TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU THANH TRUYỀN
Đặc điểm làm việc của thanh truyền
Thanh truyền là chi tiết nối với piston và trục khuỷu nó có nhiệm vụ truyền lực khí thể từ piston làm quay trục khuỷu và điều khiển piston làm việc trong quá trình nạp,nén, nổ và xả Đồng thời biến chuyển động thẳng của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu.
Điều kiện làm việc
Trong quá trình làm việc, thanh truyền chịu tác dụng các lực sau:
- Lực khí thể trong xilanh.
- Lực quán tính chuyển động tịnh tiến của nhóm piston.
- Lực quán tính của thanh truyền.
Do chịu tác dụng của các lực trên nên thanh truyền bị nén, uốn dọc,uốn ngang; đầu nhỏ thanh truyền bị biến dạng méo; nắp đầu to bị uốn và kéo.
Trong quá trình làm việc thanh truyền chịu tác dụng tải trọng động Nên khi thiết kế cần chú ý đến hệ số an toàn hợp lý:
Vật liệu chế tạo thanh truyền
Vật liệu chế tạo thanh truyền thường là thép cacbon và thép hợp kim Thép cacbon thường dùng phổ biến trong các động cơ tốc độ thấp như thép C30, C35, C40,C45.Động cơ ôtô máy kéo có thể dùng thép cacbon C40, C45, thưòng dùng thép hợp kim 45Mn2; 40CrNi; 40Cr vv các loại động cơ cường hoá cao tốc ( xe đua, xe du lịch) Thường dùng thép 18Cr2Ni4WA; 12CrNi3A vv Các loại vật liệu nặng cơ tính tốt, sức bền mỏi cao, đảm bảo yêu cầu làm việc.
Kết cấu của thanh truyền
Kết cấu của thanh truyền gồm 3 phần :
- Đầu nhỏ thanh truyền : đầu lắp ghép thanh truyền với chốt piston.
- Thân thanh truyền : phần thanh truyền nối đầu nhỏ với đầu to.
- Đầu to thanh truyền : đầu lắp ghép thanh truyền với chốt khuỷu.
1: Bạc đầu nhỏ 2: Đầu nhỏ thanh truyền 3: Thân thanh truyền 4: Bulông bắt nắp đầu to 5: Nửa trên thanh truyền 6: Bạc đầu to thanh truyền 7: Nửa dưới thanh truyền
Hình 1.1 Kết cấu của thanh truyền
Kết cấu đầu nhỏ thanh truyền phụ thuộc vào kích thước và phương pháp lắp ghép chốt piston. a) Khi lắp chốt tự do: đầu nhỏ thanh truyền có hình dạng trục rỗng Đôi khi có dạng ô van để tăng độ cứng vững (hình 1.2.b) Trên động cơ xăng ôtô đầu nhỏ thường làm mỏng (hình 1.2.c) Khi lắp chốt tự do, phải chú ý bôi trơn mặt chốt piston và bạc lót đầu nhỏ Thông thường dầu nhờn được đưa lên bôi trơn mặt chốt và bạc lót đầu nhỏ bằng đường dầu khoan dọc trong thân thanh truyền (a,b)
+ Trong động cơ 2 kỳ đầu nhỏ luôn chịu lực nén, do đó dầu bôi trơn bề mặt chốt phải có áp suất cao và để giữ dầu bôi trơn Phía trong bạc lót đầu nhỏ thường có các rãnh chéo, (hình 1.2.d) Trên động cơ ôtô máy kéo chốt piston được bôi trơn kiểu vung té.
Do đó đầu nhỏ thanh truyền phải có lỗ hứng dầu hoặc rãnh hứng dầu
+ Trên động cơ làm mát đỉnh piston bằng cách phun dầu nhờn vào mặt dưới của đỉnh piston.
+ Trên đầu nhỏ phải có lỗ phun dầu.
Bạc lót đầu nhỏ thanh truyền thường làm bạc đồng Đôi khi bằng bạc thép có tráng lớp hợp kim chịu mòn,chiều dày bằng khoảng (0,080 ¿ 0,085)dc (dc - đường kính chốt piston).
+ Chiều dày đầu nhỏ thanh truyền thường chọn trong khoảng: d 1 d 2 = 1,2 ¿ 1,3: đối với thanh truyền có gia công cơ khí mặt ngoài. d 1 d 2 = 1,35 ¿ 1,45: đối với thanh truyền không gia công cơ khí mặt ngoài.
(d1 và d2 là đường kính ngoài và đường kính trong của đầu nhỏ thanh truyền) + Khe hở hướng kính giữa bạc lót đầu nhỏ và chốt piston thường lấy bằng: Δ = (0,0004 ¿ 0,0015) dc. b) Khi chốt piston lắp cố định trên đầu nhỏ: Kết cấu đầu nhỏ phụ thuộc vào cách cố định chốt piston.
+ Cố định theo kiểu (hình 1.2.a) thuận tiện cho việc lắp ghép, nhưng làm yếu tiết diện nhỏ nhất của thanh truyền.
+ Cố định theo kiểu (hình 1.2.b) làm cho đầu nhỏ thanh truyền không đối xứng, khi vận động sẽ gây ra mômen uốn phụ, tuy nhiên ảnh hưởng này nhỏ nên kết cấu nhỏ này được ứng dụng phổ biến.
Khoảng cách giữa tâm đầu nhỏ và đầu to gọi là chiều dài của thanh truyền và phụ thuộc vào thông số kết cấu λ λ R l
+ Động cơ ngày nay thường thì λ = 0,24 ¿ 0,30.
+ Tiết diện thanh truyền đa dạng (hình 1.3.a,b) Loại tiết diện chữ I được dùng rộng rãi trong các loại động cơ Còn thân thanh truyền có tiết diện chữ nhật,ôvan dễ chế tạo thường dùng cho động cơ môtô,xe máy,xuồng máy và các động cơ xăng cỡ nhỏ.
+ Trong thân thanh truyền có khoan lỗ dẫn dầu bôi trơn (hình1.3.c), đường kính lỗ dẫn dầu khoảng 4 ¿ 8mm Đôi khi để tăng độ cứng vững và dễ khoan lỗ dẫn dầu,người ta gân dọc suốt chiều dài thân thanh truyền Một số loại không thể khoan được đường dẫn dầu, người ta gắn ống dẫn dầu phía ngoài thân.
Hình 1.3 Các loại tiết diện thân thanh truyền
+ Hình 1.3.a thân có tiết diện tròn + Hình 1.3.b,c thân có tiết diện chữ I + Hình 1.3.d thân có tiết diện hình chữ nhật + Hình 1.3.e thân có tiết diện hình elip
+ Kích thước thân thanh truyền lớn dần từ đầu nhỏ đến đầu to để phù hợp với quy luật phân bố lực quán tính lắc của thanh truyền, còn chiều dày của thân thì đồng đều trên suốt chiều dài thân thanh truyền.
- Kết cấu đầu to thanh truyền phải đảm bảo các yêu cầu sau:
+ Có độ cứng vững lớn để bạc lót không bị biến dạng.
+ Kích thước nhỏ gọn để lực quán tính nhỏ, giảm tải trọng tác dụng lên chốt khuỷu, cổ trục.
+ Chỗ chuyển tiếp giữa thân và đầu to phải có góc lượn lớn để tăng độ cứng vững.
+ Thuận tiện cho việc lắp ghép piston thanh truyền với trục khuỷu Trong động cơ hầu hết đầu to chia thành 2 nửa: nửa trên liền với thân và nửa dưới là nắp đầu to thanh truyền Hai nửa này lắp ghép với nhau bằng bu lông hay gujông, trong trường hợp này bạc lót cũng chia thành hai nửa.
+ Kích thước đầu to thanh truyền phụ thuộc vào chốt khuỷu Do trục khuỷu là chi tiết chịu tải trọng động lớn nên để tăng độ cứng vững của trục khuỷu, người ta thường dùng trục khuỷu có độ trùng điệp giữa cổ chốt và cổ trục bằng cách tăng đường kính cổ chốt và cổ trục.
+ Đường kính chốt lớn kéo theo đầu to thanh truyền lớn, vì vậy cần giảm kích thước đầu to thanh truyền đảm bảo cho thanh truyền đút qua được xilanh khi lắp ghép.
Cụ thể sử dụng các biện pháp sau:
+ Dùng nhiều bulông (4 hoặc 6) để lắp ghép nắp đầu to thanh truyền, lúc này đường kính bulông thanh truyền sẽ nhỏ hơn so với loại dùng hai bulông.
+ Cắt nghiêng đầu to thanh truyền dưới một góc bằng 30 ¿ 60 0 Trong trường hợp này, để tránh tình trạng bulông thanh truyền chịu lức cắt,người ta thường gia công các mặt lắp ghép các vấu, ngàm hoặc răng cưa Khi lắp ghép thanh truyền có đầu to cắt nghiêng, phải lắp đúng chiều, để giảm tải cho bulông loại này dùng khá phổ biến trên động cơ xăng.
Bạc lót đầu to thanh truyền
1.5.1 Đặc điểm làm việc và vật liệu chế tạo
- Trên động cơ, hầu hết các ổ trục và ổ chốt đều là ổ trượt Do đầu to cắt thành hai nửa nên bạc lót cũng gồm hai nửa Bạc lót bao gồm bạc thép phía ngoài và lớp hợp kim chịu mòn tráng lên phía trong bạc thép Yêu cầu đối với vật liệu chịu mòn:
+ Có tính chống mòn tốt, có hệ số ma sát nhỏ
+ Có độ cứng thích đáng và độ dẻo cần thiết
+ Ở nhiệt độ cao, sức bền ít giảm
+ Truyền dẫn nhiệt tốt, ít giãn nở
+ Giữ được dầu bôi trơn
+ Chóng rà khít với bề mặt trục
+ Dễ đúc, dễ bám với vỏ thép
- Vật liệu được chia thành ba nhóm sau:
+ Nhóm kim loại: gồm có babít, đồng thanh-thiếc, đồng thanh-chì, hợp kim nhôm, hợp kim kẽm, gang chóng mòn.
+ Nhóm kim loại gốm: gồm các bột kim loại ép như sắt-graphít, đồng thanh- graphít vv
+ Nhóm phi kim loại: gồm chất dẻo, gỗ ép cao su
* Hợp kim babít: do Iaxăc babít đề xuất năm 1839 được dùng phổ biến trong động cơ vì có những ưu điểm sau:
+ Do tổ chức kim tương của hợp kim babít bao gồm những tinh thể cứng của Cu, hợp kim của Cu3Sn, của Sb, hợp chất SnSb được phân bố trên nền mềm của thiếc trên nó có tính dẻo, chịu mòn và chịu mỏi tốt, dễ rà khít với bề mặt trục.
+ Hợp kim babít dễ đúc và dễ bám chắc trên vỏ thép.
+ Giá thành đắt vì dùng nhiều thiếc
+ Tính dẫn nhiệt kém, đối với động cơ có áp suất khí cháy lớn thì hợp kim babít không dùng được.
+ Ở nhiệt độ cao, độ cứng giảm khá nhiều( ví dụ: tại nhiệt độ 290 0 K 373 0 K, độ cứng giảm 60 70 %.
* Hợp kim babít chia ra hai loại:
+ Loại babít nền thiếc: SnSbCu6: Sn = 84 86%; Sb = 10 12%; Cu = 5,5 6,5% tạp chất gồm: 0,08%Fe; 0,35%Pb; 0,05Bi.
+ Loại babít nền chì: PbSn10Sb14Cd1,5.
Ni = 1,25%; Cd = 1,25 1,75% còn lại là chì tạp chất gồm 0,10%Fe; 0,15%Zn
* Hợp kim đồng chì: trong động cơ có phụ tải lớn, áp suất bề mặt ổ trục cao, người ta thường dùng hợp kim đồng chì Về mặt tổ chức kim tương, hợp kim đồng chì là một hỗn hợp cơ học của đồng chì Tất cả chì đứng riêng biệt ra và đông đặc, sau cùng bao bọc các tinh thể đồng tiết ra trước tạo thành các phiến chì mềm phân bố theo dạng mạng trên nền đồng cứng.
+ Hợp kim đồng chì thường dùng là: BiCuPb30 có thành phần:
Pb = 21 28%; P = 0,5% còn lại là chì tạp chất gồm:
0,3%S; 0,25%Fe; 0,1%Al; 0,2%Si; 0,1%As; 0,2%Sn; 0,5 Ni; 0,1%Zn. Hợp kim đồng chì có những ưu điểm như:
+ Sức bền cơ học cao, chịu được nhiệt độ cao (480 0 K)
+ Độ cứng cao, ở nhiệt độ cao độ cứng giảm ít
+Chịu được áp suất bề mặt ổ lớn
* Hợp kim chịu mòn tráng lên đầu to thanh truyền theo hai cách sau:
- Tráng trực tiếp hợp kim chịu mòn lên đầu to thanh truyền ( không dùng bạc lót)
- Tráng hợp kim chịu mòn lên bạc lót: có loại bạc lót dày và bạc lót mỏng. a) Bạc lót dày.
+ Bạc lót dày là loại bạc lót có chiều dàygộp bạc thép từ 3 6 mm, lớp hợp kim chịu mòn dày 1,5 3 mm.
+ Bạc lót dày thường dùng trong động cơ tàu thủy cũng như một số động cơ máy kéo
+ Để lớp hợp kim chịu mòn bám chắc trên gộp bạc, bề mặt đúc tráng thường chỉ gia công thô, sau đó tẩy sạch chất bẩn và đôi khi mạ một lớp thiếc dầy khoảng 0,05 0,1 mm trước khi đúc tráng lớp hợp kim chịu mòn.
+ Trong quá trình làm việc, thanh truyền có thể bị dịch dọc theo đường tâm chốt khuỷu Để giảm ma sát do sự cọ sát giữa đầu to và má khuỷu Người ta tráng một lớp hợp kim chịu mòn lên cả hai mặt đầu bạc lót (bạc lót có vai) Loại này để định vị lên đầu to thanh truyền người ta dùng bulông để chống xoay bạc lót hoặc dùng chốt đóng. b) Bạc lót mỏng.
+ Bạc lót mỏng có chiều dày gộp bạc 0,9 3 mm, lớp hợp kim chịu mòn dày 0,4
* Trên các động cơ hiện nay, người ta thường dùng bạc lót mỏng vì nó có ưu điểm:
+ Phù hợp điều kiện sản xuất hàng loạt theo các "cốt" sửa chữa, cho phép lắp lẫn bạc lót mà không cần cạo bạc.
+ Giảm được kích thích đầu to thanh truyền tạo ra khả năng tăng đường kính chốt khuỷu.
+ Khả năng truyền nhiệt tốt từ bạc ra đầu to thanh truyền.
+ Bạc lót có độ cứng vững yếu lên khi lắp ghép mặt lưng gộp bạc dễ tiếp xúc với đầu to thanh truyền làm tăng khả năng truyền nhiệt của bạc lót
+ Chiều dày vỏ thép bạc lót thường nằm trong khoảng ( 0,03 0,05 ) dc, khe hở bạc lót và chốt khuỷu trong khoảng (0,0045 0,0015)dc; chiều dày lớp hợp kim chịu mòn bằng 0,2 0,7mm, khe hở giữa mặt đầu của bạc lót và má khuỷu vào khoảng 0,15 0,25 mm, khe hở này không lớn vì dể rò rỉ dầu ra hai mép làm giảm áp suất dầu bôi trơn
Trong đó dc là đường kính chốt khuỷu (mm).
+ Trên bề mặt của bạc lót, chỗ hai nửa bạc lắp ghép với nhau, người ta thường khoét đi một ít lớp hợp kim chống mòn để khi xiết bulông, mép bị biến dạng vẫn đảm bảo khe hở giữa bạc lót và trục khuỷu Để định vị bạc lót mỏng thường dùng lưỡi gà dập nhô ra khỏi phía lương gộp bạc Lưỡi gà này ăn khớp khít vào rãng định vị phay trên đầu to thanh truyền.
Bu lông thanh truyền
1.6.1 Đặc điểm làm việc và vật liệu chế tạo
Bu lông thanh truyền là tiết nhỏ nhưng rất quan trọng trong mối ghép trục khuỷu - thanh truyền.
Trong quá trình làm việc bu lông chịu tác dụng của các lực:
+ Lực xiết ban đầu khi lắp ghép.
+ Lực quán tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến và lực quán tính ly tâm của khối lượng chuyển động quay.
+ Vật liệu chế tạo bu lông thanh truyền là thép hợp kim, thép cacbon dùng trong động cơ hai kỳ tốc độ chậm.
+ Động cơ tĩnh tại, tàu thuỷ dùng thép hợp kim: 37CrNi3A; 40CrNi; 40Cr
+ Động cơ ôtô máy kéo: 40Cr; 40CrNi; 30CrNiAl; 25CrNiWA.
+ Động cơ cường hoá: 20CrNi3A.
1.6.2 Kết cấu bulông thanh truyền
Hình dạng bu lông thanh truyền có nhiều kiểu, chủ yếu do công dụng của động cơ và các biện pháp nâng cao sức bền mỏi của bu lông (hình 1.4)
Hình 1.4 Một dạng kết cấu của bu lông và gu giông
1.4a bu lông thanh truyền 1.4b gu giông thanh truyền
* Thiết kế và chế tạo bu lông thanh truyền.
+ Khi thiết kế, chế tạo bu lông thanh truyền cần phải đảm bảo sao cho nó chỉ chịu lực kéo, tránh các lực cắt và uốn bu lông.
+ Gia công bề mặt tựa của bu lông và đai ốc thanh truyền vuông góc với đường tâm thanh truyền, khi lắp ghép không bị uốn do mặt không bị kênh.
+ Hình dạng đầu bu lông cố gắng làm đối xứng và mặt ren phải đồng tâm với đường tâm bu lông để phương lực kéo trùng với đường tâm bu lông.
XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ TÍNH TOÁN
Các thông số cho trước
Loại động cơ Diesel, không tăng áp
Kiểu động cơ Thẳng hàng
Công suất động cơ 75 mã lực
Số vòng quay 4500 vòng/phút
Suất tiêu hao nhiên liệu 200g/ml.h
Số kì 4 Đường kính xylanh 88 mm
Chiều dài thanh truyền 150 mm
Khối lượng nhóm piston 1.1 kg
Khối lượng thanh truyền 0.86 kg Áp suất khí thể p =f(α) Mpa- với α) Mpa- với α) Mpa- với α là góc quay trục khuỷu
Các thông số tính toán
Từ các thông số đầu bài cho ta chọn loại xe tính toán là động cơ diesel, 4 xylanh thẳng hàng Với đường kính Xilanh D = 88(mm)
- Đường kính chốt piston (d cp ): (Tra bảng 16[II] trang 51) d cp = (0,3-0,45).D
- Đường kính bệ chốt (db): dựa vào bảng 16 trang 51 ta có:
Chọn db = 40 (mm) Đường kính lỗ trên chốt (d0 )dựa vào bảng 16 trang 51 ta có:
- Chiều dày bạc lót Ä đầu nhỏ: (Tra công thức trang 81[II]) Ä= (0,08-0,085) d cp =(0,08-0,085).30 = (2,4 -2,55) (mm)
- Khe hở hướng kính bạc lót và chốt pittông: (Tra công thức trang 82[II]) Ä’=( 0,001-0,0015).dcp = ( 0,001-0,0015).30 = ( 0,03-0,045) (mm)
- Gọi r1 là bán kính trong đầu nhỏ thanh truyền: d1 = (1,1-1,25).dcp = (1,1-1,25).30 = ( 33- 37,55)
- Gọi r2 là bán kính ngoài đầu nhỏ thanh truyền: d2 = (1,25-1,65).dcp =(1,25-1,65).30 = ( 37,5- 49,5)
=> đầu nhỏ là loại đầu mỏng
- Chiều dài đầu nhỏ thanh truyền: l d l d = (0,28 – 0,32).D = (0,28 – 0,32).88 ld= (24,64-28,16) (mm)
- D 1 : Đường kính trong đầu to thanh truyền
- Với: dck: Đường kính chốt khuỷu Đối với động cơ diesel thẳng hàng: dck= (0,6- 0,7) D= (0,6- 0,7).88= (52,8- 61,6) (mm)
- Chiều dày vỏ bạc lót: Δ 1 ' = (0,03-0,05) dck =(0,03-0,05) 55 = (1,65- 2,75) (mm)
- Khe hở giữa bạc lót và chốt khuỷu: Δ 2 ' = (0,0045-0,015).dck
(Tra công thức trang 96 [II]) Δ 2 ' = (0,0045-0,015).dck = (0,0045-0,015).55= (0,248-0,825) (mm)
- Chiều dày lớp hợp kim chịu mũn là: Δ 3 ' = (0,4 ¿ 0,7) (mm)
- Đường kính ngoài đầu to thanh truyền: D 2
- Chiều dài đầu to l D = (0,45 - 0,85 ) dck lD= (0,45 - 0,85 ).55= (24,75-46,75) (mm)
- Khoảng cách giữa 2tâm bu lông: lt = (1,3 - 1,75).dck = (1,3 - 1,75) 55= (71,5-96,25) (mm)
Khối lượng nhóm thanh truyền
- Khối lượng thanh truyền quy dẫn về đầu nhỏ m1= (0,275-0,35)mtt = (0,275-0,35).0,86= (0,236-0,301)
- Khối lượng thanh truyền quy dẫn về đầu to thanh truyền. m2 = mtt - m1 = 0,86- 0,25= 0,61 (kg)
Bảng thông số tính toán
Thông số Kí hiệu Giá trị Đơn vị Đường kính chốt piston d cp 30 (mm)
Chiều dài đầu nhỏ thanh truyền 25 (mm)
Chiều dày bạc lót đầu nhỏ Ä 2,5 (mm)
Khe hở hướng kính bạc lót và chốt pittông Ä’ 0,03 (mm)
Chiều dày vỏ bạc lót đầu to ' 1 2 (mm)
Khe hở giữa bạc lot và chốt khuỷu ' 2 0,5 (mm)
Chiều dày lớp hợp kim chịu mũn là ' 3 0,5 (mm)
Bán kính trong đầu nhỏ thanh truyền r1 18 (mm)
Bán kính ngoài đầu nhỏ thanh truyền r2 20 (mm) Đường kính trong đầu to thanh truyền D 1 61 (mm) Đường kính ngoài đầu to thanh truyền D 2 67,1 (mm)
Chiều dài đầu to 30 (mm)
Khối lượng thanh truyền quy dẫn về đầu nhỏ m1 0,25 (kg)
Khối lượng thanh truyền quy dẫn về đầu to thanh truyền m2 0,61 (kg) Đường kính chốt khuỷu dck 55 (mm)
Khoảng cách giữa 2 tâm bu lông lt 80 (mm) Đường kính trong đầu nhỏ thanh truyền d1 36 (mm)
Dường kính ngoài đầu nhỏ thanh truyền d2 40 (mm)
TÍNH TOÁN KIỂM NGHIỆM BỀN
Tính sức bền của nhóm thanh truyền
- Khi động cơ làm việc đầu nhỏ thanh truyền chịu các lực tác dụng sau:
+ Lực quán tính của nhóm piston.
+ Lực do biến dạng gây ra.
+ Ngoài ra khi lắp ghép bạc lót, đầu nhỏ thanh truyền còn chịu thêm ứng suất phụ do lắp ghép bạc lót có độ dôi gây nên.
- Các lực trên gây ra ứng suất: uốn, kéo, nén tác dụng trên đầu nhỏ thanh truyền.
- Tính toán đầu nhỏ thanh truyền thường tính ở chế độ công suất lớn nhất Nếu động cơ có bộ điều tốc hoặc bộ hạn chế tốc độ vòng quay thì tính toán ở chế độ này cũng là tính toán ở chế độ số vòng quay giới hạn lớn nhất của động cơ Nếu không có bộ phận giới hạn số vòng quay (hoặc bộ điều tốc) thì số vòng quay lớn nhất nmax của động cơ có thể vượt quá số vòng quay ở chế độ công suất lớn nhất ne%% ¿ 30% tức là: Nmax =(1,25 ¿ 1,30) ne
Hình 3.1 Sơ đồ tính toán đầu nhỏ thanh truyền
Ta có bảng thông số:
Thụng số Động cơ diesel Đường kính ngoài bạc d1 (1,1-1,25)dcp Đường kớnh ngoài d2 (1,25-1,65)dcp
Chiều dày đầu nhỏ ld (0,28-0,32)D
Chiều dày bạc đầu nhỏ (0,055-0,085)dcp
3.1.1 Tính sức bền đầu nhỏ khi chịu kéo
Tính trên giả thiết sau: Coi đầu nhỏ là một dầm cong được ngàm hai đầu, vị trí ngàm là chỗ chuyển tiếp giữa đầu nhỏ và thân (tiết diện c-c) ứng với góc bằng.
(2-1) Trong đó: bán kính trong của đầu nhỏ : 2
= r1 = 18 (mm) bán kính ngoài đầu nhỏ; r2 =1,3 r1=1,3.18#,4 (mm)
H - chiều rộng của thân chỗ nối với đầu nhỏ.
1: Bán kính góc lượn nối đầu nhỏ với thân thanh truyền chọn theo hệ số thực nghiệm. Đối với thanh truyền có bán kính ngoài đầu nhỏ là 23,4(mm) thì chọn 1 30 (mm)
là bán kính trung bình đầu nhỏ
23,4+303,5 0 -Do tính chất đối xứng của ngàm nên khi tính toán, ta cắt bỏ một nửa và thay thế bằng các lực pháp tuyến và mô men uốn NA,
- Khi lắp bạc lót vào đầu nhỏ, bạc lót và đầu nhỏ đều biến dạng.
Mô men uốn Mj và lực kéo Nj ở tiết diện bất kỳ trên cung AA – BB
Giá trị của trong hai biểu thức trên tính theo độ.
Trong đó: pj : Lực quán tính của nhóm piston
Trong đó: m np :Khối lượng nhóm piston m np = 1,1 (kg) l: chiều dài thanh truyền l= 150 (mm)
: Vận tốc góc ứng với số vòng quay định mức của động cơ (n N ) áp dụng công thức: n N = ' max
(vòng/phút) Với ’: Đối với động cơ Diesel ’ = 0,75
Ta có: nN = 4500 0,75 = 6000 (vòng/phút)
- 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
2p 0,03 2.20,7 = 7,25.10 -4 (MN) Tính trên giả thiết sau: Coi đầu nhỏ là một dầm cong được ngàm hai đầu, vị trí ngàm là chỗ chuyển tiếp giữa đầu nhỏ và thân (tiết diện c-c) ứng với góc γ bằng.
- Bán kính trong của đầu nhỏ:
- Bán kính ngoài của đầu nhỏ: r2 =1,3.r1=1,3.18#,4 (mm)= 23,4 10 -3 (m)
- H : chiều rộng của thân chỗ nối với đầu nhỏ.
- ρ 1 : Bán kính góc lượn nối đầu nhỏ với thân thanh truyền chọn theo hệ số thưc nghiệm Đối với thanh truyền có bán kính ngoài đầu nhỏ là 23,4 (mm) thì chọn ρ 1 ¿ 30 (mm)
- Do tính chất đối xứng của ngàm nên khi tính toán, ta cắt bỏ một nửa và thay thế bằng các lực pháp tuyến và mô men uốn NA, MA
- Khi lắp bạc lót vào đầu nhỏ, bạc lót và đầu nhỏ đều biến dạng.
- Nếu coi đầu nhỏ thanh truyền chịu lực như một dầm cong ngàm một đầu ở tiết diện C-C thì có thể tính mô men uốn Mj và lực kéo Nj gần đúng theo công thức sau:
Giá trị của γ trong hai biểu thức trên tính theo độ.
Trong đó: pj : Lực quán tính của nhóm piston
Trên cơ sở giả thiết nêu trên, ta xây dựng sơ đồ tính toán và biểu thị ở
Hình 3.2 Sơ đồ lực tác dụng khi đầu nhỏ thanh truyền chịu kéo
Dựa vào sơ đồ đó, ta có thể xác định các đại lượng mô men uốn và lực kéo tại tiết diện bất kì của dầm cong Dầm cong bao gồm hai cung: cung có lực phân bố ( (γ x ≤90 0 ) ) và cung có lực phân bố ( γ x ≥90 0 )
Mô men uốn: Mj = MA+NA(cosx)-0,5.Pj.(1-cosx) (3-3)
Lực kéo: Nj = NAcos γ x +0,5P j ( 1−cosγ x ) (3-4)
Mô men uốn : Mj = MA + NA ρ(1−cosγ x )−0,5Pj ρ(sinγ x −cosγ x ) (3-5)
Lực kéo: Nj = NAcos γ x +0,5P j ( sinγ x −cosγ x ) (3-6)
- Từ các biểu thức (3-3), (3-4), (3-5) và (3-6), ta thấy Mj và Nj trên cung BC ( γ x ≥90 0 ) có giá trị lớn hơn, tiết diện nguy hiểm là tiết diện ngàm C - C.
- Như vậy mô men uốn và lực kéo tại tiết diện ngàm C -C bằng :
Mjc = MA + NA (1-cos γ ) - 0,5Pj.(sin γ− cos γ )
Njc = NAcos γ + 0,5PJ(sin γ− cos γ ) (3-8)
- Thay MA, NA , , γ , và PJ vào (3-7) ta được:
Njc=0.014.cos115,99 0 +0,5.0,33.(sin115,99 0 - cos115,99 0 ) = 0,214(MN)
- Do giả thiết bạc lót và đầu nhỏ đều bị biến dạng khi lắp ghép với nhau (khi ép bạc lót vào đầu nhỏ, bạc lót chịu ứng suất nén dư, còn đầu nhỏ chịu ứng suất kéo dư nên khi làm việc đầu nhỏ thanh truyền không chịu toàn bộ lực kéo Nj do Pj gây ra mà chỉ chịu một phần của lực Nj đặc trưng bằng hệ số(Chi): χ , tức là : Nk = χN J
Hệ số χ phụ thuộc vào độ cứng của các chi tiết mối ghép (bạc lót và đầu nhỏ) và được xác định bằng biểu thức: χ=
+ Ed: Mô đun đàn hồi của vật liệu chế tạo thanh truyền; E d =2,2.10 5 (MN/m 2 )
+ Eb : Mô đun đàn hồi của vật liệu chế tạo bạc lót; Eb = 1,15 10 5 (MN/m 2 )
+ F d : Tiết diện dọc của đầu nhỏ thanh truyền + F d = l d (d 2 - d 1 )%.10 -3 (40.10 −3 - 36.10 −3 )= 1.10 -4 (m 2 )
+ l d : Chiều dài đầu nhỏ thanh truyền; l d = 25(mm) = 25.10 -3 (m) + d 2 : Đường kính ngoài đầu nhỏ; d 2 = 40 (mm)= 40.10 -3 (m)
+ d 1 :Đường kính trong đầu nhỏ; d 1 = 36(mm) = 36.10 -3 (m)
+ Fb : tiết diện dọc của bạc lót.
- Thay số vào ta được : χ= 2,2.10 5 1,5.10 −4 2,2.10 5 1,5.10 −4 +1,15.10 5 1.10 −4 =0,74 2,2.10 5 1.10 −4 2,2.10.1.10 −4 +1,15.10.1,5.10 −4 = 0,56
- Do vậy, ứng suất trên đầu nhỏ trong trường hợp có ép bạc lót sẽ là:
Trên mặt ngoài : σ nj =[2M jc 6ρ+s s(2ρ+s)+χN Jc ] 1 l d s (3-10)
Thay vào (3-10) ta được: σ nj =[2.3,1.10 −6 6.14,5.10 −3 +3.10 −3 3.10 −3 (2.14,5.10 −3 +3.10 −3 )+0,74.15,4.10 -3 ]1 25.10 −3 3.10 −3 ¿[ 2 1,14.10 −6 2.10 6.20,7 −3 ( 2.20,7 10 −3 10 +2.10 −3 +2.10 −3 − 3 )+0,56.0,214] 25 10 −3 1 2.10 −3
+ S là chiều dày đầu nhỏ: s=r2-r1 -18=2 (mm) = 2.10 -3 (m)
- Trên mặt trong : σ tj =[−2M jc 6ρ−s s(2ρ−s)+χN Jc ] 1 l d s (3-11)
- Thay số vào ta được : σ tj
Hình 3.3 ứng suất trên mặt trong và mặt ngoài của đầunhỏ thanh truyền khi chịu kéo.
- Nếu giá trị Mj , NJ được tính ở mọi tiết diện bất kỳ nào của đầu nhỏ, ta sẽ tính toán được ứng suất tại các tiết diện đó biết được quy luật phân bố ứng suất trên mặt ngoài và mặt trong của đầu nhỏ (Hình 3.3)
3.1.2 Tính sức bền đầu nhỏ khi chịu nén
- Lực nén tác dụng lên đầu nhỏ thanh truyền là hợp lực của lực khí thể và lực quán tính của khối lượng piston.
P = Pkt + Pjp = pz Fp + Pj (3-12)
Fp : Diện tích đỉnh piston; Fp πD 2
- Theo Kinaxotsvili, lực P gây ra phân bố trên đầu nhỏ theo quy luật đường cong cosinuyt q = 2
- Ta cũng coi đầu nhỏ như một dầm cong như đã nói ở phần trên và do tính chất đối xứng ta cắt bỏ đi một nửa tiết diện A -A, thay vào đó bằng các lực và mô men tương ứng N A , M A
Hình 3.4 Sơ đồ tác dụng lực trên đầu nhỏ thanh truyền.
Mô men uốn và lực pháp tuyến (lực kéo) trên cung AB ( γ x ≤90 0 ) là:
- Và trên cung BC ( γ x ≥90 0 ) là:
Trong công thức trên γ x tính theo radian, chọn γ x 2.π
- Như đã phân tích ở trên, do lắp ghép căng bạc lót trên đầu nhỏ, nên lực pháp tuyến tác dụng trên đầu nhỏ mà không phải là toàn bộ NZ chỉ là một phần của NZ tức là χN Z ứng suất tổng gây ra trong đầu nhỏ khi chịu nén là:
Thay giá trị MZ, NZ bằng MZ1, MZ2, NZ1, NZ2 theo biểu thức (3-14) và (3-15), ta sẽ tìm được ứng suất tại tiết diện bất kỳ trên mặt trong và mặt ngoài của đầu nhỏ và ta vẽ được biểu đồ ứng suất trên đầu nhỏ (Hình 3.5). σ nz 1 =
[ 2.5,39.10 −4 2.10 6.20,7 −3 ( 2.20,7 10 −3 10 +2.10 −3 +2.10 −3 −3 )+0,56.(−2,97 10 −4 )] 25.10 −3 1 2.10 −3 σ nz 2 = 31313,19 (MN/ m 2 ) σ tz1 = [ −2.1,82.10 −6 2.10 −3 6.20,7 ( 2.20,7 10 −3 10 −2.10 −3 −2.10 −3 −3 )+0,56 2,4.10 −4 ] 25.10 −3 1 2.10 −3 σ tz1 = -110,2 (MN/m 2 ) σ tz 2 =
Hình 3.5 ứng suất trên đầu nhỏ thanh truyền khi chịu nén
Từ biểu đồ đó, ta thấy: ứng suất lớn nhất tại ngàm (tiết diện C -C ) tức là tại vị trí γ x =γ
3.1.3 Ứng suất biến dạng Ứng suất biến dạng gây ra do sự biến dạng vì dãn nở nhiệt và vì lắp ghép có độ dôi giữa lót đầu nhỏ và đầu to thanh truyền. Độ biến dạng của đầu nhỏ khi chịu nhiệt độ là: Δ t =(α b −α tt )t.d 1 Δ t =(1,8.10 −5 −1.10 −5 ) 120 36=0,03 (mm)
+ t: Nhiệt độ trung bình của bạc lót khi làm việc. t = 100 – 140 0 C , chọn t = 120 0 C + α b ,α tt : Là hệ số nở dài của bạc lót và đầu nhỏ.
+ α tt =1 10 −5 (vật liệu bằng thép).
- Nếu độ dôi khi lắp ghép bạc đầu nhỏ thanh truyền là Δ thì áp suất trên mặt cong của đầu nhỏ sẽ là:
+ d2: Là đường kính ngoài của đầu nhỏ; d 2 @ (mm) @.10 -3 (m)
+ db: Đường kính trong của bạc lót; d b = 2.Ä’+ d cp
+d 1 : Đường kính trong đầu nhỏ; d 1 = 36 (mm) = 36.10 -3 (m) + μ : là hệ số poát xông μ = 0,3
+ Ett , Eb : mô đun đàn hồi của vật liệu thanh truyền và bạc lót.
+ Δ : độ dôi khi lắp ghép bạc đầu nhỏ thanh truyền chọn: Δ = 0,01(mm) = 0.01.10 -3 (m)
- Ứng suất biến dạng theo công thức Lame:
+ Ứng suất bên ngoài mặt đầu nhỏ : σ nΔ = p 2 d 1 2 d 2 2 −d 1 2 (3-17)
(MN/m 2 ) + Ứng suất trên mặt trong: σ tΔ = p d 2 2 +d 1 2 d 2 2 − d 1 2 (3-18)
- Ứng suất biến dạng cho phép có thể đạt đến 100 – 150 MN/m 2
=>Kết luận: Đầu nhỏ thanh truyên đảm bảo ứng suất biến dạng.
Tính sức bền thân thanh truyền ở tốc độ cao
Khi động cơ làm việc thì thân thanh truyền chịu các lực sau đây:
+ Lực quán tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến
+ Lực quán tính chuyển động lắc ( chuyển động song phẳng) của thanh truyền
Vì vậy trạng thái chịu lực của thân thanh truyền thường là :
+ Chịu nén và uốn dọc do: hợp lực của lực khí thể và lực quán tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến.
+ Chịu kéo: do tác dụng của lực quán tính chuyển động tịnh tiến.
+ Chịu uốn ngang: do tác dụng của lực quán tính chuyển động lắc của thanh truyền.
- Vận tốc trung bình của động cơ là: v tb =¿ s n N
=> Đây là động cơ tốc độ cao.
3.2.1 Tính sức bền ở tiết diện nhỏ nhất
- Khi tính sức bền của thân thanh truyền động cơ tốc cao (vtb > 9 m/s),phải xét đến lực quán tính chuyển động tịnh tiến, lực quán tính chuyển động quay và lực quán tính chuyển động lắc để tính sức bền mỏi của thanh truyền.
- Lực tác dụng lên thân thanh truyền khi thân thanh truyền chịu nén và uốn dọc là:
P1 = Pz + Pj = pz.Fp - mRω 2 (1 + λ) = 0,05 + 0,03 = 0,08 (MN)
- Vị trí tính toán ứng với khi piston nằm ở điểm chết trên.
Pz = pz.Fp =8,66 6082,12.10 −6 = 0,05 (MN) (3-19) + F min : Tiết diện nhỏ nhất của thân thanh truyền -tiết diện I-I
- Ứng suất nén lớn nhất ở tiết diện nhỏ nhất của thân thanh truyền: σnmax P 1
- Ứng suất kéo gây ra do lực quán tính Pj của khối lượng nhóm piston và đầu nhỏ thanh truyền ở tiết diện nhỏ nhất: σkj P j
+ F min : Tiết diện nhỏ nhất của thân thanh truyền + Pj : Lực quán tính của thân thanh truyền
3.2.2 Tính ở tiết diện trung bình
-Ứng suất tổng lớn nhất khi chịu nén và uốn ở tiết diện trung bình ( uốn dọc theo trục x-x và y-y) σx max P 1
Hình 3.6 Sơ đồ tính toán thân thanh truyền
F tb : tiết diện trung bình của thân thanh truyền, lấy F tb F max +F min 2
+ F min = 2,86.10 -4 (m 2 ): Tiết diện nhỏ nhất của thân thanh truyền + Fmax tiết diện lớn nhất của thân thanh truyền tại tiết diện II-II
- Thay vào công thức (3-20) và (3-21) ta được: σ x = 0,08
- Thỏa mãn ứng suất cho phép của thân thanh truyền như sau:
- Đối với thanh truyền thép hợp kim : [σ] 0 – 180 σ] 0 – 180
- Ứng suất kéo trên tiết diện trung bình (do lực Pjt gây ra) là : σk P jt
+ Pjt – Lực quán tính chuyển động tịnh tiến của nhóm piston và phần thân phía trên tiết diện trung bình
(MN) q = mRω 2 = 0,86.46.10 -3 628,32 2 = 24,86(MN/m) (q là quán tính lắc thanh truyền, m là khối lượng của thanh truyền, l là chiều dài của thanh truyền )
Tính sức bền đầu to thanh truyền
- Do kết cấu đầu to có tiết diện thay đổi phức tạp, nên tính toán mang tính chất gần đúng.
- Lực tính toán là hợp lực của lực quán tính vận động tịnh tiến và chuyển động quay của đầu to không kể đến nắp, tính tại vị trí ĐCT:
+ M tt = m np + m 1 = 1,1+0,25= 1,35(kg) : Khối lượng chuyển động tịnh tiến của thanh truyền.
+ M2, Mn tương ứng là khối lượng quy về đầu to, khối lượng nắp đầu to
- Để đơn giản cho tính toán ta giả thiết M2 - M n = 1/2.m2= 1/2.0,62 = 0,31 (kg)
- Tính sức bền đầu to thanh truyền theo phương pháp của Kinaxotsvili với các giả thiết sau:
+ Đầu to coi như một khối nguyên, không xét đến mối ghép.
+ Tiết diện ngang đầu to coi như không đổi bằng tiết diện giữa của nắp.
- Khi lắp căng bạc lót đầu to với đầu to thì bạc lót và đầu to đồng thời cũng biến dạng như nhau Do đó, mô men tác dụng tỷ lệ với mô men quán tính của tiết diện, còn lực tác dụng tỷ lệ với diện tích tiết diện.
- Coi đầu to như một dầm cong tiết diện không đổi, ngàm một đầu ở tiết diện
B-B ứng với góc γ 0 , thông thường γ 0 = 40 0 Dầm ngàm một đầu đó có được do cắt bỏ một nửa của đầu to và thay thế sự ảnh hưởng của nó bằng giá trị mô men uốn Ma và lực pháp tuyến NA tại tiết diện cắt bỏ (A-A) Dầm có bán kính cong bằng một nửa khoảng cách giữa 2 đường tâm lỗ lắp ghép bu lông thanh truyền.
- Lực phân bố trên dầm cong của đâu to (gây ra lực Pđ) theo quy luật đường côsinuýt.
+ C: khoảng cách giữa 2 đường tâm lỗ bu lông:
C = (1,3-1,75).dck = (1,3-1,75).55 = (71,5 – 96,25) chọn C = 75 ( mm) = 75.10 -3 (m) dck là đường kính chốt khuỷu
+ β : góc lệch so với đường tâm thanh truyền.
- Mô men uốn và lực pháp tuyến thay thế tại tiết diện A-A được tính theo biểu thức sau:
+ γ 0 : góc giữa tiết diện ngàm và mặt lắp ghép đầu to tính bằng độ. chọn γ 0 = 40 0
Hình 2.8 Sơ đồ tính toán đầu to thanh truyền
Như vậy, theo giả thiết thứ 3 ta có thể xác định mô men uốn và lực pháp tuyến tại tiết diện A-A như sau:
- Ứng suất tổng trên nắp đầu to là: σ Σ = P d [ C ( 0 , 0127+0 2 W u ( 1+ , 00083 J J d b ) γ 0 ) + 0 ,522 F d ( +0 1+ , F F 003 b d ) γ 0 ] (3-22)
+ J b , J d : Mô men quán tính tại tiết diện A-A của đầu to và bạc lót đầu to;
(MN.m) + Wu: mô đun chống uốn của tiết diện A-A của nắp đầu to;
(m 2 ) + Fb, Fd: diện tích tiết diện bạc lót và nắp đầu to tại A-A.
+ δ : Chiều dày bạc lót đầu to; δ =(D-dck)/2 -2 Δ 2 '
- Thông thường γ 0 = 40 0 khi đó biểu thức tính ứng suất tổng sẽ là: σ Σ = P d [ W 0 u , ( 023 1 + J J C b d ) + F d 0,4 + F b ] (3-23)
- Thay các kết qủa trên vào (2-38) ta được: σ Σ =0,04 [ 1 ,37.10 0 , 023.75.10 −6 ( 1+ 2 1,5.10 ,29.10 −3 −7 −7 ) + 9 , 15.10 0,4 −4 +6.10 −5 ] F , 842
- Ứng suất cho phép như sau:
+ Thanh truyền thép các bon: [ σ Σ ] ` - 100 (MN/m 2 )
- Ngoài ra để đảm bảo điều kiện hình thành màng dầu bôi trơn, cần phải kiểm tra độ biến dạng đường kính của đầu to thanh truyền dưới tác dụng của lực Pd.
- Độ biến dạng đường kính δ xác định theo công thức thực nghiệm: Δ d = 0 , 0024 P d C 3
+ Δ d : độ biến dạng hướng kính của đầu to thanh truyền + E d : môđuyn đàn hồi của vật liệu chế tạo đầu to thanh truyền
- Độ biến dạng Δ d không được vượt quá một nửa khe hở giữa bạc lót và cổ chốt, tức là:
[σ] 0 – 180 Δ d ]=0,06–0,1 (mm)Vậy độ biến dạng thỏa mãn yêu cầu