đồ án môn học kết cấu và tính toán động cơ đốt trong

Đồ thị lực quán tính.trên đồ thị Brick ta gióng các đoạn thẳng song song với trục p của đồ thị công sẽ cắt đường biểu diễn đồ thị côngtương ứng các kỳ nạp, nén, cháy - giãn nở, thải của

LỜI NÓI ĐẦU

Sau khi được học 2 môn chính của ngành động cơ đốttrong (Nguyên lý động cơ đốt trong, Kết cấu và tính toánđộng cơ đốt trong ) cùng một số môn cơ sơ khác (sức bềnvật liệu, cơ lý thuyết, vật liệu học, ), sinh viên đượcgiao làm đồ án môn học kết cấu và tính toán động cơđốt trong Đây là một phần quan trọng trong nội dung họctập của sinh viên, nhằm tạo điều kiện cho sinh viên tổnghợp, vận dụng các kiến thức đã học để giải quyết mộtvấn đề cụ thể của ngành

Trong đồ án này, em được giao nhiệm vụ tính toán vàthiết kế Nhóm pistong thanh truyền Đây là một nhóm chitiết chính, quan trọng trong động cơ đảm bảo tiếp nhậnlực khí thể trong buồng cháy

Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã cố gắng tìmtòi, nghiên cứu các tài liệu, làm việc một cách nghiêm túcvới mong muốn hoàn thành đồ án tốt nhất Tuy nhiên, vìbản thân còn ít kinh nghiệm cho nên việc hoàn thành đồ ánlần này không thể không có thiếu sót

Cuối cùng, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cácthầy, cô đã tận tình truyền đạt lại những kiến thức quýbáu cho em

Sinh viên

Lêquang thuận

Bảng Số liệu của động cơ

TÊN THÔNG SỐ KÝ HIỆU NGUYÊN GIÁ TRỊTHỨ

Công suất có ích Ne Kw 56

Góc đóng muộn

Góc mở sớm xupáp

Góc đóng muộn

Kiểu xupáp

Suất tiêu hao nhiên

TÊN THÔNG SỐ KÝ HIỆU THỨ NGUYÊN GIÁ TRỊ

Hệ số dư lượng

không khí

1.5 - 1.9Aïp suất cuối kỳ

Độ sấy nóng khí

1.1.1 Xây dựng đường cong áp suất trên đường nén.

Ta có: phương trình đường nén đa biến: p.Vn1 = conts, dođó nếu gọi x là điểm bất kỳ trên đường nén thì [1]:

 pc = 0,088.16.5 1,34 = 3.8 [MN/m2].

1.1.2 Xây dựng đường cong áp suất trên đường giãn nở

Phương trình của đường giãn nở đa biến là [1]:

, do đó nếu gọi x là điểm bất kỳ trên đường giãnnở thì:

n2- chỉ số giãn nở đa biến

- Đối với động cơ Diesel: n2 = (1,151,28)

Chọn n2 = 1,15

Ta đặt:

Suy ra: [MN/m2](1.2)

1.1.3 Lập bảng tính :

Từ công thức (1.1) và (1.2), kết hợp với việc chọn cácthể tíchVnx và Vgnx, ta tìm được các giá trị áp suất pnx, pgnx.Việc tính các giá trị pnx, pgnx được thực hiện trong bảngsau:

Bảng 1.1 Các điểm áp suất trên đường nén và đường giãn

nở

Bảng 1.1

Vx i

Đường nén Đường giãn nở

in1 1/in1 pc.(1/in1) in2 1/in2 pz n2

(1/in2)

1.5Vc 1.5 1.72 0.58081 1.59406 1.59 0.6233 6.42Vc 2 2.53 0.39502 1.48775 2.1914 0.45063 4.597

SVTH : lê quang thuận

lỚP : 02c4

Vx i

Đường nén Đường giãn nở

in1 1/in1 pc.(1/in1) in2 1/in2 pz n2

(1/in2)3Vc 3 4.36 0.229 0.86441 3.537 0.2869 2.8844Vc 4 6.41 0.15604 0.587 4.924 0.203 2.0725Vc 5 8.64 0.1157 0.43580 6.36525 0.157 1.6036Vc 6 11.03 0.906 0.34134 7.85 0.127 1.3007Vc 7 13.57 0.073 0.2764 9.37 0.106 0.0888Vc 8 16.2 0.06164 0.23215 10.92 0.091 0.934

10Vc 10 21.88 0.0457 0.17215 14.12 0.070 0.72211Vc 11 24.86 0.04203 0.15151 15.76 0.063 0.64712Vc 12 27.93 0.0358 0.13484 17.42 0.057 0.58613Vc 13 31.09 0.03216 0.1212 19.100 0.052 0.53414Vc 14 34.34 0.02912 0.10967 20.79 0.048 0.49015Vc 15 37.677 0.02655 0.999 22.51 0.044 0.45316Vc 16 41.07 0.0243 0.0917 24.25 0.041 0.42116.5V

c 16.5 42.80 0.02337 0.08800 25.12 0.039 0.4061.1.4 Xác định các điểm đặc biệt và hiệu chỉnh đồ thị

công

Vẽ hệ trục tọa độ (V, p) với các tỷ lệ xích: v=0.00931 [lít/mm]

p=0.0291[MN/m2.mm]

Xác định các điểm đặc biệt:

[mm3]

Vh = 1.5834[l]

pr = (1,05÷1,1).p0

Trong đó: p0- áp suất khí trời

Vì động cơ không tăng áp, có lắp bình tiêu âmtrên đường thải nên thay p0 ở trên bằng áp suất trên đườngthải pth,với [1]: pth =(1,02÷1,04).p0

Chọn: pth = 1,025p0 và pr = 1,04pth

Vậy: Pr = 1,25.pth = 1,025.0,1=0.10215[MN/m2]

Nối các điểm trung gian của đường nén và đườnggiãn nở với các điểm đặc biệt, sẽ được đồ thị công lýthuyết.

Dùng đồ thị Brick xác định các điểm :

- Phun sớm c’

- Mở sớm (b’), đóng muộn (r’’) xupáp thải

- Mở sớm (r’), đóng muộn (a’’) xupáp nạp

Hiệu chỉnh đồ thị công :

Động cơ Diesel lấy áp suất cực đại bằng pz

Xác định các điểm trung gian:

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

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

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

Nối các điểm c’c’’z’’ và đường giãn nở thành đườngcong liên tục tại ĐCT và ĐCD và tiếp xúc với đường thải, tasẽ nhận được đồ thị công đã hiệu chỉnh

Hình :1.1 Đồ Thị công1.2.XÂY DỰNG ĐỒ THỊ CHUYỂN VỊ PISTON BẰNG PHƯƠNGPHÁP ĐỒ THỊ BRICK.

Vẽ vòng tròn tâm O, bán kính R = S/2 = 140/2 = 70[mm] Chọn tỷ lệ xích: s = 0,8233[mm/mm]

Giá trị biểu diễn của R là :

 M

Thật vậy, ta có thể chứng minh điều này rất dễdàng

Tỷ lệ xích : v = .s

Ở đây:

- tốc độ góc của trục khuỷu,

Từ các điểm 0, 1, 2, 3, kẻ các đường thẳng góc với

AB kẻ từ 0, 1’, 2’, 3’, tại các điểm O, a, b, c, Nối O, a, b,

c, bằng đường cong ta được đường biểu diễn trị sốvận tốc

Các đoạn thẳng a1, b2, c3, nằm giữa đường cong O, a, b,

c với nữa đường tròn R1 biểu diễn trị số của vận tốc ởcác góc  tương ứng; điều đó có thể chứng minh dễdàng

Từ hình1.3, ở một góc  bất kỳ ta có : bb’ = R2.sin2và b’2 = R1.sin

Do đó :

SVTH : lê quang thuận

lỚP : 02c4

Hình 1.3 Đồ thị xác định vận tốc của piston và

chuyển vị S

1.4.XÂY DỰNG ĐỒ THỊ GIA TỐC THEO PHƯƠNG PHÁP TÔLÊ Chọn tỷ lệ xích J =45.953 [m/s2.mm]

Lấy đoạn thẳng AB = S = 2R = 140 (mm)

Giá trị biểu diễn là: [mm]

Tính jmax, jmin [2]:

Từ A dựng đoạn thẳng AC thể hiện jmax

Giá trị biểu diễn của jmax là:

Từ B dựng đoạn thẳng BD thể hiện jmin

Giá trị biểu diễn của jmin là:

Nối 11’, 22’, 33’, v.v Đường bao của các đoạn thẳngnày biểu thị quan hệ của hàm số j=f(x) Diện tích F1 = F2

Hình 1.4 Đồ thị Tôlê

1.5 XÂY DỰNG ĐỒ THỊ LỰC QUÁN TÍNH Pj, LỰC KHÍ THỂ

Pkh, LỰC TỔNG P1

1.5.1 Đồ thị lực quán tính Pj

Cách xây dựng hoàn toàn giống đồ thị gia tốc, ta chỉthay các giá trị Jmax, Jmin và

-3R2 bằng các giá trị Pmax, Pmin, -3R2.m

Ở đây:

m- khối lượng chuyển động tịnh tiến của cơ cấu

khuỷu trục thanh truyền [2]:

m = mnp + m1

Trong đó:

m1- khối lượng tập trung tại đầu nhỏ thanhtruyền

m1 có thể xác định sơ bộ theo công thức kinh

nghiệm sau đây [2]:

m1 = (0,2750,35)mtt

SVTH : lê quang thuận

lỚP : 02c4

Giá trị biểu diễn của (-Pjmax) là:

[mm]

Từ B dựng đoạn thẳng BD thể hiện (-Pjmin)

Giá trị biểu diễn của (-Pjmin) là:

Nối 11’, 22’, 33’, v.v Đường bao của các đoạn thẳngnày biểu thị quan hệ của hàm số -Pj=f(s) Diện tích F1 = F2

SVTH : lê quang thuận

lỚP : 02c4

Hình 1.5 Đồ thị lực quán tính.

trên đồ thị Brick ta gióng các đoạn thẳng song song với trục

p của đồ thị công sẽ cắt đường biểu diễn đồ thị côngtương ứng các kỳ nạp, nén, cháy - giãn nở, thải của động

cơ và lần lượt đo các giá trị được tính từ điểm cắt đóđến đường thẳng song song với trục V và có tung độ bằng

p0, ta đặt sang bên phải bản vẽ các giá trị vừa đo ta sẽ

được các điểm tương ứng các góc 00, 100, 200, 300, , 7100,

7200 và lần lượt nối các điểm đó ta sẽ được đồ thị lựckhí thể Pkh cần biểu diễn

Ta có đồ thị khai triển Pkt , theo góc quay trục khuỷu 

Hình :1.6 Đồ thị khai triển lực khí thể theo Brick

1.5.3 Đồ thị lực tác dụng lên chốt piston P1

Lực tác dụng lên chốt piston là hợp lực của lựcquán tính và lực khí thể:

P1 = Pkh + Pj

Từ đồ thị lực quán tính và lực khí thể đã vẽ ở trên,theo nguyên tắc cộng đồ thị ta sẽ được đồ thị P1 cầnbiểu diễn

SVTH : lê quang thuận

lỚP : 02c4

Pkh N

P1 Ptt

l Pk

T Ptt

P1 Ptt N

Z

Ptt O

Phân p1 thành hai thành phần lực:

Trong đó: ptt -lực tác dụng trên đường tâm thanhtruyền

N- lực ngang tác dụng trên phương thẳnggóc với đường tâm xy lanh

Từ quan hệ lượng giác ta có thể xác định được trịsố của ptt và N

(1.6)

(1 Phân ptt thành hai phân lực: lực tiếp tuyến T và

lực pháp tuyến Z (sau khi đã dời xuống tâm chốt khuỷu )

ta cũng có thể xác định trị số của T và Z bằng các quanhệ sau:

chứng minh ở trên, ta sẽ được các điểm 0, 1, 2, 3, , 72.Dùng đường cong nối các điểm ấy lại, ta có đồ thị lực T,

Z, N cần xây dựng

Hình :1.8 Đồ thị T,Z,N1.7.TÍNH MÔMEN TỔNG T

Thứ tự làm việc của động cơ : 1 - 3 -4 - 2

Ta tính T trong 1 chu k ỳ góc công tác

+ Khi trục khuỷu của xylanh thứ nhất nằm ở vị trí Thì khuỷu trục của xylanh thứ 2 nằm ở vị trí

Tính mômen tổng T = T1 + T2 + T3 + T4

Tính giá trị của bằng công thức:

Trong đó : : công suất chỉ thị của động cơ;

Với ; chọn 

n: là số vòng quay của động cơ; n = 1700 (v/p)

: là diện tích đỉnh piston; R: là bán kính quay của trục khuỷu; : là hệ số hiệu đính đồ thị công; , chọn

SVTH : lê quang thuận

lỚP : 02c4

Bảng 1.3 Bảng tính xây dựng đồ thị 

Đồ thị véctơ phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu dùngđể xác định lực tác dụng trên chốt khuỷu ở mỗi vị trícủa trục khuỷu Sau khi có đồ thị này ta có thể tìm trị sốtrung bình của phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu cũng nhưcó thể tìm được dể dàng lực lớn nhất và lực bé nhất.Dùng đồ thị phụ tải ta có thể xác định khu vực chịu lực

ít nhất để xác định vị trí khoan lỗ dẫn dầu bôi trơn vàđể xác định phụ tải khi tính sức bền trục

Cách xây dựng được tiến hành như sau :

_ Vẽ tọa độ T -Z gốc tọa độ O1 chiều âm dương nhưhình 1.6

_ Tính lực quán tính của khối lượng chuyển độngquay của thanh truyền (tính trên đơn vị diện tích piston) :(1.10)

Trên tọa độ T -Z xác định các trị số của T và Z ở cácgóc độ  = 00,  = 100,  = 200,  = 300, ,  = 7200, trị số

T và Z đã được lập ở Bảng 1.2, tính theo công thức như đãchứng minh ở phần 1.6, ta sẽ được các điểm 0, 1, 2, , 72.Dùng đường cong nối các điểm ấy lại, ta có được đồ thịvéctơ phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu

Nếu ta nối O với bất kỳ điểm nào trên hình vẽ (ví dụnối với điểm  = 3700 như hình 1.6 chẳng hạn), ta sẽ cóđược véctơ biểu diễn phụ tải tác dụng trên chốt khuỷukhi góc quay của trục khuỷu là  = 3700 Chiều của véctơnày như hình 1.6

SVTH : lê quang thuận

lỚP : 02c4

Tìm điểm tác dụng của véctơ chỉ cần kéo dài véctơ vềphía gốc cho đến khi gặp vòng tròn tượng trưng bề mặtchốt khuỷu tại điểm b Rất dễ thấy rằng véctơ Q là hợplực của các lực tác dụng trên chốt khuỷu:

Hình 1.10 Đồ thị véctơ phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu1.9 TRIỂN KHAI ĐỒ THỊ PHỤ TẢI Ở TỌA ĐỘ CỰC THÀNHĐỒ THỊ Q-α

Chọn tỷ lệ xích Q = 0,03[MN/m2.mm] và  = 2 (độ/mm) Lập bảng xác định giá trị của Q theo  bằng cách đo cáckhoảng cách từ tâm O đến các điểm i: 1 =100, 2 = 200, 3=

300, , 72 = 7200 trên đồ thị véctơ phụ tải tác dụng trênchốt khuỷu

Xác định trị số trung bình của phụ tải tác dụng trênchốt khuỷu Qtb bằng cách đếm diện tích bao bởi đồ thịtriển khai Q - , trục hoành và trục tung Kết quả được FQ

= 20800[mm2], chia FQ cho chiều dài trục hoành nên giá trịcủa Qtb là :

Giá trị biểu diễn Qtb là:

Bảng 1.4 Bảng tính xây dựng đồ thị Q-αTỷ lệ xích: µQ = µT = µZ = µN = µpk0 = 0,02909[MN/m2].

Hình 1.11 Đồ thị khai triển Q-

1.10 XÂY DỰNG ĐỒ THỊ VECTƠ PHỤ TẢI TÁC DỤNG TRÊNĐẦU TO THANH TRUYỀN

Sau khi đã vẽ được đồ thị phụ tải tác dụng trên chốtkhuỷu, ta căn cứ vào đấy để vẽ đồ thị phụ tải của ổtrượt ở đầu to thanh truyền Cách vẽ như sau :

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

Vẽ một vòng tròn bất kỳ, tâm O Giao điểm của đườngtâm phần thân thanh truyền với vòng tâm O là điểm 00

Từ điểm 00, ghi trên vòng tròn các điểm 1, 2, 3, , 72theo chiều quay trục khuỷu và tương ứng với các góc 100 +

100, 200 + 200, 300 + 300, , 7200 + 7200

Đem tờ giấy bóng này đặt chồng lên đồ thị phụ tảicủa chốt khuỷu sao cho tâm O trùng với tâm O của đồ thịphụ tải chốt khuỷu Lần lượt xoay tờ giấy bóng cho cácđiểm 0, 1, 2, 3, , 72 trùng với trục (+Z) của đồ thị phụ tảitác dụng trên chốt khuỷu Đồng thời đánh dấu các điểmđầu mút của các véctơ Q0, Q1, Q2, , Q72 của đồ thị phụtải chốt khuỷu hiện trên tờ giấy bóng bằng các điểm 0, 1,

2, 3, , 72

Bảng 1.5 Giá trị các góc α, β, (α+β)

SVTH : lê quang thuận

lỚP : 02c4

(âäü) (radian) Sin (radian) (âäü) (âäü)

(âäü) (radian) Sin (radian) (âäü) (âäü)

(âäü) (radian) Sin (radian) (âäü) (âäü)

Hình 1.12 Đồ thị véctơ phụ tải tác dụng đầu to thanh

truyền

1.11 XÂY DỰNG ĐỒ THỊ MÀI MÒN CHỐT KHUỶU

Đồ thị mài mòn của chốt khuỷu ( hoặc cổ trụckhuỷu ) thể hiện trạng thái chịu tải của các điểm trênbề mặt trục Đồ thị này cũng thể hiện trạng thái haomòn lý thuyết của trục, đồng thời chỉ rõ khu vực chịu tải

ít để khoan lỗ dầu theo đúng nguyên tắc đảm bảo đưadầu nhờn vào ổ trượt ở vị trí có khe hở giữa trục vàbạc lót của ổ lớn nhất Aïp suất bé làm cho dầu nhờn lưuđộng dễ dàng

Sở dĩ gọi là mài mòn lý thuyết vì khi vẽ ta dùng cácgiả thuyết sau đây :

+ Phụ tải tác dụng lên chốt là phụ tải ổn định ứngvới công suất Ne và tốc độ n định mức

+ Lực tác dụng có ảnh hưởng đều trong miền 1200 + Độ mòn tỷ lệ thuận với phụ tải

+ Không xét đến các điều kiện về công nghệ, sửdụng và lắp ghép

Vẽ đồ thị mài mòn chốt khuỷu tiến hành theo cácbước sau :

+ Vẽ vòng tròn bất kỳ tượng trưng cho vòng trònchốt khuỷu, rồi chia vòng tròn trên thành 24 phần bằngnhau

+ Tính hợp lực Q của các lực tác dụng trên cácđiểm 0, 1, 2, , 23 rồi ghi trị số của các lực ấy trongphạm vi tác dụng trên Bảng 1.5

+ Cộng trị số của Q Chọn tỷ lệ xích Q =1[MN/m2.mm], dùng tỷ lệ xích vừa chọn đặt các đoạnthẳng đại biểu cho Q ở các điểm 0, 1, 2, 3, , 23 lên vòngtròn đã vẽ, dùng đường cong nối các điểm đầu mút củacác đoạn ấy lại ta sẽ có đồ thị mài mòn chốt khuỷu

Bảng 1.6 Bảng Xây dựng đồ thị mài mòn chốt khuỷu

Q = 0,02909 (MN/m mm)

SVTH : lê quang thuận

lỚP : 02c4

Q 0

210.7

4210.74210.74210.74210.74      210.7 210.7 210.7 210.7

Nhóm piston động cơ CMD 14 gồm có piston, chốt piston,

vòng hãm chốt piston, xécmăng khí, xécmăng dầu

SVTH : lê quang thuận

lỚP : 02c4

2.1.1.Nhiệm vụ, điều kiện làm việc và vật liệu chế tạo piston :

2.1.1.1 Nhiệm vụ, điều kiện làm việc :

- Trong quá trình làm việc của động cơ, nhóm piston cónhiệm vụ chính sau :

+ Bảo đảm bao kín buồng cháy, giữ không cho khí cháy

lọt xuống cácte và ngăn không cho dầu nhờn từ hộp trụckhuỷu sục lên buồng cháy

+ Tiếp nhận lực khí thể thông qua thanh truyền, truyềnxuống trục khuỷu làm quay trục khuỷu trong quá trình cháyvà giãn nở ; nén khí trong quá trình nén ; đẩy khí ra khỏixylanh trong quá trinh thãi và hút khí mới vào buồng cháytrong quá trình nạp

- Trong quá trình làm việc của động cơ piston chịu lực rấtlớn, nhiệt độ rất cao và ma sát mài mòn lớn, do lực khíthể, lực quán tính và do piston tiếp xúc với sản vật cháy

ở nhiệt độ cao, thiếu dầu bôi trơn gây nên ứng suất cơhọc, ứng suất nhiệt và ăn mòn hoá học trong piston

+ Tải trọng cơ học: trong quá trình cháy, hổn hợp khícháy sinh ra áp suất rất lớn trong buồng cháy,trong các chutrình công tác của động cơ, áp suất khí thể tác dụng lênđỉnh piston có trị số thay đổi rất nhiều, do đó lực khí thểcó tính va đập lớn, và do số vòng quay của động cơ cao nênlực quán tính tác dụng lên piston củng rất lớn

+ Tải trọng nhiệt:

.Quá trình cháy piston tiếp xúc với khí cháy có nhiệt độcao (1800  2300)oK nên nhiệt độ của piston,nhất là nhiệtđộ của phần đỉnh piston và xécmăng khí thứ nhất củngrất cao (500  800)oK , nhiệt độ của piston cao gây ra các táchại:sinh ra ứng suất nhiệt lớn làm rạn nứt piston ; Gâybiến dạng làm bó kẹt piston trong xylanh, tăng ma sát giữapiston và xylanh ; Làm giảm sức bền ,tuổi thọ piston ; Giãmhệ số nạp, ảnh hưởng đến công suất động cơ ; Làm dầunhờn chóng bị phân huỷ

+ Ma sát và ăn mòn hoá học: trong quá trình làm việcpiston chịu ma sát lớn do thiếu dầu bôi trơn, do lực ngang Nép piston vào xylanh ngoài ra do lực khí thể, lực quán tínhvà nhiệt độ cao làm piston bị biến dạng làm tăng ma sát

Do piston luôn tiếp xúc với sản vật cháy ở nhiệt độ cao nên

bị sản vật cháy ăn mòn.Do các điều kiện trên nên khi chếtạo piston phải đảm bảo các yêu cầu sau:

- Đỉnh piston tạo thành buồng cháy tốt, đảm bảo baokín