Nghiên cứu về kết cấu trục khuỷu thanh truyền nhóm Piston

Nghiên cứu về kết cấu trục khuỷu thanh truyền nhóm Piston

lời nói đầu

Trong sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế quốc dân , giao thông là một vấn đề hết sức quan trọng Trong đó giao thông đờng bộ giữ một tầm quan trọng

đặc biệt Với sự cơ động và việt dã cao hoạt động trong nhiều hoàn cảnh khác nhau , điều đó đã tạo cho ôtô trở thành một trong những phơng tiện chủ yếu để chuyên chở hành khách và hàng hoá

Ngoài ra ôtô còn là một tài sản lớn của các cơ quan xí nghiệp hay mỗi cá nhân , do vậy việc tìm hiểu cấu tạo cũng nh nguyên lý hoạt động , sửa chữa hay bảo dỡng đều rất cần thiết nhằm nâng cao thời gian sử dụng của xe ,đảm bảo tính năng hoạt động của nó

Thiết kế “Cấu tạo động cơ'' là một môn học hết sức thiết thực , nó không những trang bị kiến thức cho nghành nghề mà phát triển nó còn giúp cho nghành

động cơ nói chung và nghành ôtô riêng nớc ta phát triển Đó cũng là một trong những trang bị cần thiết cho công cuộc xây dựng đất nớc theo con đờng công nghiệp hoá , hiện đại hoá

Đề tài nghiên cứu “Kết cấu nhóm piston” là một đề tài chuyên sâu, nó chứa

đựng một lợng kiến thức cơ bản về động cơ giúp cho ngời học hiểu rõ cấu trúc và nguyên lý của máy

Nhiệm vụ, kết cấu chung của cơ cấu

trục khuỷu - thanh truyền.

1.1/ nhiệm vụ:

Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền biến đổi nhiệt năng ở hành trình cháy giãn nở sinhcông thành cơ năng thông qua chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quaycủa trục khuỷu Nhờ có cơ cấu biên tay quay mà các kỳ : hút , xả , nén đợc thực hiện.Mômen xoắn quay sinh ra ở trục khuỷu động cơ qua bánh đà và các hệ thống truyền lựccho các bánh xe chủ động

1.2.4 Thanh truyền:

Thanh truyền là chi tiết dùng để nối piston với trục khuỷu thông qua chốt nhằmbiến chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu.

Thanh truyền đợc chia làm ba phần chính là:

- Đầu nhỏ thanh truyền

- Thân thanh truyền

- Đầu to thanh truyền

Hình 1.1 : Thanh truyền.

1.2.4.1 Đầu nhỏ thanh truyền:

Kết cấu đầu nhỏ thanh truyền phụ thuộc vào chốt piston và phơng pháp lắp ghépchốt piston và đầu nhỏ thanh truyền

Khi chốt piston lắp tự do đầu nhỏ thanh truyền có hình trụ rỗng:

Hình 1.2 : Kết cấu đầu nhỏ thanh truyền khi chốt piston lắp tự do

ở động cơ cỡ lớn thờng dùng đầu nhỏ thanh truyền có dạng cung tròn đồng tâm(hình a ) , đôi khi dùng kiểu ovan để tăng độ cứng, vững của đầu nhỏ thanh truyền (hìnhb).Trong động cơ máy bay , động cơ xăng dùng trên ô tô đầu nhỏ thanh truyền có hình trụmỏng (hình c) Khi lắp chốt tự do, do có sự chuyển động tơng đối giữa chốt và đầu nhỏnên phải chú ý bôi trơn bề mặt masát ,thông thờng dầu bôi trơn đầu nhỏ với chốt đợc đalên bằng đờng dẫn dầu khoan dọc thân thanh truyền (hình a,b,d) ở động cơ hai kỳ đầunhỏ luôn chịu áp lực nén ,do đó dầu đa nên bôi trơn phải có áp suất cao và giữ đợc dầubôi trơn trên bạc lót, đầu nhỏ có các rãnh chéo để chứa dầu nhờn (hình d) Đầu thanhtruyền đợc bôi bằng cách vung té, để hấng đợc dầu bôi trơn, trên đầu nhỏ thanh truyềnngời ta có khoan các lỗ hấng dầu hoặc phay các rãnh

Hình 1.3 : Bố trí lỗ hứng dầu trên đầu nhỏ thanh truyền

ở một số động cơ hai kỳ cao tốc áp suất rất lớn và khó bôi trơn do đó ngời takhông dùng bạc lót mà ngời ta dùng ổ bi đũa

Hình 1.4 : Đầu nhỏ thanh truyền dùng ổ bi đũa

Đối động cơ làm mát đỉnh piston bằng dầu bôi trơn, trên đầu nhỏ thanh truyền phải

bố trí lỗ phun dầu ở động cơ cao tốc trên đầu nhỏ thanh truyền đôi khi làm lồi lên một

ít, vấu lồi này dùng để điều chỉnh trọng lợng và trọng tâm của thanh truyền

Chiều dày đầu nhỏ thanh truyền thờng chọn :

Đối với thanh truyền đợc gia công cơ khí mặt ngoài:

Khi lắp chốt piston cố định trên đầu nhỏ thanh truyền :

Hình 1.5 : Đầu nhỏ thanh truyền khi lắp cố định với chốt

Ưu điểm : Do sự mất cân bằng, do khối lợng đầu nhỏ phân bố không đối xứng ítgây ra ảnh hởng đến sức bền của đầu nhỏ thanh truyền

Nh ợc điểm : Đầu nhỏ thanh truyền không cân bằng khi chuyển động

Kết cấu kiểu này tuy làm tăng tác dụng định hớng của piston , tránh kẹt vớngpiston khi thanh truyền bị cong , bị xoắn hoặc chế tạo và gia công thiếu chính xác, nhnglàm cho kết cấu piston phức tạp, khó gia công đầu nhỏ thanh truyền

1.2.4.2 thân thanh truyền :

Dùng để nối đầu nhỏ với đầu to thanh truyền

Tiết diện ngang của thân thanh truyền :

Hình 1.6 : Tiết diện thân thanh truyền

Loại thân thanh truyền có tiết diện tròn (hình c,d) thờng dùng trong động cơ tĩnhtại và tầu thuỷ tốc độ thấp Loại thân có tiết diện hình chữ I(hình a,b) loại này đợc dùngrất nhiều trong động cơ ô tô-máy kéo và động cơ cao tốc ở một vài loại động cơ nhiềuhàng xilanh, đôi khi dùng loại thanh truyền có tiết diện hình chữ H (hình e) Loại thânthanh truyền có tiết diện hình chữ nhật và ovan (hình g,h) thờng dùng trong động cơ môtô, xuồng máy, động cơ cỡ nhỏ Loại này kết cấu đơn giản dễ chế tạo

Để tăng độ cứng vững và dễ khoan đờng dầu bôi trơn, thân thanh trruyền có gângia cố trên suốt chiều dài của thân (hình i), đờng kính lỗ dầu thông thờng bằng 48mm).mm)

Do công nghệ khoan lỗ khó khăn đối với những thanh truyền có thân dài nên có khi ngời

ta gắn đờng ống dẫn dầu bôi trơn ở phía bên ngoài thân

1.2.4.3 Đầu to thanh truyền :

Đầu to thanh truyền dùng để lắp ghép trục khuỷu với đầu to thanh truyền khi thiết

kế chế tạo cần đảm bảo các yêu cầu sau:

- Dễ lắp ghép cụm piston , thanh truyền với trục khuỷu

Thông thờng đầu to thanh truyền đợc cắt thành hai nửa Nửa trên làm liền với thânthanh truyền Nửa dới cắt rời ra làm thành nắp đầu to Hai nửa đầu to thanh truyền đợc lắpghép với nhau bằng bulông hay gujông, bạc lót cũng cắt làm hai nửa

Hình1 7 : Đầu to thanh truyền của động cơ ôtô - máy kéo và động cơ tĩnh tại

Đầu to thanh truyền có thể làm liền thành một khối lắp với trục khuỷu rời Đầu tothanh truyền cắt chia theo mặt cắt nghiêng (30600 ) so với tâm thanh truyền

Hình1 8: Đầu to thanh truyền cắt vát theo góc 450 và 00 và đầu to thanh truyền

dùng chốt côn

ở một số động cơ đầu to thanh truyền và thân có thể làm rời dùng gujông để lắpghép Dùng chốt côn để lắp ghép đầu to thanh truyền theo kiểu khớp bản lề , chốt có độcôn rất nhỏ

Rút ngắn khoảng cách giữa hai đờng tâm lỗ bulông thanh truyền bằng cách khoan

lỗ bulông gần vào tâm lỗ đầu to Có khoan lẹm vào cả bạc lót, lúc này bulông thanh tryền

1.2.5/ Bulông biên :

Bulông biên là một chi tiết nhỏ nhng rất quan trọng Khi bulông biên bị đứt , độngcơ sẽ bị h hỏng nặng có thể gây tai nạn lao động đối với ngời vận hành

Hình1 10 : Bulông thanh truyền

Bulông biên khác bulông thờng để tránh xoay đầu bulông ngời ta mài vát và đợchãm bằng đai ốc xẻ, phần ren có khoan lỗ để lắp chốt chẻ hoặc dùng long đen gập để hãm

đai ốc

Với điều kiện làm việc hết sức phức tạp, ngời ta thiết kế tính toán chế tạo sao chobulông biên chỉ chịu lực kéo, tránh lực cắt và lực uốn muốn vậy phải chú ý thực hiện cácbiện pháp:

- Gia công bề mặt tựa của bulông và đai ốc vuông góc với đờng tâm thanhtruyền khiến cho khi lắp ghép bulông và thanh truyền không bị uốn do bề mặt tiếp xúckhông bị kênh

- Hình dáng đầu bulông cố gắng làm đối xứng, mặt ren ốc phải đồng tâmvới đờng tâm bulông để phơng lực kéo bulông trùng với đờng tâm bulông để khi xiếtbulông không gây ra mômen uốn phụ

Tăng sức bền chống mỏi của bulông :

- ở những chỗ thay đổi đờng kính, kích thớc bulông cũng gần nh thay đổi ởphần nối tiếp thân bulông với đầu bulông, thân bulông với đoạn ren đều có góc lợn đểgiảm ứng suất tập trung

- Để tăng sức bến chống mỏi của bulông biên phần thân nối vớ ren thờnglàm thắt lại một ít

- Dùng loại đai ốc chịu kéo để giảm ứng suất trên các mối ren

- Tăng độ cứng ,vững đầu to thanh truyền và giảm lực tác dụng trên bulôngbiên

- Quy định lực xiết đai ốc bulông biên đúng mức cần thiết, khi xiết dùng cờ

lê chỉ lực để xiết

Tăng sức bền của bulông thanh truyền bằng cách :

- Mài bóng toàn bộ bulông biên

Bạc biên là hợp kim chịu mòn đúc tráng lên đầu to thanh truyền , có thể chia làmhai loại :

- Tráng trực tiếp hợp kim chịu mòn lên đầu to thanh truyền

- Tráng hợp kim chịu mòn lên bạc lót , có hai loại : Bạc lót dày là loại bạclót có chiều dày của gộp bạc từ 36mm, lớp hợp kim chịu mòn dày khoảng 1,5  3mm Bạc lót mỏng có chiều dày của gộp bạc từ 0,9 3mm, lớp hợp kim chịu mòn khoảng 0,4

 0,7 mm

Hình 1.11 : Bạc lót thanh truyền : 1- Lỡi gà định vị bạc lót mỏng ; 2- Rãnh vát

chứa dầu và chống biến dạng ; 3- Vai bạc lót

Đối với động cơ Jil - 130 dùng bạc hợp kim ba kim loại , chế tạo bằng thép lá , nó

có tráng một lớp hợp kim : Đồng - Niken, sau đó phủ thép và một lớp hợp kim ba bít Chì

- Thiếc

1.2.7 Trục khuỷu:

Trục khuỷu là một trong những chi tiết quan trọng nhất , c ờng độ làm việc lớnnhất và giá thànhcao nhất trong động cơ đốt trong

Trục khuỷu nhận lực tác dụng trên piston truyền qua thanh truyền và biến chuyển

động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục để đa công suất ra ngoài dẫn

động các máy công tác khác

Hình dạng và kết cấu trục khuỷu phụ thuộc số xilanh, cách bố trí xilanh,số kỳ của

động cơ và thứ tự làm việc của các xilanh

Kết cấu của trục khuỷu phải đảm bảo các yêu cầu sau :

- Đảm bảo đông cơ làm việc đồng đều , biên độ dao động mô men xoắn

t-ơng đối nhỏ

- Động cơ làm việc cân bằng , ít rung động

- ứng suất sinh ra do dao động nhỏ

- Công nghệ chế tạo đơn giản nên giá thành rẻ

liền với nhau thành một khối Loại trục này thờng dùng trong động cơ cỡ nhỏ và trungbình

b) Trục khuỷu ghép :

Hình 1.13 : Trục khuỷu ghép

Là loại trục chế tạo riêng từng bọ phận : cổ trục , chốt khuỷu , má khuỷu ghép lạivới nhau (c) hoặc làm cổ trục riêng rồi ghép với trục khuỷu (a) Trong động cơ cỡ lớn trụckhuỷu đợc chế tạo thành từng đoạn mỗi đoạn gồm vài khuỷu trục rồi nối với nhau bằngmặt bích (d) Mối ghép có thể dùng kiểu ghép chặt kiểu không cần then Khi lắp trục

khuỷu đợc đun nóng lên đến 200250 0 C, độ dôi thờng trong khoảng (

1

700 

1

900 )d

Hình dạng trục khuỷu còn phụ thuộc vào số cổ trục, có loại trục khuỷu đủ cổ trục,tức là cổ trục z nhiều hơn số khuỷu (z = i +1)

Có loại trục khuỷu thiếu cổ trục có độ cứng, vững kém vì vậy khi thiết kế cố gắngtăng kích thớc của cổ trục ; chốt khuỷu loại này so với cổ trục ít hơn số khuỷu

z =

i

2 + 1 Kết cấu trục khuỷu gồm cắc phần : Đầu trục khuỷu ; cổ trục khuỷu ; chốt khuỷu ;má khuỷu ; đối trọng và đuôi trục khuỷu

1.2.7.1 Đầu trục khuỷu :

Thờng dùng để lắp bánh răng dẫn động bơm nớc, bơm dầu nhờn, bơm cao áp, puly.Lắp đai ốc khởi động động cơ bằng tay quay Các bánh răng chủ động hay bánh đai dẫn

động lắp trên đầu trục theo kiểu lắp căng hoặc lắp trung gian và đều có then bán nguyệt.ởmột số động cơ ngoài các bộ phận thờng gặp trên ngời ta còn lắp bộ phận giảm dao

động xoắn

1.2.7.2 Cổ trục khuỷu:

Đợc đặt vào các ổ đỡ trên thân máy, cổ trục đợc gia công nhẵn bóng có độ chínhxác cao và đợc nhiệt luyện có độ cứng cao, khi lắp bao giờ cũng có ổ bi hoặc bạc lót

Động cơ 4 kỳ 3 xilanh số cổ trục là 4 Động cơ 4 kỳ 4 xilanh số cổ trục là 5

Trong 1 số động cơ đờng kính cổ trục làm lớn dần theo chiều từ đầu đến đuôi trục

để đảm bảo sức bền và khả năng chịu lực của cổ trục đợc đồng đều hơn tuy nhiên đờngkính cổ trục khác nhau sẽ gây nhiều phiền phức khi gia công cũng nh khi sửa chữa lắp rápnên ngày nay không dùng Khi tăng đờng kính kích thớc cổ trục sẽ ảnh hởng tới tần số dao

động xoắn của toàn hệ trục

1.2.7.3 Chốt khuỷu :

Đờng kính của chốt khuỷu có thể lấy bằng đờng kính cổ trục hoặc có thể lấy nhỏhơn đờng kính cổ trục một ít Chiều dài chốt khuỷu phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai

đờng tâm xilanh kề nhau và chiều dài cổ trục

- Nếu giảm chiều dài chốt khuỷu sẽ làm tăng áp lực trên bề mặt trốt khử do

đó làm xấu điều kiện bôi trơn

- Nếu tăng chiều dài chốt khuỷu lại làm giảm độ cứng vững của trục khuỷudẫn đến giảm tần số dao động từ trục và giảm số vòng quay cộng hởng

Để giảm trọng lợng chốt khuỷu ngời ta thờng làm rỗng cổ trục

Hình 1.14 : Chốt khuỷu rỗng và đờng dầu bôi trơn

Chốt khuỷu rỗng thờng có tác dụng chứa dầu bôi trơn bạc lót đầu to thanh truyền vàgiảm đợc khối lợng chuyển động quay của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền Lỗ rỗng có thể

bố trí đồng tâm hoặc lệchtâm so với trốt khuỷu Đờng dẫn dầu bôi trơn bề mặt chốt tuỳthuộc vào công nghệ gia công

Loại má khuỷu hình chữ nhật và tròn, kết cấu đơn giản, dễ chế tạo loại này phân bố

và lợi dụng vật liệu hợp lý để khỏi lãng phí vật liệu ta vát bớt các góc của má hình chữnhật để tạo dạng hình lăng trụ (hình a,c) Gọt tròn các góc để tạo thành dạng má có cáccung tròn tiếp tuyến, má hình ôvan (hình b,d) Má khuỷu dạng tròn (hình e,g)

u điểm : Có sức bền cao, có khả năng giảm chiều dày của má do đó có thể tăng chiềudài cổ trục và chốt khuỷu, để giảm mài mòn cho cổ trục và chốt khuỷu, má tròn dễ giacông

Đối trục khuỷu thiếu cổ, má khuỷu chung của hai chốt khuỷu của hai xilanh

kề nhau không gia công cơ khí và thờng có dạng phức tạp Khi thiết kế cần đảm bảo trọngtâm của má khuỷu nằm gần tâm quay của trục khuỷu hoặc trùng với tâm quay trục khuỷu

Hai má khuỷu lệch nhau 18mm).00 , phần nối tiếp chốt khuỷu và má khuỷu phải

có góc lợn

1.2.7.5 Đối trọng :

Đối trọng lắp trên trục khuỷu có hai tác dụng :

- Cân bằng các lực và mômen quán tính không cân bằng của động cơ chủyếu là lực quán tính ly tâm, cân bằng lực quán tính chuyển động tịnh tiến

- Giảm phụ tải cho cổ trục nhất là cổ trục giữa của động cơ 4 kỳ có: 4, 6, 8mm).xilanh vì ở những loại động cơ này tuy các lực quán tính và mômen lực quán tính đều tựcân bằng nhng các cổ trục giữa thờng phải chịu ứng suất rất lớn khi dùng đối trọng cáclực quán tính nói trên đợc cân bằng

Đối trọng dùng trong động cơ thờng có các dạng :

+ Đối trọng làm liền với má khuỷu + đối trọng làm riêng rồi hàn với má khuỷu loại này ít dùng dễ bịbiến dạng

+ Đối trọng làm riêng rồi lắp lên má khuỷu bằng bulông lắp ghéptheo kiểu hình a,b bulông chịu ứng suất kéo lớn có thể bị đứt khi tốc độ động cơ tăng độtngột , lắp ghép có thể giảm tải trọng do lực quán tính ly tâm tác dụng trên bulông

1.2.7.6 Đuôi trục khuỷu :

Đuôi trục khuỷu động cơ thờng lắp với các chi tiết máy của cơ cấu truyền đẫn côngsuất nh: bánh đà, khớp nối, bánh đai truyền Để dẫn động trục thu công suất đuôi trụckhuỷu thờng có mặt bích hoặc mặt côn để lắp bánh đà

Trong dộng cơ tĩnh tại và tàu thuỷ, đuôi trục khuỷu thờng làm thành dạng hình côn,

Hình 1.16 : Đuôi trục khuỷu có mặt bích để lắp bánh đà ; 1- Chốt định vị ;

1.2.7.7 Đối với động cơ ôtô Jil 130 :

Là động cơ 4 kỳ 8mm) xilanh bố trí hình chữ V đặt lệch nhau dới một góc 900, 1 cổ biênlắp 2 thanh truyền, cổ biên đợc mài theo một kích thớc nhất định ứng với kích thớc cổtrục, động cơ Jil 130 trục khuỷu đúc liền trong có khoan đờng dầu bôi trơn động cơ Jil

130 dùng bạc hợp kim 3 kim loại chế tạo bằng thép lá có tráng 1 lơp hợp kim Đồng Niken sau đó phủ thép và một lớp hợp kim ba bit Chì - Thiếc

-1.2.8 Bánh đà :

Thông thờng bành đà là một đĩa kim loại lớn đợc cân bằng chính xác, đảm bảo sựlàm việc đều đặn của động cơ, đa các piston rời khỏi các điểm chết Dùng để khởi độngmáy dễ dàng, đảm bảo ô tô rời chỗ êm nhẹ

Trên bánh đà loại động cơ đốt trong khởi động bằng động cơ điện (đề marơ) còn cóvành răng khởi động, vành răng này cố định trên bánh đà bằng cách ghép nóng có độ dôi.Bánh đà còn là nơi ghi các kí hiệu điểm chết trên, điểm chết dới, góc phun sớm(với

động cơ điezen) và góc đánh lửa sớm (động cơ xăng)

Bánh đà bắt vào mặt bích trục khuỷu bằng bulông Trên mặt bích của trục có bố trícác vít cấy không đối xứng để giữ sự cân bằng của trục với bánh đà

Bánh đà đợc chia làm ba loại chính :

- Bánh đà dạng đĩa: loại này đơn giản có dạng đĩa tròn có chiều dài đồng

đều , khi đúc tránh ứng suất bên trong

- Bánh đà dạng vành : loại này đảm bảo bánh đà có mômen lớn mà trọnglợng bánh đà nhỏ, khối lợng của vành bánh đà chiếm khoảng 8mm).0 ¿ 90% khối lợng bánh

đà Loại bánh đà này thờng lắp ghép với trục khuỷu bằng mặt côn , có then định vị , bánh

đà loại này có kích thớc lớn lên ngời ta thờng đúc làm hai nửa rồi dùng bulông ghép lại

- Bánh đà dạng chậu : loại bánh đà này có sức bền và mômên bánh đà lớn

và do phần đĩa có mặt masát rất dày lên tuổi thọ của bánh đà cũng lớn

chơng II Nhiệm vụ cụ thể, điều kiện làm việc, vật liệu chế

tạo, kết cấu của nhóm piston

Nhóm piston gồm có : piston ,chốt piston , xecmănghơi , xecmăngdầu và các chitiết hãm chốt piston

Trong động cơ tĩnh tại và tàu thuỷ ngoài những chi tiết máy trên ra ,còn cóthể có thêm cán piston , guốc trợt

2.1/ Piston :

2.1.1 Nhiệm vụ :

Trong quá trình làm việc của động cơ nhóm piston có các nhiệm vụ :

- Bảo đảm bao kín buồng cháy , giữ cho khí trong buồng cháy không lọtxuống catte và ngăn không cho dầu nhờn từ hộp trục khuỷu sục lên buồng cháy

- Tiếp nhận lực khí thể và truyền lực ấy cho thanh truyền (trong quá trìnhcháy giãn nở) để làm quay trục khuỷu , nén khí trong quá trình nén , đẩy khí thải ra khỏixilanh trong quá trình thải khí cháy và hút khí nạp mới vào buồng cháy trong quá trìnhnạp

- Trong động cơ xăng 2 kỳ , nhóm piston đóng vai trò nh một van trợt , làmnhiệm vụ phối khí ( đóng , mở, lỗ nạp, lỗ quét và lỗ thải )

2.1.2 Điều kiện làm việc:

Piston làm việc trong điều kiện hết sức phức tạp , chịu tải trọng lớn , nhiệt độ cao

và ứng cao ,va đập mạnh , chịu lực quán tính đặc biệt chịu tải trọng cơ học , tải trọngnhiệt và ma sát ăn mòn hoá học

2.1.2.1 Tải trọng cơ học:

Trong quá trình cháy, khí hỗn hợp cháy sinh ra áp suất lớn trong buồng cháy.Trong chu trình công tác của động cơ áp suất khí thể tác dụng lên đỉnh piston thay đổi rấtnhiều vì vậy lực khí thể có tính va đập lớn trong động cơ cao tốc do số vòng quay rất caolên lực quán tính tác dụng lên đỉnh piston cũng rất lớn Lực tác dụng trên đỉnh piston lớngây lên ứng suất lớn làm biến dạng piston và đôi khi làm h hỏng piston

2.1.2.2 Tải trọng nhiệt:

Trong quá trình cháy piston trực tiếp tiếp xúc với vật cháy, có nhiệt độ cao 2300

¿ 28mm).00 0 K Nên nhiệt độ của piston nhất là đỉnh piston cũng rất cao ( khoảng 500 ¿

8mm).00 0 K ), nhiệt độ của piston cao thờng gây các tác hại :

- Gây ứng suất nhiệt lớn, có thể làm rạn nứt piston

- Gây biến dạng lớn, có thể làm cho piston bị bó hẹp trong xylanh và tăngmasát giữa piston và xylanh

- Làm giảm sức bền của piston

- Làm giảm hệ số nạp, ảnh hởng đến công suất động cơ

- Làm dầu nhờn chóng bị phân huỷ

- Đối với động cơ xăng nhiệt độ piston cao quá dễ gây hiện tợng kích nổ

2.1.2.3 Ma sát và ăn mòn hoá học:

Trong quá trình làm việc của piston chịu masát khá lớn do thiếu dầu bôi trơn và dolực ngang ép piston vào xylanh Hơn nữa do lực khí thể, lực quán tính và nhiệt độ cao làmpiston biến dạng nên ma sát càng tăng, do piston luôn luôn tiếp xúc với sản phẩm cháynên còn bị sản phẩm cháy ăn mòn

Do điều kiện làm việc của piston nh vậy nên khi thiết kế piston cần đảm bảo:

- Dạng đỉnh piston tạo thành buồng cháy tốt nhất

- Tản nhiệt tốt để tránh kích nổ và giảm ứng suất nhiệt

- Gang hợp kim

- Gang dẻo

- Gang grafít

a) Gang hợp kim ( gang xám ): thờng dùng gang xám có mã hiệu:

C4 24- 44; C4 24-48mm).; C4 32-52, có tổ chức péclít, gang xám là loại vật liệu khá tốt cónhiều u điểm thoả mãn hầu hết các yêu cầu trên:

- Gang có sức bền cơ học khá cao, giới hạn bền chống kéo của gang xám có thể

đạt tới 320 mm/m2 , giới hạn bền chống uốn có thể đạt tới 520 mm/m2 .

- Gang xám có u điểm ở nhiệt độ cao và sức bền không giảm nhiều lắm, theo

thí nghiệm thì tăng nhiệt độ tới 28mm).8mm) 0 K → 623 0 K, sức bền của gang chỉ giảmkhoảng 18mm).%

ở động cơ cao tốc và cờng hoá không dùng piston ngang:

Gang xám thờng dùng có thành phần hoá học sau:

3,2 ¿ 3,65% C ; 2,1 ¿ 2,4% Si ; 0,46 ¿ 0,6%Mn ; 0,07 ¿ 0,1% Cr ; 0,15 ¿

0,55% Ni ; 0,13 ¿ 0,3% P ; không vợt quá 0,15%S ; Độ cứng bề mặt HB = 15g ¿ 22g

Để đúc dễ dàng nhiệt độ rót khuôn phải đảm bảo cao hơn 1573 0 K

b) Gang dẻo (gang rèn ):

Loại gang này có sức bền cao hơn gang xám Dùng để chế tạo piston của các độngcơ 2 kỳ Gang dẻo thờng dùng có thành phần hoá học:

2,3 ¿ 2,6% C ; 1,15 ¿ 1,45% Si ; 0,5% Mn ; 0,07% Cr ; S ít hơn 0,12% S ; ít hơn0,18mm).% P Độ cứng bề mặt 197 ¿ 241

c) Gang grafit cầu:

Loại gang có sức bền cao Chịu nhiệt độ cao và chịu mòn tốt Tính công nghệ giacông và công nghệ đúc kém Chỉ đợc dùng để đúc phần đỉnh của piston dùng trong độngcơ tốc độ thấp.

2/ Thép:

Trong đại chiến thế giới lần thứ hai, một số nớc nh Mỹ (hãng Ford) và Đức (hãngJunkep) đã dùng thép để chế tạo piston

Thép có độ bền cao nên có thể làm khá mỏng Chiều dày đỉnh piston thép có loại 2

¿ 3mm Chiều dày của thân có loại chỉ dày 0,9 ¿ 1mm Vì vậy piston bằng thépkhông nặng lắm Đôi khi còn nhẹ hơn piston nhôm Thép chịu mòn tốt Thép dẫn nhiệtkém dẫn đến nhiệt độ đỉnh piston cao dễ gây kích nổ ở động cơ xăng Khó đúc dẫn đến giáthành chế tạo đắt

Thành phần hoá học các loại thép dùng để chế tạo piston :

a) Hợp kim manhêzi:

Trọng lợng riêng nhỏ γ =17 ¿ 18mm).,5

N

dm 3 thành phàn chủ yếu là 95%Mg ;3%Zn còn lại là các kim loại khác và tạp chất

m2 do đó phải làm piston khá dày

- Hợp kim Manhêzi đắt mà khi đúc bị ôxi hoá rất dữ dội dẫn đến vật liệu đúc

có tổ chức không đồng đều

- Hệ số dẫn nhiệt λ =126 ¿ 175 w m độ (0,3 ¿ 0,42 col cm s do ).

- Ưu điểm :nhiệt độ dẫn nhiệt đỉnh piston thấp nên khó xảy hiện t ợng kích

nổ (động cơ xăng )

- Nhiệt độ piston thấp còn có lợi là khó kết muội trong buồng cháy

- Hệ số truyền nhiệt từ khí cháy đến piston của hợp kim nhôm cũng nhỏ hơncủa gang khoảng 30% nên cũng làm cho nhiệt độ piston nhôm thấp hơn piston gang

- Trạng thái nhiệt độ của hai loại piston gang và nhôm của động cơ xăng

Hình 2.1 : Trạng thái nhiệt độ của piston ; 1- Piston gang ; 2- Piston nhôm

- Nhiệt độ cao nhất đỉnh piston nhôm thay đổi trong khoảng 48mm).3 ¿ 523 0 k, gang

673 ¿ 703 0 k

- Khi thay piston bằng piston nhôm và giữ nguyên các thông số thì côngsuất của động cơ có thể tăng lên khoảng 5 ¿ 6% và suất tiêu hao nhiên liệu có thể giảm8mm) ¿ 10%

Tổn thất ma sát giữa xylanh và piston nhôm ít vì hệ số ma sát của nhôm với gangnhỏ Tính công nghệ hợp kim nhôm tốt :dễ đúc , dễ gia công

Nh ợc điểm :

- Hệ số dãn dài α lớn : nhân =17 ¿ 25.10 −6 Vì vậy khi thiết kế khe

hở giữa piston và xilanh lớn khi khởi động dễ lọt khí và máy có tiếng gõ

- ở nhiệt độ cao sức bèn giảm sút quá nhiều

- Hợp kim nhôm chịu mòn kém hơn gang và thép

- Hợp kim nhôm đắt tiền

Để nâng cao tính chịu mòn của piston chế tạo bằng hợp kim nhôm Cần nhiệtluyện piston để đạt độ cứng HB = 120 ¿ 140

Piston nhôm đợc chế tạo theo phơng pháp rèn, dập bằng loại nhôm rèn

Xử lí oxi hoá bằng cực dơng dòng điện, ngâm piston trong dung dịch 3% ôxit

- Hợp kim nhôm – Silíc sau cùng tinh

Sau khi đúc xong cần ủ lại nhiệt độ 438mm).448mm) 0 K, thời gian 1418mm) h ; HB =

90 120

2.1.4 Kết cấu của piston :

Piston là một hình trụ rỗng , một đầu kín bên trong có các gân tăng c ờng độ cứng ,piston gồm 3phần chính

Hình 2.2 : Piston ;

1- Đỉnh ; 2- Đầu ; 3- Thân ; 4- Rãnh lắp xecmăng khí ; 5- Rãnh lắp xecmăng dầu

; 6- Bệ chốt piston ; 7- Chân piston ; 8mm).- Vùng đai xecmăng

Đỉnh piston : là phần trên cùng của piston trong có các gân chịu lực và tản nhiệtcùng với xilanh và lắp máy tạo thành buồng đốt

Đầu piston : tính từ rãnh xecmăng ở trên lỗ chốt đến đỉnh piston, đầu piston có cácrãnh lắp xecmăng hơi và xecmăng dầu

Thân piston: Tính từ xecmăng cuối cùng bên trên lỗ chốt phần thân dùng dẫn h ớng chuyển động của piston

-2.1.4.1 Đỉnh piston :

Đỉnh piston có rất nhiều dạng

Hình 2.3 : Các dạng đỉnh piston của động cơ xăng và động cơ điêzen

Đỉnh bằng (a) là loại phổ biến nhất có diện tích chịu nhiệt bé nhất , kết cấu đơngiản , dễ chế tạo , thờng đợc dùng ở động cơ xăng và điezen có buồng cháy dự bị và xoáylốc

Đỉnh lồi (b,e) có độ cứng vững cao loại này có thể không cần bố trí các đờng gânchịu lc ở dới đỉnh piston do đó trọng lợng của piston có thể giảm, loại này ít kết muộithan nhng bề mặt chịu nhiệt lớn dấn đến ảnh hởng xấu quá trình làm việc của piston, dùng

động cơ xăng có buồng cháy chỏm cầu dùng xúppáp treo

Đỉnh lõm(c): thờng dùng động cơ xăng có buồng cháy chỏm cầu và động cơ

điezen có buồng cháy dự bị và xoáy lốc, phần lõm có thể toàn bộ đỉnh piston hoặc chỉ lõmxuốngở một vùng của đỉnh Chỏm cầu lõm có thể đồng tâm hoặc lệch tâm.loại đỉnh lõmnày có tiết diện chịu nhiệt lớn hơn đỉnh bằng nhng có u điểm tạo ra xoáy lốc trong quátrìng nén và quá trình cháy

Đỉnh lồi (d): chỉ dùng cho động cơ xăng hai kỳ cỡ nhỏ, phối khí bằng lỗ quét và lỗthải Phần lồi lên lắp sát về bên phía lỗ quét để dẫn hớng dòng khí quét đi vào xilanh

Đỉnh lõm (g,h,i,k,l): thờng dùng trong động cơ điezen bốn kỳ và hai kỳ có buồngcháy thống nhất, các loại buồng cháy này tạo ra xoáy lốc mạnh trong quá trình nén đểhình thành khí hỗn hợp đợc tốt Vòi phun của các loại động cơ này đặt trên nắp máy hớngvào phía giữa đỉnh piston để có thể phun trực tiếp nhiên liệu vào buồng cháy trên đỉnhpiston, nhợc điểm: diện tích chịu nhiệt lớn, trọng lợng phần đầu piston nặng, khó giảiquuyết vần đề ứng suất nhiệt của xéc măng

Khi thiết kế đỉnh piston cần chú ý, đảm bảo các nguyên tắc:

- Đỉnh phái có hình dạng thích hợp để tạo thành hỗn hợp tốt, gây xoáy lốcmạnh, phù hợp với chùm tia phun, phù hợp yêu cầu quá trình cháy để đa lại chỉ tiêu kinh

tế cao

- Đỉnh cần có tỉ số F/V nhỏ để giảm ứng suất nhiệt cho piston đồng thờităng hệ số nạp, tránh kích nổ

khí cháy truyền cho nó Qua phần đai xecmăng-xecmăng-xilanh rồi đến nớc làm máthoặc không khí làm mát động cơ

Sơ đồ dòng nhiệt truyền trong piston

Khi thiết kế piston cần đảm bảo tốt 3 vấn đề :

l-Ngoài các phơng pháp làm mát : phun dầu phái dới piston , dẫn nớc làm mát vào

đỉnh piston thì phần lớn nhiệt lợng piston nhận đợc truyền qua xec măng ra xilanh rồi đếnnớc làm mát động cơ , một phần nhiệt truyền cho khí nạp mới Do vậy để tản nhiệt tốt ,cóthể dùng các phơng án sau :

- Thiết kế đỉnh piston tơng đối dày, gọc lợn giữa phần đỉnh và đai xecmăngtơng đối lớn , đai xecmăng lợn tơng đối dày để dẫn nhiệt xuống thân tơng đối thuận lợi.Kết cấu đỉnh piston có góc lợn lớn, đảm bảo tản nhiệt tốt vì vậy nhiệt độ phần đỉnh piston

hợp kim nhẹ giảm xuống khá thấp (473 0 K )

- Thiết kế đỉnh mỏng nhng có gân tản nhiệt ở phía dới đỉnh để tăng diệntích tiếp xúc với không khí làm cho nhiệt lợng truyền cho không khí phía dới piston đợcnhiều hơn Gân tản nhiệt đồng thời là gân chịu lực làm tăng độ cứng vững ở phần đỉnh và

đầu piston

- Trong động cơ tĩnh tại cỡ lớn th ờng dùng cách đa dầu nhờn vào phái dới

đỉnh piston để làm mát đỉnh , hiệu quả tốt nhng kết cấu phức tạp

Để giảm nhiệt lợng truyền xuống phần đầu piston ngời ta giảm các bán kính góc

l-ợn và chiều dày phần nối tiếp đỉnh với đầu piston

Hình 2.7 : Đỉnh piston làm mát bằng cách phun dầu nhờn

Tránh đỉnh khỏi bị nóng quá ngời ta tổ chức phun dầu nhờn từ đầu nhỏ lên các gântản nhiệt