Việc thiết kế một chiếc ô tô bao gồm rất nhiều chi tiết, trong đó động cơ là chi tiết quan trọng nhất . Đối với sinh viên ngành cơ khí nói chung và sinh viên ngành Tự động hóa thiết kế cơ khí nói riêng, việc tìm hiểu thiết kế động cơ giúp chúng em vận dụng tốt những kiến thức đã học, kết hợp vào quá trình thiết kế để sau khi ra trường không bị bỡ ngỡ. Vì vậy em chon đề tài “Nghiên cứu tính toán, thiết kế và mô phỏng cơ cấu thanh truyền piston trục khuỷu của đông cơ V8 trên xe Zil 130”. Trong đề tài, em sử dụng phần mềm SolidWorks để tính toán thiết kế mô phỏng xin chân thành cảm ơn sự tận tình hướng dẫn của thầy TS Nguyễn Văn Nhanh
GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
ĐẶT VẤN ĐỀ
Đất nước ta đang tích cực công nghiệp hóa, hiện đại hóa, với ngành cơ khí là nền tảng quan trọng cho sự phát triển của các lĩnh vực khác Ngành công nghiệp ô tô tại Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ, yêu cầu đội ngũ chuyên gia và kỹ sư áp dụng công nghệ mới trong thiết kế và chế tạo Việc sử dụng phần mềm thiết kế 3D như SolidWorks và AutoCAD không chỉ giúp tạo ra các mẫu xe đạt tiêu chuẩn và kiểu dáng đẹp, mà còn cho phép mô phỏng và phân tích động lực học, rút ngắn thời gian thiết kế và tối ưu hóa quy trình mà không cần sản xuất thử.
Việc thiết kế ô tô là một quá trình phức tạp, trong đó động cơ đóng vai trò quan trọng nhất Đối với sinh viên ngành cơ khí và Tự động hóa thiết kế cơ khí, việc nghiên cứu thiết kế động cơ giúp áp dụng kiến thức đã học vào thực tiễn, chuẩn bị cho công việc sau khi tốt nghiệp Tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu tính toán, thiết kế và mô phỏng cơ cấu thanh truyền piston trục khuỷu của động cơ V8 trên xe Zil 130” và sử dụng phần mềm SolidWorks để thực hiện tính toán và mô phỏng Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS Nguyễn Văn Nhanh và các thầy cô trong bộ môn công nghệ kỹ thuật ô tô đã hỗ trợ tôi trong quá trình hoàn thành đề tài này Tuy nhiên, do thời gian hạn chế và khối lượng kiến thức lớn, tôi không tránh khỏi thiếu sót và rất mong nhận được ý kiến đóng góp từ thầy cô và các bạn.
Động cơ V8 là loại động cơ có cấu trúc xylanh bố trí theo hai dãy, mỗi dãy gồm 4 xylanh, tạo thành một góc 90 độ Trục khuỷu của động cơ này được trang bị 4 cổ lắp thanh truyền, với các thanh truyền của hai xylanh đối diện lắp trên cùng một cổ.
MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
Trình bài được công dụng, các yêu cầu và phân loại cơ cấu truyền lực thanh truyền piston , trục khuỷu trên ô tô.
Nắm rõ cấu trúc và nguyên lý hoạt động của cơ cấu truyền lực thanh truyền piston và trục khuỷu là rất quan trọng Việc đo đạc kích thước chính xác sẽ giúp tạo ra các bản vẽ 3D và 2D Đồng thời, mô hình hóa cơ cấu truyền lực thanh truyền piston và trục khuỷu trên phần mềm 3D và 2D có thể thực hiện thông qua các số liệu thu thập từ cơ cấu thực tế trên ô tô.
Sử dụng số liệu đo được từ cơ cấu truyền lực của piston và trục khuỷu thực tế để mô phỏng trên phần mềm.
Nêu được các công dụng yêu cầu phân loại của cơ cấu truyền lực thanh truyền piston, trục khuỷu
Lựa chọn các phương án tính toán và thiết kế được các cụm cơ cấu truyền lực thanh truyền piston, trục khuỷu.
Tìm hiểu hoạt động của các linh kiện cấu thành.
Đo đạc các thông số.
Viết báo cáo đồ án.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
o Phương pháp tìm kiếm tài liệu trên internet hay thực tiễn, sách vở.
- Các số thực tế đo được trên cơ cấu truyền lực thanh truyền piston, trục khuỷu thật.
- Sử dụng phần mềm mô phỏng 3D Solidwork.
- Trao đổi thảo luận giữa các thành viên trong nhóm về nội dụng đồ án cũng như phân bố công việc đảm nhiệm nhiệm vụ của từng thành viên.
- Phương pháp tổng hợp, so sánh, phân tích.
KẾT CẤU CỦA ĐỒ ÁN
2) Cơ sở lý thuyết về đề tài
3) Tính toán, thiết kế và mô phỏng
4) Kết luận và hướng phát triển
cơ sở lý thuyết về đề tài
Thân máy
Là bộ phận cơ bản của động cơ Những bộ phận khác của động cơ được cài vào trong hoặc gắn với blốc xylanh.
Blốc xylanh thường được đúc bằng gang hay hợp kim thép và các kim loại khác như nickel và chronium, một số được đúc từ hợp kim nhôm.
Blốc có nhiều lỗ hình trụ lớn, đó là các nòng xylanh Nó cũng có áo nước và các rãnh làm mát.
- Blốc xylanh có ống lót.
- Blốc xylanh không có ống lót.
Hình 2 1: Kết cấu Thân Máy
Những bộ phận gắn vào Blốc xylanh
Trục khuỷu được lắp đặt với các bạc lót cổ trục chính, hay còn gọi là bạc lót chính, được gắn vào đáy của blốc Các bạc lót này giữ vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ trục khuỷu, giúp nó hoạt động hiệu quả trong nắp bạc lót chính và blốc.
- Cụm Piston - thanh truyền Các thanh truyền cùng với bạc lót thanh truyền, nắp bạc lót thanh truyền được gắn vào cổ lắp thanh truyền trên trục khuỷu.
- Nắp xylanh với các van và trục cam (đối với động cơ có trục cam trên) được lắp vào blốc.
-Các bơm dầu, máng dầu Sau khi lắp ráp xong các bộ phận nạp dầu bôi trơn vào động cơ.
Hình 2 2: Những bộ phận Blốc xylanh.
Máng dầu
Máng dầu được làm từ plastic hoặc kim loại, có một miếng đệm đặt giữa máng dầu và blốc máy để đảm bảo kín khít, ngăn ngừa rò rỉ dầu Đáy của blốc máy kết hợp với máng dầu tạo thành hộp trục khuỷu (cac-te), bao bọc trục khuỷu một cách hiệu quả.
- Máng dầu chứa từ 3 đến 8 lít dầu, tùy thuộc vào từng động cơ Bơm dầu sẽ chuyển dầu từ máng đến các bộ phận của động cơ.
Một số động cơ hiện đại được trang bị máng dầu chống ồn, giúp giảm thiểu tiếng ồn trong quá trình hoạt động Những miếng vật liệu giảm chấn động được làm từ nhựa và thép dập được gắn chặt vào mặt phẳng bên trong máng dầu, nâng cao hiệu quả giảm rung và tiếng ồn.
Nắp xylanh và tấm đệm nắp xylanh
Hình 2.4: Nắp xylanh và tấm đệm nắp xylanh
Nắp che trên nắp xylanh, hay còn gọi là nắp che van, có khả năng chống âm hiệu quả Thiết kế của nó bao gồm 3 lớp: hai lớp bên ngoài bằng kim loại và một lớp chính giữa bằng nhựa Điều này giúp giảm tiếng ồn phát ra từ động cơ.
Tấm đệm nắp xylanh đóng vai trò quan trọng trong việc tạo độ kín giữa nắp xylanh bằng nhôm và blốc máy bằng gang Khi siết chặt các bu-lông, vật liệu mềm của tấm đệm sẽ lắp kín bề mặt tiếp xúc, đảm bảo hiệu suất và độ bền của động cơ.
Trục khuỷu
2.5.1 Nhiệm vụ, điều kiện làm việc và yêu cầu đối với trục khuỷu
- Tiếp nhận lực khí thể truyền từ Piston xuống để tạo mô men quay cho động cơ. Điều kiện làm việc trục khuỷu.
+ Trục khuỷu chịu lực quán tính và lực khí thể.
+ Chịu va đập chịu xoắn.
+ Mài mòn lớn, khó bôi trơn tốc độ cao.
+ Trục khuỷu có độ cứng vững lớn có độ bền cao và trọng lượng nhỏ.
+ Có tính cân bằng cao không xảy ra cộng hưởng trong phạm vi tốc độ sử dụng + Độ chính xác cao trong gia công cơ khí.
+ Kết cấu trục khuỷu phải đảm bảo tính cân bằng tốt (tĩnh và động).
2.5.2 Đặc điểm kết cấu các dạng trục khuỷu
Trục khuỷu bao gồm các phần chính như đầu trục khuỷu, khuỷu trục (chốt, má, cổ trục khuỷu) và đuôi trục khuỷu Đầu trục khuỷu thường được sử dụng để lắp bánh răng dẫn động cho các thiết bị như bơm nước và bơm dầu bôi trơn Các kiểu lắp của trục khuỷu có thể là lắp căn hoặc lắp trung gian, với việc sử dụng đai ốc hãm chặt bánh đai, phớt chắn dầu và ổ chắn dọc trục đều được lắp đặt trên đầu trục khuỷu.
Ngoài các bộ phận thường gặp, một số động cơ còn được trang bị bộ giảm dao động xoắn ở đầu trục khuỷu Bộ dao động xoắn này có tác dụng thu năng lượng sinh ra từ mô men kích thích trên hệ khuỷu, giúp giảm thiểu dao động gây ra bởi mô men.
Bộ dao động xoắn thường lắp ở đầu trục khuỷu là nơi có biên độ dao động xoắn lớn nhất.
Cổ trục thường có đường kính đồng nhất, được xác định dựa trên sức bền và điều kiện hình thành màng dầu bôi trơn Điều này ảnh hưởng đến thời gian sử dụng và bảo trì động cơ.
Trong một số động cơ cổ trục, thiết kế được điều chỉnh để cổ trục mở rộng dần từ đầu đến đuôi Điều này giúp đảm bảo sức bền và khả năng chịu lực của cổ trục được phân bổ đồng đều hơn, nâng cao hiệu suất hoạt động của động cơ.
Khi đường kính cổ trục tăng, độ cứng vững của trục khuỷu cũng tăng theo, dẫn đến mô men quán tính độc cực của trục khuỷu gia tăng Điều này giúp cải thiện độ cứng chống xoắn của trục, trong khi khối lượng chuyển động quay của hệ thống trục khuỷu vẫn giữ nguyên.
Khi tăng kích thước cổ trục, kích thước ổ bi trục cũng sẽ tăng theo, dẫn đến trọng lượng trục khuỷu lớn hơn Điều này có thể ảnh hưởng đến tần số dao động xoắn của hệ trục, gây ra hiện tượng cộng hưởng trong phạm vi tốc độ sử dụng.
Chốt khuỷu nên có đường kính tương đương với đường kính của cổ trục khuỷu, đặc biệt trong động cơ cao tốc, để đáp ứng nhu cầu về phụ tải và lực quán tính lớn Để cải thiện khả năng làm việc của bạc lót và chốt khuỷu, người ta thường tăng đường kính của chốt khuỷu.
Hình 2.6 : Kết cấu trục khuỷu
Như vậy kích thước và khối lượng đầu to thanh truyền đầu to sẽ tăng theo tần
Trục khuỷu có độ cứng vững lớn, vì vậy để giảm trọng lượng, chốt khuỷu cần được thiết kế rỗng Chốt khuỷu rỗng không chỉ giúp chứa dầu bôi trơn cho bạc lót đầu to của thanh truyền mà còn giảm khối lượng quay của thanh truyền Các lỗ rỗng trong chốt khuỷu có thể được bố trí đồng tâm hoặc lệch tâm với chốt khuỷu.
Má khuỷu là phần kết nối giữa cổ trục và chốt khuỷu, với hình dạng chịu ảnh hưởng từ kiểu động cơ, áp suất khí thể và tốc độ quay của trục khuỷu.
Khi thiết kế má khuỷu động cơ, việc giảm trọng lượng là rất quan trọng Má khuỷu thường có các dạng như hình chữ nhật và hình tròn, với cấu trúc đơn giản giúp dễ chế tạo Dạng má hình ôvan có cấu trúc phức tạp, trong khi má khuỷu hình chữ nhật có thể dẫn đến khối lượng không cân bằng do sử dụng vật liệu không hợp lý Má khuỷu dạng tròn có sức bền cao, cho phép giảm chiều dày má, từ đó tăng chiều dài cổ trục và chốt khuỷu, đồng thời giảm mài mòn Hơn nữa, má khuỷu tròn cũng dễ gia công Đối trọng lắp trên khuỷu có hai tác dụng quan trọng.
Cân bằng mô men lực quán tính không cân bằng của động cơ chủ yếu liên quan đến lực quán tính ly tâm, tuy nhiên, trong một số trường hợp, nó cũng được sử dụng để cân bằng lực quán tính chuyển động tịnh tiến, đặc biệt là ở động cơ chữ V.
Giảm phụ tải cho cổ trục là rất quan trọng, đặc biệt đối với động cơ 4 kỳ có 4, 6, 8 xylanh, vì chúng có lực quán tính và mô men quán tính tự cân bằng Tuy nhiên, cổ trục vẫn phải chịu ứng suất uốn lớn Việc sử dụng đối trọng mô men quán tính giúp cân bằng lực này, giảm thiểu ứng suất uốn do lực quán tính gây ra Hơn nữa, trục khuỷu không phải là chi tiết cứng vững tuyệt đối, và thân máy thường bị biến dạng, do đó, việc sử dụng đối trọng để cân bằng là cần thiết trong động cơ.
Hình 2.7: Kết cấu các dạng má khuỷu Đuôi trục khuỷu thường lắp với các chi tiết máy của động cơ truyền dẫn công suất ra ngoài máy công tác.
Ngoài kết cấu dùng để lắp bánh đà trên đuôi trục khuỷu còn có lắp các bộ phận đặc biệt:
Bánh răng dẫn động cơ cấu phụ là một thành phần quan trọng trong một số loại động cơ, nơi mà do đặc điểm kết cấu, bánh răng đuôi trục khuỷu cần được lắp đặt Để đảm bảo sự hoạt động hiệu quả, phía đuôi trục khuỷu phải có mặt bích để hỗ trợ việc lắp đặt bánh răng này.
+ Vành chắn dầu trên đuôi trục khuỷu có tác dụng ngăn không cho dầu nhờn chảy ra khỏi các te.
Các dạng trục khuỷu được xác định bởi số lượng xylanh, cách bố trí xylanh, số kỳ của động cơ và thứ tự làm việc của các xylanh Điều này giúp đảm bảo rằng động cơ hoạt động một cách đồng đều với biên độ dao động và mô men xoắn tương đối nhỏ.
- Động cơ làm việc cân bằng ít rung động.
- Ứng suất sinh ra do dao động xoắn nhỏ.
- Công nghệ chế tạo, giá thành rẻ.
Kích thước trục khuỷu được xác định bởi khoảng cách giữa hai đường tâm xylanh, độ dày lót xylanh và phương pháp làm mát Đối với động cơ 2 kỳ, kích thước này còn chịu ảnh hưởng từ hệ thống quét thải.
Hình 2.8 : Kết cấu tổng thể của trục khuỷu nguyên
1-Đai ốc khởi động; 2-Bánh răng; 3-Đối trọng; 4-Đường dầu;
2.5.2.2 Kết cấu trục khuỷu ghép
Kết cấu bánh đà
- Bánh đà còn là nơi ghi các kí hiệu các ĐCT, ĐCD, góc phun sớm, đánh lửa sớm.
Trong một số hệ thống đánh lửa, nam châm vĩnh cửu được sử dụng để tạo ra nguồn điện thế thấp, đặc biệt trong các loại bánh đà từ, hay còn gọi là vô lăng Manhêtic Kết cấu của hệ thống này cho phép tối ưu hóa hiệu suất đánh lửa.
Bánh đà là một thành phần quan trọng trong động cơ đốt trong, có ba dạng chính: bánh đà dạng đĩa, thích hợp cho động cơ nhiều xylanh và tốc độ cao; bánh đà dạng chậu; và bánh đà dạng vành Những loại bánh đà này giúp cải thiện hiệu suất hoạt động của động cơ, đảm bảo sự ổn định và mượt mà trong quá trình vận hành.
Thanh truyền
Nhiệm vụ và điều kiện làm việc thanh truyền.
- Thanh truyền dùng để nối Piston và trục khuỷu.
- Biến chuyển động tịnh tiến của Piston thành chuyển động quay của trục khuỷu.
Hình 2.13 : Thanh truyền Điều kiện làm việc:
+ Chịu tác động của lực khí thể.
+ Chịu tác động của lực quán tính nhóm Piston.
+ Chịu tác động của lực quán tính thanh truyền.
Vật liệu chế tạo thanh truyền cần có độ bền cơ học và độ cứng vững cao Thông thường, các loại thép được sử dụng là thép các bon hoặc thép hợp kim.
- Thân thanh truyền: Là phần thanh truyền nối giữa đầu nhỏ và đầu to.
- Khi chốt Piston lắp tự do:
- Đầu nhỏ thanh truyền có dạng hình trụ rỗng.
- Thanh truyền của động cơ cỡ lớn thường dùng đầu nhỏ dạng cung tròn đồng tâm, đôi khi dùng kiểu ôvan để tăng độ cứng của đầu nhỏ.
- Trong những động cơ máy bay, động cơ xăng dùng trên ô tô, đầu nhỏ thanh truyền có dạng hình trụ mỏng.
Khi lắp chốt Piston tự do do có sự chuyển động tương đối giữa chốt Piston và đầu nhỏ nên phải chú ý bôi trơn mặt ma sát.
Hình 2.14 : Kết cấu các dạng đầu nhỏ thanh truyền
Dầu bôi trơn được đưa lên mặt chốt Piston và bạc lót đầu nhỏ bằng đường dẫn dầu khoan dọc theo thân thanh truyền.
Trong động cơ ô tô máy kéo và động cơ nhỏ, bạc lót đầu nhỏ được bôi trơn theo kiểu hứng đầu vung té.
Trong động cơ hai kỳ, thanh truyền luôn chịu nén, yêu cầu dầu bôi trơn phải có áp suất cao để lên bề mặt chốt Piston Để giữ dầu bôi trơn, bạc lót đầu nhỏ thanh truyền thường được thiết kế với các rãnh chéo Tuy nhiên, ở một số động cơ hai kỳ tốc độ cao, do áp suất lớn trên mặt chốt gây khó khăn trong việc bôi trơn, người ta thường thay thế bạc lót bằng ô bi đũa.
Để làm mát đinh Piston, động cơ sử dụng phương pháp phun dầu nhờn vào mặt dưới của đinh Piston Trên đầu nhỏ của thanh truyền, cần phải bố trí lỗ phun dầu Dầu sau khi bôi trơn bề mặt bạc lót và chốt Piston sẽ được phun qua lỗ này vào mặt dưới của đinh Piston, giúp làm mát hiệu quả.
- Loại thân thanh truyền có tiết diện tròn: thường dùng trong động cơ tĩnh tại và tàu thuỷ tốc độ thấp.
Các loại thanh truyền này có ưu điểm nổi bật là dễ dàng chế tạo thông qua phương pháp rèn tự do và thuận tiện trong quá trình gia công Tuy nhiên, một trong những khuyết điểm chính của chúng là việc sử dụng vật liệu không hợp lý, dẫn đến hiệu suất không tối ưu.
Thân thanh truyền có tiết diện chữ I được ứng dụng rộng rãi trong động cơ ô tô, máy kéo và các loại động cơ cao tốc Loại thân này sử dụng vật liệu hợp lý, với trục thân thanh truyền nằm trong mặt phẳng lắc, tối ưu hóa hiệu suất và độ bền của động cơ.
Thân thanh truyền có tiết diện chữ I thường được sản xuất bằng phương pháp rèn khuôn, phù hợp cho sản xuất quy mô lớn Trong một số động cơ nhiều xy-lanh, loại thanh truyền có tiết diện chữ H được sử dụng để tăng bán kính chuyển tiếp từ thân đế đến đầu thanh truyền, qua đó nâng cao độ cứng vững của thanh truyền.
Thân thanh truyền hình chữ nhật và hình ôvan thường được sử dụng trong động cơ mô tô, xuồng máy và động cơ cỡ nhỏ nhờ vào kết cấu đơn giản và dễ chế tạo Để tăng cường độ cứng vững và thuận tiện trong việc khoan đường dầu bôi trơn, thân thanh truyền thường được thiết kế với gân gia cố dọc theo chiều dài Đường kính lỗ dẫn dầu dao động từ 4 đến 8 mm, cần đảm bảo cung cấp đủ lượng dầu bôi trơn và nhanh chóng đưa dầu lên khi khởi động, do đó lỗ dẫn dầu không nên quá lớn hoặc quá nhỏ.
Công nghệ khoan lỗ dầu gặp nhiều khó khăn, đặc biệt với các loại thanh truyền dài Để khắc phục vấn đề này, người ta thường lắp đặt ống dẫn dầu bôi trơn bên ngoài thân để dẫn dầu từ đầu to đến đầu nhỏ.
Chiều rộng h của thanh truyền tăng dần từ đầu nhỏ đến đầu to, nhằm phù hợp với quy luật phân bố lực quán tính tác động lên thanh trong mặt phẳng lắc Lực quán tính này phân bố theo quy luật hình tam giác.
Hình 2.15 : Kết cấu đầu to thanh truyền:
2-Bulông đầu to thanh truyền ;
Kích thước đầu to thanh truyền phụ thuộc vào đường kính và chiều dài chốt khuỷu. Yêu cầu:
- Có độ cứng vững lớn để bạc lót không bị biến dạng.
- Lực quán tính chuyển động quay nhỏ.
- Giảm kích thước hộp trục khuỷu.
- Chỗ chuyển tiếp giữa thân và đầu to phải có góc lượn lớn để giảm ứng suất tập trung.
- Dễ lắp ghép cụm Piston thanh truyền với trục khuỷu.
2.7.4 Kết cấu một số dạng thanh truyền khác
- Kết cấu thanh truyền lắp kế tiếp.
Loại này hai thanh truyền của hai hàng xylanh giống hệt nhau lắp kết tiếp trên cùng một chốt khuỷu.
+ Ưu điểm: Kết cấu đơn giản dễ chế tạo, hai thanh truyền làm hoàn toàn giống hệt nhau nên chế tạo rẻ tiền.
+ Nhược điểm: Chốt khuỷu phải làm dài ảnh hưởng chiều dài trục khuỷu và than máy làm tăng trọng lượng động cơ và giảm sức bền trục khuỷu.
Thanh truyền trung tâm là loại có hai thanh truyền lắp chung trên một chốt khuỷu, với một thanh truyền có dạng hình nạng và thanh truyền kia lắp đồng tâm, bị kẹp giữa thanh truyền hình nạng Ưu điểm của loại thanh truyền này là động học và động lực học của hai thanh truyền giống nhau, nhờ vào việc sử dụng hai hàng xylanh giống nhau, trong khi chốt khuỷu ngắn hơn so với chốt khuỷu của thanh truyền lắp kế tiếp.
Loại thanh truyền này gặp khó khăn trong quá trình chế tạo do có cấu trúc phức tạp Việc sử dụng bạc lót với thiết kế đặc biệt, cả mặt trong và mặt ngoài đều là bề mặt làm việc, làm cho việc sản xuất bạc lót trở nên khó khăn hơn.
Hình 2.16 : Kết cấu thanh truyền trung tâm
1- Thanh truyền nạng; 2-Thanh truyền trung tâm; 3-Đầu to thanh truyền nạng.
Loại thanh truyền chính và thanh truyền phụ bao gồm một thanh truyền phụ lắp trên thanh truyền chính Ưu điểm của loại thanh truyền này là kết cấu nhẹ gọn, giúp giảm kích thước và trọng lượng của thanh truyền, đồng thời vẫn đảm bảo độ cứng vững cho đầu to thanh truyền Loại thanh truyền này hiện nay được sử dụng phổ biến.
Nhược điểm: Động học Piston thanh truyền trên hai hang xylanh không giống nhau Khi làm việc thanh truyền chính còn chịu thêm mô men uốn phụ.
1- Đầu nhỏ thanh truyền chính.
Hình 2.17 : Kết cấu thanh truyền chính và thanh truyền phụ động cơ chữ V
Nhóm Piston
2.8.1.1 Điều kiện làm việc và vật liệu chế tạo Piston a Điều kiện làm việc của Piston
Piston hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt, vừa phải chịu tải trọng cơ học lớn, vừa phải đối mặt với tải trọng nhiệt cao Bên cạnh đó, piston còn phải chịu ảnh hưởng của ma sát và ăn mòn, điều này ảnh hưởng đến hiệu suất và độ bền của nó.
Trong quá trình cháy, tải trọng cơ học tăng lên do áp suất lớn được sinh ra trong buồng cháy Áp suất khí thể thay đổi mạnh mẽ trong chu kỳ công tác, dẫn đến lực khí thể có tính chất va đập.
Trong quá trình cháy, Piston phải chịu tải trọng nhiệt lớn khi tiếp xúc trực tiếp với sản phẩm cháy có nhiệt độ cao từ 2300 đến 2800 K Điều này dẫn đến việc nhiệt độ của Piston, đặc biệt là phần đinh Piston, cũng đạt mức rất cao trong khoảng 2300 đến 2800 K.
Ma sát và ăn mòn là hai vấn đề chính ảnh hưởng đến hiệu suất của Piston trong quá trình làm việc Piston phải chịu ma sát lớn do thiếu dầu bôi trơn và lực ngang N ép Piston vào xylanh, điều này càng gia tăng khi Piston bị biến dạng Hơn nữa, đinh Piston tiếp xúc trực tiếp với sản phẩm cháy, dẫn đến hiện tượng ăn mòn do tác động của các sản phẩm này Vật liệu chế tạo Piston cần được lựa chọn kỹ lưỡng để giảm thiểu những tác động tiêu cực này.
Vật liệu chế tạo piston cần có độ bền cao, khả năng chịu nhiệt tốt, độ biến dạng dài nhỏ và ma sát thấp Tuy không có vật liệu nào đáp ứng hoàn hảo tất cả các yêu cầu này, việc chọn lựa vật liệu tối ưu là rất quan trọng Hợp kim nhôm, mặc dù có độ bền thấp hơn và độ biến dạng dài lớn hơn so với hợp kim gang, nhưng lại có khối lượng riêng nhỏ hơn và tính đúc tốt tương tự như gang.
Do đó chọn hợp kim nhôm làm vật liệu chế tạo Piston.
+ Đinh Piston: Là phần trên cùng của Piston, cùng với xylanh và nắp máy tạo thành buồng cháy.
+ Đầu Piston: Bao gồm đinh Piston và vùng đai lắp xécmăng dầu và xécmăng khí làm nhiệm vụ bao kín buồng cháy.
+ Thân Piston: Phần phía dưới rãnh xécmăng dầu cuối cùng ở đầu Piston làm nhiệm vụ dẫn hướng cho Piston.
Phân tích đặc điểm kết cấu của đinh Piston.
- Kết cấu của đinh Piston: Đinh Piston có kết cấu rất đa dạng gồm đinh bằng, đinh lồi và đinh lõm …
Hình 2.19: Kết cấu một số đỉnh Piston
Đinh bằng là loại phổ biến nhất, có diện tích chịu nhiệt vé nhất và có kết cấu đơn giản để chế tạo.
Đinh lồi có độ cứng vững cao, giúp giảm trọng lượng của Piston vì không cần bố trí các đường gân phía dưới Mặc dù loại đinh này ít kết muội than, nhưng bề mặt chịu nhiệt độ lớn có thể ảnh hưởng xấu đến quá trình làm việc của Piston.
Đầu Piston có cấu trúc quan trọng với nhiệm vụ chính là bao kín và bố trí rãnh xécmăng Số lượng rãnh xécmăng khí thường dao động từ 3 đến 5, trong khi rãnh xécmăng dầu từ 1 đến 3 Để tối ưu hóa việc giảm nhiệt cho xécmăng khí thứ nhất, cần đặt nó gần khu vực nước làm mát Số lượng xécmăng khí được chọn dựa trên nguyên tắc: khi áp suất khí thể cao, tốc độ thấp và đường kính xylanh lớn, số lượng xécmăng khí cần tăng lên.
Thân Piston đóng vai trò quan trọng trong việc dẫn hướng cho Piston di chuyển trong xylanh và chịu lực ngang N Để đảm bảo dẫn hướng hiệu quả và giảm thiểu va đập, khe hở giữa thân Piston và xylanh cần được giữ ở mức tối thiểu Chiều dài của thân Piston càng lớn thì khả năng dẫn hướng càng tốt, đồng thời áp suất tác động lên Piston cũng giảm, giúp giảm thiểu mòn Tuy nhiên, chiều dài lớn hơn cũng đồng nghĩa với khối lượng và ma sát của Piston tăng lên.
Vị trí lỗ bệ chốt rất quan trọng trong việc phân bố áp suất của Piston Khi chốt Piston đặt ở giữa thân, áp suất sẽ phân bố đều trong trạng thái tĩnh Tuy nhiên, khi Piston chuyển động, lực ma sát khiến Piston có xu hướng quay quanh chốt, dẫn đến áp suất nén trên xylanh không còn đều nữa Do đó, để tối ưu hóa hiệu suất, chốt thường được đặt ở vị trí cao hơn.
Thân Piston thường có dạng ôvan hoặc vát ở hai đầu bệ chốt, thay vì hình trụ, nhằm ngăn chặn tình trạng bó kẹt trong xylanh khi Piston bị biến dạng do lực khí thể Pz, lực ngang N và nhiệt tác dụng.
Ba nguyên nhân chính khiến Piston biến dạng thành hình ôvan, với trục lớn trùng với đường tâm chốt Piston, dẫn đến tình trạng Piston bị bó trong xylanh Để khắc phục tình trạng này, có thể thiết kế thân Piston với dạng ôvan sẵn, sao cho trục ngắn trùng với đường tâm chốt, hoặc tiến hành tiện vát bớt mặt thân Piston ở hai đầu bệ chốt.
Hình 2.20 : Trạng thái biến dạng của Piston khi chịu nhiệt, lực khí thể P z và lực ngang N
2.8.2.1 Điều kiện làm việc và vật liệu chế tạo xécmăng a Điều kiện làm việc
Xécmăng khí có vai trò quan trọng trong việc bao kín buồng cháy, ngăn chặn khí cháy xâm nhập vào cac-te Nó hoạt động trong môi trường có nhiệt độ cao, áp suất va đập lớn, đồng thời phải chịu ma sát mài mòn và ăn mòn hóa học Ngoài ra, khi động cơ hoạt động, xécmăng cũng phải chịu ứng suất uốn Do đó, vật liệu chế tạo xécmăng cần phải đáp ứng đầy đủ các tính chất cần thiết để đảm bảo hiệu suất và độ bền trong điều kiện làm việc khắc nghiệt.
+ Có tính chịu mài mòn tốt ở điều kiện ma sát tới hạn.
+ Có hệ số ma sát nhỏ đối với mặt xylanh.
+ Có sức bền và độ đàn hồi cao và ổn định trong điều kiện nhiệt độ cao.
+ Có khả năng khít với mặt xylanh một cách nhanh chóng.
Ta chọn ngang hợp kim làm vật liệu chế tạo xécmăng vì nó có nhiều ưu điểm mà bản thân các loại vật liệu khác không sánh được như:
+ Nếu mặt ma sát bị cào xước trong quá trình làm việc vết xước mất dần mặt ma sát được khôi phục như cũ.
+ Gơraphit trong hợp kim ngang có khả năng bôi trơn mặt ma sát do đó làm giảm hệ số ma sát.
+ Ít nhạy cảm với ứng suất tập trung sinh ra ở các vùng có vết xước.
Đường kính D của xécmăng được xác định là đường kính ngoài của xécmăng khi lắp ghép trong xylanh Trong cấu trúc của xécmăng, mặt 1 là mặt đáy, mặt 2 là mặt lưng và mặt 3 là mặt bụng, trong khi chiều dày của xécmăng là khoảng cách giữa hai mặt đáy.
Xécmăng được chia thành hai loại chính: xécmăng khí và xécmăng dầu Tùy thuộc vào sự phân bố áp suất, xécmăng có thể là xécmăng đẳng áp hoặc xécmăng không đẳng áp.
Xécmăng đẳng áp bị mòn không đều nhất là khu vực gần miệng xécmăng bị mỏng nhiều hơn.
Xécmăng không đẳng áp là loại xécmăng ở trạng thái tự do, được gia công đặc biệt để tạo ra áp suất lớn ở phần miệng Mặc dù sau một thời gian sử dụng, áp suất ở phần miệng có giảm, nhưng mức giảm này ít hơn so với xécmăng đẳng áp Chính vì vậy, xécmăng không đẳng áp hiện đang được sử dụng phổ biến hơn.
1-Mặt đáy 2-Mặt lưng 3-Mặt bụng 4-Phần miệng 5-Khe hở miệng ở trạng thái lắp ghép
Hình 2.22 : Cấu tạo chung của Xécmăng
2.8.2.3 Kết cấu của xécmăng khí
Cơ cấu phân phối khí
2.9.1 Công dụng, phân loại. cửa xả với mục đích nạp đầy không khí, hỗn hợp cháy (hỗn hợp cháy gồm xăng – không khí đối với động cơ xăng) và thải sạch khí cháy ra khỏi xy lanh.
Có thể phân loại hệ thống phân phối khí thành các loại sau:
+ Loại dùng trục cam – xupap: loại này có kết cấu đơn giản được dùng phổ biến trên các loại động cơ hiện nay.
+ Loại dùng van trượt: loại này có kết cấu phức tạp khó chế tạo, đa số dùng trong các xe đặc chủng như xe đua.
Loại piston dùng để đóng mở cửa nạp và cửa thải trong động cơ hai kỳ có cấu trúc đơn giản và không cần điều chỉnh, tuy nhiên, chất lượng trao đổi khí lại không cao.
1- Trục cam,2- Con đội,3- Lò xo,4-Xupat,5- nắp máy,6- Than máy
Hình 2.26 : Cơ cấu phân phối khí
2.9.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống phân phối khí
- Cơ cấu phân phối khí dùng xupap đặt
Trục cam hoạt động nhờ vào sự dẫn động từ trục khuỷu của động cơ, với vấu cam quay đẩy con đội đi lên, nén lò xo và mở xupap để thực hiện quá trình nạp và xả Sau khi vấu cam vượt qua điểm cao nhất, nó di chuyển xuống, làm lò xo giãn ra và kéo xupap đóng lại Cơ cấu phối khí được bố trí trong thân động cơ giúp giảm chiều cao của thân máy, thuận tiện cho việc lắp đặt trên các phương tiện vận tải, nhưng cũng gây khó khăn trong việc bố trí buồng cháy, do đó loại này thường chỉ được sử dụng trong một số động cơ xăng.
- Cơ cấu phối khí dùng xupap treo:
Có hai loại là dẫn động trực tiếp và gián tiếp
Loại dẫn động gián tiếp:
Nguyên lý hoạt động của hệ thống này bắt đầu từ chuyển động quay của trục khuỷu, dẫn đến việc trục cam 1 quay Khi vấu cam quay, nó tỳ lên con đội 2, khiến con đội di chuyển lên trên Qua đũa đẩy 7, chuyển động này làm cho đòn gánh 8 và giàn cò 9 tác động vào đuôi xupap 4, mở van nạp (hoặc xả) và ép lò xo 3 Khi vấu cam đi qua điểm cao nhất, chuyển động quay tiếp tục làm lò xo giãn ra, kéo xupap trở lại vị trí đóng ban đầu.
Loại dẫn động trực tiếp:
Nguyên lý làm việc của hệ thống này là vấu cam sẽ tác động trực tiếp lên đuôi xupap hoặc thông qua đòn gánh, giúp giảm thiểu số lượng chi tiết Ưu điểm nổi bật của loại này là khả năng dẫn động từ trục khuỷu lên trục cam rất xa, thường sử dụng phương pháp dẫn động bằng xích.
Loại xupap treo giúp tạo ra buồng cháy gọn, cho phép đạt tỷ số nén cao và nâng cao hiệu quả hoạt động của buồng cháy Kiểu xupap này được áp dụng phổ biến cho cả động cơ xăng và động cơ diesel.
Hình 2.27 : Cơ cấu phân phối khí dẫn động trực tiếp và gián tiếp
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG
Thông số kĩ thuật xe Zil-130
Kích Thước [ dài x rộng x cao](mm) 6675 x2500 x2400
Chiều dài cơ sở (mm) 3800
Dung tích xy-lanh 5969cc
Tỷ só nén 6.5 Đường kính xy lanh (mm) 81
Tốc độ tối đa (Km/h) 90
Tỷ số truyền Tiến :7.44 Lùi:7.09
Tỷ số truyền của truyền lực chính 6.32
Mômen xoắn cực đại 402N/m (2000 vòng/phút)
Động học cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền giao tâm
Nghiên cứu chuyển động của Piston là nhiệm vụ chính của động học, với giả thiết rằng trong quá trình hoạt động, trục khuỷu quay với sự không đồng đều của mô-men động cơ không quá lớn Giả thiết này gần gũi với thực tế, giúp thuận lợi cho việc phân tích và nghiên cứu.
Hình 3.1 minh họa sơ đồ cơ cấu trục khuỷu thanh truyền giao tâm, trong đó đường tâm trục khuỷu và đường tâm xilanh tạo thành góc vuông Qua hình ảnh này, có thể nhận thấy rằng chuyển vị x từ ĐCT của Piston phụ thuộc vào vị trí của trục khuỷu, cụ thể là góc quay .
Hình 3.1 : Sơ đồ cơ cấu trục khuỷu - Thanh truyền giao tâm
Từ hình vẽ ta có: x = AB’ = AO - (DO + DB’) =(1+R) - (Rcosα + lcosβ)Trong đó:
- R: Bán kính quay trục khuỷu
- β: Góc lệch giữa đường tâm thanh truyền với xilanh
Gọi R l là tham số kết cấu Ta có thể viết: λ = � = 28 = 8
- Trong tính toán thiết kế, có thể dùng công thức gần đúng: x≈R[(1- cosα) + � (1- 2cosα)]
3.2.2 Vận tốc Piston Đạo hàm công thức (3-2) theo thời gian ta có công thức tính vận tốc của Piston: v= = =Rω(sinα + 1 sinβ �� )
)+sin( + ) j Đạo hàm hai vế theo α rồi rút gọn ta có: v= Rω(sinα + tgβ cosα) = Rω ���(�+�)
Công thức gần đúng: v= Rω(sinα + � sin2α)
Thay = vào và biến đổi ta có công thức tính gia tốc: j =Rω 2 [ ���(�+�) + � ���²� ]
Công thức gần đúng: j =Rω 2 (cosα + �cos2α) j = 28 × 66� 2 (cos120 + 8
Lực quán tính của các khối lượng vận động tịnh tiến được tính theo công thức sau:
P mj mR 2 cos cos2 P P j2 (3-18) Đặt C mR 2 , ta có:
P j1 mR 2 cos C cos s là lực quán tính cấp 1 (3-19) j1
Lực khí thể được tính trên cơ sở đồ thị công p - V của động cơ Đồ thị p -
Đồ thị p - được xây dựng để thể hiện sự biến thiên của áp suất khí thể theo góc quay trục khuỷu Trong quá trình tính toán, áp suất thường được tính theo áp suất tương đối, do đó công thức được sử dụng là p kt = p - p 0 (3-22).
Trong đó: pkt: áp suất khí tính theo áp suât tương đối; p: áp suất khí thể trong tính toán nhiệt;
Nước ta thuốc khu vực nhiệt đới, nhiệt độ trung bình trong ngày có thể chọn là tkk ) � C, do đó p= (��� + 273) � K= 29+27302 � K p0: áp suất khí quyển:0,1MN/� 2
F : Diện tích đinh Piston, Fp= �� 2 Fp = �81 2 5153�� 2 5.1529× 10 −3
Góc công tác và thứ tự làm việc của các xylanh trong động cơ nhiều xylanh là yếu tố quan trọng, trong đó các xylanh được sắp xếp theo một hành dọc và trục khuỷu phải có một góc nhất định Góc lệch giữa hai khuỷu của hai xylanh làm việc kế tiếp nhau được gọi là góc công tác Khi lựa chọn góc công tác và thứ tự làm việc, cần xem xét các yếu tố liên quan để đảm bảo hiệu suất và hoạt động tối ưu của động cơ.
+ Kết cấu của trục khuỷu phải đảm bảo tính cần bằng và đồng đều tốt nhất của động cơ.
+ Đảm bảo tính công nghệ tốt, dễ chế tạo.
+ Đảm bảo phụ tải tác dụng trên ổ trục là nhỏ nhất.
+ Đảm bảo quá trình nạp thải có lợi nhất.
Thông thường khó có thể đảm bảo thoả mãn cả bốn yêu cầu trên.
Góc lệch công tác động cơ một hàng xylanh được tính như sau: δk = 180� (3-34)
- số kỳ của động cơ. i - số xylanh của động cơ. δk= 180 = 180×4 = 90 �
Lực khí thể được tính trên cơ sở đồ thị công p - V của động cơ Đồ thị p -
Đồ thị p - được xây dựng để thể hiện sự biến thiên của áp suất khí thể theo góc quay trục khuỷu Trong quá trình tính toán, áp suất thường được tính theo áp suất tương đối, do đó công thức áp dụng là: p kt = p - p 0 (3-22).
Trong đó: pkt: áp suất khí tính theo áp suât tương đối;
Nước ta thuốc khu vực nhiệt đới, nhiệt độ trung bình trong ngày có thể chọn là tkk ) � C, do đó p= (��� + 273) � K= 29+27302 � K p0: áp suất khí quyển:0,1MN/� 2
Fp: Diện tích đinh Piston
- Chốt Piston dùng để khóa thanh truyền lại cho cố định
- Thanh truyền có nhiệm vụ dẫn truyền lực từ piston qua trục khuỷu
- Dùng để biến đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay.
- Xéc măng khí có nhiệm vụ ngăn không khí rò ri xuống các khe, đồng thời
3.6Thiết kế lực thanh truyền piston , trục khuỷu
Tên bộ phận Thông số đo Hình ảnh
Chốt piston d:33.80mm Chiều dài:82mm
Chiều dài :94mm Bán kính lớn :36mm Bán kính nhỏ:27mm Chiếu cao :60mm
Thanh truyền d trục khuỷu:54mm d piston:33.80mm d lỗ ốc:9mm Chiều cao :294.5mm
Piston d piston:79mm d chốtpiston:33.80mm Chiều cao :90mm
Chiều dài 298.65mm Chiều cao 110.90mm Chiều rộng 79.0mm Độ dày khủyu:15mmChiều dài trục :92mm setman d ngoài :85mm d trong :79mm
Hình 3.6 Bảng vẽ lắp ráp và mô phỏng