1 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN 2 LỜI NÓI ĐẦU Ngành công nghiệp ôtô hiện nay đang phát triển mạnh, nó là một ngành công nghiệp có vai trò quan trọng trong nền kinh tế của một đất nước Chính vì vậy việc đào t[.]
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN …………………………… ………….……………… …………………………… ………….……………… …………………………… ………….……………… …………………………… ………….……………… …………………………… ………….……………… …………………………… ………….……………… …………………………… ………….……………… …………………………… ………….……………… …………………………… ………….…………… … …………………………… ………….……… ……… …………………………… ………….… …………… …………………………… ……… ….……………… …………………………… … ……….……………… ………………………… … ………….……………… …………………… ……… ………….……………… ……………… …………… ………….……………… ………… ………………… ………….……………… …… ……………………… ………….……………… …………………………… ………….……………… …………………………… ………….……………… …………………………… ………….……………… …………………………… ………….……………… …………………………… ………….……………… …………………………… ………….……………… LỜI NÓI ĐẦU Ngành công nghiệp ôtô phát triển mạnh, ngành cơng nghiệp có vai trị quan trọng kinh tế đất nước Chính việc đào tạo kỹ sư nghành quan trọng mơn học “lý thuyết ơtơ” chiếm vi trí quan trọng trương trình đào tạo kỹ sư nghành ôtô máy kéo Môn học “lý thuyết ôtô” cung cấp cho sinh viên kiến thức thuộc lĩnh vực lý thuyết ôtô, liên quan đến phát triển nghành ôtô đổi đất nước Đồng thời đề cập đến vấn đề liên quan đến phát triển kỹ thuật ngành ôtô giới Nhận thấy tầm quan trọng cần thiết môn học nên khoa động lực trường ĐHSPKT Hưng Yên giao cho sinh viên nhiệm vụ làm đồ án tính tốn thiết kế ơtơ “lý thuyết ơtơ” việc tính tốn thiết kế lý thuyết ôtô giúp sinh viên hiểu rõ sâu sắc phận chi tiết ơtơ điều đảm bảo cho an toàn xe chuyển động, tiết kiệm nhiên liệu hay tính kinh tế vận hành dễ dàng Em xin cám ơn khoa động lực trường ĐHSPKT Hưng Yên đặc biệt thầy Khổng Văn Nguyên giúp đỡ bảo tận tình cho em hồn thành thiết kế đồ án mơn học “Tính tốn kiểm nghiệm bền cho piston” sau thiết kế đồ án em Em chân thành cảm ơn! Hưng Yên; ngày tháng … năm, 2019 Sinh viên thực Hà Minh Quân MỤC LỤC trang Lời nói đầu…………………………………………… ………… ……… Phần I: Mô tả chung Piston, chốt Piston Xec măng……… … …… 1.1 Piston…………………………………………………….………… 1.1.1 Nhiệm vụ…………………………………………….…………… 1.1.2 Điều kiệm làm việc………………………………… ………………… 1.1.3 Vật liệu chế tạo Piston……………………………… ……………….… 1.1.4 kết cấu Piston…………………………………… ……… … 1.2 Chốt Piston…………………………………………… ……………… 1.2.1.Nhiệmvụ…………………………………………… …………… …….9 1.2.2 Điều kiện làm việc…………………………………………………… …9 1.2.3 Vật liệu chế tạo……………………………………………………… ….9 1.2.4 Kết cấu kiểu lắp ghép chốt piston…………………………….… 1.3 Xéc măng……………………………………………… …………… ….11 1.3.1 Nhiệm vụ…………………………………………… …………… … 11 1.3.2 Điều kiện làm việc xéc măng…………………… ……………… 11 1.3.3 Vật liệu công nghệ chế tạo phôi xéc măng……… ……………… 11 1.3.4 Kết cấu xéc măng……………………………… …………… ……12 Phần II: TÍNH TỐN KIỂM TRA BỀN CHO PISTON, CHỐT PISTON VÀ XÉC MĂNG………… .………………………………………………………14 2.1 Thông số ban đầu, thông số chọn thông số tham khảo piston, chốt xéc măng………………………………………………………….……………………….14 2.2 Tính tốn kiểm nghiệm bền cho Piston…………………………… …….17 2.2.1 Điều kiện tải trọng…………………………………… ………………………17 2.2.2 Tính sức bền đỉnh piston……………………….……………… … 18 2.2.3 Tính tốn sức bền đầu Piston……………………… ………… ……….18 2.2.4.Tính sức bền thân Piston……………………… ………… …… 20 2.2.5.Tính sức bền bệ chốt Piston………………………………… ………… 22 3.1.Tính kiểm nghiệm bền xéc măng……………………….……….…………26 3.1.1 Ứng suất uốn …………………………………………………………….27 3.1.2 Ứng suất lắp ghép xéc măng vài piston……………………… ……… 27 3.1.3 Ứng suất gia cơng định hình ……………………………… ………28 3.1.4 Áp suất bình qn xéc măng khơng đẳn áp………………………………28 Phần kết luận……………………………………………………….… …… 29 Tài liệu tham khảo……………………………………………… …… …… 30 PHẦN I MÔ TẢ KHÁI QUÁT CHUNG VỀ NHÓM PISTON 1.1 Piston 1.1.1 Nhiệm vụ: Piston chi tiết máy quan trọng thuộc cấu trục khuỷu – truyền động đốt trong, có nhiệm vụ - Cùng với nắp máy, xylanh bao kín tạo thành buồng cháy - Đồng thời trưyền lực khí thể cho truyền nhận lực từ truyền để nén hỗn hợp khí- nhiên liệu - Ngồi mơt số động hai kỳ, Piston cịn có nhiệm vụ đóng mở cửa nạp thải cấu phối khí 1.1.2 Điều kiện làm việc Do điều kiện làm việc Piston khắc nghiệt, cụ thể là: a Tải trọng học lớn có chu kỳ -Áp suất lớn, đến 120 kg/cm2 - Lực quán tính lớn, đặc biệt động cao tốc b Tải trọng nhiệt Do tiếp xúc trực tiếp với khí cháy có nhiệt độ (khoảng 900 – 1100oK) nên nhiệt độ phần đỉnh Piston đến (khoảng 500 – 800oK) Do nhiệt độ cao, pittông bị giảm sức bền, bó kẹt, nứt, làm giảm hệ số nạp, gây kích nổ…., làm dầu nhờn chóng bị phân huỷ c Ma sát ăn mịn hố học Do lực ngang N nên Piston xylanh có ma sát lớn Điều kiện bơi trơn khó khăn, thơng thường vung té nên khó bảo đảm bơi trơn hồn hảo.Mặt khác thường xun tiếp xúc trực tiếp với sản vật cháy có chất ăn mịn axít nên Piston cịn chịu ăn mịn hóa học 1.1.3 Vật liệu chế tạo Piston Vật liệu chế tạo Piston phải đảm bảo cho Piston làm việc ổn định lâu dài điều kiện làm viêc khắc nghiệt nêu Trong thực tế số vật liệu sau dùng để chế tạo Piston: - Gang: Thường dùng gang xám, gang dẻo, gamg cầu Gang có sức bền nhiệt bền học cao, hệ số giãn dài nhỏ nên khó bị bó kẹt, dễ chế tạo rẻ - Hợp kim nhơm: hợp kim nhơm có nhiều ưu điểm nhẹ, hệ số dẫn nhiệt lớn, hệ số ma sát với gang nhỏ, dễ đúc, dễ gia công nên dùng phổ biến để chế tạo Piston 1.1.4 Kết cấu piston Piston gồm có phần chính: Hình 1.1: Sơ đồ kết cấu piston a,Đỉnh piston: Là phần Piston, với xylanh nắp xy lanh tạo thành buồng cháy Các dạng đỉnh Piston động xăng động điêzel thường dùng giới thiệu hình 1.2 Có thể chia dạng đỉnh thành loại lớn: đỉnh bằng, đỉnh lồi đỉnh lõm a b c d e f g h i Hình 1.2: Các dạng đỉnh piston - Đỉnh (hình 1.2.a) loại phổ biến Nó có diện tích chịu nhiệt bé nhất, kết cấu đơn giản, dễ chế tạo Loại đỉnh hay dùng cho Piston động xăng có tỷ số nén thấp động điêzel có buồng cháy dự bị xốy lốc - Đỉnh lồi (hình 1.2.b, c) Có độ cứng vững cao, khơng cần gân tăng bền đỉnh nên trọng lượng Piston nhỏ diện tích chịu nhiệt lớn nên nhiệt độ đỉnh thường cao đỉnh Loại đỉnh lồi thường dùng cho động xăng có buồng cháy chỏm cầu, xu páp treo (như động Craysow, plinut…) động xăng hai kỳ cơng suất nhỏ PD-10, Solex… - Đỉnh lõm (hình 1.2.d), tạo xốy lốc nhẹ, tạo thuận lợi cho q trình hình thành khí hỗn hợp cháy Tuy nhiên sức bền diện tích chịu nhiệt lớn so với đỉnh Loại đỉnh dùng cho động xăng động diesel - Đỉnh chứa buồng cháy loại đỉnh thường gặp động diesel Đối với động diesel có buồng cháy đỉnh Piston, kết cấu buồng cháy phải thoả mãn điều kiện sau tùy trường hợp cụ thể: Phải phù hợp với hình dạng buồng cháy hướng chùm tia nhiên liệu để tổ chức tạo thành hỗn hơp tốt nhất.(hình 1.2 e) Phải tận dụng xốy lốc khơng khí q trình nén, hình (1.2 c,f): buồng cháy omega; hình (1.2 g) buồng cháy đenta; hình (1.2 h) buồng cháy MAN b Đầu Piston Đường kính đầu Piston thường nhỏ đường kính thân thân Piston phần dẫn hướng Piston Kết cấu đầu Piston phải bảo đảm yêu cầu sau: - Bao kín tốt cho buồng cháy nhằm ngăn khí cháy lọt xuống cácte dầu dầu bôi trơn từ te sục lên buồng cháy Thông thường người ta dùng xécmăng để bao kín Có hai loại xécmăng xécmăng khí để bao kín buồng cháy xécmăng dầu để ngăn dầu sục lên buồng cháy Số xécmăng tuỳ thuộc vào loại động cơ: Động xăng : – xécmăng khí, – xécmăng dầu Động diesel tốc độ thấp : – xécmăng khí, – xécmăng dầu Tản nhiệt tốt cho xécmăng phần lớn nhiệt Piston truyền qua xécmăng cho xylanh đến môi chất làm mát Để tản nhiệt tốt cho Piston thường dùng kết cấu đầu Piston sau: Phần chuyển tiếp đỉnh đầu có bán kính R lớn Dùng gân tản nhiệt đỉnh Piston Tạo rãnh ngăn nhiệt đầu Piston để giảm nhiệt lượng truyền cho xécmăng thứ nhất(1.3.a) Làm mát đỉnh Piston a b Hình 1.3:Rãnh ngăn nhiệt phần đầu piston Vấn đề sức bền: Tăng bền cho phần đầu Piston chủ yếu gân đỉnh gân nối liền với bệ chốt, cần phải lựa chọn kiểu gân hợp lý để dễ thao tác đúc Piston c Thân piston Tác dụng thân Piston dẫn hướng cho Piston chuyển động tịnh tiến theo phương đường tâm xylanh chịu lực ngang N Khi thiết kế phần thân Piston thường phải giải vấn đề sau: - Chiều dài thân Piston - Chiều dài thân Piston định điều kiện áp suất tiếp xúc, lực ngang N gây ra, phải nhỏ áp suất tiếp xúc cho phép - Vị trí lỗ bệ chốt - Vị trí tâm chốt bố trí cho Piston xylanh mịn đều, đồng thời giảm va đập gõ Piston đổi chiều Một số động có tâm chốt lệch với tâm xylanh giá trị phía cho lự ngang Nmax giảm để hai bên chịu lực N Piston xylanh mòn Trạng thái biến dạng Piston giới thiệu hình N a b c Hình 1.4: Trạng thái biến dạng thân piston Hình 1.4.a trạng thái biến dạng thân Piston chịu nhiệt độ cao Do kim loại tập trung phần bệ chốt nên chịu nhiệt thân Piston giãn nở theo đường tâm chốt Hình 1.4.b trạng thái biến dạng thân Piston Piston chịu lực khí thể Áp suất khí thể uốn cong đỉnh làm thân bị biến dạng theo phương đường tâm chốt Hình 1.4.c trạng thái biến dạng pittông thân chịu tác động lực ngang N Chiều biến dạng trùng với phương đường tâm chốt Để khắc phục tình trạng bó Piston người ta thường dùng biện pháp thiết kế sau: Chế tạo thân Piston có dạng van, trục ngắn trùng với phương đường tâm chốt Tiện vát đúc lõm hai đầu bệ chốt để lại cunng khoảng 900 -100 để chịu lực mà không ảnh hưởng nhiều đến phân bố lực Xẻ rãnh chữ T, chữ U ngược rãnh ngang rãnh xéc măng dầu Đúc gắn miếng hợp kim inva vào vùng bệ chốt để hạn chế giãn nở vùng bệ chốt Do trạng thái nhiệt Piston giảm dần từ phía đỉnh xuống đến chân Piston nên khe hở Piston xylanh giảm dần d Chân piston Chân Piston thường có vành đai để tăng độ cứng vững vùng mặt trụ vành đai thường chuẩn công nghệ gia công pittông nơi điều chỉnh trọng lượng Piston phân nhóm lắp ráp Sai lệch trọng lượng Piston nhóm khơng vượt q (0,2-0,6)% động tô 1.2 Chốt Piston 1.2.1 Nhiệm vụ Chốt Piston chi tiết nối Piston với truyền truyền lực tác dụng Piston cho truyền để làm quay trục khuỷu Vì chi tiết máy có kết cấu đơn giản lại quan trọng, yêu cầu có độ bền độ tin cậy cao 1.2.2 Điều kiện làm việc Chốt Piston chịu lực va đập, tuần hoàn, nhiệt độ cao điều kiện bơi trơn khó khăn 1.2.3 Vật liệu chế tạo Để đảm bảo độ tin cậy cao, người ta thường dùng loại thép hợp kim thành phần bon thấp để chế tạo chốt Piston 20Cr; 15CrM; 18CrNiM… Để tăng độ cứng vững cho bề mặt, tăng sức bền mỏi chốt thấm than, xianua hố, tơi cao tần mạ bóng 1.2.4 Kết cấu kiểu lắp ghép chốt Piston a Kết cấu Kết cấu chốt Piston đơn giản, có dạng hình trụ rỗng nhẹ Các chốt khác phần ruột, cụ thể: a b c d e Hình 1.5: Chốt piston Mặt có dạng hình trụ (hình 1.5.a) có ưu điểm dễ chế tạo vật liệu phân bố lại không hợp lý, trọng lượng lớn Mặt có dạng (như hình 1.5.b, c, d, e) có kết cấu phức tạp chốt nhẹ có sức bền đồng Vì loại chốt thường dùng động cao tốc Kích thước đường kính ngồi chốt phải thiết kế theo hệ trục để việc lắp ghép đạt yêu cầu kỹ thuật, đảm bảo khe hở lắp ghép với bệ chốt khe hở lắp ráp với đầu nhỏ truyền b Các kiểu lắp ghép chốt piston a b c Hình 1.6: Các kiểu lắp ghép chốt piston a Lắp cố định chốt Piston đầu nhỏ truyền b Lắp cố định chốt Piston bệ chốt c Lắp tự chốt Piston - Cố định chốt đầu nhỏ truyền (Hình 1.6.a) 10 c d0 =(0,6÷0,8) dcP theo [I] trang 1-1 Thay dcp =0,02 (m) ta có : d =(0,6÷0,8) 0,02=0,012÷0,06 (m) Chọn d0 =0,015 (m) 9, Chọn chiều dày phần thân 𝑆1 : S1 = (0,02÷0,03).D theo [I] trang 1-1 Thay D=0,083 (m) ta có : S1 = (0,02÷0,03).0,083=0,00166÷0,00249 (m) chọn S1 =0,002 (m) 10, Số xec măng khí : 11, Chiều dày hướng kính : t =(1/25÷1/32).D theo [I] trang 1-1 Thay D=0,083 (m) ta có : t= (1/25÷1/32).0,083=0,0025÷0,0033 Chọn t=0,003 (m) 12, Chiều cao a : a= (0,3÷0,6).t theo [I] trang 1-1 Thay t=0,003 (m) ta có : a=(0,3÷0,6).0,003=0,0009÷0,0018 Chọn a=0,0015 (m) 13, Số xéc măng dầu : 14, Chiều dày bờ rãnh a1 =0,004 (m) Từ 14 mực bên ta có thông số chọn : Bảng 2.2: Các thông số chọn Các thông số chọn STT Kết Chiều dày đỉnh 𝛿 khơng có làm mát đỉnh 0,0055 (m) Khoảng cách h từ đỉnh đến xéc măng thứ 0,004 (m) Chiều dày S phần đầu 0,009 (m) Chiều cao H piston 0,065 (m) Vị trí chốt piston h tính từ đỉnh piston 0,037 (m) Đường kính chốt 𝑑𝑐𝑝 0,02 (m) Đường kính bệ chốt 𝑑𝑏 0,03 (m) Đường kính chốt 𝑑0 0,015 (m) Chọn chiều dày phần thân 𝑆1 0,002 (m) 10 Số xéc măng khí 16 11 Chiều dày hướng kính 0,003 (m) 12 Chiều cao a 0,0015 (m) 13 Số xéc măng dầu 14 Chiều dày bờ rãnh 0,004 (m) 2.2 Tính tốn kiểm tra bền cho piston Tính tốn kiểm tra bền cho piston bao gồm việc tính kiểm tra bền cho đỉnh, đầu, thân bệ chốt piston Hình2.1:Kích thước phần piston 2.2.1 Điều kiện tải trọng Piston chịu lực khí thể Pkt , lực quan tính lực ngang N, đồng thời chịu tải trọng nhiệt không tính tốn kiểm nghiệm bền thường tính với điều kiện tải trọng lớn 2.2.2 Tính sức bền đỉnh piston Trong trình làm việc đỉnh piston vừa chịu tải trọng học (lực khí thể) lại vừa chịu tải trọng nhiệt nên trạng thái biến dạng phức tạp Chiều dày đỉnh trung bình δ= ( 0,04÷0,07).D Vì vậy, để đơn giản hóa tính tốn ta tính trạng thái ứng suất gần theo giả thiết định (phụ thuộc vào phương pháp tính) Áp dụng cơng thức Back, để tính kiểm nghiệm bền cho đỉnh piston ta giả thiết: - Coi đỉnh piston đĩa có chiều dày đồng đặt gối đỡ hình trụ rỗng 17 - Coi áp suất khí thể p z phân bố Lực khí thể Pz = pz Fp phản lực gây uốn đỉnh piston tiết diện x-x Lực khí thể tác dụng nửa đỉnh piston có trị số : Pz D = pz (MN) Pz = 3,14.0, 0832 = 0, 016 (1-1) (MN) Hình 2.2: Sơ đồ tính sức bền đỉnh piston * Trên nửa đỉnh piston có lực sau tác dụng: - Lực khí thể Pz Lực tác dụng lên trọng tâm nửa hình trịn cách trục x-x đoạn y1 D y1 = - Phản lực lực khí thể Pz phân bố nửa đường trịn đường kính Di , đặt lên trọng tâm nửa đường tròn cách truc x-x đoạn y : 18 (m) Hình 2.3 Sơ đồ tính đỉnh piston theo phương pháp Back y1 = Di (m) Do mơ men uốn đỉnh M u : PZ P D 2.D ( y2 − y1 ) = z ( i − ) 2 3. Mu = (MN.m) (1-2) Coi Di ≈D M u = pz p D = z D 6. 24 (MN.m) Mô đun chống uốn Wu tiết diện x-x: Wu = D. (m ) Do ứng suất uốn đỉnh piston: Mu D2 u = = pz Wu 4. 0, 0832 = = 170,8 4.0, 00552 Chọn vật liệu làm piston nhơm, đỉnh có gân tăng bền nên ta có [σu ]=25÷190 ( MN / m ) Nhận xét thấy u u nên đỉnh piston thỏa mãn điều kiện bền Hình 2.3: sơ đồ tính bền đỉnh piston 19 (1-3) (MN/ m ) 2.2.3 Tính sức bền đầu piston Tiết diện I-I hình vẽ tiết diện suy yếu đầu piston (tiết diện cắt ngang qua rãnh xécmăng dầu) Tiết diện chịu kéo phần khối lượng mI − I phía chịu nén lực khí thể trình cháy, giãn nở Vì vậy, để kiểm tra xem đầu piston có đảm bảo bền hay không ta cần phải xác định ứng suất kéo ứng suất nén tiết diện I-I a Ứng suất kéo k : ADCT: k = PjI FI − I = m I − I j max FI − I ( MN / m ) Trong đó: + mI − I khối lượng phía tiết diện I-I (1-6) (kg) + j max gia tốc lớn piston ( m / s2 ) + FI −I diện tích tiết diện I-I (m ) * Tính khối lượng mI − I phía tiết diện I-I: (kg) Theo kinh nghiệm mI − I thường (0,4÷0,6) mnp Chọn mI − I =0,5 𝑚𝑛𝑝 = 0,5.0,36= 0,18 (kg) * Tính diện tích FI − I tiết diện I-I: d1=D−2t = 0,083−2.0,003 = 0,077 d2 = d1 −2S = 0,077− 2.0,009 = 0,059 3,14 (0, 077 − 0, 059 ) = 1,92.10 −3 ADCT: FI − I = (d12 − d 22 ) = 4 (m) (m) (m ) * Tính gia tốc lớn piston ADCT: J = R (cos + cos 2 ) Trong đó: - trơng số kết cấu, = R =93/288 =0,323 l -R bán kính quay trục khuỷu (mm), R = S = 46,5 - vận tốc góc piston (rad/s) xác định theo công thức 2 n 2.3,14.5300 = = = 555 60 60 20 (mm) (rad/s) ... thiết kế lý thuyết ơtơ giúp sinh viên hiểu rõ sâu sắc phận chi tiết ơtơ điều đảm bảo cho an toàn xe chuyển động, tiết kiệm nhiên liệu hay tính kinh tế vận hành dễ dàng Em xin cám ơn khoa động lực... xylanh đến môi chất làm mát Để tản nhiệt tốt cho Piston thường dùng kết cấu đầu Piston sau: Phần chuyển tiếp đỉnh đầu có bán kính R lớn Dùng gân tản nhiệt đỉnh Piston Tạo rãnh ngăn nhiệt đầu Piston... kiểu gân hợp lý để dễ thao tác đúc Piston c Thân piston Tác dụng thân Piston dẫn hướng cho Piston chuyển động tịnh tiến theo phương đường tâm xylanh chịu lực ngang N Khi thiết kế phần thân Piston