XÂY DỰNG ĐỒ THỊ CÔNG, ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ĐỘNG CƠ XG6-022
Các thông số động cơ
Thông số kĩ thuật Kí hiệu Giá tri ̣ đề
Số xilanh / Số kỳ / cách bố trí i / τ 6 / 4 / V-type
Tỷ số nén ε 10.8 Đường kính x hành trình piston(mm x mm) D / S 96 x 80
Công suất cực đại / số vòng quay (kW/ v/ ph) Ne / n 200 / 6200
Tham số kết cấu λ 0.25 Áp suất cực đại
Khối lượng nhóm piston(kg) 𝑚 𝑝𝑡 1.0
Khối lượng nhóm thanh truyền (kg) 𝑚 𝑡𝑡 1.3
Góc đánh lửa sớm (độ) 𝜃 𝑠 15
Góc phân phối khí (độ)
Hệ thống nhiên liệu L-EFI
Hệ thống bôi trơn Force-feed lubrication system
Forced Circulation Water Cooling System
Bảng 1.1 Các thông số của động cơ
Tính toán thông số ban đầu
2 = 0,04(𝑚) Chỉ số nén và chỉ số giản nỡ đa biến trung bình
+ Áp suất khí cuối kì nạp: Động cơ bốn kì tăng áp: 𝑝 𝑎 = (0.9 ÷ 0.96) ×𝑝 𝑘
Chọn áp suất cuối kì nạp: 𝑝 𝑘 = 0.1 Mpa
+ Chọn tỷ số dãn nở sớm: động cơ xăng ρ = 1
4 = 0,579(𝑑𝑚 3 ) + Thể tích buô ̀ ng cháy:
+ Lực quán tính li tâm: 𝑃 𝑟0 = 𝑚 𝑡𝑡 ×𝑅×𝜔 2
𝐹 𝑝𝑡 = 2,12(𝑀𝑃𝑎) + Áp suất cuối kì nén: 𝑃 𝑐 = 𝑃 𝑎 × 𝜀 𝑛1 = 0,09 × 10,8 1,36 = 2,29[MN/𝑚 2 ]
+ Áp suất cuối quá trình giãn nở:
Gọi 𝑝 𝑛𝑥 và 𝑉 𝑛𝑥 là áp suất và thể tích biến thiên theo quá trình nén của động cơ Vì qua ́ trình nén là qua ́ trình đa biến nên: 𝑃 𝑛𝑥 𝑉 𝑛𝑥 𝑛 1 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡
𝑉 𝑛𝑥 ) 𝑛 1 Va: Thể tích cuối qua ́ trình nạp
Xây dựng đường giãn nỡ:
Gọi 𝑃 𝑔𝑛𝑥 và 𝑉 𝑔𝑛𝑥 là áp suất và thể tích biến thiên theo quá trình giãn nở của động cơ Vì quá trình giãn nở là qua ́ trình đa biến nên: 𝑃 𝑛𝑥 𝑉 𝑛𝑥 𝑛 2 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡
𝑃 𝑧 là a ́p suất đầu quá trình giãn nở
𝑉 𝑧 thể tích đầu qua ́ tình giãn nở
Biểu diễn các thông số:
+ Biểu diễn thể tích buô ̀ ng cháy: Chọn 𝑉 𝑐𝑏𝑑 = 15(𝑚𝑚)
Giá tri ̣ biểu diễn của 𝑉 ℎ𝑏𝑑 = 𝑉 ℎ
0,00393 = 147(𝑚𝑚) + Biểu diễn áp suất cực đại:𝑃 𝑧𝑏𝑑 = 160 ÷ 220 (𝑚𝑚)
+ Về giá tri ̣ biểu diễn ta có đường kính của vòng tròn Brick AB bằng giá tri ̣ biểu diễn của 𝑉 ℎ , nghĩa là giá tri ̣ biểu diễn của AB = 𝑉 ℎ𝑏𝑑 = 147 [mm]
+ Tỉ lệ xích của áp suất trong các quá trình:
160 = 0.033125 + Tỉ lệ xích của thể tích xy lanh:
𝑉 𝑐𝑏𝑑 = 0,00393 + Tỉ lệ xích của chuyển vi ̣ của piston:
𝑉 ℎ = 0,543 + Tỉ lệ xích của vận tốc piston:
Cách ve ̃ đồ thi ̣ Đồ thi ̣ công động cơ xăng 4 kỳ không tăng áp + Từ bảng giá tri ̣ ta tiến hành ve ̃ đường nén và đường giản nở
- Điểm mở sớm của xupáp nạp: r’ xa ́ c đi ̣nh từ đồ thi ̣ Brick ứng với 𝛼 1
- Điểm đóng muộn của xupáp thải: r’’ xa ́c đi ̣nh từ đồ thi ̣ Brick ứng với 𝛼 4
- Điểm đóng muộn của xupáp nạp: a’ xa ́c đi ̣nh từ đồ thi ̣ Brick ứng với 𝛼 2
- Điểm mở sớm của xupáp thải: b’ xa ́c đi ̣nh từ đò thi ̣ Brick ứng với 𝛼 3
- Ve ̃ hệ trục tọa độ trong đó: Trục hoành biểu diễn V, Trục tung biểu diễn 𝑃 𝑘𝑡
Để tạo đề thi ̣ công, chúng ta có thể thực hiện các bước sau: Đầu tiên, dựa trên các số liệu đã cho, chúng ta sử dụng lệnh nối trong Excel để nối hai trục hoành và tung Sau đó, chúng ta sao chép hàm nối từ 0 đến 720 độ vào phần mềm AutoCAD Tại đây, chúng ta sử dụng lệnh Spline (spl) để nối tất cả các điểm đã sao chép từ Excel, từ đó tạo ra đề thi ̣ công như mong muốn.
- Ve ̃ đồ thi ̣ Brick trên đồ thi ̣ công Lấy bán kính cung tròn R = S/2
+ Lấy về phía phải điểm O’ một khoảng: OO’ = 𝜆×𝑅
2×𝜇 𝑆 = 9,1912(mm) + Dùng đồ thi ̣ Brick để biểu diễn các điểm:
• Mở sớm nạp (r), đóng trễ nạp (a’)
• Mở sớm thải (b’), đóng trễ thải (r’’)
Từ đồ thị Brick, xác định được các góc ta, kẻ xuống đồ thị công ta sẽ xác định được các góc mở sớm đóng trễ của động cơ, giúp đánh giá chính xác hiệu suất và hoạt động của động cơ.
- Sau khi thực hiện đầy đủ ta se ̃ được đồ thi ̣ công như thực tế:
1.4 Đồ thi ̣ chuyển vi ̣, vận tốc theo alpha
1.4.1 Đồ thi ̣ biễu diễn hành trình piston x = f(α)
- Chọn tỷ lệ xích: 𝜇 𝛼 = 2(độ/𝑚𝑚)
- Xét α từ 0 -180º Ta có bảng só liệu sau: a abd X X bd Vận tốc độ 2 mm 0.54 m/s
Bảng 1.2 Số liệu đồ thị biểu diễn hành trình piston 1.4.2 Đồ thi ̣ biểu diễn tốc độ của piston v=f(α)
* Ve ̃ đường biễu diễn tốc độ theo phương pháp đồ thi ̣ vòng
- Xa ́c đi ̣nh vận tốc góc của chốt khuỷu
- Ve ̃ đường tròn tâm O bán kính 𝑅 2 mm
- Chia nửa vòng tròn tâm O bánh kính R thành 18 phần bằng nhau và đa ́ nh sô thứ tự từ
- Chia vòng tròn tâm O bán kính 𝑅 2 thành 18 phần bằng nhau và đa ́ nh số thứ tự từ 1’ đến 18’ và theo chiều ngược lại
Để xác định đường cong giới hạn tốc độ của piston, ta kẻ các đường thẳng vuông góc với AB từ các điểm 1, 2, 3, cắt các đường song song với AB kẻ từ các điểm 1', 2', 3', tương ứng với các giao điểm Khi nối các giao điểm này lại, ta sẽ có được đường cong giới hạn tốc độ của piston, và khoảng cách từ đường cong này đến nửa đường tròn biểu diễn trị số tốc độ của piston ứng với các góc α.
* Vẽ đường biễu diễn tốc độ trên excel
Hình 1.2 Đồ thị vận tốc
* Để khảo sát mối quan hệ giữa hành trình piston và vận tốc của piston ta đặt chúng cùng chung hệ trục tọa độ
Hình 1.4 Đồ thị chuyển vị
1.5 Đồ thi ̣ biễu diễn gia tốc j=f(α)
- Chọn hệ trục tọa độ với trục hoành biễu diễn α, trục tung biễn diễn giá tri ̣ của gia tốc
Giải gia tốc của Piston bằng phương pha ́p đồ thi ̣ thường dùng phương pháp TôLê Cách tiến hành cụ thể như sau:
- Lấy đoạn thẳng AB = S = 2R Từ A dựng đoạn thẳng AC = J 𝑚𝑎𝑥 = R𝜔 2 (1+𝜆) Từ B dựng đoạn thẳng BD = 𝐽 𝑚𝑖𝑛 = -R𝜔 2 (1- 𝜆), nối CD cắt AB tại E
- Lấy EF = -3𝜆R𝜔 2 Nối CF và DF
- Phân đoạn CF và DF thành những đoạn nhỏ bằng nhau ghi các số 1, 2, 3, 4và 1’, 2’, 3’, 4’
- Nối 11’, 22’, 33’, 44’,… Đường bao của ca ́c đoạn thẳng này biểu thi ̣ quan hệ của hàm số: j = f(x)
- Từ điểm A tương ứng với điếm chết trên lấy lên phía trên 1 đoạn 𝐴𝐶 = 𝑗𝑚𝑎𝑥
B tương ứng với điểm chết dưới lấy xuống dưới 1 đoạn 𝐵𝐷 = 𝑗𝑚𝑖𝑛
𝜇 𝑗 Nối CD, CD cắt trục hoành tại E, từ E lấy xuống dưới một đoạn 𝐸𝐹 = −3𝑅𝜆𝜔 2
- Ta có đươc đồ thi ̣:
Hình 1.4: Đồ thi ̣ gia tốc j
1.6 Đồ thi ̣ khai triển: Pkt, Pj, P1 – α
𝑃 𝑗 = −m R ω (cosα + λ cos2α) -𝑃 1 ta tính theo công thức:
𝑃 1 = 𝑃 𝑘𝑡 + 𝑃 𝑗 -𝑃 𝑘𝑡 ta lấy từ số liệu đã tính từ đô ̀ thi ̣ công (p-v) -Ta lập được bảng giá tri ̣ của 𝑃 𝑘𝑡 ; 𝑃 𝑗 ; 𝑃 1 :
𝛼 Px Pj bd 𝑃 1 𝛼 Px Pj bd 𝑃 1 độ Mpa mm mm 365 4.986 -2.12 29.09
Bảng 1.3 giá trị lực của 𝑃 𝑘𝑡 ; 𝑃 𝑗 ; 𝑃 1
- Ca ́c đồ thi ̣ 𝑃 𝑘𝑡 ; 𝑃 𝑗 ; 𝑃 1 được biễu diễn trên cùng 1 trục tọa độ
- Chọn hệ trục tọa độ có trục tung chỉ 𝑃 ; 𝑃 ; 𝑃 trục hoành chỉ anpha
- Chuyển dữ liệu từ excel sang cad ta được đô ̀ thị:
Hình 1.5 Đồ thị khai triễn 𝑃 𝑘𝑡 ; 𝑃 𝑗 ; 𝑃 1 − 𝛼
1.7 Đồ thi ̣ biễu diễn lực tiếp tuyến T - lực ngang N – lực pháp tuyến Z
- Ta kết hợp ba đô ̀ thi ̣ T=f(α), N= f(α), Z= f(α) trên cùng 1 đồ thi ̣
- Áp dụng các công thức tính T, N, Z:
- 𝑃 1 được tính theo công thức:
𝑃 𝑘𝑡 và 𝑃 𝑗 được lấy từ thông số cho trước và tính bên đô ̀ thi ̣ khai triển
- Từ đó ta lập được bảng:
T N Z T N Z mm mm mm mm mm mm
- Chọn hệ trục tọa độ với trục tung biễu diễn giá tri ̣ biễu diễn của các lực T, N, Z và trục hoành biễu diễn giá tri ̣ của góc α
- Chuyển dữ liệu từ excel sang cad ta được đô ̀ thi ̣
1.8 Ve ̃ đồ thi ̣ tổng T: ∑T=f(α) Để vẽ đồ thi ̣ tổng T ta thực hiện theo những bước sau:
- Lập bảng xa ́ c đi ̣nh góc α ứng với góc lệnh các khuỷu theo thứ tự làm việc
- Thứ tự làm việc của động cơ là: 1-5-2-4-6-3 α xylanh 0-180 180-360 360-540 540-720
1 Nạp Nén Cháy giản nở Thải
5 Thải Nạp Nén Cháy GN
2 Thải Nạp Nén Cháy GN
4 Cháy GN Thải Nạp Nén
6 Nén Cháy GN Thải Nạp
3 Nén Cháy GN Thải Nạp
Bảng 1.5 xác đi ̣nh góc α ứng với các khuỷu theo thứ tự làm việc
- Sau khi lập bảng xác đi ̣nh góc α ứng với các khuỷu theo thứ tự làm việc, dựa vào bảng tính T, N, Z và lấy tỉ lệ xích 𝜇 ∑T = 𝜇 𝑇 = 0.052 ( 𝑀𝑁/𝑚2
𝑚𝑚 ), ta lập được bảng tính ∑T=f(α) Tri ̣ số của 𝑇 đã được ti ̣nh tiến theo α
- Cộng tất cả các giá tri ̣ của T ta có ∑ T= 𝑇 1 + 𝑇 2 + 𝑇 3 + 𝑇 4 + 𝑇 5 + 𝑇 6 a1 T1 a2 T2 a3 T3 a4 T4 a5 T5 a6 T6 𝛴T độ mm độ mm độ mm độ mm độ mm độ mm mm
Bảng 1.6 Tri ̣ số của 𝑇 ti ̣nh tiến theo α
- Nhận thấy đô ̀ thi ̣ tổng T lặp lại theo chu kỳ 120° vì vậy chỉ cần tính tổng T từ 0 đến 120° sau đó suy ra cho ca ́c chu kỳ còn lại
- Vẽ đồ thi ̣ tổng T bằng cách
Bước 1, Tạo hàm và ở excel là α&”,”&∑T và kéo công thức đến 120°
Bước 2, Copy chuỗi số vừa tạo, sau đó vào AutoCad tạo trục hoành là α, trục tung là
Bước 3, Gắn trục tọa độ OXY vào biểu đồ sau đó sử dụng lệnh Spline sau đó dán chuỗi số đã copy ở excel và nhấn Enter
1.9 Đồ thi ̣ phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu Đô ̀ thi ̣ phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu dùng để xác đi ̣nh lực tác dụng lên chốt khuỷu ở mỗi vi ̣ trí của chốt khuỷu Sau khi có đồ thi ̣ này ta sẽ xác đi ̣nh được tri ̣ số trung bình của phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu, cũng có thể dễ dàng tìm được lực lớn nhất và bé nhất, dùng đô ̀ thi ̣ phụ tải có thể xác đi ̣nh được khu vực chi ̣u tải ít nhất để xác đi ̣nh vi ̣ trí lỗ khoan dẫn dầu bôi trơn và để xa ́c đi ̣nh phụ tải khi tính sức bền ổ trục
Ca ́c bước tiến hành để vẽ đồ thi ̣ phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu tiến hành như sau:
-Ve ̃ hệ trục tọa độ TO’Z trong đó trục hoành O’T có chiều dương từ tâm O’ về phía phải còn trục tung O’Z có chiều dương hướng xuống dưới
- Dựa vào bảng tính T và Z Ta có được tọa độ các điểm ứng với ca ́c góc α = 10°; 20°; 30°…720° Cứ tuần tự ta xa ́c đi ̣nh được các điểm từ 0 đến 720 độ
- Ta dùng lệnh nối trong excel giữa 2 trục hoành và trục tung ta copy hàm đã nối
Và dùng phần mềm autocad để ve ̃ bằng lệnh spl thì ta sẽ vẽ được đồ thi ̣ phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu
- Từ gốc tọa độ của O’ lấy theo hướng dương của Z một khoảng:
Tâm chốt khuỷu đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích lực tác dụng lên nó Từ tâm chốt khuỷu, ta kẻ đường tròn tượng trưng cho chốt khuỷu, và giá trị của lực tác dụng lên chốt khuỷu được biểu diễn bằng vecto có gốc tại tâm chốt khuỷu O và ngọn là một điểm bất kỳ nằm trên đường biểu diễn đồ thị phụ tải.
Hình 1.8: Đồ thi ̣ phụ tỉa tác dụng lên chốt khuỷu
1.10 Ve ̃ đồ thi ̣ phụ tải tác dụng lên đầu to thanh truyền Để vẽ đồ thi ̣ phụ tải tác dụng lên đầu to thanh truyền ta thực hiện theo các bước như sau:
- Tính các giá tri ̣ T’ và Z’ qua ca ́c công thức sau:
- Sau khi có được giá trj của T’ và Z’ ta tạo hàm và giữa T’&Z’ trong bảng excel:
=T’&”,”&Z’ sau đó kéo công thức này đến hết chuỗi số
Để tạo ra hình ảnh minh họa cho bài viết, chúng ta hãy bắt đầu bằng việc vẽ một đường tròn với tâm O và đường kính bằng với đầu to của thanh truyền Tiếp theo, kẻ các đường đi qua tâm của đường tròn này, với khoảng cách giữa các đường là 10°, tạo thành một mạng lưới giúp chúng ta dễ dàng hình dung và phân tích chuyển động của thanh truyền.
- Vẽ trục hoàng là T’ & trục tung là Z’
To create a Spline in AutoCAD, start by attaching the OXY coordinate system to the Y and X axes Next, apply the Spline function to the coordinate data, then copy the resulting function values and paste them into Excel After that, copy the T' and Z' values and return to AutoCAD, where you can input the Spline command and press Enter to generate the desired Spline.
- Đa ́ nh các điểm số từ 0, 10, 20, …720 để thể hiện 72 điểm được vẽ trên đồ thi ̣
Hình 1.9: Đồ thi ̣ phụ tải tác dụng lên đầu to thành truyền
1.11 Đồ thi ̣ khai triển vector phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu Q=f(α)
- Chọn tỷ lệ xích: 𝜂 𝛼 = 2 (độ/mm) η 𝑄 = 0,052( 𝑀𝑁/𝑚 2
Để xác định Q, có thể đo khoảng cách từ tâm O của đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu tới các điểm a = (T; Z), từ đó Q cũng có thể được tính theo công thức tương ứng.
Bảng 1.7 số liệu phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu Q=f(α)
Bảng số liệu đô ̀ thi ̣ khai triển vector phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu Q=f(α)
+ Chuyển dữ liệu từ excel sang cad ta được đô ̀ thi ̣:
Hình 1.10: Đồ thi ̣ khai triển phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu
1.12 Đồ thi ̣ mài mòn chốt khuỷu
- Ta tính toa ́ n đồ thi ̣ mài mòn chốt khuỷu từ đồ thi ̣ phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu:
Đường tròn được chia thành 24 đoạn bằng nhau để xác định độ mài mòn một cách chính xác hơn, đánh số thứ tự theo chiều quy ước ngược kim đồng hồ, giúp đo lường và đánh giá độ mài mòn một cách chi tiết và đáng tin cậy.
- Từ mỗi điểm trên đường tròn O1, O2, O3,…ta kẻ đường thẳng đi qua tâm đường tròn
Sau khi kẻ các đường thẳng, sẽ có các đường thẳng cắt đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu tại nhiều điểm khác nhau, chẳng hạn như a, b, c,… hoặc có những đường không cắt đồ thị phụ tải, điều này cho phép phân tích và xác định các điểm quan trọng trên đồ thị.
Khi đường thẳng cắt đồ thị phụ tải, khoảng cách từ tâm O của đường tròn đến điểm cắt sẽ được đo và thu thập, tạo ra nhiều khoảng cách khác nhau như Oa, Ob, Oc, … trên cùng một đường thẳng.
- Sau khi tính được các khoảng ca ́ch, ta tính được tổng các khoảng cách đó trên 1 đường thẳng
- Lực tác dụng có ảnh hưởng đều trong miền 120°
- Tương đương ca ́c điểm bên cạnh sẽ chi ̣u ảnh hưởng mài mòn từ các điểm khác, ta tính được tổng lực mài mòn trên 1 điểm
- Trong cửa sổ Autocad, ta dùng lệnh Spline để nối ca ́c điểm tượng trưng cho độ sâu mài mòn tại 24 điểm ban đầu
- Tiếp theo ta khảm ca ́c độ sâu mài mòn để hoàn tất đồ thi ̣
Hình 1.11 Đồ thị mài mòn chốt khuỷu
Đồ thi ̣ chuyển vi ̣, vận tốc theo alpha
1.4.1 Đồ thi ̣ biễu diễn hành trình piston x = f(α)
- Chọn tỷ lệ xích: 𝜇 𝛼 = 2(độ/𝑚𝑚)
- Xét α từ 0 -180º Ta có bảng só liệu sau: a abd X X bd Vận tốc độ 2 mm 0.54 m/s
Bảng 1.2 Số liệu đồ thị biểu diễn hành trình piston 1.4.2 Đồ thi ̣ biểu diễn tốc độ của piston v=f(α)
* Ve ̃ đường biễu diễn tốc độ theo phương pháp đồ thi ̣ vòng
- Xa ́c đi ̣nh vận tốc góc của chốt khuỷu
- Ve ̃ đường tròn tâm O bán kính 𝑅 2 mm
- Chia nửa vòng tròn tâm O bánh kính R thành 18 phần bằng nhau và đa ́ nh sô thứ tự từ
- Chia vòng tròn tâm O bán kính 𝑅 2 thành 18 phần bằng nhau và đa ́ nh số thứ tự từ 1’ đến 18’ và theo chiều ngược lại
Từ các điểm 1, 2, 3, kẻ các đường thẳng vuông góc với AB, cắt các đường song song với AB kẻ từ các điểm 1’, 2’, 3’, tương ứng với các giao điểm Khi nối các giao điểm này lại, ta sẽ có được đường cong giới hạn tốc độ của piston Khoảng cách từ đường cong này đến nửa đường tròn biểu diễn trị số tốc độ của piston ứng với các góc α, tạo nên một mối quan hệ trực quan giữa vị trí và tốc độ của piston.
* Vẽ đường biễu diễn tốc độ trên excel
Hình 1.2 Đồ thị vận tốc
* Để khảo sát mối quan hệ giữa hành trình piston và vận tốc của piston ta đặt chúng cùng chung hệ trục tọa độ
Hình 1.4 Đồ thị chuyển vị
Đồ thi ̣ biễu diễn gia tốc j=f(α)
- Chọn hệ trục tọa độ với trục hoành biễu diễn α, trục tung biễn diễn giá tri ̣ của gia tốc
Giải gia tốc của Piston bằng phương pha ́p đồ thi ̣ thường dùng phương pháp TôLê Cách tiến hành cụ thể như sau:
- Lấy đoạn thẳng AB = S = 2R Từ A dựng đoạn thẳng AC = J 𝑚𝑎𝑥 = R𝜔 2 (1+𝜆) Từ B dựng đoạn thẳng BD = 𝐽 𝑚𝑖𝑛 = -R𝜔 2 (1- 𝜆), nối CD cắt AB tại E
- Lấy EF = -3𝜆R𝜔 2 Nối CF và DF
- Phân đoạn CF và DF thành những đoạn nhỏ bằng nhau ghi các số 1, 2, 3, 4và 1’, 2’, 3’, 4’
- Nối 11’, 22’, 33’, 44’,… Đường bao của ca ́c đoạn thẳng này biểu thi ̣ quan hệ của hàm số: j = f(x)
- Từ điểm A tương ứng với điếm chết trên lấy lên phía trên 1 đoạn 𝐴𝐶 = 𝑗𝑚𝑎𝑥
B tương ứng với điểm chết dưới lấy xuống dưới 1 đoạn 𝐵𝐷 = 𝑗𝑚𝑖𝑛
𝜇 𝑗 Nối CD, CD cắt trục hoành tại E, từ E lấy xuống dưới một đoạn 𝐸𝐹 = −3𝑅𝜆𝜔 2
- Ta có đươc đồ thi ̣:
Hình 1.4: Đồ thi ̣ gia tốc j
Đồ thi ̣ khai triển: Pkt, Pj, P1 – α
𝑃 𝑗 = −m R ω (cosα + λ cos2α) -𝑃 1 ta tính theo công thức:
𝑃 1 = 𝑃 𝑘𝑡 + 𝑃 𝑗 -𝑃 𝑘𝑡 ta lấy từ số liệu đã tính từ đô ̀ thi ̣ công (p-v) -Ta lập được bảng giá tri ̣ của 𝑃 𝑘𝑡 ; 𝑃 𝑗 ; 𝑃 1 :
𝛼 Px Pj bd 𝑃 1 𝛼 Px Pj bd 𝑃 1 độ Mpa mm mm 365 4.986 -2.12 29.09
Bảng 1.3 giá trị lực của 𝑃 𝑘𝑡 ; 𝑃 𝑗 ; 𝑃 1
- Ca ́c đồ thi ̣ 𝑃 𝑘𝑡 ; 𝑃 𝑗 ; 𝑃 1 được biễu diễn trên cùng 1 trục tọa độ
- Chọn hệ trục tọa độ có trục tung chỉ 𝑃 ; 𝑃 ; 𝑃 trục hoành chỉ anpha
- Chuyển dữ liệu từ excel sang cad ta được đô ̀ thị:
Hình 1.5 Đồ thị khai triễn 𝑃 𝑘𝑡 ; 𝑃 𝑗 ; 𝑃 1 − 𝛼
Đồ thi ̣ biễu diễn lực tiếp tuyến T - lực ngang N – lực pháp tuyến Z
- Ta kết hợp ba đô ̀ thi ̣ T=f(α), N= f(α), Z= f(α) trên cùng 1 đồ thi ̣
- Áp dụng các công thức tính T, N, Z:
- 𝑃 1 được tính theo công thức:
𝑃 𝑘𝑡 và 𝑃 𝑗 được lấy từ thông số cho trước và tính bên đô ̀ thi ̣ khai triển
- Từ đó ta lập được bảng:
T N Z T N Z mm mm mm mm mm mm
- Chọn hệ trục tọa độ với trục tung biễu diễn giá tri ̣ biễu diễn của các lực T, N, Z và trục hoành biễu diễn giá tri ̣ của góc α
- Chuyển dữ liệu từ excel sang cad ta được đô ̀ thi ̣
Ve ̃ đồ thi ̣ tổng T: ∑T=f(α)
Để vẽ đồ thi ̣ tổng T ta thực hiện theo những bước sau:
- Lập bảng xa ́ c đi ̣nh góc α ứng với góc lệnh các khuỷu theo thứ tự làm việc
- Thứ tự làm việc của động cơ là: 1-5-2-4-6-3 α xylanh 0-180 180-360 360-540 540-720
1 Nạp Nén Cháy giản nở Thải
5 Thải Nạp Nén Cháy GN
2 Thải Nạp Nén Cháy GN
4 Cháy GN Thải Nạp Nén
6 Nén Cháy GN Thải Nạp
3 Nén Cháy GN Thải Nạp
Bảng 1.5 xác đi ̣nh góc α ứng với các khuỷu theo thứ tự làm việc
- Sau khi lập bảng xác đi ̣nh góc α ứng với các khuỷu theo thứ tự làm việc, dựa vào bảng tính T, N, Z và lấy tỉ lệ xích 𝜇 ∑T = 𝜇 𝑇 = 0.052 ( 𝑀𝑁/𝑚2
𝑚𝑚 ), ta lập được bảng tính ∑T=f(α) Tri ̣ số của 𝑇 đã được ti ̣nh tiến theo α
- Cộng tất cả các giá tri ̣ của T ta có ∑ T= 𝑇 1 + 𝑇 2 + 𝑇 3 + 𝑇 4 + 𝑇 5 + 𝑇 6 a1 T1 a2 T2 a3 T3 a4 T4 a5 T5 a6 T6 𝛴T độ mm độ mm độ mm độ mm độ mm độ mm mm
Bảng 1.6 Tri ̣ số của 𝑇 ti ̣nh tiến theo α
- Nhận thấy đô ̀ thi ̣ tổng T lặp lại theo chu kỳ 120° vì vậy chỉ cần tính tổng T từ 0 đến 120° sau đó suy ra cho ca ́c chu kỳ còn lại
- Vẽ đồ thi ̣ tổng T bằng cách
Bước 1, Tạo hàm và ở excel là α&”,”&∑T và kéo công thức đến 120°
Bước 2, Copy chuỗi số vừa tạo, sau đó vào AutoCad tạo trục hoành là α, trục tung là
Bước 3, Gắn trục tọa độ OXY vào biểu đồ sau đó sử dụng lệnh Spline sau đó dán chuỗi số đã copy ở excel và nhấn Enter
Đồ thi ̣ phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu
Đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu là công cụ quan trọng để xác định lực tác dụng lên chốt khuỷu tại mỗi vị trí Thông qua đồ thị này, ta có thể xác định trị số trung bình của phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu, cũng như tìm được lực lớn nhất và bé nhất tác dụng lên nó Ngoài ra, đồ thị phụ tải còn giúp xác định khu vực chịu tải ít nhất, từ đó xác định vị trí lỗ khoan dẫn dầu bôi trơn và tính toán phụ tải khi đánh giá sức bền ổ trục.
Ca ́c bước tiến hành để vẽ đồ thi ̣ phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu tiến hành như sau:
-Ve ̃ hệ trục tọa độ TO’Z trong đó trục hoành O’T có chiều dương từ tâm O’ về phía phải còn trục tung O’Z có chiều dương hướng xuống dưới
- Dựa vào bảng tính T và Z Ta có được tọa độ các điểm ứng với ca ́c góc α = 10°; 20°; 30°…720° Cứ tuần tự ta xa ́c đi ̣nh được các điểm từ 0 đến 720 độ
- Ta dùng lệnh nối trong excel giữa 2 trục hoành và trục tung ta copy hàm đã nối
Và dùng phần mềm autocad để ve ̃ bằng lệnh spl thì ta sẽ vẽ được đồ thi ̣ phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu
- Từ gốc tọa độ của O’ lấy theo hướng dương của Z một khoảng:
Tâm chốt khuỷu đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích lực tác dụng lên nó Từ tâm chốt khuỷu, ta kẻ đường tròn tượng trưng cho chốt khuỷu, và giá trị của lực tác dụng lên chốt khuỷu được biểu diễn bằng vecto có gốc tại tâm chốt khuỷu O và ngọn là một điểm bất kỳ nằm trên đường biểu diễn đồ thị phụ tải.
Hình 1.8: Đồ thi ̣ phụ tỉa tác dụng lên chốt khuỷu.
Ve ̃ đồ thi ̣ phụ tải tác dụng lên đầu to thanh truyền
Để vẽ đồ thi ̣ phụ tải tác dụng lên đầu to thanh truyền ta thực hiện theo các bước như sau:
- Tính các giá tri ̣ T’ và Z’ qua ca ́c công thức sau:
- Sau khi có được giá trj của T’ và Z’ ta tạo hàm và giữa T’&Z’ trong bảng excel:
=T’&”,”&Z’ sau đó kéo công thức này đến hết chuỗi số
Vẽ dạng đường tròn với tâm O và đường kính bằng với đầu to của thanh truyền, sau đó kẻ các đường đi qua tâm đường tròn và các đường này cách nhau 10°, tạo thành một mạng lưới góc giúp phân tích và mô tả chuyển động của thanh truyền một cách chính xác.
- Vẽ trục hoàng là T’ & trục tung là Z’
To create a Spline in AutoCAD, start by attaching the OXY coordinate system to the y-axis and x-axis, then apply it to the Spline Next, copy the array of function values from Excel and paste T' and Z' values into AutoCAD Finally, enter the Spline command and press Enter to generate the desired Spline curve.
- Đa ́ nh các điểm số từ 0, 10, 20, …720 để thể hiện 72 điểm được vẽ trên đồ thi ̣
Hình 1.9: Đồ thi ̣ phụ tải tác dụng lên đầu to thành truyền
Đồ thi ̣ khai triển vector phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu Q=f(α)
- Chọn tỷ lệ xích: 𝜂 𝛼 = 2 (độ/mm) η 𝑄 = 0,052( 𝑀𝑁/𝑚 2
Xác định Q bằng cách đo khoảng cách từ tâm O của đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu tới các điểm a = (T; Z) là một phương pháp hiệu quả Công thức tính Q cũng có thể được áp dụng để xác định giá trị này.
Bảng 1.7 số liệu phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu Q=f(α)
Bảng số liệu đô ̀ thi ̣ khai triển vector phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu Q=f(α)
+ Chuyển dữ liệu từ excel sang cad ta được đô ̀ thi ̣:
Hình 1.10: Đồ thi ̣ khai triển phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu
Đồ thi ̣ mài mòn chốt khuỷu
- Ta tính toa ́ n đồ thi ̣ mài mòn chốt khuỷu từ đồ thi ̣ phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu:
Để xác định độ mài mòn chính xác hơn, đường tròn được chia thành 24 đoạn bằng nhau và đánh số thứ tự theo chiều quy ước ngược kim đồng hồ, giúp đánh giá và phân tích độ mài mòn một cách chi tiết và chính xác.
- Từ mỗi điểm trên đường tròn O1, O2, O3,…ta kẻ đường thẳng đi qua tâm đường tròn
Sau khi kẻ các đường thẳng, sẽ có các đường thẳng cắt đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu tại nhiều điểm khác nhau như a, b, c,… hoặc ngược lại, một số đường thẳng không cắt đồ thị phụ tải.
Khi đường thẳng cắt đồ thị phụ tải, khoảng cách từ tâm O của đường tròn đến điểm cắt sẽ được đo và ghi nhận, tạo ra nhiều khoảng cách khác nhau như Oa, Ob, Oc, … trên cùng đường thẳng đó.
- Sau khi tính được các khoảng ca ́ch, ta tính được tổng các khoảng cách đó trên 1 đường thẳng
- Lực tác dụng có ảnh hưởng đều trong miền 120°
- Tương đương ca ́c điểm bên cạnh sẽ chi ̣u ảnh hưởng mài mòn từ các điểm khác, ta tính được tổng lực mài mòn trên 1 điểm
- Trong cửa sổ Autocad, ta dùng lệnh Spline để nối ca ́c điểm tượng trưng cho độ sâu mài mòn tại 24 điểm ban đầu
- Tiếp theo ta khảm ca ́c độ sâu mài mòn để hoàn tất đồ thi ̣
Hình 1.11 Đồ thị mài mòn chốt khuỷu
PHÂN TÍCH ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU ĐỘNG CƠ THAM KHẢO
Chọn động cơ tham khảo: Duratec 3.7l V6 lắp trên xe ford mustang 2014
Động cơ Duratec 3.7L V6 trên xe Ford Mustang 2014 là một động cơ sử dụng nhiên liệu xăng, hoạt động theo chu trình 4 kỳ với cấu trúc 6 xylanh bố trí theo hình chữ V và góc lệch giữa hai hàng xylanh là 60 độ Động cơ này có dung tích xylanh 3,7 lít và sử dụng cơ cấu phân phối khí loại DOHC, với 24 xupap được điều khiển bởi 4 trục cam Trục cam được dẫn động bằng xích thông qua con đội thủy lực, kết hợp với hệ thống van nạp biến thiên thông minh để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.
Bảng so sánh các thông số của động cơ tham khảo so với số liệu đề:
TT Thông số kĩ thuật Kí hiệu Giá tri ̣ đề Động cơ duratec
2 Số xilanh / Số kỳ / cách bố trí i / τ 6 / 4 / V-type 6 / 4 / V6 / 60deg _
5 Đường kính x hành trình piston (mm x mm) D / S 96 x 80 96 x 86 7.5%
6 Công suất cực đại / số vòng quay (kW/ v/ ph) Ne / n 200 / 6200 227 /6500 13.5%
7 Hệ thống nhiên liệu L-EFI L-EFI _
Forced Circulation Water Cooling System Water cooled _
10 Hệ thống nạp - thải Động cơ không tăng áp Động cơ không tăng áp _
11 Hệ thống phân phối khí 24 valve, DOHC 24 valve, DOHC _
Bảng 2.1 so sánh các thông số của động cơ tham khảo so với số liệu đề
Phân tích động cơ tham khảo ford mustang
2.2.1 Giới thiệu nhóm Piston 2.2.1.1 Piston
Hình 2.2 piston động cơ duratec 3.7l v6
- Kết hợp với xylanh và nắp máy tạo thành buồng cháy
- Nhận áp lực của khí cháy và truyền lực qua thanh truyền tới trục khuỷu ở kỳ cháy giãn nở
- Tiếp nhận lực quán tính của bánh đà qua trục khuỷu, thanh truyền để thực hiện hành trình hút, nén, xả
-Piston phải chịu được ứng xuất cơ và ứng suất nhiệt, không bị biến dạng, chịu được ma sát và mài mòn
-Hệ số dãn nở vì nhiệt nhỏ, truyền nhiệt nhanh
-Piston được làm từ hợp kim nhôm nhưng các xéc măng piston được làm từ gang
Phân tích kết cấu piston:
Đỉnh piston là loại đỉnh lõm được thiết kế để tạo hỗn hợp nhiên liệu và không khí tốt hơn, đồng thời chịu được nhiệt độ lớn hơn Thiết kế này giúp tạo ra xoáy lốc nhẹ trong quá trình nén và quá trình cháy, từ đó cải thiện hiệu suất động cơ.
Đầu piston đóng vai trò quan trọng trong động cơ, bao gồm việc bao kín buồng cháy và tản nhiệt cho piston Trên bề mặt trụ ngoài của piston, thường có các rãnh được lắp đặt xecmang khí và xecmang dầu, giúp duy trì hoạt động trơn tru và hiệu quả của động cơ.
-Thân piston: Làm nhiệm vụ dẫn hướng cho piston chuyển động trong xy lanh và chi ̣u lực ngang, chịu mài mòn do tiếp xúc với lót xylanh
Hình 2.3 Xéc măng động cơ duratec 3.7 V6
Xéc măng khí đóng vai trò quan trọng trong động cơ, bao gồm việc bao kín buồng cháy và dẫn nhiệt từ đỉnh piston ra thành xilanh và tới nước làm mát Thông thường, piston sẽ được lắp đặt hai xéc măng khí vào hai rãnh trên cùng của piston để đảm bảo hiệu suất hoạt động Để tăng độ bền và giảm mài mòn, xéc măng khí thường được mạ một lớp Crom.
-Xéc măng dầu có nhiệm vụ san đều lớp dầu trên bề mặt làm việc và gạt dầu bôi trơn thừa từ xylanh về cacte
Hình 2.4 Chốt piston của động cơ
Chốt piston đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối piston với thanh truyền, đảm bảo điều kiện làm việc bình thường của động cơ Với thiết kế đơn giản nhưng hiệu quả, chốt piston thường có dạng hình trụ rỗng, cho phép các mối ghép với piston và thanh truyền được thực hiện dễ dàng theo hệ trục tọa độ Đặc biệt, chốt piston được thiết kế để lắp tự do ở cả hai mối ghép, giúp đảm bảo sự linh hoạt và ổn định trong quá trình hoạt động của động cơ.
2.2.2 Giới thiệu nhóm thanh truyền
Hình 2.5 thanh truyền của động cơ 2.2.2.1 Nhiệm vụ:
Thanh truyền đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối piston và trục khuỷu, giúp chuyển đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay tạo momen cho trục khuỷu Đồng thời, thanh truyền cũng nhận lực từ trục khuỷu để dẫn động piston nén khí trong buồng đốt, tạo nên một chu trình chuyển động liên tục và hiệu quả.
2.2.2.2 Điều kiện làm việc của thanh truyền:
- 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
Thông thường thanh truyền được làm từ thép hợp kim
2.2.2.4 Phân tích kết cấu thanh truyền:
Đầu nhỏ của piston có dạng hình trụ rỗng, được thiết kế để lắp ráp với chốt piston Bên trong đầu nhỏ có bạc lót được ghép chặt, đồng thời có lỗ dầu bôi trơn để đảm bảo hoạt động trơn tru của bạc lót, giúp tăng tuổi thọ và hiệu suất của piston.
Thân thanh truyền đóng vai trò là phần nối giữa đầu nhỏ và đầu to của thanh truyền, đồng thời chứa lỗ dẫn dầu bôi trơn để đảm bảo quá trình vận hành trơn tru Thiết kế kích thước của thân thanh truyền tăng dần từ đầu nhỏ đến đầu to giúp phù hợp với quy luật phân bố lực quán tính lắc đều của thanh truyền, trong khi chiều dày của thân được giữ đồng đều để đảm bảo độ bền và ổn định.
Đầu to thanh truyền nối với trục khuỷu được thiết kế gồm hai nửa, trong đó nửa trên được liền kề với thanh truyền và nửa dưới được chế tạo rời rạc Cấu tạo này cho phép dễ dàng lắp đặt và bảo trì Phía trong của đầu to được trang bị bạc làm bằng thép có tráng hợp kim đồng, giúp tăng độ bền và chống mài mòn Mặt trong của bạc được phay rãnh để chứa dầu bôi trơn, đảm bảo hoạt động trơn tru và hiệu quả của hệ thống Để đảm bảo độ chắc chắn và ổn định, các nửa của đầu to được ghép với nhau bằng bulong, và mỗi nửa bạc có dập định vị khớp để chống xoay bạc.
2.2.3 Giới thiệu trục khuỷu 2.2.3.1 Nhiệm vụ:
Trục khuỷu đóng vai trò quan trọng trong động cơ, nhận lực tác dụng từ piston và tạo ra mô men quay để kéo các máy công tác Đồng thời, trục khuỷu cũng nhận năng lượng từ bánh đà và truyền cho thanh truyền và piston, giúp thực hiện quá trình nén và trao đổi khí trong xylanh một cách hiệu quả Quá trình này giúp động cơ hoạt động trơn tru và ổn định, đảm bảo hiệu suất cao cho toàn bộ hệ thống.
Trục khuỷu là bộ phận quan trọng chịu tác động của lực T, Z do lực khí thể và lực quán tính của nhóm piston thanh truyền tạo ra Ngoài ra, trục khuỷu còn phải chịu thêm lực quán tính ly tâm từ các khối lượng quay lệch tâm của chính bản thân trục khuỷu và thanh truyền Các lực này gây ra hiện tượng uốn, xoắn, dao động xoắn và dao động ngang của trục khuỷu trên các ổ đỡ, đòi hỏi thiết kế và chế tạo trục khuỷu phải đảm bảo độ bền và ổn định cao.
Trục khuỷu của động cơ ô tô thường được chế tạo bằng thép hợp kim crôm, ni ken
Gồm 6 thành phần: Đầu khuỷu, cổ khuỷu, má khuỷu, má khuỷu trung gian, chốt khuỷu và đuôi trục khuỷu
Hình 2.6 Cấu tạo trục khuỷu
Đầu trục khuỷu được thiết kế để lắp đai ốc khởi động, cho phép quay trục khuỷu khi cần thiết hoặc khi khởi động bằng tay quay Ngoài ra, đầu trục khuỷu còn được trang bị then để lắp puly dẫn động quạt gió, máy phát điện và bơm nước của hệ thống làm mát, đồng thời lắp bánh răng trục khuỷu để dẫn động trục cam và các cơ cấu khác Hơn nữa, đầu trục khuỷu còn có cơ cấu hạn chế di chuyển dọc, giúp đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn của động cơ.
Đầu trục khuỷu động cơ Duratec V6 3.7L được thiết kế với cổ trục chính đặt vào gối đỡ ở các te có bạc lót tương tự như ở đầu to thanh truyền Bề mặt cổ trục được gia công chính xác để đạt độ bóng cao và trải qua quá trình nhiệt luyện để nâng cao độ cứng Do là động cơ chữ V, số cổ trục của động cơ Duratec 3.7L V6 ít hơn số xy lanh, đồng thời đường kính các cổ trục đều bằng nhau.
Chốt khuỷu là bộ phận quan trọng được lắp đặt với đầu to của thanh truyền, yêu cầu gia công chính xác với độ bóng cao và nhiệt luyện để nâng cao độ cứng tương tự như cổ trục Số lượng chốt khuỷu luôn tương ứng với số lượng động cơ, đảm bảo sự đồng bộ trong hoạt động Ví dụ, động cơ Duratec 3.7L V6 có đường kính chốt khuỷu nhỏ hơn so với đường kính cổ trục, thể hiện sự đa dạng trong thiết kế động cơ.
-Má khuỷu là phần nối liền giữa chốt khuỷu với cổ trục làm thành tay quay trục khuỷu
Má khuỷu của động cơ Duratec V6 có hình bầu dục đặc trưng Điểm nổi bật của thiết kế này là bốn má khuỷu ở giữa được chế tạo mỏng và nhỏ hơn hai má khuỷu phía ngoài, giúp giảm khối lượng và lực quán tính của trục khuỷu khi quay, từ đó tối ưu hóa hiệu suất động cơ.
Góc lệch khuỷu của động cơ 60° quá lớn đã dẫn đến việc các nhà sản xuất phải tìm giải pháp để khắc phục Để giải quyết vấn đề này, má khuỷu trung gian đã được sử dụng để kết nối hai chốt khuỷu với nhau, đảm bảo độ bền và ổn định khi hoạt động Đặc biệt, má khuỷu trung gian phải có kích thước lớn để tăng độ cứng vững và đảm bảo hiệu suất làm việc tối ưu.
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ
Tính toán, thiết kế nhóm piston
Hình 3.1.1 Piston động cơ duratec v6 3.1.1.1 Điều kiện làm việc của Piston:
Piston là bộ phận quan trọng trong động cơ, chịu tải trọng cơ học và nhiệt đáng kể, đồng thời phải đối mặt với ma sát và ăn mòn Điều kiện làm việc khắc nghiệt này đòi hỏi piston phải có thiết kế và vật liệu đặc biệt để đảm bảo hiệu suất và tuổi thọ của động cơ.
3.1.1.2 Cấu tạo Piston gồm ba phần chính
+ Đỉnh Piston: Là phần trên cùng của Piston, cùng với xy lanh và nắp máy tạo thành buồng cháy
+ Đầu Piston: Bao gồm đỉnh Piston và vùng đai lắp xécmăng dầu và xéc măng khí làm
+ Thân Piston: Phần phía dưới rãnh xéc măng dầu cuối cùng ở đầu Piston làm nhiệm vụ dẫn hướng cho Piston
Piston đóng vai trò quan trọng trong động cơ đốt trong, nhận áp suất từ sự giãn nở của khí cháy và truyền lực cho trục khuỷu để sinh công Ngoài ra, piston còn nhận lực từ trục khuỷu để thực hiện các quá trình nạp, nén và thải trong động cơ 4 thì Đặc biệt, ở động cơ 2 thì, piston còn đảm nhiệm chức năng làm van để đóng mở cửa hút và cửa xả, giúp tối ưu hóa quá trình hoạt động của động cơ.
Kết cấu đỉnh piston dạng đỉnh lõm sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội so với đỉnh bằng, nổi bật là diện tích chịu nhiệt lớn hơn, giúp tăng hiệu suất làm việc của động cơ Ngoài ra, thiết kế này còn tạo ra xoáy lốc nhẹ trong quá trình nén và cháy, góp phần cải thiện hiệu quả đốt cháy nhiên liệu và giảm thiểu hiện tượng kích nổ.
Kết cấu đầu piston đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hiệu suất động cơ Nhiệm vụ chính của đầu piston là bao kín, ngăn không cho khí lọt ra ngoài và dầu nhờn tràn vào buồng đốt Nếu đầu piston không được bao kín, công suất động cơ sẽ giảm, đồng thời dầu nhờn có thể bị hỏng và gây ra tình trạng cháy sớm, làm tăng mức độ mài mòn và hao tốn dầu.
Nên ta dùng 2 xecmang khí và 1 xecmang dầu để đảm bảo bao kín tốt và tránh lọt khí, lọt dầu
Kết cấu thân piston đóng vai trò quan trọng trong việc dẫn hướng cho piston chuyển động trong xy lanh và chịu lực ngang N Để đảm bảo dẫn hướng tốt và giảm thiểu va đập, khe hở giữa thân piston và xy lanh cần được thiết kế nhỏ nhất có thể Chiều dài của thân piston càng lớn thì khả năng dẫn hướng càng tốt, áp suất tác động lên piston càng nhỏ, đồng thời giảm thiểu sự mài mòn của piston.
Vị trí của lỗ bệ chốt đóng vai trò quan trọng trong việc phân bố áp suất của Piston nén trên xylanh Khi Piston đặt ở chính giữa thân, áp suất phân bố đều khi chịu lực ngang Tuy nhiên, khi Piston chuyển động, lực ma sát tác dụng làm cho Piston có xu hướng quay quanh chốt, dẫn đến áp suất phân bố không đều Để giải quyết vấn đề này, chốt Piston thường được đặt ở vị trí cao hơn trọng tâm phần thân, giúp phân bố áp suất do lực ngang và lực ma sát gây ra một cách đều hơn.
Chế tạo piston bằng hợp kim nhôm mang lại nhiều ưu điểm đáng kể, bao gồm trọng lượng nhẹ, hệ số dẫn nhiệt lớn và hệ số ma sát thấp với gang, giúp giảm thiểu ma sát khi piston di chuyển trong xylanh thường được làm bằng gang Ngoài ra, hợp kim nhôm còn dễ dàng đúc và gia công, giúp tối ưu hóa quá trình sản xuất.
Hình 3.1.2 xéc măng khí và xéc măng dầu -Xéc măng khí:
Xéc măng lửa là vòng nằm ở vị trí trên cùng của piston, tiếp xúc trực tiếp với luồng khí cháy bao gồm hỗn hợp xăng Đặc điểm của loại xéc măng này là có cả mặt trên và mặt dưới, đồng thời mặt ngoài được mạ một lớp crom để tăng độ bền bỉ, thường có màu trắng xung quanh.
Xéc măng ép, còn được gọi là xéc măng làm kín, là vòng thứ hai nằm giữa, kế tiếp với vòng xéc măng lửa ở bên trên Xéc măng ép có hình dáng giống với xéc măng lửa và cũng được mạ crom hoặc không mạ, thường có màu xám đậm.
Xéc măng dầu là vòng nằm cuối cùng, bên dưới 2 vòng xéc măng khí, được thiết kế đặc biệt với 2 vòng thép mỏng bên ngoài và 1 vòng đàn hồi hướng tâm ở giữa Vòng đàn hồi hướng tâm này có thiết kế độc đáo với các khe rãnh được phay tạo thành các khe nhỏ trên bề mặt, giúp tăng cường tiếp xúc với thành xylanh.
Trong quá trình hoạt động, chốt piston phải chịu tác động của lực khí cháy mạnh mẽ, lực quán tính từ chuyển động tịnh tiến và phải làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao, khiến việc bôi trơn trở nên khó khăn Điều này dẫn đến tình trạng chốt piston bị mài mòn nhanh chóng, ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ của động cơ.
Chốt pistông được chế tạo từ thép hợp kim cao cấp, trải qua quá trình nhiệt luyện, mài và đánh bóng cẩn thận để tối ưu hóa khả năng chống mài mòn bề mặt Đồng thời, kết cấu bên trong vẫn đảm bảo độ dẻo dai cần thiết, giúp chịu được tải trọng thay đổi và các tác động va đập hiệu quả.
- Chốt pistông có cấu tạo đơn giản là hình trụ rỗng, còn mặt trong là lỗ thẳng
3.1.2 Tính toán piston 3.1.2.1 Sơ đồ tính toán nhóm piston
Hình 3.1.4 Sơ đồ tính toán piston
Thông số Công thức Thay số Chọn Đơn vị
Chiều dày đỉnh δ có làm ma ́t đỉnh (0,05-0,1)D 0,09x96 9 mm
Kc c từ đỉnh đến xec men thứ 1 (0,6-1,2)δ 0,7x9 6,5 mm
Vị trí của chốt piston h (0,35-0,45)D 0,45x96 43 mm Đường kính chốt piston dcp (0,25-0,35)D 0,25x96 24 mm Đường kính bệ chốt db (1,3-1,6)dcp 1,3x24 31 mm Đường kính lỗ trong chốt do (0,6-0,8)dcp 0,8x24 20 mm
Chiều dày hướng kính t của xm (1/25-1/32)D 1/27x96 3.5 mm
Chiều cao a của secmen khí (0,3-0,6)t 0,5x3,5 1,7 mm
Số xéc măng dầu 1 hoặc 3 1
Chiều dày bờ rãnh a1 ≥a 1,7 mm
Bảng 3.1 Các thông số kích thước chọn của piston 3.1.2.3 Tính toán kiểm nghiệm bền piston: a) Đỉnh Piston
-Đỉnh piston chịu lực rất phức tạp, trạng thái ứng suất cũng rất phức tạp, - nó vừa chịu tải trọng cơ học vừa chịu tải trọng nhiệt
Đỉnh pit-tông thường phải chịu tải trọng phức tạp, do đó việc tính toán đỉnh pit-tông thường được thực hiện dựa trên các phương pháp gần đúng và các giả thuyết nhất định.
-Phương pháp Back – công thức Back xây dựng trên các giả thuyết sau:
Hình 3.1.5 Sơ đồ tính đỉnh piston theo phương pháp Back
Đỉnh piston được xem như một đĩa tròn có chiều dày đồng đều, được đặt tự do trên hình trụ rỗng Áp suất khí thể tác dụng lên đỉnh piston phân bố đều với giá trị tối đa là 5,3 MN/m2.
+Lực khí thể P z max =𝑝 𝑧𝑚𝑎𝑥 F p và phản lực của nó gây uốn đỉnh pistông Xét ứng suất uốn ở tiết diện x-x
+Trên nửa đỉnh pit-tông có các lực tác dụng sau đây:
Hình 3.1.6 Các lực tác dụng lên trên nữa đỉnh pit-tông
Lực khí thể (pz) tác dụng lên nữa đỉnh piston:
4 = 0.0384 (MN) Lực (y1) này tác dụng tại trọng tâm của nửa hình tròn:
Phản lực (y2) phân bố trên nửa đường tròn đường kính Di, với giá trị bằng Pz/2, tác động lên trọng tâm của nửa đường tròn và cách trục x-x một khoảng nhất định.
4 × 5,3 × 0,096 3 = 1,95 × 10 −4 (MN.m) (1-2) Môdun (𝑊 𝑢 ) chống uốn của tiết diện đỉnh:
Do ứng suất uốn đỉnh piston: 𝜎 𝑢 = 𝑀 𝑢
1,296×10 −6 0,46 (MN/m 2 ) Ứng suất cho phép đối với piston bằng nhôm hợp kim đỉnh có gân:
𝑚𝑚 (𝑡ℎỏ𝑎) Ứng suất cho phép như sau:
Tính toán, thiết kế nhóm thanh truyền
3.2.1 Phân tích nhóm thanh truyền
Hình 3.2.1 Thanh truyền động cơ duratec v6
3.2.1.1 Kết cấu thanh truyền: được chia làm 3 phần
- Đầu nhỏ thanh truyền: Đầu lắp ghép chốt pistông
- Đầu to thanh truyền: Lắp ghép giữa thanh truyền với chốt khuỷu
- Thân thanh truyền: Là phần thanh truyền nối giữa đầu nhỏ và đầu to
Đầu nhỏ của thanh truyền có dạng hình trụ rỗng, đòi hỏi sự chú ý đặc biệt về bôi trơn do chuyển động tương đối giữa chốt pitông và đầu nhỏ Để đảm bảo hiệu suất hoạt động, dầu bôi trơn được đưa lên mặt chốt pitông và bạc lót đầu nhỏ thông qua đường dẫn dầu khoan dọc theo thân thanh truyền, giúp giảm thiểu ma sát và tăng tuổi thọ cho các bộ phận.
Hình 3.2.2 Đầu nhỏ thanh truyền
Kích thước đầu to của thanh truyền phụ thuộc vào đường kính và chiều dài chốt khuỷu, do đó cần được tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu Lực quán tính chuyển động quay nhỏ là một yếu tố quan trọng cần được xem xét trong thiết kế đầu to của thanh truyền Ngoài ra, chỗ chuyển tiếp giữa thân và đầu to phải có góc lượn lớn để giảm ứng suất tập trung, giúp tăng độ bền và tuổi thọ của thanh truyền.
Hình 3.2.3 Đầu to thanh truyền
+ Thân thanh truyền: tiết diện chữ I, chế tạo theo phương pháp rèn khuôn, thích hợp với phương án sản xuất lớn
Hình 3.2.5 Bạc lót đầu to
Hình 3.2.5 Bạc lót đầu nhỏ
Bạc lót thường được chế tạo bằng thép tấm uốn cong, với mặt trong được tráng một lớp hợp kim chịu mòn như đồng-chì hoặc thiếc-chì Đối với bạc lót dày, cả gộp bạc và lớp hợp kim chịu mòn đều có độ dày đáng kể, đồng thời thường được trang bị gờ vai tráng hợp kim chịu mòn để hạn chế di chuyển dọc trục Ngoài ra, giữa hai bề mặt phân cách của bạc đôi khi còn có các tấm đệm thép, giúp dễ dàng sửa chữa và cạo rà bạc lót theo kích thước yêu cầu.
Bu lông thanh truyền có cấu tạo đơn giản nhưng đóng vai trò quan trọng trong lắp ghép các chi tiết máy Cụ thể, hai nửa đầu to của bu lông được định vị chắc chắn bằng hai mặt trụ, giúp tăng độ ổn định và chính xác khi sử dụng Đặc biệt, đầu bu lông được thiết kế với mặt vát A để chống xoay khi lắp ghép, đồng thời mặt B giúp tổng phản lực tác dụng đúng trên đường tâm của bu lông, từ đó ngăn chặn hiện tượng uốn cong và đảm bảo độ bền cho bu lông.
3.2.2 Tính toán nhóm thanh truyền 3.2.2.1 Sơ đồ tính toán nhóm thanh truyền
Hình 3.2.7 Sơ đồ tính toán thanh truyền
3.2.2.2 Bảng thông số chọn: thông số công thức Thay số chọn đơn vị Đường ngoài bạc d1 (1,1-1,25).dcp 1,2x24 1,2x25 mm Đường kính đầu nhỏ d2 (1,25-1,65).dcp 1,5x24 36 mm
Chiều dày đầu nhỏ ld (0,28-0,32).D 0,28x96 27 mm
Chiều dày bạc đầu nhỏ (0,055-0,085).dcp 0,08x24 2 mm
Chiều dài thanh truyền L R/λ 40/0,24 160 mm
H (0,5-0,55).d2 0,55x36 20 mm h 0,688 x H 0,688x20 12 mm Độ dày thân thanh truyền B 0,75 x H 0,75x20 15 mm b/2 0,292 x H 0,292x20 5,5 mm t 0,166 x H 0,166x20 4 mm Đường kính chốt khuỷu dck (0,56-0,75).D 0,56x96 54 mm
Chiều dày bạc lót tbl mm bạc mỏng (0,03-0,05) dck 0,037x54 2 mm
Khoảng cách tâm bu lông c (1,3-1,75) dck 1,3x54 72 mm Chiều dày đầu to ldt (0,45-0,95) dck 0,45x54 21,8 mm Bảng 3.2 Các thông số kích thước chọn của thanh truyền
3.2.2.3 Tính toán kiểm nghiệm bền a) Tính sức bền đầu nhỏ thanh truyền
∗ Tính sức bền đầu nhỏ khi kéo:
-Coi đầu nhỏ là dầm cong ngàm một đầu tại C-C, ngàm C-C chịu uốn lớn nhất
Hình 3.2.8: Tải trong tác dụng đầu Hình 3.2.9: Ứng suất tác dụng lên nhỏ thanh truyền khi chịu kéo đầu nhỏ thanh truyền khi chịu kéo
Trong đó: H- Chiều rộng của thân nối với đầu nhỏ H = 20mm
𝜌 1 bán kính trung bình đầu nhỏ: 𝜌 = 𝑑 1 +𝑑 2
4 = 16 Tại mặt cắt C-C ta có:
Hình 3.2.10: Tải trọng tác dụng lên đầu nhỏ thanh truyền khi chịu nén
𝑁 𝑗 = 𝑁 𝐴 𝜌 cos 𝛾 + 0,5𝑃 𝑗 (sin 𝛾 − cos 𝛾) = 4450 (𝑁) Với MA và NA có thể tính theo công thức gần đúng
𝑁 𝐴 = −𝑃 𝑗 (0,572 − 0,0008𝛾) = 4760 (𝑁) Trong đó: 𝐿ự𝑐 𝑞𝑢á𝑛 𝑡í𝑛ℎ 𝑃 𝑗 = −𝑚 𝑝 × R × 𝜔 2 × (1 + λ) = −10000N -Lực tác dụng trên dầm cong có bán kính cong bằng bán kính trung bình của đầu nhỏ 𝜌 là lực phân bố có giá trị là: q= 𝑃 𝑗
𝐸 𝑑 𝐹 𝑑 +𝐸 𝑏 𝐹 𝑏 là hệ số giảm tải
𝐸 𝑑 , là môduyn đàn hồi của vật liệu thanh truyền: 𝐸 𝑑 = 2,2 × 10 5
𝐸 𝑏 , là môduyn đàn hồi của vật liệu bạc lót: 𝐸 𝑏 = 1,15 × 10 5
𝐹 𝑑 , Tiết diện dọc của đầu nhỏ thanh truyền:
𝐹 𝑏 , Tiết diện dọc của bạc lót:
Suy ra: 𝑁 𝑘 560 Nếu tiết diện C-C là hình chữ nhật thì:
- Ứng suất tác dụng lên mặt ngoài khi chịu kéo:
- Ứng suất tác dụng lên mặt trong khi chịu kéo:
Trong đó s là chiều dàu đầu nhỏ: s= 𝑑 2
∗Tính sức bền đầu nhỏ khi nén:
Hình 3.2.11: Ứng suất tác dụng lên đầu nhỏ thanh truyền khi chịu nén
+Lực nén tác dụng là hợp lực của lực khí thể và lực quán tính:
𝐹 𝑝 Diện tích đỉnh piston: 𝐹 𝑝 = 7 × 10 −3 𝑚 Theo Kinaxotsvily lực 𝑃 1 phân bố trên nửa dưới đầu nhỏ theo đường Côsin
Tại tiết diện C-C nguy hiểm nhất
Mô men uốn và lực pháp tuyến tại đây được tính:
𝜋 = 0,013 𝑣à 1 − cos 𝜑 = 1,5 Ứng suất nén mặt ngoài và mặt trong tại C-C sẽ là:
𝑙 𝑑 𝑠 = −17𝑀𝑁/𝑚 2 b) Tính bền thanh truyền đầu to:
Hình 3.2.12: Tải trọng tác dụng lên đầu to thanh truyền
+Lực quán tính tối đa của tiết diện A-A:
+Mômen kháng của tiết diện A-A
6 = 1,68 × 10 −7 𝑚 3 Trong đó: Bán kính trong đầu lớn thanh truyền: 𝑟 1 = 0,5(𝑑 𝑐𝑘 + 2𝑡 𝑟 )=29(𝑚𝑚) +Mômen quán tính của vỏ và nắp:
- Ứng suất uốn của nắp và vỏ:
Trong đó: 𝐹 𝑡 = 𝑙 𝑘 0,5(𝐶 − 𝑑 𝑐𝑘 ) = 2,24 × 10 −4 (𝑚 2 ) c) Tính bền thân thanh truyền:
+Ứng suất lớn nhất do lực nén gây ra:
2 = 119(𝑚𝑚) +Ứng suất nhỏ nhất do lực căn gây ra:
147×10 −6 = −40 + Ứng suất trung bình và biên độ chu kỳ:
110,14+0,12×27,2 = 1,85 d) Tính bền bulong thanh truyền:
Chọn 𝑑 = 8𝑚𝑚 là đường kính danh nghĩa của bu lông Chọn 𝜎 𝑏 = 980 𝑀𝑃; 𝜎 −1𝑝 = 300 𝑀𝑃𝑎; 𝜎 𝑦 = 800 𝑀𝑃𝑎; 𝛼 𝜎 = 0,17
𝑖 𝑏 = 0,0184 MN +Tổng lực kéo bulong:
2 = 0,02024 MN +Ứng suất lớn nhất và nhỏ nhất xuất hiện trong bulong:
𝜋𝑑 𝑏 2 = 254𝑀𝑃𝑎 Trong đó: 𝑑 𝑏 = 𝑑 − 1,4 × 𝑡 = 9,6 +Ứng suất trung bình và biên độ chu kỳ:
𝜎 𝑚 = 0,196 < (𝛽 𝜎 − 𝛼 𝜎 )/(1 − 𝛽 𝜎 ) = 0,328 +Hệ số an toàn của bu lông được xác định bởi giới hạn chảy:
Tính toán, thiết kế trục khuỷu
3.3.1 Phân tích kết cấu của trục khuỷu 3.3.1.1 Nhiệm vụ
Trục khuỷu đóng vai trò quan trọng trong động cơ, nhận lực tác dụng từ piston và tạo ra mô men quay để kéo các máy công tác Đồng thời, trục khuỷu cũng nhận năng lượng từ bánh đà và truyền cho thanh truyền và piston, giúp thực hiện quá trình nén và trao đổi khí trong xylanh một cách hiệu quả.
Trục khuỷu là bộ phận quan trọng trong động cơ, chịu tác động của nhiều lực khác nhau Lực khí thể và lực quán tính của nhóm piston thanh truyền tạo ra lực T và Z, gây ảnh hưởng đến trục khuỷu Ngoài ra, trục khuỷu còn phải chịu lực quán tính ly tâm từ các khối lượng quay lệch tâm của chính nó và của thanh truyền Sự kết hợp của những lực này gây ra hiện tượng uốn, xoắn, dao động xoắn và dao động ngang của trục khuỷu trên các ổ đỡ, đòi hỏi thiết kế và chế tạo trục khuỷu phải đảm bảo độ bền và độ tin cậy cao.
Trục khuỷu của động cơ ô tô thường được chế tạo bằng thép hợp kim crôm, ni ken
Hình dạng và kết cấu trục khuỷu phụ thuộc vào nhiều yếu tố như số xilanh, cách bố trí xilanh, số kì của động cơ và thứ tự làm việc của các xilanh Đối với động cơ XG6-022 thuộc loại vừa và nhỏ, thiết kế trục khuỷu nguyên là lựa chọn phù hợp, trong đó các bộ phận cổ khuỷu, chốt khuỷu và má khuỷu được đúc liền với nhau thành một khối thống nhất.
Trục khuỷu của động cơ gồm 6 thành phần: Đầu khuỷu, cổ trục chính, má khuỷu, má khuỷu trung gian, chốt khuỷu và đuôi trục khuỷu
Đầu trục khuỷu đóng vai trò quan trọng trong hệ thống động cơ, nơi đây lắp đặt bánh răng và puly để thực hiện các chức năng dẫn động quan trọng như dẫn động trục cam, bơm nước làm mát, bơm dầu bôi trơn, bơm cao áp và bánh đai dẫn động quạt gió Ngoài ra, đầu trục khuỷu còn lắp đặt đai ốc để khỏi động và một số cơ cấu khác, giúp đảm bảo hoạt động trơn tru và hiệu quả của toàn bộ hệ thống động cơ.
Trên đầu trục khuỷu được thiết kế một then bằng để lắp bánh răng dẫn động trục cam, đồng thời có một lỗ nhỏ hình trụ để lắp chốt định cố định puly Ngoài ra, còn có một lỗ ren được đục thêm để lắp bulong, giúp khống chế dọc trục một cách hiệu quả.
Cổ trục chính của động cơ được đặt vào gối đỡ ở các te có bạc lót, tương tự như ở đầu to thanh truyền Bề mặt của cổ trục được gia công chính xác để đạt độ bóng cao và nhiệt luyện để nâng cao độ cứng Do đặc trưng của động cơ chữ V, số lượng cổ trục chính thường ít hơn số xy lanh Một điểm đáng chú ý là động cơ có đường kính các cổ trục chính bằng nhau, đảm bảo sự đồng đều trong vận hành Ngoài ra, trên cổ trục chính còn có khoang lỗ dầu xuyên qua cổ khuỷu, giúp dẫn động dầu bôi trơn từ đường dầu bôi trơn ở thân máy sang chốt khuỷu.
Ngoài ra, trên cổ trục chính còn bố trí thêm góc lượng để giảm tập trung ứng suất
Má khuỷu là bộ phận quan trọng nối liền cổ trục và chốt khuỷu, thường có hình dạng bầu dục đặc trưng Trong thiết kế của em, bốn má khuỷu ở giữa được tạo mỏng và nhỏ hơn hai má khuỷu phía ngoài, nhằm mục đích giảm thiểu khối lượng và lực quán tính của trục khuỷu khi quay, giúp tối ưu hóa hiệu suất động cơ.
Đối trọng là bộ phận quan trọng được gắn đối diện với chốt khuỷu ở bên dưới má khuỷu, giúp cân bằng lực quán tính ly tâm Trên động cơ hiện đại, đối trọng thường được thiết kế với các khoang giảm khối lượng, chẳng hạn như khoang 4 lỗ, để tối ưu hóa trọng lượng và đảm bảo sự cân bằng của hệ trục Đặc biệt, đối trọng của động cơ thường được đúc liền với má khuỷu, tạo nên một cấu trúc chắc chắn và hiệu quả.
Chốt khuỷu là bộ phận quan trọng được lắp đặt với đầu to của thanh truyền Thông qua việc phân tích đồ thị mài mòn của chốt khuỷu, chúng ta có thể xác định chính xác vị trí phù hợp để khoan lỗ dầu bôi trơn, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu cho hệ thống.
Hình 3.3.2 Đồ thị mài mòn chốt khuỷu
Quan sát đồ thị mài mòn chốt khuỷu, chúng ta nhận thấy rằng những vị trí từ 6 đến 16 là những điểm ít bị mài mòn nhất Đây là thông tin quan trọng giúp chúng ta xác định vị trí tối ưu cho khoang lỗ dầu bôi trơn Theo đó, vị trí số 12 được chọn là điểm lý tưởng để khoang lỗ dầu bôi trơn, đảm bảo hiệu suất hoạt động và tuổi thọ của chốt khuỷu.
Góc lệch của chốt khuỷu được xác định theo thức:
Vì góc lệch khuỷu bằng 60° khá lớn nên em sử dụng má khuỷu trung gian để nối hai chốt khuỷu liền kề lại với nhau
Đuôi trục khuỷu được thiết kế với mặt bích để lắp ráp với bánh đà, đồng thời có cấu trúc rỗng để chứa ổ bi đỡ trục sơ cấp của hộp số Mặt bích này được trang bị 8 lỗ bulong và 2 lỗ chốt định vị, giúp đảm bảo bánh đà được gắn chặt và chính xác với trục khuỷu.
3.3.2 Tính toán trục khuỷu 3.3.2.1 Sơ đồ tính toán
Hình 3.3.4 Sơ đồ lực tác dụng trục khuỷu
3.3.2.2 Bảng thông số chọn kích thước trục khuỷu:
Thông số Công thức Thay số Kết quả Chọn Đơn vị
Khoảng cách giữa 2 trục chính l (1.1-1.25).D (1.1-1.25).96 105.6-
120 116 mm Đường kính trục chính dow (0.5-0.8).D (0.5-0.8).96 48-76.8 56 mm
Chiều dài trục chính low (0.5-0.6).dow (0.5-0.6).56 28-33.6 28 mm Đường kính chốt khuỷu dck (0.5-0.7.)D (0.5-0.7).96 48-67.2 50 mm
Chiều dài chốt khuỷu lmw (0.45-0.65).dck (0.4-0.6).50 20-30 22 mm
Bề dày má ngoài h (0.15-0.35).dck (0.15-0.35).50 7.5-17.5 17 mm
Chiều dài má ngoài b (1.7-2.9).dck (1.7-2.9).50 85-145 140 mm
Bảng 3.3 2 Các thông số kích thước chọn của thanh truyền 3.3.2.3 Tính sức bền trục khuỷu
Các lực tác dụng lên cơ cấu khuỷu trục - thanh truyền + Pkt: lực khí thể tác dụng lên các piston;
+ J: gia tốc chuyển động của nhóm khối lượng chuyển động ti ̣nh tiến;
+ Z: phản lực pháp tuyến các gối trục;
Bỏ qua ca ́c điền kiện:
+ Lực ma sát tại các khớp quay;
+ Lực ngang của piston tác dụng lên xylanh;
+ Lực quán tính của nhóm khối lượng chuyển động quay;
Tính toán bền trục khuỷu là quá trình kiểm tra và lựa chọn hợp lý các kích thước của trục khuỷu để đảm bảo độ bền và an toàn Do không thể tính toán cho tất cả các trường hợp của trục khuỷu, người ta thường tập trung vào các trường hợp nguy hiểm nhất để đánh giá độ bền của trục khuỷu Các trường hợp nguy hiểm nhất thường liên quan đến tải trọng tác động lên trục khuỷu.
- Trường hợp chi ̣u lực pháp tuyến lớn nhất Zmax
- Trường hợp chi ̣u lực tiếp tuyến lớn nhất Tmax
- Trường hợp chi ̣u lực ∑Tmax a) Trường hợp khởi động Giả thiết khuỷu trục ở vị trí điểm chết trên (α = 0), do tốc độ nhỏ bỏ qua lực quán tính
- Các phản lực xa ́c đi ̣nh theo công thức sau:
* Tính sức bền của chốt khuỷu:
- Mô men uốn của chốt khuỷu (tính đối với tiết diện giữa của chốt) bằng:
- Ứng suất uốn chốt khuỷu được xa ́c đi ̣nh theo công thức: σ 𝑢 = 𝑀 𝑢
12,5.10 −6 = 80 (MN/𝑚 2 ) Với: W = 0,1.𝑑 𝑐𝑘 3 = 0,1.0,05 3 = 12,5 10 −6 (𝑚 3 ) -Kết luận: σu = 80 (MN/𝑚 2 ) < [σu] = 80-120 (MN/𝑚 2 ) chốt khuỷu đảm bảo điều kiện bền
*Tính sức bền của má khuỷu:
- Ứng suất uốn của má khuỷu bằng: σ 𝑢 = 𝑀 𝑢
- Ứng suất nén má khuỷu: σ 𝑛 = 𝑍
- Ứng suất tổng cộng: σ = σ 𝑢 + σ 𝑛 = 48,4 + 8,067 = 56,447 (MN/𝑚 2 )
Vậy: σ 𝑡 = 56,447 (MN/𝑚 2 ) < [ σ 𝑢 ] = 120-180 (MN/𝑚 2 ) má khuỷu đảm bảo điều kiện bền
* Tính sức bền của cổ khuỷu:
- Ứng suất uốn cổ trục khuỷu: σ 𝑢 = Z ′ b ′
Cổ trục khuỷu đảm bảo điều kiện bền khi giá trị ứng suất cho phép [σu] nằm trong khoảng 60-100 (MN/m2), cao hơn giá trị ứng suất thực tế σu là 26,112 (MN/m2) Đối với trường hợp chịu lực pháp tuyến lớn nhất, lực tác dụng xác định được tính toán dựa trên công thức Zmax, giúp đánh giá khả năng chịu tải của cổ trục khuỷu trong điều kiện làm việc khắc nghiệt.
Trong đó: 𝑚 = 𝑚 𝑝𝑡 + 𝑚 1 = 1 + 0,39 = 1,39(Kg) Với: m: Khối lượng chuyển động tịnh tiến cơ cấu khuỷu trục thanh truyền (kg) Lực quán tính li tâm của chốt khuỷu:
4 0,22.7850 = 0,339𝑘𝑔 𝜌: 𝐾ℎố𝑖 𝑙ượ𝑛𝑔 𝑟𝑖ê𝑛𝑔 𝑐ủ𝑎 𝑡ℎé𝑝 𝑐𝑎𝑐𝑏𝑜𝑛 𝜌 = 7850 kg/𝑚 3 Lực quán tính ly tâm của khối lượng thanh truyền quy về tâm chốt khuỷu:
Xa ́c đi ̣nh khuỷu nguy hiểm:
- Trong trường hợp này vi ̣ trí tính toa ́ n α = α 𝑍𝑚𝑎𝑥 , góc αmax xa ́c đi ̣nh trên đồ thi ̣ Z = (α) ta được α 𝑍𝑚𝑎𝑥 70 °
Căn cứ vào đồ thi ̣ T ta có thể xác đi ̣nh tri ̣ số T ở các góc quay α
- Do đó ta có thể xa ́c đi ̣nh được tri ̣ số ∑ 𝑇 𝑖−1 tác dụng lên khuỷu của động cơ khi ca ́c khuỷu chi ̣u lực 𝑍 𝑚𝑎𝑥 bằng phương pha ́p lặp bảng sau:
Bảng 3.4 tri ̣ số ∑ 𝑇 𝑖−1 tác dụng lên khuỷu của động cơ
Nhìn vào bảng trên ta thấy khuỷu thứ 2 ngoài viêc chi ̣u lực 𝑍 𝑚𝑎𝑥 mà còn chi ̣u thêm lực ∑ 𝑇 𝑖−1 lớn nhất
Tính toán, thiết kế bánh đà
3.4.1 Tính kích thước bánh đà
Hình 3.4.1 Sơ đồ kích thước bánh đà
Momen quán tính của bánh đà được tính theo công thức:
Tốc độ quay trung bình của bánh đà:
3 (rad/s) Năng lượng bánh đà cần dự trữ:
𝐸 𝑚𝑎𝑥 , 𝐸 𝑚𝑖𝑛 được xác định từ độ thị momen theo góc quay trục khuỷu 𝛼
Do tổng T lặp lại theo chu kỳ bằng góc lệch công tác 𝛿 𝑐𝑡 0°, nên chỉ cần tính tổng T từ 0 đến 120°, sau đó có thể suy ra cho các chu kỳ còn lại.
Hình 3.4.3 Đồ thị tổng T từ 0 − 120°
Năng lượng của động cơ tại:
𝐸 𝑚𝑖𝑛 = 𝐸 𝐴 − 1790(𝑚𝑚 2 ) Giá trị biểu diễn năng lượng của bánh đà cần dự trữ:
180 Trong đó: +R=0.04(m) bán kính quay trục khuỷu
𝑚𝑚 ) tỉ lệ xích theo Σ𝑇 +𝜇 α = 2°/𝑚𝑚 tỉ lệ xích theo 𝛼
Momen quán tính của bánh đà:
𝐶 𝑠 = 0.02% -Hệ số giao động tốc độ
3 𝜋 𝑏 𝜌 𝑏đ (𝑟 1 3 − 𝑟 0 3 ) Chọn dạng bánh đà là dạng đĩa có 𝑏 = 30𝑚𝑚, 𝑟 0 = 90𝑚𝑚
𝜌 𝑏đ -Khối lượng riêng của thép cacbon 𝜌 𝑏đ = 7850(𝑘𝑔/𝑚 3 )
Hình 3.4.4 sơ đồ tính bánh đà dạng đĩa
Tốc độ góc cực đại được biểu diễn bằng ký hiệu ω, trong đó ω là tốc độ góc ứng với số vòng quay cực đại của bánh đà Hệ số pot xụng được ký hiệu là à, đóng vai trò quan trọng trong việc tính toán các thông số kỹ thuật của bánh đà Bán kính từ phần tử tính toán đến tâm bánh đà được ký hiệu là r, giúp xác định vị trí và khoảng cách của các phần tử trong bánh đà Ngoài ra, trọng lượng riêng của vật liệu bánh đà được ký hiệu là γ, thường được đo bằng đơn vị MN/m3, và gia tốc trọng trường được ký hiệu là g, với giá trị tiêu chuẩn là 9,81 m/s2.
⇒ 𝜎 𝑅 = 11,455(𝑀𝑁/𝑚 2 ) Ứng suất tiếp tuyến cực đại (ứng với r = ro) được tính:
3.4.3 Phân tích kết cấu của bánh đà
-Đảm bảo tốc độ quay đồng đều của động cơ
Trong quá trình hoạt động, bánh đà đóng vai trò quan trọng trong việc tích trữ năng lượng dư sinh ra trong quá trình sinh công, giúp bù đắp phần năng lượng thiếu hụt trong các hành trình tiêu hao công, từ đó đảm bảo hiệu suất và ổn định của hệ thống.
-Ngoài ra bánh đà còn là nơi ghi lại những kí hiệu ĐCT, ĐCD, đánh lửa sớm,…
Khi động cơ hoạt động, bánh đà phải chịu tác động của mômen quay không đồng đều từ trục khuỷu, đồng thời phải chống lại lực quán tính lớn do trọng lượng bản thân lớn và chuyển động ở tốc độ cao.
+Vật liệu chế tạo Bánh đà của động cơ được chế tạo bằng thép ít cacbon
Bánh đà của động cơ XG6-022 có thiết kế dạng đĩa với chiều dày không đồng đều, mang đến hiệu suất vận hành tối ưu Phần moayơ của bánh đà được kết nối chắc chắn với mặt bích trên đuôi trục khuỷu thông qua 8 bulong và 2 chốt định vị, đảm bảo độ ổn định và an toàn trong quá trình hoạt động.
Mặt ma sát của bánh đà là một thành phần quan trọng trong bộ ly hợp, được lắp đặt trực tiếp trên bánh đà Khi hoạt động, mặt ma sát này sẽ tiếp xúc trực tiếp với tấm ma sát, tạo ra lực ma sát cần thiết để thực hiện chức năng của bộ ly hợp.
-Trên bánh đà có gắng vành răng khởi động, có tác dụng truyền mômen xoắn từ động cơ khởi động đến trục khuỷu
Tính toán, thiết kế thân máy
3.5.1 Xác định kích thước của thân máy
𝐿 = 423,5(𝑚𝑚) -Chiều rộng của thân máy:
𝐵 = 230.94(𝑚𝑚) -Chiều rộng đỉnh thân máy:
𝐿 2𝑥𝑙 = 109(𝑚𝑚) -Bán kính lắp cổ trục khuỷu:
𝑅 = 30(𝑚𝑚) -Chiều dài đường nước làm mát:
Hình 3.5.1 Kích thước sơ bộ của thân máy
3.5.2 Phân tích kết cấu a) Nhiệm vụ
- Cùng với Piston trong hệ thống phát lực và nắp máy tạo thành buồng cháy
- Làm bệ đỡ để lắp đặt các chi tiết trong động cơ
- Đồng thời là bộ phận dẫn hướng chuyển động Piston đảm bảo Piston khi chuyển đổi hướng ít bị xê dịch b) Công dụng của thân máy
Thân máy động cơ đóng vai trò quan trọng trong việc lắp đặt và bố trí các cụm chi tiết của động cơ đốt trong, bao gồm xylanh, hệ trục khuỷu và các bộ phận truyền động Các bộ phận này chịu trách nhiệm dẫn động các cơ cấu và hệ thống khác như bơm dầu, bơm nhiên liệu, bơm nước, trục cam và quạt gió, đảm bảo hoạt động trơn tru và hiệu quả của động cơ.
Trong quá trình hoạt động, thân máy động cơ phải chịu tác động của nhiều yếu tố như lực khí thể, tải trọng nhiệt, lực quán tính chuyển động không cân bằng và trọng lượng của các chi tiết lắp đặt trên nó, đồng thời phải chịu đựng va đập và rung giật Do đó, thân máy đòi hỏi phải có độ bền và độ ổn định cao để đáp ứng yêu cầu làm việc nghiêm ngặt.
- Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, đồng thời tránh ứng suất nhiệt
- Có đủ sức bền và độ đứng vững để chịu được tải trọng lớn và nhiệt độ cao
- Đảm bảo bao kín xylanh, không bị lọt khí, rò nước
- Đảm bảo làm mát đều, tản nhiệt tốt, đảm cảo dầu bôi trơn đến được những vị trí cần bôi trơn… e) Vật liệu chế tạo
Thân máy động cơ được thiết kế thông minh với vật liệu hợp kim nhôm, giúp giảm trọng lượng đáng kể và tăng hiệu suất làm mát động cơ Nhờ khả năng tản nhiệt vượt trội của hợp kim nhôm, động cơ có thể làm mát nhanh chóng, đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả.
-Thân máy của động cơ XG6-022 là loại thân máy có xylanh đúc liền với thân máy thành một bộ phận thống nhất gọi là thân xylanh
Thân máy được chế tạo từ hợp kim nhôm, mang lại lợi thế về trọng lượng và độ bền Tuy nhiên, nhôm cũng có nhược điểm là mềm và khả năng chống mài mòn thấp Để giải quyết vấn đề này, các khối xilanh thường được đúc với một lớp lót bằng gang, giúp tăng cường độ bền và khả năng chống mài mòn Lớp lót gang này được thiết kế với hình dạng đặc biệt, giúp bảo vệ thân máy khỏi sự mài mòn và tăng tuổi thọ cho động cơ.
Các lớp lót bằng gang được thiết kế với bề mặt ngoài có những vết lõm, giúp tạo thành các bề mặt lớn không đều khi đúc Điều này nhằm tăng cường độ bám dính giữa các lớp lót và khối xylanh bằng nhôm, từ đó cải thiện khả năng tản nhiệt và giảm biến dạng nhiệt của các lỗ xylanh, dẫn đến nhiệt độ tổng thể thấp hơn.
Các đường dẫn nước được bố trí giữa các lỗ xylanh, cho phép chất làm mát động cơ lưu thông và phân bố nhiệt độ đồng đều trên bề mặt thành xylanh, góp phần nâng cao hiệu suất làm mát và ổn định nhiệt độ động cơ.
- Các đường xả dầu được cung cấp trong cacte Điều này ngăn trục khuỷu trộn dầu động cơ, làm giảm lực cản quay
- Giá đỡ bộ lọc dầu được tích hớp trong cacte
Việc sử dụng áo nước đáy nông giúp giảm thể tích chất làm mát động cơ, từ đó cải thiện hiệu suất khởi động và góp phần nâng cao khả năng tiết kiệm nhiên liệu.
3.5.3 Tính toán sức bền ống lót xylanh
Hình 3.5.3 Sơ đồ tính toán xylanh ướt
𝑝 𝑧 phân bố trên diện tích 𝑝 𝑧 = 𝜋𝐷 𝑓
4 = 8,25(𝑀𝑁/𝑚 2 ) +Ứng suất kéo mặt trong theo phương tiếp tuyến:
𝐷 1 2 −𝐷 2 = 65(𝑀𝑁/𝑚 2 ) +Ứng suất kéo mặt ngoài theo phương tiếp tuyến:
𝐷 1 2 −𝐷 2 = 56,7(𝑀𝑁/𝑚 2 ) +Ứng suất kéo mặt trong theo phương hướng kính:
𝜎 𝑍𝑦𝑡 = −𝑝 𝑧 = 8,25(𝑀𝑁/𝑚 2 ) Ứng suất kéo mặt ngoài theo phương hướng kính:
𝜎 𝑍𝑦𝑛 = 0(𝑀𝑁/𝑚 2 ) Ứng suất nén ở mặt trong lót xi lanh:
1+2 𝐷1 𝐷 1+ 𝐷1 𝐷 = 7,66(𝑀𝑁/𝑚 2 ) Ứng suất kéo ở mặt ngoài lót xi lanh:
2+ 𝐷1 𝐷 1+ 𝐷1 𝐷 = 7,34(𝑀𝑁/𝑚 2 ) α hệ số dãn nở dài: Gang α = 10,5 10 −6 /°𝐶 Thông thường US kéo tổng cộng mặt ngoài lớn hơn mặt trong, nên chỉ cần tính:
Tính toán, thiết kế nắp máy
Hình 3.6.1 Kích thước sơ bộ của nắp máy
3.6.1 Xác định kích thước nắp máy a) Tiết diện lắp với thân máy
-Có chiều rộng 140 mm -Có khoảng cách giữa các buồng cháy 109 mm b) Tiết diện lưu thông của xupap
Tiết diện lưu thông của xupáp đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định chất lượng nạp thải của động cơ Khi thiết kế, việc tăng đường kính xupáp càng lớn càng tốt là cần thiết, tuy nhiên điều này bị hạn chế bởi đường kính xilanh Thông thường, diện tích mặt nấm xupáp chiếm khoảng 25-40% diện tích đỉnh piston, nhưng có thể lên đến 35% ở động cơ xăng dùng buồng cháy bán cầu hoặc chõm cầu Trong trường hợp động cơ dùng nhiều xupáp cho một xilanh, diện tích này có thể tăng lên đến 40% so với diện tích đỉnh piston Đặc biệt, diện tích xupáp nạp thường lớn hơn diện tích xupáp thải khoảng 10-15% và thường bằng 15-35% diện tích đỉnh piston.
- Qua tính toán và thực nghiệm thì tốc độ của dòng khí nạp ở chế độ toàn tải đối với ô tô, máy kéo là vkhn= 40 ÷115(m/s) Chọn 𝑉 𝑘ℎ𝑛 = 80(m/s)
- Ta có vận tốc trung bình của piston: 𝑉 𝑝 = 𝑠.𝑛
30 53(m/s) Trong đó hành trính piston S = 80mm, số vòng quay n = 6200v/ph
- Suy ra đường kính họng xupap là:
Đường kính họng xupap nạp được tính toán là 0,8 mm, do đó chúng ta chọn đường kính họng xupap nạp là 1 mm Đối với đường kính họng xupap thải, giá trị tính toán là 27,5 mm, vì vậy chúng ta chọn đường kính họng xupap thải là 28 mm, dựa trên đường kính piston D là 96 mm và số xupap nạp/thải trên 1 piston là 2.
Hình 3.6.2 Tiết diện lưu thông của xupap c) Góc đặt giữa hai xupap nạp và xả
- Tham khảo tài liệu Cấu tạo ô tô – Trương Mạnh Hùng có được góc lệch giữa hai xupap nạp và xả khoảng 22.5 𝑜
Hình 3.6.3 Góc lệch giữa 2 xupap
3.6.2 Phân tích kết cấu a) Nhiệm vụ
Nắp máy đậy kín một đầu xy-lanh,cùng với piston,séc-măng và xy lanh tạo thành buồng cháy
Nhiều bộ phận của động cơ được lắp trên nắp xy-lanh như bu-gi ,vòi phun,cụm xu- pap cơ cấu giảm hỗ trợ khởi động …
Nắp xy-lanh là bộ phận quan trọng của động cơ, với thiết kế phức tạp bao gồm các đường nạp, đường thải, đường nước làm mát và đường dầu bôi trơn được bố trí trên bề mặt Điều này đòi hỏi kết cấu của nắp máy phải đảm bảo độ bền và khả năng chịu áp lực cao để đáp ứng các điều kiện làm việc khắc nghiệt.
Nắp máy động cơ xăng thường phải chịu những điều kiện làm việc khắc nghiệt, bao gồm nhiệt độ cao, áp suất khí thể lớn và sự ăn mòn hóa học từ các chất trong sản phẩm cháy Vì vậy, việc lựa chọn vật liệu phù hợp là rất quan trọng Hợp kim nhôm thường được sử dụng làm nắp máy động cơ xăng do sở hữu những đặc tính lý tưởng để đáp ứng các yêu cầu này.
Hợp kim nhôm được sử dụng rộng rãi trong sản xuất nắp xi lanh động cơ nhờ vào tính chất nhẹ và dẫn nhiệt cao, giúp phân bố nhiệt đều trên toàn bộ nắp xi lanh khi động cơ hoạt động Điều này không chỉ tăng tỷ số nén động cơ mà còn giảm thiểu hiện tượng kích nổ Đặc biệt, ở các động cơ làm mát bằng không khí, kết hợp nắp xi lanh bằng hợp kim nhôm với thân máy và cácte bằng gang giúp tăng hiệu quả truyền nhiệt đáng kể Việc sử dụng nắp xi lanh bằng nhôm còn giúp giảm nhiệt độ xupap xuống tới 200 °F (93 °C), từ đó giảm sai lệch khe hở nhiệt của xupap và tăng độ bền của cả xupap và động cơ.
Vật liệu nhôm có một số hạn chế khi sử dụng làm nắp xi lanh so với gang Hợp kim nhôm không chỉ đắt tiền hơn mà còn dễ bị cong vênh và nứt khi quá nhiệt, đồng thời dầu nhờn cũ bẩn có thể gây mài mòn do ma sát với bề mặt nhôm Ngoài ra, nắp máy sử dụng hợp kim có hàm lượng nhôm cao cũng dễ bị ăn mòn điện hóa hơn so với gang Hệ số giãn nở nhiệt của nhôm cao hơn gang từ 4 đến 7 lần, dẫn đến việc lựa chọn vật liệu đệm nắp máy và tính toán cơ cấu siết nắp máy trở nên phức tạp hơn.
Kết cấu nắp máy phụ thuộc vào nhiều chi tiết hệ thống quan trọng, bao gồm cơ cấu phân phối khí, kiểu buồng cháy, phương pháp lắp đặt xupap, bugi, bố trí trục cam và các đường nạp, đường thải, đường nước làm mát, đường dầu bôi trơn Do đó, nắp máy có kết cấu phức tạp và đòi hỏi sự thiết kế và chế tạo chính xác để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của động cơ.
∗ cơ cấu phân phối khí: dùng xupap treo loại dẫn động trực tiếp
Loại xupap treo dẫn động trực tiếp là loại xupap mà vấu cam tỳ trực tiếp vào đuôi xupap, kết hợp với con đội để tạo ra buồng cháy gọn Điều này cho phép đạt được tỷ số nén cao, từ đó tăng hiệu quả của buồng cháy Loại xupap này được sử dụng rộng rãi cho cả động cơ xăng và diesel, nhờ vào thiết kế đơn giản và hiệu suất cao.
∗ kiểu buồng cháy: giới hạn dưới của buồng cháy là vị trí piston ở điểm chết trên
Khi sử dụng hai xupap nạp và hai xupap thải thì buồng cháy có dạng máy che hay dạng bồn được vát nghiêng → chọn buồng đốt kiểu PENTROOF
Hình 3.6.4 Buồng đốt kiểu PENTROOF
Loại buồng đốt kiểu vát nghiêng hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô Với cùng đường kính xylanh, động cơ bốn xupap sở hữu tiết diện mở lớn hơn đáng kể so với động cơ ba xupap, đồng thời tích hợp thêm vùng chèn đối nhau Ưu điểm nổi bật của thiết kế buồng cháy này bao gồm công suất cao, khả năng tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu khí thải, mang lại hiệu suất vượt trội cho động cơ.
Hình 3.6.5 Buồng nén dạng mái che với bốn xupap và vùng chèn
∗ phương pháp lắp đặt xupap,bugi:
Buồng cháy kiểu máy che hơi thường được thiết kế dạng nửa vòm cầu, do đó mỗi xylanh động cơ thường được bố trí hai xupap nạp và hai xupap thải, trong đó xupap nạp lớn hơn xupap thải để tạo điều kiện dung nạp tốt Các xupap nạp và thải được bố trí đối nhau trong nắp xylanh dòng chảy ngang, tạo thành một góc nghiêng 22,5 độ giữa hai xupap do được bố trí trên buồng cháy vát nghiêng.
Hình 3.6.6 Phương pháp lắp đặt xupap, bugi
Bugi được đặt thẳng đứng giữa buồng đốt, giúp tối ưu hóa quá trình cháy và mang lại hiệu suất động cơ tốt hơn Do đó, trên nắp máy thường được thiết kế các lỗ ren để bắt các bugi đánh lửa, đảm bảo quá trình đánh lửa diễn ra ổn định và hiệu quả.
Khi đạt đến điểm chết trên, không khí hoặc hỗn hợp nhiên liệu không khí bị đẩy ra khỏi vùng chèn, tạo ra luồng xoáy giúp trộn lẫn không khí và nhiên liệu mạnh hơn trong quá trình cháy, cho phép rút ngắn thời gian đánh lửa sớm và lựa chọn bugi lạnh hơn, tỷ số nén cao hơn hoặc sử dụng xăng với chỉ số octan thấp hơn.
Lỗ ren lắp bugi thường có kích thước M18,M14 hoặc M10
Thiết kế bố trí 2 trục cam trên nắp máy (DOHC) cho phép định vị tối ưu các xupap nạp và xupap thải trên nắp xi lanh dòng chéo Với cơ cấu chấp hành trực tiếp, trục cam đôi không cần sử dụng cò mổ, mang lại hiệu suất cao và độ tin cậy tốt Đây là thiết kế phổ biến trong các mẫu xe hơi hiện đại, giúp tối ưu hóa hiệu suất động cơ và mang lại trải nghiệm lái mượt mà hơn.
Nắp máy làm mát bằng chất lỏng thường được chế tạo từ hợp kim nhôm, có thể được đúc riêng cho từng xylanh hoặc đúc nguyên khối Quá trình làm mát diễn ra thông qua các đường dẫn, nơi chất lỏng làm mát lưu thông từ thân máy vào nắp máy Ưu điểm nổi bật của hệ thống làm mát bằng nước so với phương pháp làm mát bằng không khí bao gồm khả năng làm mát hiệu quả hơn, giúp động cơ hoạt động ổn định và kéo dài tuổi thọ.
- Hiệu quả làm mát cao hơn
- Kết cấu chi tiết làm mát đồng đều hơn
- Giới hạn tỷ số nén về kích nổ sẽ cao hơn các chi tiết mài mòn
- Tổn thất công suất cho hệ thống làm mát ít hơn
- Lợi thế về chiều dài động cơ ngắn hơn, do không phải bố trí các gân tản nhiệt giữa các xi lanh nên động cơ khỏe hơn
- Động cơ làm mát bằng nước phức tạp hơn với cấu tạo gồm có nhiều bộ phận như: két nước, bơm, các đường ống,…
- Nguyên lý làm việc phức tạp, phụ thuộc vào lưu lượng nước trong hệ thống
∗ vòng đệm đế xupap: được lắp cố định nấp xupap với họng nạp xupap
Vòng đệm xupap đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao độ bền của nấm xupap trong đầu xilanh, thường được chế tạo từ hợp kim nhôm hoặc gang đúc Với khả năng chịu nhiệt, chống ăn mòn và chống rỉ sét ở nhiệt độ cao, vòng đệm đế xupap thường được làm từ thép hợp kim hoặc gang đúc đặc biệt Quá trình lắp đặt vòng đệm xupap thường được thực hiện thông qua phương pháp ép hoặc lắp nóng vào đầu xi lanh.
Phân tích kết cấu và xác định kích thước cơ cấu phân phối khí
3.7.1 Phân tích kết cấu phân phối khí a) Nhiệm vụ
Cơ cấu phân phối khí đóng vai trò quan trọng trong việc thực hiện quá trình thay đổi khí trong động cơ, đảm bảo thải sạch khí thải và nạp đầy hỗn hợp khí nạp hoặc không khí Quá trình này giúp động cơ làm việc liên tục, ổn định và phát huy hết công suất thiết kế Để đạt được hiệu suất tối ưu, hệ thống phân phối khí cần đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt, đảm bảo cung cấp đủ lượng khí nạp và thải khí thải một cách hiệu quả.
-Đảm bảo chất lượng qua ́ trình thay đổi khí: chất lượng thải sạch và chất lượng nạp đầy
-Tránh không cho khí thải trên đường thải trở lại trong xilanh
-Ít mòn, ít tiếng kêu c) Nguyên lý làm việc
Cơ cấu phân phối khí hoạt động dựa trên hai quá trình cơ bản, bao gồm quá trình vấu cam đẩy mở xupáp và quá trình lò xo giãn đóng kín xupáp, tạo nên một chu kỳ vận hành trơn tru và hiệu quả.
Quá trình vấu cam đẩy mở xupáp là một giai đoạn quan trọng trong chu trình hoạt động của động cơ Khi động cơ làm việc, trục khuỷu quay thông qua cơ cấu dẫn động phân phối khí bằng bánh xích, làm cho trục cam đóng mở xupáp quay theo Vấu cam tiếp xúc với con đội, ép lò xo nén lại và đẩy xupáp di chuyển đi xuống, mở cửa nạp khi đó môi chất mới vào buồng đốt Đồng thời, cửa thải cũng được mở ra trong quá trình thải, cho phép khí cháy đi ra ngoài môi trường.
Quá trình lò xo giãn đóng kín xupáp diễn ra khi trục cam quay đến vị trí đỉnh của vấu cam vượt qua đầu con đội Lúc này, lò xo giãn ra và thông qua chén chặn, đẩy xupáp tịnh tiến về vị trí ban đầu, thực hiện quá trình đóng kín xupáp một cách chính xác và hiệu quả.
Hệ thống phân phối khí đóng vai trò quan trọng trong động cơ, thực hiện quá trình thay đổi khí, thải khí thải và nạp hỗn hợp khí nạp hoặc không khí sạch vào xylanh để động cơ hoạt động liên tục và ổn định Để đảm bảo hiệu suất, hệ thống này cần đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật như quá trình thay đổi khí hoàn hảo, nạp đầy và thải sạch, đóng mở xupap đúng thời gian quy định, độ mở lớn để dòng khí lưu thông ít trở lực, và đóng xupap phải kín để bảo đảm áp suất nén.
Hình 3.7.1 Kết cấu của xupap
Hệ thống phân phối khí động cơ tham khảo điển hình là hệ thống phân phối khí xupáp treo, mang lại nhiều ưu điểm đáng kể Kiểu thiết kế này cho phép tạo ra buồng cháy gọn, giảm thiểu nhiệt và bố trí đường nạp thải đều trên nắp, từ đó tăng cường dòng khí lưu thông một cách hiệu quả Điều này góp phần tăng hệ số nạp, đặc biệt là với động cơ xăng, hệ số nạp có thể lớn hơn 5-7% so với xupáp đặt Ngoài ra, hệ thống phân phối khí kiểu treo còn cho phép bố trí xupáp linh hoạt theo nhiều kiểu khác nhau, tùy thuộc vào hình dạng buồng cháy và kết cấu hệ thống phân phối khí, bao gồm cả việc sử dụng nhiều xupáp cho một xilanh và cách đặt trục cam.
Hệ thống phân phối khí kiểu treo có một số khuyết điểm đáng kể, bao gồm việc dẫn động hệ thống phức tạp làm tăng chiều dài động cơ Kết cấu nắp xilanh cũng trở nên phức tạp và khó đúc, gia công hơn Ngoài ra, phương án dẫn động trục cam thường được thực hiện bằng xích, kết nối trực tiếp với trục khuỷu Trong hệ thống này, xupap đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh dòng khí vào và ra khỏi động cơ.
Xupáp là chi tiết quan trọng trong động cơ, chịu trách nhiệm cho dòng khí nạp vào buồng đốt và thải khí ra ngoài Trong quá trình hoạt động, xupáp phải chịu tải trọng cơ học và nhiệt lớn, dẫn đến dễ bị biến dạng do va đập mạnh với đế xupáp Xupáp thải thường xuyên tiếp xúc với khí thải có nhiệt độ cao, khiến nó dễ bị quá nóng và ăn mòn hóa học, trong khi xupáp nạp được làm mát bởi dòng khí nạp, giúp giảm nhiệt độ xuống mức thấp hơn.
3 phần chính: phần nấm xupáp, phần thân và phần đuôi xupáp
Hình 3.7.2 Kích thước sơ bộ xupap
Phần nấm của xupáp thải thường tiếp xúc với dòng khí thải có nhiệt độ rất cao, do đó mặt làm việc quan trọng là mặt côn với góc α từ 15-45 độ Góc α này ảnh hưởng đến độ cứng vững và dòng khí thải, khi α càng nhỏ thì tiết lưu thông càng lớn nhưng mặt nấm càng mỏng, ngược lại khi α càng lớn thì mặt nấm càng bền và dòng khí thải đi ra dễ dàng hơn Đối với động cơ tham khảo, góc α thường được chọn là 45 độ Chiều rộng của mặt côn trên nấm xupáp thường nằm trong khoảng từ 0,05 đến 0,12 lần đường kính nấm xupáp, phụ thuộc vào vật liệu xupáp Thông thường, nấm xupáp bằng được chọn vì có ưu điểm chế tạo đơn giản và có thể dùng cho cả xupáp thải và nạp.
Đường kính thân xupáp đóng vai trò quan trọng trong việc dẫn hướng tốt, tản nhiệt hiệu quả và chịu được lực nghiêng khi xupáp đóng mở Để giảm nhiệt độ cho xupáp, người ta thường tăng đường kính thân xupáp và kéo dài cốc dẫn hướng đến gần phần nấm xupáp Tuy nhiên, để tránh hiện tượng xupáp bị kẹt trong ống dẫn hướng khi bị đốt nóng, đường kính thân xupáp ở phần nối tiếp với nấm xupáp thường được làm nhỏ đi một chút hoặc khoét rộng lỗ của ống dẫn hướng ở phần này Chiều dày của thân xupáp phụ thuộc vào cách bố trí xupáp và thường thay đổi trong phạm vi từ 2,5 đến 3,5 lần đường kính thân xupáp, đồng thời phải đủ để lắp ống dẫn hướng và lò xo xupáp.
- Thân xupáp nạp và thải có dạng hình trụ dài Chỗ chuyển tiếp giữa thân và nấm có góc lượn
Đuôi xupap là bộ phận quan trọng của động cơ, hoạt động trong điều kiện va đập mạnh, vì vậy mặt trên của phần đuôi phải được tôi cứng để tăng độ bền Ngoài ra, đuôi xupap còn có đoạn khoét rãnh để lắp móng hãm, giúp cố định lò xo phía trên Hai móng hãm hình côn được lắp vào đoạn có đường kính nhỏ trên đuôi xupap, đồng thời mặt phía ngoài của móng hãm ăn khớp với mặt ngoài của đuôi xupap, tạo nên một kết cấu vững chắc.
Page 90 côn của đĩa lò xo Kiểu lắp dùng móng hãm có ưu điểm là không gây ứng suất tập trung trên đuôi xupáp g) Đế xupap
Đối với cơ cấu phân phối khí xupap treo, đường thải và đường nạp được bố trí trong nắp xilanh để tối ưu hóa quá trình phân phối khí Để giảm thiểu hao mòn cho nắp xilanh khi chịu lực va đập của xupap, người ta thường sử dụng đế xupap ép vào đường thải và đường nạp, giúp tăng cường độ bền và ổn định cho hệ thống.
- Mặt ngoài của đế là hình trụ trên có vát mặt côn để tiếp xúc với mặt côn của nấm xupáp.
Kết cấu của đế xupap tương đối đơn giản, bao gồm một vòng hình trụ với mặt trên được vát côn để tạo tiếp xúc với mặt côn của nấm xupap Thông thường, đế xupap được chế tạo từ thép hợp kim với chiều dày nằm trong khoảng từ 0,08 đến 0,15 lần đường kính của họng đế xupap (dh), và chiều cao của đế xupap thường dao động từ 0,18 đến 0,25 lần đường kính dh.
Động cơ được thiết kế với 4 trục cam dẫn động trực tiếp xupáp, mỗi trục cam bao gồm các cam nạp và xả riêng biệt để điều khiển xupáp nạp và xupáp thải Trên các trục cam này, các cam nạp và cam thải được bố trí riêng biệt để đảm bảo quá trình nạp và xả khí được tối ưu hóa Để giảm thiểu độ trượt giữa bánh răng dẫn động cam và cam, vòng đệm ma sát được lắp đặt thêm, giúp tăng cường hiệu suất và độ tin cậy của động cơ.
Trục cam đóng vai trò quan trọng trong cơ cấu phân phối khí, phải chịu các lực tác động như lực lò xo xupáp, lực quán tính con đội và lực khí thể bắt đầu thải, đồng thời phải chịu mài mòn Do đó, yêu cầu đặt ra cho trục cam là phải có độ cứng vững và độ bền cao để đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả.