hút khí nạp vào buồng cháy trình nạp Điều kiện làm việc, yêu cầu phân loại phận hệ thống: Piston: - Nhiệm vụ: Nhiệm vụ chủ yếu piston với chi tiết khác xy-lanh, nắp xy-lanh bao kín tạo thành buồng cháy, đồng thời truyền lực khí thể cho truyền nhận lực từ truyền để nén khí - Điều kiện làm việc: Tải trọng học lớn có chu kỳ, áp suất lớn đạt tới 120 kG/cm2, lực qn tính lớn đặc biệt động cao tốc Tải trọng nhiệt cao piston tiếp xúc trực tiếp với khí cháy nên đạt nhiệt độ cao từ 500 – 8000K Nhiệt độ cao khiến piston chịu ứng suất nhiệt lớn gây bó kẹt, nứt, giảm sức bền, gây kích nổ vv… Ma sát lớn ăn mịn hóa học Ma sát gây nên lực ngang nên có giá trị lớn với điều kiện bơi trơn khó khăn nên khó đảm bảo bơi trơn tốt Ăn mịn hóa học piston thường xuyên tiếp xúc với sản vật cháy - Yêu cầu: Dạng đỉnh piston tạo thành buồng cháy tốt Có độ bền độ cứng đủ để tránh biến dạng lớn chịu mài mòn Đảm bảo bao kín buồng cháy để cơng suất động không bị giảm sút tượng lọt khí từ buồng cháy xuống cacte Tản nhiệt tốt để tránh dãn nở nhiệt mức động làm việc, tránh hư hỏng piston ứng suất nhiệt - Phân loại: Theo dạng đỉnh piston Đỉnh bằng: diện tích chịu nhiệt nhỏ, kết cấu đơn giản Đỉnh lõm: tạo xốy lốc nhẹ, tạo thuận lợi cho trình hình thành hỗn hợp đốt cháy Tuy nhiên sức bền diện tích chịu nhiệt lớn so với đỉnh Đỉnh chứa buồng cháy: thường gặp động Diesel 2.2 Chốt Piston: Là chi tiết nối Piston với truyền - Nhiệm vụ: Truyền lực tác dụng khí thể từ piston xuống truyền Chốt piston thường có cấu tạo rỗng lắp lỏng với bệ chốt piston đầu nhỏ truyền - Điều kiện làm việc: Chốt piston chịu lực va đập, tuần hoàn, nhiệt độ cao điều kiện bơi trơn khó khăn Chốt piston cịn chịu ma sát dạng nửa ướt, chốt piston dễ bị mòn - Yêu cầu: Chốt piston phải chế tạo vật liệu tốt để đảm bảo sức bền độ cứng vững Bề mặt làm việc piston cần theo công nghệ đặc biệt để đảm bảo chốt có độ cứng cao, chịu mài mịn tốt Ruột chốt phải dẻo để chống mỏi tốt Mặt chốt phải mài bóng để chống ứng suất tập trung lắp ghép với piston truyền khe hở phải nhỏ - Phân loại: Theo kiểu lắp ghép chốt:  Cố định chốt piston bệ chốt piston  Cố định chốt piston đầu nhỏ truyền  Chốt piston lắp tự Theo hình dạng: bề mặt bên chốt có dạng hình trụ 2.3 Xec – măng: - Nhiệm vụ: Đảm bảo piston di động dễ dàng xylanh Xec – măng có loại xec – măng khí xec – măng dầu Xec – măng khí làm nhiệm vụ bao kín buồng cháy tránh lọt khí cịn xec – măng dầu ngăn dầu bôi trơn từ hộp trục khuỷu sục lên buồng cháy - Điều kiện làm việc: Xec – măng chịu tải trọng học lớn (áp lực khí cháy), chịu lực qn tính lớn, có chu kỳ va đập Ngồi xec – măng chịu nhiệt độ cao, ma sát lớn, ăn mịn hóa học ứng suất lắp ghép ban đầu - Yêu cầu: Chịu nhiệt cao: đặc biệt với xec – măng khí tiếp xúc trực tiếp với khí cháy Chịu lực va đập: làm việc lực khí thể lực quán tính tác dụng lên xec – măng Chịu mài mòn: làm việc xec – măng ma sát với xylanh lớn - Phân loại: có hai loại xec – măng xec – măng khí xec – măng dầu 2.4 Nhóm truyền: - Nhiệm vụ: Thanh truyền chi tiết trung gian, đầu nhỏ lắp ghép với piston, đầu lớn liên kết với chốt khuỷu Thanh truyền có nhiệm vụ truyền lực tác dụng từ piston đến trục khuỷu - Điều kiện làm việc: Thanh truyền có chuyển động phức tạp bao gồm: đầu nhỏ chuyển động tịnh tiến piston, thân truyền chuyển động lắc, đầu to chuyển động quay với trục khuỷu Vậy truyền chịu lực va đập tuần hoàn lực khí thể, lực qn tính nhóm piston thân truyền - Yêu cầu: Lựa chọn kích thước vật liệu chế tạo hợp lý để truyền chịu lực va đập tuần hoàn - Phân loại: Theo tiết diện thân truyền Tiết diện hình chữ I: có sức bền theo hai phương, dùng phổ biến từ động cỡ nhỏ đến động cỡ lớn Tiết diện hình chữ nhật, van: có ưu điểm dễ chế tạo, thường dùng động mô – tô, xuồng máy cỡ nhỏ 2.5 Trục khuỷu: - Nhiệm vụ: Tiếp nhận lực tác dụng từ piston tạo moment quay kéo máy công tác nhận lượng bánh đà Sau đó, truyền cho truyền piston thực trình nén trao đổi khí xylanh - Điều kiện làm việc: Trục khuỷu chịu lực T, Z lực khí thể lực qn tính nhóm piston – truyền gây Ngồi trục khuỷu cịn chịu lực qn tính ly tâm khối lượng quay lệch tâm thân trục khuỷu truyền Những lực gây uốn, xoắn, dao động xoắn dao động ngang trục khuỷu lên ổ đỡ - Yêu cầu: Kết cấu trục khuỷu cần đảm bảo yêu cầu: Đảm bảo động làm việc đồng đều, biên độ dao động moment xoắn tương đối nhỏ Ứng suất sinh dao động xoắn nhỏ Động làm việc cân rung động Cơng nghệ chế tạo đơn giản - Phân loại: có hai loại trục khuỷu nguyên trục khuỷu ghép 2.6 Bánh đà: - Nhiệm vụ: Giữ cho độ không đồng động nằm giới hạn cho phép Ngoài bánh đà nơi lắp vành khởi động khắc vạch chia độ góc quay trục khuỷu - Yêu cầu: Trong q trình làm việc, bánh đà tích trữ lượng dư sinh q trình sinh cơng (lúc moment động có giá trị lớn moment cản nên làm cho trục khuỷu quay nhanh) để bù đắp phần lương hao hụt hành trình tiêu hao cơng (lúc moment cản có giá trị lớn moment động cơ) khiến cho trục khuỷu quay hơn, giảm biên độ dao động tốc độ góc trục khuỷu - Phân loại: Bánh đà dạng đĩa: bánh đà mỏng có moment qn tính nhỏ nên dùng cho động tốc độ cao Bánh đà dạng vành: bánh đà có moment qn tính lớn Bánh đà dạng chậu: bánh đà có dạng trung gian hai loại bánh đà trên, có moment qn tính sức bền lớn Bánh đà dạng vành có nan hoa: để tăng moment quán tính bánh đà, phần lớn khối lượng bánh đà dạng vành xa tâm quay nối với mayơ gân kiểu nan hoa Sơ đồ lực tác dụng đầu nhỏ truyền chịu nén Lực nén tác dụng lên đầu nhỏ truyền p1 = pkt Fbω2(1 + )Fb=17478,644.0,44.10−3-0,56743.0,034.523,62(1+0,251).0,44 10 −3 =4,77(N) Moment uốn cung BC ( ≥ 90°) M z 2= M A + NAρ(1 - cos139,67)-4,77.0,012( Lực tiếp tuyến cung BC ( ≥ 90°) Nz2 = NA sin139,67Ứng suất mặt tiết diện nguy hiểm nhất: σ nz= [2Mz π 0,004(2.0,012+0,004 ) Ứng suất mặt tiết diện nguy hiểm nhất: σ nz = [-2 M ρ +s + N z 2] z2 s (2 p+s) 0,1235 =-199,56( MN m2 ) 0,022.0,004 2.2.2 Tính bền đầu to Pd =P j+ Pkd = ( m.R.ω2(1+λ))+(m2−mn ¿ R ω2 Trong đó: R :0,034 (m) ω:523,6 λ: 0,275 mtt: 0,344 (kg) m n=(0,2 ÷ 0,28) mtt=0,0688 (kg) m2=0,72 mtt= 0,24768(kg) = > Pd =P j+ Pkd = ( m.R.ω2(1+λ))+(m2−mn ¿ R ω2 = > Pd =¿ 8284,19 10−6 (MN) Ta có + Góc dẫn xuất tâm đầu to truyền : γ0=40 ° + Khoảng cách tính từ tâm bu lông đầu to truyền : C = 0,055 (m) -Mô men uốn lực pháp tuyến tác dụng lên tiết diện A-A nắp đầu to: M A =Pd C (0,0127+0,00083 γ ¿¿ 0)¿ =1,04.10−6 (MNm) N A =Pd (0,522+0,003 γ ¿¿ 0)¿ =0,0053(MN) -Ứng suất lớn tác dụng lên nắp đầu to truyền: 0,522+0,003 γ0 P ¿ σ ❑= d + F (1+ jb ) ) jd Ta có: Ld:Chiều rộng tiết diện nắp đầu to: 0,026 (m) C: Khoảng cách bu lông : 0,055(m) δ δ b:Chiều dày tiết diện bạc: 0,004 (m) : Chiều dày tiết diện nắp đầu to : 0,0015 (m) L δ d W = u= 14,625.10−12 m3 J d= J Ld 12 δ3 b= =7,3125.10−12 m4 Lb δb3 =138,66.10−12 m4 12 F= 0,577 l = 0,070971 m l : Chiều dài truyền: 0,123 (m) Vì vậy: ¿>σ❑= 35,81(MPA) Tính bền trục khuỷu Điều kiện làm việc - Trục khuỷu chi tiết máy quan trọng nhất, cường độ làm việc lớn giá thành cao động đốt Công dụng trục khuỷu tiếp nhận lực tác dụng piston truyền qua truyền biến chuyển động tịnh tiến piston thành truyền động quay trục để đưa cơng suất ngồi - Trong q trình làm việc, trục khuỷu chịu tác dụng lực khí thể, lực quán tính (quán tính chuyển động tịnh tiến chuyển động quay) Những lực có trị số lớn thay đổi theo chu kỳ định nên có tính chất va đập mạnh - Vật liệu chế tạo trục khuỷu thường làm thép cacbon hàm lượng trung bình (C35-C50) Ngồi cịn làm từ thép hợp kim 18XHBA, 40X, HKCR-NI, … gang graphit cầu Về phương pháp gia cơng chi tiết ta cịn sử dụng phương pháp rèn đúc 3.2 Thu thập thông số đầu vào STT Tên gọi trung trực chốt khuỷu Chiều rộng má hình chữ nhật Khoảng cách tâm cổ khuỷu trực chốt khuỷu Chiều dày má hình chữ nhật Bán kính khuỷu trực chốt khuỷu 10 11 nguy hiểm má khuỷu 12 Khối lượng chốt khuỷu 13 Khối lượng ly tâm má khuỷu 14 Khối lượng đối trọng 15 Khối lượng nhóm piston 16 Khối lượng truyền 17 Đường kính ngồi chốt khuỷu 18 Áp suất khí thể 19 Lực khí thể 20 Diện tích đỉnh piston 21 Gia tốc góc 22 Thơng số kết cấu 3.3 Phương pháp tính sức bền theo cách phân đoạn - Khi tính phương pháp ta chia trục khuỷu làm nhiều đoạn, đoạn ứng với khuỷu, chiều dài đoạn khoảng cách hai tâm điểm ổ trục coi đoạn dầm tĩnh đặt hai gối tựa Khi cắt đoạn trục khuỷu, ta giả thuyết rằng: trục khuỷu dầm có độ cứng vững tuyệt đối 3.3.1 Trường hợp khởi động - Tính tốn trường hợp khởi động tính toán gần với giả thuyết: Trục khuỷu vị trí điểm chết (α =0) - Bỏ qua lực qn tính (do số vịng quay khởi động nhỏ ) lực tác dụng khuỷu có trị số lớn Pzmax (trong thực tế khởi động không mở hết bướm ga (của động xăng ) kéo hết khía (của động diezel) nên lực tác dụng thường nhỏ Pzmax ) - Do lực tác dụng lên trục khuỷu là: Z= pzmax F p=76,1 105 4647.10−6 =0,0353(MN ) -Các phản lực xác định theo công thức: l'' 0,0455 Z ’=Z =0,0353 l0 =0,0163(MN ) 0,098 a Tính sức bền chốt khuỷu - Momen uốn chốt khuỷu (tính tiết diện chốt) bằng: M u=Z - ’ l ’=0,0163 0.0455=0,741 10−3 (MN m) Do ứng suất uốn chốt khuỷu là: Mu σ u= Wu Trong đó: M u - moduyn chống uốn tiết diện ngang chốt khuỷu + Đối với chốt đặc: W u≈ 0.1 d3c h(m3 ) + Đối với chốt rỗng: Wu= b Tính bền má khuỷu - Ứng suất uốn má khuỷu bằng: σ u= M u = Z ' b' = 0,0163 0,0235 =141,83(MN 2 /m2 ) W ux hb 0,07202 0,015 6 - Ứng suất nén má khuỷu: σ n= - Ứng suất tổng cộng: σΣ=σu +σ n=141,83+16,33=158,16 (MN /m2) c Tính sức bền cổ trục khuỷu - Ứng suất uốn cổ trục khuỷu: Z σ u= Wu M u = Z' b' = 0,0163 0,0235 =60,964(MN /m2) π 32 d c h π 32 0,04 - Trong thực tế, momen tác dụng cổ trục trường hợp thường nhỏ nhiều so với momen uốn chốt khuỷu nên thường khơng cần tính sức bền cổ trục 3.3.2 Trường hợp trục khuỷu chịu lực Zmax - Ta có : Khối lượng truyền phân bổ tâm chốt khuỷu: m 1=(0,275 ÷ 0,359) mtt =(0,275 ÷ 0,359).0,53538=0,147 ÷ 0,192(kg) Chọn m1=0,17 kg - Khối lượng truyền quy dẫn tâm chốt khuỷu: m 2=(0,650 ÷ 0,725) mtt=(0,650 ÷ 0,725).0,53538=0,347 ÷ 0,388(kg) Chọn m2=0,37 kg - Trong đó: M: khối lượng chuyển động tịnh tiến cấu trục khuỷu truyền M =m1 +mnp=0,17+0 ,24974=0,41974 (kg) Lực quán tính ly tâm chốt khuỷu C 1: C 1=mch C 2: C 2=m2 R ω2=0,284.0,034 (523,598)2=2647,239(N ) Lực quán tính ly tâm khối lượng truyền quy tâm chốt khuỷu R ω2=0,37.0,034 (523,598)2=3448.868 (N) - Lực tác dụng (khi có xét đến ảnh hưởng lực quán tính) Zmax xác định theo công thức sau: 2 Z max=Pzmax−MRω (1+ λ)=34800−0,41974.0,034 (523,598) (1+0,275 )=29811,55(N ) =0,02981(MN ) −(C1+C2 )=0,02981−(2647,239 10−6 +3448.868 10−6 )=0,0237(MN ) Z 0=Zmax - Ngoài lực Z0 ra, khuỷu trục cịn chịu lực qn tính ly tâm má khuỷuPr lực quán tính ly tâm đối trọngPr Lực tiếp tuyến T trường hợp khơng (vì α=0 nên T=0) P r2=mdt rdt ω2=1,255 0,00729 (523,598 )2 =2508,22(N) P r1=mmk r - Do phản lực tác dụng lên gối trục xác định theo công thức sau: Z ’= Z mk ω2 =0,265.0,0189 (523,598)2=1373,1(N ) l ' '+ Pr (2l' '+ c'+c ' ' )−Pr 1(l0 −b '+b' ' )= 0,0237.0,0455+2508,22 10−6 (2.0,0455+2.0,016)−1373,1 l00,098 Z l Z''= '' +Pr (2 l'' +c'−lc' ' )−Pr (l0 +b' −b' ' ) ¿ 0,0353.0,0455+2508,22.10−6 (2.0,0455)−1373,1.10−6 (0,098) =0,01734(MN ) 0,098 - Nếu trục khuỷu hồn tồn đối xứng thì: Z Z'=Z' '= −Pr + Pr - Khi tính tốn sức bền khuỷu trục khuỷu động nhiều xylanh, ngồi lực Zmax ra, cịn chịu thêm momen xoắn khuỷu trước truyền đến Vì khuỷu chịu lực momen lớn (Zmaxvà (∑ Z1−1 )max) khuỷu nguy hiểm Muốn biết khuỷu nguy hiểm nhất, ta phải dựa vào đồ thị T =f ( α ) để xác định trị số lực R)max tiếp tuyến T vị trí tính tốn, sau lập bảng lớn (∑ T1−1 t ức tìm khuỷu c hịu l ực tiế p t uyế n (∑ T1−1 a.Tính bền chốt khuỷu - Ứng suất uốn chốt khuỷu: σ u= Mu W u = ) max để xét tìm momen Trong đó: c = c’ = c’’ (coi khuỷu trục hoàn toàn đối xứng) - Ứng suất xoắn chốt khuỷu: ΣT I−1=0(MN /m2) M'k ❑= k Wk Với: W Klà mô đuyn chống xoắn chốt khuỷu W K =2Wu + Đối với trục đặc: W K ≈ 0,2 d3ch m3 + Đối với trục rỗng: ( π ) d4 −δ W = K 16 ch dch ch m - Ứng xuất tổng chịu uốn chịu xoắn: σ Σ=√σu2+ k2=116,45(MN /m2 ) b Tính bền cổ trục khuỷu - Tính sức bền cổ trục khuỷu thường tính tiết diện chổ chuyển tiếp cổ trục má khuỷu (tiết diện nguy hiểm nhất) - Ứng suất uốn cổ trục khuỷu (cổ trục đặc): σ u= M Wu u ' ' = Z b = 0,0127 0,0235 =47,49(MN /m2) π d ch π 32 (0,04 )32 Trong đó: dch :đường kính ổ trục khuỷu (m) - Ứng suất xoắn cổ trục: M'k ❑= k - Ứng xuất tổng chịu uốn chịu xoắn: σ √σu2+4 ❑k2 =47,49(MN /m2) Σ= Wk c Tính bền má khuỷu - Trong trình làm việc, má khuỷu chịu nén chịu uốn theo trục x-x y-y - Ứng suất nén má khuỷu: σ n= Z ' −Pr = 0,0127−2508,22.10−6 =9,34(MN /m2) bh0,015.0,072 - Ứng suất uốn mặt phẳng vng góc với mặt phẳng khuỷu trục (uốn quanh trục yy) M uy y σu = W uy - Ứng suất uốn mặt phẳng khuỷu trục (uốn quanh trục x-x) xMu W σ u= ux x = - Ứng suất tổng má khuỷu chịu nén uốn bằng: σ Σ=σn +σ y x u +σu =9,34+0+24,19=33,53( MN /m ) Tài liệu tham khảo [1] Văn Thi Bơng, Vy Hữu Thành, Nguyễn Đình Hùng (2007) Hướng dẫn đồ án môn học động đốt NXB Đại học quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, HCM [2] Hồ Tấn Chuẩn, Nguyễn Đức Phú, Trần Văn Tế, Nguyễn Tấn Tiến (1996) Kết cấu tính tốn động đốt tập NXB giáo dục, HCM ...PHÂN CƠNG CƠNG VIỆC Thành viên nhóm STT Phân công công việc Đề tài: tính tốn trục khuỷu động 1NZ- FE Toyota Vios 2007 Cơng việc Vẽ vẽ chi tiết Tính tốn động học kết cấu truyền trục khuỷu Tính. .. tích động lực học cấu truyền - trục khuỷu 1.3.1 Sơ đồ lực moment tác động lên cấu Pkt: Lực khí thể tác dụng lên đỉnh piston Pj: Lực quán tính (văng) khối lượng chi tiết chuyển động thẳng PƩ: Lực. .. trục khuỷu) - Khi piston ĐCD, Pj có dấu dương chi? ??u quay xuống (hướng vào tâm trục khuỷu) 1.3.5 Lực quán tính (ly tâm) khối lượng chuyển động quay PK 1.3.6 Hệ lực tác động lên cấu - Lực tác động