5
Điều kiện làm việc, yêu cầu và phân loại của từng bộ phận trong hệ thống
Nhiệm vụ chính của piston là kết hợp với các bộ phận khác như xy-lanh và nắp xy-lanh để tạo thành buồng cháy kín Piston không chỉ truyền lực từ khí thể đến thanh truyền mà còn nhận lực từ thanh truyền để thực hiện quá trình nén khí hiệu quả.
Tải trọng cơ học lớn và chu kỳ, cùng với áp suất cao lên tới 120 kG/cm², tạo ra lực quán tính lớn, đặc biệt trong các động cơ cao tốc.
Piston tiếp xúc trực tiếp với khí cháy, dẫn đến tải trọng nhiệt cao với nhiệt độ có thể đạt từ 500 đến 800 độ K Nhiệt độ này tạo ra ứng suất nhiệt lớn cho piston, gây ra hiện tượng bó kẹt, nứt, giảm sức bền và có thể dẫn đến kích nổ.
Ma sát lớn và ăn mòn hóa học là hai vấn đề quan trọng trong cơ khí Ma sát xảy ra do lực ngang, làm cho việc bôi trơn trở nên khó khăn, dẫn đến việc khó đảm bảo hiệu quả bôi trơn Bên cạnh đó, ăn mòn hóa học xảy ra khi piston thường xuyên tiếp xúc với sản phẩm cháy, gây ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị.
Dạng đỉnh piston tạo thành buồng cháy tốt nhất.
Để đảm bảo hiệu suất tối ưu cho động cơ, vật liệu cần có độ bền và độ cứng cao, giúp tránh biến dạng và chịu mài mòn tốt Bên cạnh đó, việc đảm bảo kín buồng cháy là rất quan trọng để ngăn chặn hiện tượng lọt khí từ buồng cháy xuống cacte, tránh làm giảm công suất động cơ.
Tản nhiệt tốt để tránh dãn nở nhiệt quá mức khi động cơ đang làm việc, ngoài ra tránh được hư hỏng piston do ứng suất nhiệt.
Động cơ được phân loại theo dạng đỉnh piston, bao gồm đỉnh bằng và đỉnh lõm Đỉnh bằng có diện tích chịu nhiệt nhỏ và kết cấu đơn giản, trong khi đỉnh lõm có khả năng tạo xoáy lốc nhẹ, giúp cải thiện quá trình hình thành hỗn hợp và đốt cháy Tuy nhiên, đỉnh lõm có sức bền kém và diện tích chịu nhiệt lớn hơn so với đỉnh bằng Đỉnh chứa buồng cháy thường gặp ở động cơ Diesel.
- Là chi tiết nối Piston với thanh truyền.
Chốt piston có nhiệm vụ truyền lực từ khí thể qua piston xuống thanh truyền Thường thì, chốt piston được thiết kế rỗng và lắp lỏng với bệ chốt piston cùng đầu nhỏ của thanh truyền.
Chốt piston hoạt động trong điều kiện làm việc khắc nghiệt, bao gồm khả năng chịu lực va đập, tuần hoàn và nhiệt độ cao Ngoài ra, chốt piston còn phải đối mặt với điều kiện bôi trơn khó khăn và ma sát dạng nửa ướt, dẫn đến nguy cơ mòn cao.
Chốt piston cần được sản xuất từ vật liệu chất lượng cao để đảm bảo độ bền và cứng vững Bề mặt làm việc của chốt phải được tôi luyện bằng công nghệ đặc biệt nhằm đạt được độ cứng tối ưu và khả năng chống mài mòn hiệu quả.
Ruột chốt cần có độ dẻo cao để chống lại hiện tượng mỏi, trong khi mặt chốt phải được mài bóng nhằm giảm thiểu ứng suất tập trung Khi lắp ghép với piston và thanh truyền, cần đảm bảo khe hở giữa các bộ phận là nhỏ để tăng hiệu suất hoạt động.
Theo kiểu lắp ghép chốt:
Cố định chốt piston trên bệ chốt piston.
Cố định chốt piston trên đầu nhỏ thanh truyền.
Chốt piston lắp tự do.
Theo hình dạng: bề mặt bên trong chốt có dạng hình trụ hoặc côn
Nhiệm vụ chính của xec – măng là đảm bảo piston di động dễ dàng trong xylanh Có hai loại xec – măng: xec – măng khí và xec – măng dầu Xec – măng khí có chức năng bao kín buồng cháy, ngăn không cho khí lọt ra ngoài, trong khi xec – măng dầu giúp ngăn chặn dầu bôi trơn từ hộp trục khuỷu xâm nhập vào buồng cháy.
Xec-măng được thiết kế để chịu tải trọng cơ học lớn, bao gồm áp lực khí cháy và lực quán tính mạnh, với chu kỳ và va đập thường xuyên Bên cạnh đó, xec-măng còn phải đối mặt với nhiệt độ cao, ma sát lớn, ăn mòn hóa học, và ứng suất lắp ghép ban đầu, đòi hỏi tính bền vững và độ tin cậy cao trong môi trường làm việc khắc nghiệt.
Chịu nhiệt cao: đặc biệt với xec – măng khí tiếp xúc trực tiếp với khí cháy.
Chịu lực va đập: vì khi làm việc lực khí thể và lực quán tính tác dụng lên xec – măng.
Chịu mài mòn: khi làm việc xec – măng ma sát với các xylanh rất lớn.
- Phân loại: có hai loại xec – măng là xec – măng khí và xec – măng dầu.
Thanh truyền là một chi tiết trung gian quan trọng trong động cơ, với đầu nhỏ gắn liền với piston và đầu lớn kết nối với chốt khuỷu Nhiệm vụ chính của thanh truyền là truyền lực từ piston đến trục khuỷu, đảm bảo hiệu suất hoạt động của động cơ.
Thanh truyền hoạt động trong điều kiện làm việc phức tạp với ba loại chuyển động: đầu nhỏ chuyển động tịnh tiến cùng piston, thân thanh truyền thực hiện chuyển động lắc, và đầu lớn quay cùng trục khuỷu Do đó, thanh truyền phải chịu lực va đập tuần hoàn từ lực khí thể và lực quán tính của nhóm piston cũng như từ chính bản thân thanh truyền.
- Yêu cầu: Lựa chọn kích thước và vật liệu chế tạo hợp lý để thanh truyền chịu được các lực va đập tuần hoàn như trên.
- Phân loại: Theo tiết diện thân thanh truyền.
Tiết diện hình chữ I: có sức bền đều theo hai phương, được dùng rất phổ biến từ động cơ cỡ nhỏ đến động cơ cỡ lớn.
Tiết diện hình chữ nhật, ô van: có ưu điểm là dễ chế tạo, thường dùng ở động cơ mô – tô, xuồng máy cỡ nhỏ.
Nhiệm vụ chính của hệ thống là tiếp nhận lực từ piston để tạo ra moment quay, kéo các máy công tác và nhận năng lượng từ bánh đà Quá trình này sau đó được truyền cho thanh truyền, giúp piston thực hiện quá trình nén và trao đổi khí trong xylanh.
10
Phân tích động học cơ cấu thanh truyền - trục khuỷu
1.1 Phân tích động học cơ cấu
- Trong động cơ đốt trong kiểu piston, cụm chi tiết chuyển động chính (piston, thanh truyền, trục khuỷu) làm việc theo nguyên tắc sau:
Nhóm piston chuyển động tịnh tiến lên xuống truyền lực khí thể cho thanh truyền, trong khi thanh truyền là chi tiết trung gian có nhiệm vụ biến chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu Trục khuỷu, là chi tiết máy quan trọng nhất, thực hiện chuyển động quay và truyền công suất của động cơ ra ngoài để dẫn động các máy công tác khác.
Sơ đồ cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền động cơ kiểu trục khuỷu cắt đường tâm xylanh.
1.2 Động học của piston (theo phương pháp giải tích)
Giả sử trục khuỷu quay với vận tốc góc ω không đổi, thì góc quay trục khuỷu α sẽ tỷ lệ thuận với thời gian Tất cả các đại lượng động học sẽ là các hàm phụ thuộc vào biến số α.
Chuyển vị của piston trong xylanh động cơ tính theo công thức sau:
Với S p : Chuyển vị của piston α : Góc quay trục khuỷu
R: Bán kính quay trục khuỷu λ: Thông số kết cấu α SP1 SP2 SP=SP1+SP2
- Vi phân phương trình chuyển vị theo thời gian
Vì là tốc độ piston là vận tốc góc trục khuỷu α VP1 VP2 VP=VP1+VP2
Vi phân phương trình tốc độ đối với thời gian, ta có công thức tính gia tốc của piston
Từ công thức (3), cho thấy gia tốc piston là tổng hai hàm điều hòa cấp I và cấp II α JP1 JP2 JP=JP1+JP2
1.3 Phân tích động lực học cơ cấu thanh truyền - trục khuỷu
1.3.1 Sơ đồ lực và moment tác động lên cơ cấu
P kt : Lực khí thể tác dụng lên đỉnh piston.
P j : Lực quán tính (văng) của khối lượng các chi tiết chuyển động thẳng.
P Ʃ : Lực tổng cộng tác dụng lên piston.
N: Lực ngang tác dụng lên vách xylanh, có hướng vuông góc với đường tâm.
P tt : Lực dọc theo đường tâm thanh truyền.
Z: Lực pháp tuyến theo hướng nối từ tâm chốt đến tâm cổ khuỷu.
T: Lực tiếp tuyến vuông góc với lực pháp tuyến.
M x : Moment xoắn của trục khuỷu.
M L : Moment lật của động cơ.
Để phân tích lực và moment ảnh hưởng đến cơ cấu, trước tiên cần xem xét lực tác động lên piston, bao gồm lực khí thể trong xilanh (Pkt) và lực quán tính do chuyển động tịnh tiến (Pj).
P 0 ≈ 0,1 (MN/m 2 ): áp suất khí quyển
P kt : Áp suất khí thể trong xylanh, (MN/m 2 )
F p : diện tích tiết diện của piston, (m 2 )
Lực khí thể là đại lượng biến đổi theo góc quay của trục khuỷu, được xác định từ áp suất khí thể pkt trong tính toán nhiệt của động cơ tại chế độ công suất cực đại.
1.3.3 Lực quán tính của các chi tiết chuyển động -
Lực quán tính được xác định theo công thức sau:
P qt = mxJ m: khối lượng của các chi tiết chuyển động.
J: gia tốc chuyển động của các chi tiết. m: khối lượng của nhóm piston m n = m p + m x + m c m n : khối lượng nhóm piston m p : khối lượng của piston m x : khối lượng của xéc – măng m c : khối lượng của chốt piston
- Khối lượng của khuỷu trục (các chi tiết chuyển động quay)
Phần khối lượng chuyển động quay theo bán kính R là phần khối lượng của chốt khuỷu
Phần khối lượng chuyển động quay với bán kính là phần khối lượng của 2 má khuỷu m m , với là khoảng cách từ trọng tâm má khuỷu đến tâm cổ khuỷu
Để xác định khối lượng má khuỷu m m tại tâm chốt khuỷu, chúng ta cần thay thế bằng khối lượng tương đương m mr Việc này được thực hiện thông qua phương trình cân bằng lực quán tính.
- Khối lượng chuyển động quay của trục khuỷu:
- Khối lượng của thanh truyền:
Hiện nay đối với các loại động cơ ô tô khối lượng quy về đầu nhỏ và đầu to thanh truyền xác định theo công thức kinh nghiệm sau:
- Khối lượng chuyển động tịnh tiến của cơ cấu: m j = m p +m A
Khối lượng chuyển động quay: m r = m K + m B
1.3.4 Lực quán tính (văng thẳng) của khối lượng chuyển động tịnh tiến
P jI : Lực quán tính tịnh tiến cấp I
P jII : Lực quán tính tịnh tiến cấp II
P j = P jI + P jII : là các hàm điều hòa với chu kỳ của P jI ứng với 1 vòng quay trục khuỷu và chu kỳ của P jII ứng với ẵ vũng quay trục khuỷu
Lực P j tác động lên đường tâm xylanh và thay đổi hướng khi piston chuyển động Khi piston ở điểm chết trên (ĐCT), P j có giá trị âm và hướng lên trên, tương ứng với chiều ly tâm so với trục khuỷu.
- Khi piston ở ĐCD, P j có dấu dương và chiều quay xuống (hướng vào tâm trục khuỷu)
1.3.5 Lực quán tính (ly tâm) của khối lượng chuyển động quay P K
1.3.6 Hệ lực tác động lên cơ cấu
Lực tác động lên đỉnh piston bao gồm hợp lực khí thể và lực quán tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến Những lực này tác dụng trên đường tâm xylanh, do đó, lực tổng hợp có phương tác dụng trên đường tâm xylanh và giá trị bằng tổng đại số của hai lực này.
- Lực P Ʃ được phân thành lực tác dụng dọc tâm thanh truyền P tt và lực ngang N ép lên thành xylanh, các lực này xác định bằng công thức sau:
- Lực P tt sau khi dời xuống tâm chốt khuỷu lại được phân thành hai thành phần lực: lực tiếp tuyến
T, sinh ra moment quay và lực pháp tuyến Z, gây uốn trục khuỷu Chúng được tính bằng quan hệ sau
Sau khi tính toán các giá trị lực tiếp tuyến T, lực pháp tuyến Z và lực ngang N theo góc quay trục khuỷu, ta thu được các đồ thị thể hiện lực tác động lên cơ cấu trục khuỷu và thanh truyền, bao gồm các thông số α, β, Pj (MN), Pkt, P tổng, Mq (MN.mm).
Chọn các thông số cho tính toán nhiệt
2.1 Áp suất không khí nạp (p o )
- Áp suất không khí nạp được chọn bằng áp suất khí quyển: p o = 0,1013 (MN/m 2 )
2.2 Nhiệt độ không khí nạp mới (T o )
Nhiệt độ không khí nạp mới chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ trung bình của môi trường sử dụng xe Tại miền Nam Việt Nam, thuộc khu vực nhiệt đới, nhiệt độ trung bình trong ngày có thể được xác định là t kk = 29 o C.
2.3 Nhiệt độ khí nạp trước xupap nạp (T k )
- Đối với động cơ bốn kỳ không tăng áp: T k = T o = 302 ( o K)
2.4 Áp suất cuối quá trình nạp (p a )
Đối với động cơ không tăng áp, áp suất cuối quá trình nạp trong xy lanh thường thấp hơn áp suất khí quyển Nguyên nhân chính là do tổn thất xảy ra trên ống nạp và tại bầu lọc.
- Động cơ 4 kỳ không tăng áp: p a = 0,8.p o = 0,8.0,1013 = 0,08104 (MN/m 2 )
2.5 Chọn áp suất khí sót (p r )
- Là thông số quan trọng đánh giá mức độ thải sạch sản phẩm khí cháy ra khỏi xy lanh động cơ.
- Giá trị áp suất khí sót p r phụ thuộc vào các yếu tố:
Diện tích thông qua của các xupap xả
Biên độ, độ cao và góc mở của xupap xả là những yếu tố quan trọng trong động cơ, đặc biệt khi có lắp tăng áp bằng khí xả Ngoài ra, độ cản của bình tiêu âm và bộ xúc tác khí xả cũng ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của động cơ.
- Đối với động cơ xăng chọn p r = 0,12 (MN/m 2 )
- Phụ thuộc thành phần hỗn hợp khí, mức độ giãn nở và sự trao đổi nhiệt trong quá trình giãn nở và thải.
- Đối với động cơ xăng chọn T r = 1000 ( o K)
2.7 Độ tăng nhiệt độ khí nạp mới ( T)
Khí nạp mới khi di chuyển qua ống nạp vào trong xy lanh động cơ sẽ tiếp xúc với vách nóng, từ đó làm cho khí này được sấy nóng lên đến một nhiệt độ nhất định là T.
- Đối với động cơ xăng chọn T = 10 ( o C)
2.8 Chọn hệ số nạp thêm 1
Hệ số nạp thêm 1 phản ánh mối quan hệ giữa lượng hỗn hợp khí công tác sau khi nạp thêm và lượng khí công tác chiếm chỗ trong thể tích V a Đối với động cơ thiết kế có tốc độ cao, với cơ cấu phân phối khí hiện đại và ống nạp dài, quán tính lớn cho dòng khí nạp cho phép chọn hệ số nạp cao ở giới hạn tối ưu.
- Đối với động cơ xăng chọn 1 = 1,07
2.9 Chọn hệ số quét buồng cháy 2
- Đối với động cơ không tăng áp do không có quét buồng cháy nên chọn 2 = 1.
2.10 Chọn hệ số hiệu đính tỷ nhiệt t
- Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt t phụ thuộc vào thành phần khí hỗn hợp và nhiệt độ khí sót T r
- Đối với động cơ xăng = 0,95 ta chọn t =1,12
22
Điều kiện làm việc, vật liệu chế tạo của piston
Piston là một thành phần thiết yếu trong động cơ đốt trong, chịu áp lực lớn và nhiệt độ cao trong suốt quá trình hoạt động Các lực tác động và nhiệt độ cao từ khí thể và lực quán tính tạo ra ứng suất cơ học và ứng suất nhiệt trong piston Bên cạnh đó, mài mòn xảy ra do thiếu dầu bôi trơn giữa bề mặt ma sát của piston và xylanh khi phải chịu tải.
Vật liệu chế tạo: do điều kiện làm việc của piston như trên, nên vật liệu dùng để chế tạo piston phải đảm bảo các yêu cầu sau:
- Có sức bên lớn ở nhiệt độ cao và khi tải trọng thay đổi
- Hệ số giản nở nhỏ, hệ số dẫn nhiệt lớn
- Chịu mòn tốt trong điều kiện bôi trơn kém và nhiệt độ cao
- Chống được sự ăn mòn hóa học của khí cháy
Vật liệu chế tạo piston thường dùng hiện nay là: gang và hợp kim nhẹ, thép ít được dùng để chế tạo piston.
bảng kích thước piston và thông số đầu vào của động cơ
STT Tên chi tiết Kí hiệu Gía trị (mm)
4 Chiều cao thân piston Lth 42
5 Chiều cao đầu piston lđ 17
6 Chiều cao rãnh xecmang dầu hxd 2
7 Đường kính ngoài chốt piston dncp 18
8 Đường kính trong chốt piston dtcp 11
Hcp 61 Áp suất đầu kỳ nén P
1 50 Kpa Áp suất khí nạp p o 0,1013 MN/ m 2
Tính chất của môi chất công tác k 1.4
Nhiệt lượng đầu vào Q ¿ 1675 J/Kg.K
Nhiệt dung riêng của thể tích C v 0,821 KJ/Kg.K
Tốc độ động cơ N 6000 v/phút
Bán kính vòng quay trục khuỷu R 34 mm
Dung tích động cơ V H 1266 cm 3
Thể tích ban đầu của một xilanh V h 316,65 cm 3
Thể tích buồng cháy V c 150,7 cm 3
Chiều cao xéc măng dầu, xéc măng khí, bề dày a 0.002m a 1 0,002m
Bề dày xéc măng khí a 2 0,002m
Tiết diện đỉnh piston F b 46,47 cm 2
Tính toán thông số đầu vào
- Thông số kết cấu của động cơ λ= R l =12334
- Thể tích ban dầu của 1 xilanh
- Áp suất khí thể cuối kỳ nén Đồ thị chu trình cấp nhiệt đẳng tích.
Tính toán bền của piston
a) Tính toán sức bền đỉnh piston bằng phương pháp Back
- Do đỉnh piston chịu ảnh hưởng bởi tải trọng phức tạp nên việc tính toán đỉnh piston chỉ theo phương pháp gần đúng, theo những giả thuyết nhất định.
+ Coi đỉnh piston là một đĩa tròn, chiều dày đỉnh piston đồng điều tự do trrên hình trụ.
+ Áp suất khí thể P z tác dụng lên đỉnh piston phân bố đều, lực khí thể và phản lực gây uốn đỉnh piston, xét ứng suất uống tại tiết diện x-x.
- Khi làm việc đỉnh sẽ chịu uốn lớn nhất tại tâm đĩa (mắt dưới chị kéo) do các lực P zmax
2 tác dụng lên phía trên và phía dưới mặt đỉnh piston gây nên.
- Lực khí thể này có giá trị
- Lực P zmax tác dụng lên trọng tâm của nửa hình tròn, cách trục x-x một đoạn: 2 y 1 = 2
2 tác dụng lên trọng tâm của nửa hình tròn, cách trục x-x một đoạn: y 2 = D+D 2
- Ứng suất uốn đỉnh piston σ u = M u = 3,741 10 −4 u,836 MPa W u 4,933 10 −4
- Vật liệu là nhôm, đỉnh có gân tăng bền: [ σ u ]% ÷ 190 M P a
Nhận xét thấy σ u < [ σ u ] nên đỉnh piston thỏa mãn điều kiện bền. b) Tính toán bền đầu piston
- Ứng suất kéo σ k cuối quá trình nén đầu quá trình nạp σ = P jP =m
+ Piston làm bằng hợp kim nhôm chọn γ = 2,5 kg/d m 3 = 2,5 10 3 kg/ m 3
2 là thể tích phần rỗng của đầu piston phía trên mặt cắt I-I:
3 là thể tích phần rãnh xecmăng phía trên mặt cắt I-I:
- Thể tích phần đầu piston là:
- Khối lượng phần đầu piston là: m I −I =Vγ =¿ 8,1993.10 −5 2,5.10 3 =0,2049 (kg)
- Tính gia tốc lớn nhất của piston:
- Từ biểu thức tính gia tốc J ta nhận thấy J đạt giá trị cực đại khi α =0 ⇒cos α =1
J max = 0,034 Tiết diện bé nhất cắt qua rảnh xéc măng dầy cuối cùng ở phần đầu piston được xác định là 523,598 2 (1+0,275)884,61 (m/sα 2) Giá trị này được tính toán thông qua phần mềm mô phỏng Kết quả thu được là F.
- Kết luận đầu piston thỏa mãn về sức bền kéo.
- Ứng suất nén tiết diện I-I được xác định theo công thức: Thay số ta được σ n = P zmax π D 2 = 7,61 π 0,077 2 "1,91.10 −3 MN /m 2
- Đối với piston làm bằng hợp kim nhôm ta có σ n = 221,91 10 −3 ( MN/m 2 ) ⇒ σ n < [ σ n ] %( MN / m 2 )
- Vậy đầu piston thỏa mãn điều kiện chịu nén.
+ Áp suất riêng trên bề mặt tếp xúc với mặt gương xilanh. q = N max b D L th
+ Lực ngang lớn nhất đối với động cơ xăng được xác định bởi công thức
+ Áp suất riêng của thân piston q b =0.5349 Mpa thỏa trị số cho phép c) Tính bền chốt piston
* Điều kiện làm việc của chốt piston
Chốt piston là chi tiết quan trọng kết nối piston với thanh truyền, giúp truyền lực từ khí thể tác động lên piston đến thanh truyền, từ đó làm quay trục khuỷu Trong quá trình hoạt động, chốt piston phải chịu áp lực lớn từ khí thể và lực quán tính, đặc biệt là trong động cơ cao tốc, nơi các lực này thay đổi theo chu kỳ và có tính chất va đập mạnh Do đó, vật liệu chế tạo chốt piston cần có sức bền cao, khả năng chống mòn tốt và độ dẻo lớn để đảm bảo hiệu suất và độ bền trong suốt quá trình sử dụng.
- Vật liệu thường dùng là thép cacbon và thép hợp kim có thànhphần cacbon thấp như thép 20, 20X, 15XA, 15XMA, 12XH3A, …
Thông số Ký hiệu Giá trị
Chiều dài chốt piston l cb 61 mm Đường kính ngoài chốt piston d cb 18 mm Đường kính trong chốt piston l 0 11 mm
Khối lượng chốt piston m cp 75,86 g
Chiều dài thanh truyền l tt 123,5 mm
Khối lượng thanh truyền m tt 535,38 g
Khối lượng đầu nhỏ thanh truyền m a 136,5219 g Đường kính trong đầu nhỏ thanh truyền d t 11 mm Đường kính ngoài đầu nhỏ thanh truyền d c 18 mm
Khoảng cách giữa hai bệ chốt b 21mm
Chiều dài tiếp xúc với với bạc đầu nhỏ a 22mm
* Ứng suất uốn chốt σ =( P z −P jP )(l+2 b−1,5 a)=(0,0348−4,2687 10 −3 )(0,061+2.0,021−1,5.0,022) u 1,2.0,018 3 (1−0,61 4 )1,2d 3 (1−α 4 ) co ¿ 354,46 MN /m 2
- Lực quán tính P jP do piston, xec măng, khóa hãm và chốt gây nên có giá trị :
+ Khối lượng của chốt piston m c =¿75,86g
+ Khối lượng của bạc xecmang m x ,6 g
- Ứng suất uốn cho phép [ σ u ] 50 ÷ 450 MN /m 2
- Kết luận vậy chốt piston đẩm bảo ứng suất uốn chốt.
Khi làm việc, chốt piston chịu lực cắt tại tiết diện giữa brrj chốt và bạc đầu nhỏ được xác định bởi công thức τ = 0.85(P z −P jP )(1+α o +α o 2) Từ đó, ta có τ = 0,85(0,0348−4,3678 10 −3 )(1+0,61+0,61 2 ) d c 2 (1−α o 4 ) 0,018 2 (1−0,61 4 ) = 183,86 Mpa Cuối cùng, cần tính độ biến dạng của chốt.
Khi chịu lực, áp lực phân bố không đồng đều theo chu vi, do đó chúng ta giả thuyết rằng áp lực sẽ phân bố theo quy luật hình cosin hoặc hình oval trên tiết diện ngang của chốt.
- Độ biến dạng của tiết diện giữa của chốt piston:
+Trong đó môdun đàn hồi đối với thép có giá trị E=2.10 5 Mpa
+ Hệ số hiệu chỉnh k theo α o được xác định như sau : k=1,5−15 ( α o −0,4) 3 =1,5−15 (0,61−0,4 )=1,36
- Độ biến dạng cho phép [ ∆ d max ] =0,2 d c =0,2.0,018=3,6.10 −3
- Xét độ biến dạng ∆ d max =1.31 10 −6 m1,5 d 1 18 a) Tính bền đầu nhỏ thanh truyền khi chịu kéo:
Trong đó: m: khối lượng tính trên đơn vị diện tích đỉnh piston
=> P J =m.R ω 2 (cosα + λcos2α) F b = ( m A + m np )R ω 2 (cosα + λcos2α)
• Bán kính trung bình của đầu nhỏ thanh truyền:
Sơ đồ lực tác dụng khi đầu nhỏ thanh truyền chịu kéo.
H: chiều rộng thân chổ nối với đầu nhỏ. ρ 1 : Bán kính góc lượn nối đầu nhỏ với thân. r 2: Bán kính ngoài của đầu nhỏ
Moment uốn tại tiết diện C-C:
Hệ số : phụ thuộc vào độ cứng của các chi tiết lắp ghép
E d F d +E b F b 2.10 11 0,176.10 −3 +0,69.10 11 0,44 10 −3 Lực kéo thực tế tác dụng lên tiết diện của đầu nhỏ thanh truyền: N k = N j = 0,537.4635,39= 2489,204 ( ) Ứng suất tổng cộng trên mặt ngoài đầu nhỏ thanh truyền: σ nj = [2M j
0,004(2.0,012+0,004 ) 0,022.0,004 2 m Ứng suất tổng cộng trên mặt ngoài đầu nhỏ thanh truyền: σ tj = [-2M j 6 p−sα + N K ] l = [-2.(-38,123). sα (2 p−sα) l d sα
0,004(2.0,012+0,004 ) 0,022.0,004 m 2 Ứng suất trên mặt ngoài và mặt trong đầu nhỏ thanh truyền.
Quan hệ giữa ứng suất mặt ngoài vời góc b) Tính sức bền của đầu nhỏ thanh truyền khi chịu nén.
Sơ đồ lực tác dụng khi đầu nhỏ thanh truyền chịu nén.
Lực nén tác dụng lên đầu nhỏ thanh truyền. p 1 = p kt F b - ω 2(1 + ) F b 478,644.0,44.10 −3-0,56743.0,034.523,6 2(1+0,251).0,44.
Moment uốn trên cung BC ( ≥ 90°)
Lực tiếp tuyến trên cung BC ( ≥ 90°).
.cos139,67)6,69(N) π Ứng suất mặt ngoài của tiết diện nguy hiểm nhất: σ nz = [2M z 2 6 ρ+sα
0,022.0,004 2 m Ứng suất mặt trong của tiết diện nguy hiểm nhất:
R :0,034 (m) ω:523,6 λ: 0,275 mtt: 0,344 (kg) m n = ( 0,2 ÷ 0,28 ) m tt =0,0688 (kg) m 2=0,72 m tt = 0,24768(kg)
+ Góc dẫn xuất về tâm đầu to thanh truyền : γ 0 @ °
+ Khoảng cách tính từ tâm của 2 bu lông đầu to thanh truyền : C = 0,055 (m) -Mô men uốn và lực pháp tuyến tác dụng lên tiết diện A-A của nắp đầu to:
-Ứng suất lớn nhất tác dụng lên nắp đầu to thanh truyền:
L d :Chiều rộng tiết diện nắp đầu to: 0,026 (m)
C: Khoảng cách 2 bu lông : 0,055(m) δ b :Chiều dày tiết diện bạc: 0,004 (m) δ: Chiều dày tiết diện nắp đầu to : 0,0015 (m)
Tính bền trục khuỷu
Trục khuỷu là một trong những bộ phận quan trọng nhất của động cơ đốt trong, có cường độ làm việc lớn và giá thành cao Chức năng chính của trục khuỷu là nhận lực từ piston qua thanh truyền, chuyển đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay, từ đó truyền công suất ra ngoài.
Trong quá trình vận hành, trục khuỷu phải chịu tác động từ lực khí thể và lực quán tính, bao gồm cả chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay Các lực này có cường độ lớn và biến đổi theo chu kỳ, dẫn đến tính chất va đập mạnh mẽ.
Trục khuỷu thường được chế tạo từ vật liệu thép cacbon có hàm lượng trung bình từ C35 đến C50, bên cạnh đó còn sử dụng thép hợp kim như 18XHBA, 40X, HKCR-NI, hoặc gang graphit cầu Các phương pháp gia công chi tiết cho trục khuỷu bao gồm rèn và đúc.
3.2 Thu thập thông số đầu vào.
STT Tên gọi Ký hiệu Giá trị
1 Khoảng cách từ tâm của má khuỷu đến đường a 22 mm trung trực của chốt khuỷu
2 Chiều rộng của má hình chữ nhật h 72,02 mm
3 Khoảng cách giữa 2 tâm cổ khuỷu l 0 98 mm
4 Khoảng cách từ tâm 2 cổ khuỷu tới đường trung l’=l” 45,5 mm trực của chốt khuỷu
5 Chiều dày của má hình chữ nhật b 15 mm
6 Khoảng cách từ tâm má khuỷu tới tâm cổ trục b’=b’’ 23,5 mm
8 Khoảng cách giữa tâm 2 đối trọng với đường trung c=c’=c’’ 16 mm trực của chốt khuỷu
9 Khoảng cách từ trọng tâm má khuỷu đến tâm quay r mk 18,9 mm
10 Khoảng cách từ trọng tâm đối trọng đến tâm quay r dt 7,29 mm
11 Khoảng cách từ tâm cổ trục khuỷu đến tiết diện r 16,24 mm nguy hiểm của má khuỷu
12 Khối lượng của chốt khuỷu m ch 0,284 kg
13 Khối lượng ly tâm của má khuỷu m mk 0,265 kg
14 Khối lượng đối trọng m dt 1,255 kg
15 Khối lượng nhóm piston m np 0,24974 kg
16 Khối lượng thanh truyền m tt 0,53538 kg
17 Đường kính ngoài của chốt khuỷu d ch 40 mm
18 Áp suất khí thể p zmax 76,1 bar
20 Diện tích đỉnh piston F p 4647mm 2
3.3 Phương pháp tính sức bền theo cách phân đoạn
Khi áp dụng phương pháp này, trục khuỷu được chia thành nhiều đoạn, mỗi đoạn tương ứng với một khuỷu Chiều dài của mỗi đoạn được xác định bằng khoảng cách giữa hai tâm điểm của ổ trục, và mỗi đoạn được coi như một dầm tĩnh đặt trên hai gối tựa Khi thực hiện cắt đoạn trục khuỷu, giả thuyết được đặt ra là trục khuỷu có độ cứng vững tuyệt đối.
- Tính toán trường hợp khởi động là tính toán gần đúng với giả thuyết: Trục khuỷu ở vị trí điểm chết trên (α =0).
Khi khởi động động cơ, chúng ta thường bỏ qua lực quán tính do số vòng quay ban đầu nhỏ, đồng thời lực tác dụng trên khuỷu đạt giá trị lớn nhất P zmax Tuy nhiên, trong thực tế, khi khởi động, bướm ga của động cơ xăng thường không được mở hết hoặc thanh răng khía của động cơ diesel không được kéo tối đa, dẫn đến lực tác dụng thường nhỏ hơn P zmax.
- Do đó lực tác dụng lên trục khuỷu sẽ là:
-Các phản lực xác định theo công thức:
=0,0163(MN ) l 0 0,098 a Tính sức bền của chốt khuỷu
- Momen uốn chốt khuỷu (tính đối với tiết diện giữa các chốt) bằng:
- Do đó ứng suất uốn chốt khuỷu là:
M u - moduyn chống uốn của tiết diện ngang của chốt khuỷu
+ Đối với chốt rỗng: π d ch 4−δ ch 4
32 d ch b Tính bền của má khuỷu
- Ứng suất uốn của má khuỷu bằng: σ u = M u = Z ' b' = 0,0163 0,0235 1,83(MN /m 2 ) W ux hb 2 0,07202 0,015 2
- Ứng suất nén má khuỷu: σ n = Z
- Ứng suất tổng cộng: σ Σ =σ u +σ n 1,83+16,338,16 (MN /m 2 ) c Tính sức bền của cổ trục khuỷu
- Ứng suất uốn cổ trục khuỷu: σ u = M u = Z' b' = 0,0163 0,0235 `,964(MN /m 2 )
Trong thực tế, momen tác dụng trên cổ trục thường nhỏ hơn đáng kể so với momen uốn chốt khuỷu Vì vậy, việc tính toán sức bền của cổ trục thường không cần thiết.
3.3.2 Trường hợp trục khuỷu chịu lực Z max
- Ta có : Khối lượng thanh truyền phân bổ về tâm chốt khuỷu: m 1 = ( 0,275 ÷ 0,359 ) m tt = ( 0,275 ÷ 0,359 ) 0,53538=0,147 ÷ 0,192(kg)
- Khối lượng thanh truyền quy dẫn về tâm chốt khuỷu: m 2 = ( 0,650 ÷ 0,725 ) m tt = ( 0,650 ÷ 0,725 ) 0,53538=0,347 ÷ 0,388(kg)
M: là khối lượng chuyển động tịnh tiến của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền
C 1 : Lực quán tính ly tâm của chốt khuỷu
C 2 : Lực quán tính ly tâm của khối lượng thanh truyền quy về tâm chốt khuỷu
- Lực tác dụng (khi có xét đến ảnh hưởng của lực quán tính) Z max xác định theo công thức sau:
Z max =Pz max −MRω 2 ( 1+ λ ) 4800−0,41974.0,034 ( 523,598 ) 2 ( 1+0,275 ) )811,55(N )=0,02981(MN )
Ngoài lực Z 0, khuỷu trục còn phải chịu tác động của lực quán tính ly tâm từ má khuỷu P r 1 và đối trọng P r 2 Trong trường hợp này, lực tiếp tuyến T bằng không do α=0.
- Do đó phản lực tác dụng lên các gối trục được xác định theo các công thức sau:
- Nếu trục khuỷu hoàn toàn đối xứng thì:
Khi tính toán sức bền của khuỷu trục khuỷu trong động cơ nhiều xylanh, cần xem xét không chỉ lực Z max mà còn cả momen xoắn từ các khuỷu trước đó Do đó, khuỷu chịu lực và momen lớn nhất (Z max và (∑ Z 1−1) max) sẽ là khuỷu có nguy cơ cao nhất.
Để xác định khuỷu nguy hiểm nhất, cần phân tích đồ thị T = f(α) nhằm tìm trị số của lực tiếp tuyến T tại các vị trí tính toán Sau đó, lập bảng để so sánh và tìm ra momen lớn nhất.
(∑ T1−1 cũng tức là tìm khuỷu chịu lực tiếp tuyến (∑ T1−1 a.Tính bền của chốt khuỷu
- Ứng suất uốn chốt khuỷu: σ u =M u
Trong đó: c = c’ = c’’ (coi khuỷu trục hoàn toàn đối xứng)
- Ứng suất xoắn chốt khuỷu: ΣT I−1=0(MN /m 2 )
Với: W K là mô đuyn chống xoắn ủa chốt khuỷu W K =2W u
+ Đối với trục đặc: W K ≈ 0,2 d 3 ch m 3
- Ứng xuất tổng khi chịu uốn và chịu xoắn: σ Σ = √ σ u 2 + 4 k 2 6,45(MN /m 2 ) b Tính bền của cổ trục khuỷu
- Tính sức bền của cổ trục khuỷu thường tính tiết diện ở chổ chuyển tiếp giữa cổ trục và má khuỷu (tiết diện nguy hiểm nhất).
- Ứng suất uốn cổ trục khuỷu (cổ trục đặc): σ u = M u = Z ' b ' = 0,0127 0,0235 G,49(MN /m 2 )
(0,04 3 )32 Trong đó: d ch :đường kính của ổ trục khuỷu (m)
- Ứng suất xoắn cổ trục:
- Ứng xuất tổng khi chịu uốn và chịu xoắn: σ Σ = √ σ u 2 +4 ❑ k 2 G,49(MN /m 2 ) c Tính bền của má khuỷu
