tính toán thiết kế động cơ đốt trong (dm4-0112)

tính toán thiết kế động cơ đốt trong (dm4-0112)

1 VẼ ĐỒ THỊ.

1.1 VẼ ĐỒ THỊ CÔNG

1.1.1 Các số liệu chọn trước trong quá trình tính toán.

Bảng 1.1: Bảng thông số chọn của động cơ:

Chỉ số giản nở đa biến

trong quá trinh thải

1.1.2 Xây dựng đường cong nén.

Phương trình đường nén: p.Vn1 = cosnt => pc.Vcn1 = pnx.Vnxn1

i là tỉ số nén tức thời

p c = p a ε n1 =0.1472.17,91.32=6,43(MN/m2)

1.1.3 Xây dựng đường cong giãn nở.

Phương trình đường giãn nở: p.Vn2 = cosnt => pz.Vcn2 = pgnx.Vgnxn2

Rút ra ta có:

p gnx = p z.( V z

V gnx)n2

1.1.5 Bảng xác định tọa độ các điểm trung gian

Bảng 1.2 : Bảng giá trị đồ thị công của động cơ 

2 XÁC ĐỊNH CÁC ĐIỂM ĐẶC BIỆT VÀ HIỆU CHỈNH ĐỒ THỊ CÔNG

* Điểm r(Vc,Pr) Vc-thể tích buồng cháy Vc=0,03 [l]

Pr-áp suất khí sót, phụ thuộc vào tốc độ động cơ

Tốc độ trung bình của piston:

+ Từ câc số liệu đê cho ta xâc định được câc tọa độ điểm trín hệ trục tọa độ Nối câc tọa

độ điểm bằng câc đường cong thích hợp được đường cong nĩn vă đường cong giên nở.+ Vẽ đường biểu diễn quâ trình nạp vă quâ trình thải bằng hai đường thẳng song song vớitrục hoănh đi qua hai điểm Pa vă Pr Ta có được đồ thị công lý thuyết

Góc mở sớm xupap nạp (r’):α1=7∘

; Góc đóng muộn xupap nạp(a’):α2=12∘

; Gócmở sớm xupap thải (b’):α3=53∘

;Góc đóng muộnxupap thải (r’’) :α4=10∘

; Góc phun sớm (c’):ϕp=7∘

Hiệu chỉnh đồ thị công :

Động cơ Diesel lấy âp suất cực đại bằng pz

ĐỒ THỊ BRICK

1

2 ' r

1

3 ' 6 5

1 '

C

C

C' '

µ v = 0.052[lit/mm]

ĐỒ THỊ CÔNG

µ p = 0.03[MN/m

2 m

D 4

b '' a ' 1 B

1 5

Xâc định câc điểm trung gian:

- Trín đoạn cy lấy điểm c’’ với c’’c = 1/3 cy

- Trín đoạn yz lấy điểm z’’ với yz’’ = 1/2 yz

- Trín đoạn ba lấy điểm b’’ với bb’’ = 1/2 ba

Nếu câc điểm c’c’’z’’ vă đường giản nỡ thănh đường cong liín tục tại ĐCT vă ĐCD vătiếp xúc với đường thải, ta sẽ nhận được đồ thị công đê hiệu chỉnh

Sau khi hiệu chỉnh ta nối câc điểm lại thì được đồ thị công thực tế

B'S

O - Giao điểm của đường tâm xi lanh và

đường tâm trục khuỷu

C - Giao điểm của đường tâm thanh truyền và

đường tâm chốt khuỷu

B' - Giao điểm của đường tâm xy lanh và đường

tâm chốt piston

A - Vị trí chốt piston khi piston ở ĐCT

B - Vị trí chốt piston khi piston ở ĐCD

R - Bán kính quay của trục khuỷu (m)

l - Chiều dài của thanh truyền (m)

S - Hành trình của piston (m)

x - Độ dịch chuyển của piston tính từ ĐCT ứng

với góc quay trục khuỷu (m)

- Góc lắc của thanh truyền ứng với góc (độ)

1.2 ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CƠ CẤU TRỤC KHUỶU THANH TRUYỀN

Động cơ đốt trong kiểu piston thường có vận tốc lớn ,nên việc nghiên cứu tính toán độnghọc và động lực học của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền là cần thiết để tìm quy luật vậnđộng của chúng và để xác định lực quán tính tác dụng lên các chi tiết trong cơ cấu trụckhuỷu thanh truyền nhằm mục đích tính toán cân bằng ,tính toán bền của các chi tiết vàtính toán hao mòn động cơ

Trong động cơ đốt trong kiểu piston cơ cấu trục khuỷu thanh truyền có 2 loại loại giao tâm

và loại lệch tâm

Ta xét trường hợp cơ cấu trục khuỷu thanh truyền giao tâm

1.2.1 Động học của cơ cấu giao tâm :

Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền giao tâm là cơ cấu mà đường tâm xilanh trực giao vớiđường tâm trục khuỷu tại 1 điểm (hình vẽ)

Hình 1- 2:Sơ đồ cơ cấu KTTT giao tâm

1.2.1.1 Xác định độ dịch chuyển (x) của piston bằng phương pháp đồ thị Brick

-Theo phương pháp giải tích chuyển dịch x của piston được tính theo công thức :

x≈R.[(1−cosα )+ λ4(1−cos2α)]

-Các bước tiến hành vẽ như sau:

+ Từ tâm O’ của đồ thị brick kẻ các tia ứng với 100 ; 200…1800 Đồng thời đánh số thứ tự

từ trái qua phải 0;1,2…18

+ Chọn hệ trục tọa độ với trục tung biểu diễn góc quay trục khuỷu, trục hoành biểu diễnkhoảng dịch chuyển của piston

+ Gióng các điểm ứng với 100 ; 200…1800 đã chia trên cung tròn đồ thị brick xuống cắtcác đường kẻ từ điểm 100 ; 200…1800 tương ứng ở trục tung của đồ thị x=f(α) để xác địnhchuyển vị tương ứng

+ Nối các giao điểm ta có đồ thị biểu diễn hành trình của piston x = f(α)

1.2.1.2 Đồ thị biểu diễn tốc độ của piston v=f(α).

* Vẽ đường biểu diễn tốc độ theo phương pháp đồ thị vòng

+ Chia vòng tròn tâm O bán kính R2thành 18 phần bằng nhau và đánh số thứ tự 0’; 1’; 2’…18’ theo chiều ngược lại.

+ Từ các điểm 0;1;2…kẻ các đường thẳng góc với AB cắt các đường song song với AB

kẻ từ các điểm 0’;1’;2’…tương ứng tạo thành các giao điểm Nối các giao điểm này lại ta

có đường cong giới hạn vận tốc của piston Khoảng cách từ đường cong này đến nửađường tròn biểu diễn trị số tốc độ của piston ứng với các góc

2 ''

3 ''

4 '' 5'' 6'' 7

'' 1'

2 '

3 '

4 ' 5 ' 6' 7 ' 8 '9 ' 1

2 3 4 5 6 7

0

1 1

1 2

1 3

1 4

1 5

1 6

1 7

1 8

1 ''

18 0

16 0

14 0

12 0

10 0

8 0

6 0

4 0

2 0 0

16 '' 17 ''

0 11 12 13 14 161718

V( S

1 5

Từ các điểm 00, 100, 200, ,1800 trên đồ thị Brick ta gióng xuống các đường cắt đường

Ox tại các diểm 0, 1, 2, ,18 Từ các điểm này ta đặt các đoạn tương ứng từ đồ thị vận tốc,nối các điểm của đầu còn lại của các đoạn ta có đường biểu diễn v = f(x)

1.2.1.2 Đồ thị biểu diễn gia tốcj=f ( x)

Để vẽ đường biểu diễn gia tốc của piston ta sử dụng phương pháp Tole

+ Chọn hệ trục tọa độ với trục Ox là trục hoành, trục tung là trục biểu diễn giá trị gia tốc

+ Chọn tỉ lệ xích:μ j=

Jmax

+ Trên trục Ox lấy đoạn AB = S=2R= 91,5 mm

Giá trị biểu diễn: AB=

μ j =6854781,9 159773 ,11 =42,9(mm) Nối C với D Đường thẳng CD cắt trục

hoành Ox tại E Từ E lấy xuống dưới một đoạn

EF=

6494003,8

159773,11 =40,65(mm) Nối CF và FD, đẳng phân định hướng CF thành 8 phần bằng

nhau và đánh số thứ tự 0;1;2…đẳng phân định FD thành 8 phần bằng nhau và đánh số thứ

tự 0’;1’;2’…vẽ các đường bao trong tiếp tuyến 11’;22’;33’…Ta có đường cong biểu diễnquan hệ j=f ( x).

E 4'

3' 2'

1' C

Trong đó: m’ - Khối lượng chuyển động tịnh tiến (kg).

mpt = 0,8(kg) - Khối lượng nhóm piston

m1-Khối lượng thanh truyền qui về tâm chốt piston (kg)

Theo công thức kinh nghiệm:

a) Khai triển đồ thị công trên tọa độ p-V thành p=f(α)

Để biểu diễn áp suất khí thể pkt theo góc quay của trục khuỷu α ta tiến hành như sau: + Vẽ hệ trục tọa độ p - α Trục hoành đặt ngang với đường biểu diễnp0 trên đồ thị công.

+ Chọn tỉ lệ xích: μ α=2(độ/mm).

μ p =0,052(MN /m2.mm).

+ Dùng đồ thị Brick để khai triển đồ thị p-v thành p-α

+ Từ các điểm chia trên đồ thị Brick, dựng các đường song song với trục Op cắt đồ thịcông tại các điểm trên các đường biểu diễn quá trình: nạp, nén, cháy - giãn nở, xả

+ Qua các giao điểm này ta kẻ các đường song song với trục hoành gióng sang hệ toạ độp-α Từ các điểm chia tương ứng 00, 100, 200,… trên trục hoành của đồ thị p-α ta kẻ cácđường thẳng đứng cắt các đường trên tại các điểm ứng với các góc chia trên đồ thị Brick

và phù hợp với các quá trình làm việc của động cơ Nối các điểm lại bằng đường congthích hợp ta được đồ thị khai triển p-α

b) Khai triển đồ thị p J =f (x) thành p J =f (α).

Đồ thị − p J =f (x) biểu diễn đồ thị công có ý nghĩa kiểm tra tính năng tốc độ của độngcơ

Khai triển đường p J =f (x)thành p J =f (α) cũng thông qua đồ thị brick để chuyển tọa

độ Việc khai triển đồ thị tương tự khai triển P-V thành P=f(α) Nhưng lưu ý ở tọa độ p-αphải đặt đúng trị số dương của pj

1.2.2.3 Vẽ đồ thị biểu diễn lực tiếp tuyến T =f ( α), lực pháp tuyến Z=f (α ) và lực

Z=P1.cos

(α+β)cos(β) N=P1.tg(β)

β được xác định theo quan hệ:

Sinβ = Sinα

¿ > ¿ β = arcsin(sinα)

Quá trình vẽ các đường này được thực hiên theo các bước sau:

+ Việc vẽ đồ thị biểu diễn lực tiếp tuyến T =f ( α), lực pháp tuyến Z=f (α ) và lực ngang N=f (α )

Trên hệ tọa độ T-α, Z-α, N-α, ta xác định các trị số T, Z, N ở các góc độ α = 00, α =100, α = 200,…, α =720

số của T, Z, N như đã lập ở bảng 1-2 được tính theo công thức đã chứng minh ở trên,ta sẽ có được các điểm 0,

1, 2,…,72.Dùng đường cong nối các điểm ấy lại,ta có đồ thị lực T, Z, N cần xây dựng

1.2.2.4 Vẽ đồ thị biểu diễn momen tổng T:

Thứ tự làm việc của động cơ: 1-3-4-2

- Góc công tác: δ ct =180.τ i =180.44 =1800

Ta tính T trong 1 chu kỳ góc công tác: δ ct =180.τ

i =180.44 =1800+ Khi trục khuỷu của xylanh thứ nhất nằm ở vị trí α1=00.

thì trục khuỷu của xylanh thứ hai nằm ở vị trí α2=1800.

trục khuỷu của xylanh thứ ba nằm ở vị trí α3=5400.

trục khuỷu của xylanh thứ tư nằm ở vị trí α4=3600.

2.2.6 Đồ thị véc tơ phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu :

- Đồ thị véc tơ phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu dùng để xác định lực tác dụng lên chốt khuỷu ở mỗi vị trí củatrục khuỷu Từ đồ thị này ta có thể tìm trị số trung bình của phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu cũng như có thể dễdàng tìm được lực lớn nhất và lực bé nhất Dùng đồ thị phụ tải ta có thể xác định khu vực chịu lực ít nhất để xácđịnh vị trí khoan lỗ dầu bôi trơn và để xác định phụ tải khi tính sức bền ở trục

- Khi vẽ đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu có thể chưa cần xét đến lực quán tính chuyển động quay củakhối lượng thanh truyền m quy về tâm chốt khuỷu vì phương và trị số của lực quán tính này không đổi sau khi

vẽ xong ta xét.

- Vẽ hệ toạ độ T - Z gốc toạ độ 0' trục 0’Z có chiều dương hướng xuống dưới.

- Chọn tỉ lệ xích : μ T =μ Z =μ P =0 ,052( MN /m2.mm )

- Đặt giá trị của các cặp (T.Z) theo các góc  tương ứng lên hệ trục toạ độ T - Z Ứng với mỗi cặp giá trị (T.Z)

ta có một điểm đánh dấu các điểm từ 0,1,2, →72 ứng với các góc  từ 0∘→720∘nối các điểm lại ta có đường

cong biểu diễn véctơ phụ tải tác dung lên chốt khuỷu

- Dịch chuyển gốc toạ độ Trên trục 0’Z (theo chiều dương) ta lấy điểm 0 với 00 '=P R o (lực quán tính ly tâm)

- Từ tâm O vẽ vòng tròn tượng trưng chốt khuỷu

+ Xác định giá trị, phương chiều và điểm đặt lực

Giá trị của lực là độ dài véctơ tính từ gốc 0 đến vị trí bất kì mà ta cần

Chiều của lực hướng từ tâm 0 ra ngoài

Điểm đặt của lực là giao của phương kéo dài về phía 0 của véctơ lực và đường tròn tượng trưng cho chốtkhuỷu

⃗

Qα=⃗ PRo+⃗ Tα+⃗ Zα=⃗ 00' +⃗ 0' α=⃗ 0α.

2.2.7.Khai triển đồ thị phụ tải trong hệ toạ độ cực thành đồ thị Q - :

- Khai triển đồ thị phụ tải ở toạ độ độc cực trên thành đồ thị Q -α rồi tính phụ tải trung bình Q tb.

- Vẽ hệ trục Q -α Chọn tỉ lệ xích μ Q =0,052(MN /m2.mm).

μ α=2(o /mm ).

- Trên các điểm chia của trục 0 -α ta lần lượt đặt các véctơ ⃗ Ptttương ứng với các góc  từ 0∘,10∘,20∘, ,720∘

Với ⃗ Ptt=⃗T+⃗Z và trị số của ⃗ Ptt được lấy ở đồ thị véctơ phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu Nối các đầu nút

véctơ lại ta sẽ có đường cong biểu diển đồ thị khai triển Q=f (α ).

- Để tính Qmax,Qmin và Q tb Xác định trị số đơn vị phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu:

Qmax,Qmin và Q tb là phụ tải cực đại, cực tiểu và trung bình được xác định trên đồ thị Q -α đơn vị là MN /m2

0 100 200 300 400 500 600 700 800

0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00

2.2.8.Đồ thị phụ tải tác dụng lên đầu to thanh truyền:

Dựa trên nguyên lý lực và phản lực tác dụng tại một điểm bất kỳ trên chốt khuỷu và đầu to thanh truyền và xétđến sự chuyển động tương đối giữa chúng ta có thể xây dựng được đồ thị phụ tải tác dụng lên trục khuỷu Saukhi vẽ được đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu ta căn cứ vào đó để vẽ đồ thị phụ tải của ổ trượt ở đầu tothanh truyền

Cách vẽ như sau :

- Chiều của lực tác dụng lên chốt khuỷu ngược chiều với lực tác dụng lên đầu to thanh truyền nhưng trị số củachúng bằng nhau

Vẽ dạng đầu to thanh truyền lên một tờ giấy bóng, tâm của đầu to thanh truyền là O

Vẽ một vòng tròn bất kỳ, tâm O Giao điểm của đường tâm phần thân thanh truyền với vòng tâm O là điểm

đồ thị phụ tải chốt khuỷu hiện trên tờ giấy bóng bằng các điểm 0, 1, 2, 3, , 72

Nối lần lượt các điểm vừa đánh dấu trên tờ giấy bóng theo đúng thứ tự ta được đồ thị phụ tải tác dụng lên đầu tothanh truyền

- Xác định giá trị phương chiều và điểm đặt lực :

+ Giá trị là độ dài của véctơ tính từ tâm O đến bất kỳ vị trí nào ta cần xác định trên đồ thị

+ Chiều của lực từ tâm O đi ra

+ Điểm đặt là giao điểm của véctơ và vòng tròn tượng trưng cho đầu to thanh truyền

ĐỒ THỊ LỰC TÁC DỤNG LÍN ĐẦU TO THANH TRUYỀN  T =  Z = 0.052 [ MN/

m

2 m m]

40 0 44 0 10 0

45 0 11 0

46 0 12 0 47 0 13 0 48 0 39 0 14 0

50 0 49 0 51 0 52 0 53 0 36 0 54 0 55 0 19

0 20 0 56 0 21 0 57 0 23 0 59 0 60 0 24 0 61 0 25 0 26 0 62 0

27 0 63 0

64

0

65 0 30 0 66 0 31 0 32 0 33 0

67 0

68 0

69 0

70 0 71 0

34 0

35 0

17 0 16 0

38 0

37 0

2 7

4 5

3

3 3 3 3

2 1 3

2 2 1 1 1 1 1

O 1

2

2 1

2

15 0 22 0 58 0

29 0

2.2.9 Đồ thị măi mòn chốt khuỷu:

Đồ thị măi mòn của chốt khuỷu ( hoặc cổ trục khuỷu ) thể hiện trạng thâi chịu tải của câc điểm trín bề mặttrục Đồ thị năy cũng thể hiện trạng thâi hao mòn lý thuyết của trục, đồng thời chỉ rõ khu vực chịu tải ít đểkhoan lỗ dđ̀u theo đúng nguyín tắc đảm bảo đưa dđ̀u nhờn văo ổ trượt ở vị trí có khe hở giữa trục vă bạc lót của

ổ lớn nhất Ap suất bĩ lăm cho dđ̀u nhờn lưu động dễ dăng

Sở dĩ gọi lă măi mòn lý thuyết vì khi vẽ ta dùng câc giả thuyết sau đđy :

+ Phụ tải tâc dụng lín chốt lă phụ tải ổn định ứng với công suất Ne vă tốc độ n định mức

+ Lực tâc dụng có ảnh hưởng đều trong miền 1200

+ Độ mòn tỷ lệ thuận với phụ tải

+ Không xĩt đến câc điều kiện về công nghệ, sử dụng vă lắp ghĩp

+ Câc bước tiến hănh vẽ như sau:

- Trín đồ thị phụ tải tâc dụng lín chốt khuỷu ta vẽ vòng tròn bất kỳ vă chia thănh 24 phđ̀n bằng nhau tức lă chiatheo 15o theo chiều ngược chiều kim đồng hồ bắt đđ̀u tại điểm 0 tai giao điểm của vòng tròn với trục OZ (theo

chiều dương) tiếp tục đánh số thứ tự 0.1.2 23.

- Từ các điểm chia vòng tròn này ta kẻ các tia qua tâm O và kéo dài, các tia này sẽ cắt đồ thị phụ tải phụ tảitai nhiều điểm, có bao nhiêu điểm cắt đồ thị thì sẽ có bấy nhiêu lực tác dụng tại vị trí đó Do đó ta có :

∑Q 'i =Q 'i0 +Q 'i1 + .+Q 'i23

Lập bảng ghi kết quả ∑Q 'ivào bảng

- Tính ∑Q i theo các dòng:

∑Q=∑Q i=∑Q '0 +∑Q '1 + +∑Q23

- Chọn tỉ lệ xích :μ=1,5( MN/m2.mm)

- Vẽ vòng tròn bất kỳ tượng trưng cho chốt khuỷu vẽ các tia ứng với số lần chia lần lượt đặt các giá trị

∑Q0,∑Q1, ,∑Q23. lên các tía tương ứng theo chiều từ ngoài vào tâm vòng tròn Nối các đầu mút lại ta có dạng

đồ thị mài mòn chốt khuỷu

- Các hợp lực ∑Q0,∑Q1, ,∑Q23.được tính theo bảng sau:

20

21 22

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

14 15 16

 'Q thuc

51.89

2

PHÂN TÍCH ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA ĐỘNG CƠ CHON THAM KHẢO

2.1 THÔNG SỐ ĐỘNG CƠ CHỌN TƯƠNG ĐƯƠNG

Số xy lanh – cách bố trí 4 xylanh – thẳng hàng 4 xylanh – thẳng hàng

Công suất cực đại/số vòng quay

Hệ thống bôi trơn Cưỡng bức cácte ướt Cưỡng bức cácte ướt

Hệ thống làm mát Cưỡng bức, sử dụng

môi chất lỏng

Cưỡng bức, sử dụngmôi chất lỏng

Hệ thống phân phối khí 24 valve - DOHC 24 valve - DOHC

2.2 CÁC CƠ CẤU CỦA ĐỘNG CƠ 2KD-FTV

Động cơ 2KD-FTV lắp trên xe Hiace của hãng TOYOTA là loại động cơ diesel, 4 xy lanh thẳng hàng, trục camkép DOHC 24 xupap và trục cam được bố trí trên nắp xilanh,mỗi piston có bốn xupáp,hai xupáp nạp và haixupáp thải được bố trí thẳng hàng thành một dãy Cơ cấu phân phối khí gồm 2 trục cam được dẫn động bằngdây đai răng.Ở đây chúng ta sẻ khảo sát một số hệ thống mang đặc điểm chung nhất và nổi trội của động cơ: