Trong tình hình phát triển kinh tế như hiện nay thì ở các cảng nói riêng và các đầu mối giao thông vận tải nói chung việc áp dụng những thành tựu khoa học kỹ thuật vào công tác cơ giới hóa xếp dỡ là rất quan trọng và cần thiết vì nó có thể nâng cao năng suất lao động và giảm nhẹ sức lao động. Bất cứ hoạt động nào muốn có hiệu quả và có thể tồn tại lâu dài trên thương trường thì phải không ngừng cải tiến chất lượng sản xuất kinh doanh. Do đó, ngoài công tác quản lý, tổ chức sản xuất hợp lý còn đòi hỏi phải đầu tư trang thiết bị, máy móc vận chuyển và xếp dỡ tốt. Để đáp ứng được yêu cầu đó khoa cơ khí trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Thành Phố Hồ Chí Minh đã trang bị cho các sinh viên trong viện những kiến thức cơ bản về trang thiết bị máy xếp dỡ và vận tải, đồng thời tạo điều kiện cho sinh viên làm quen với các công tác xếp dỡ và bố trí các trang thiết bị xếp dỡ.
Giới thiệu động cơ L15B7
L15B7 là động cơ phun xăng trực tiếp, với nhiều phiên bản không tăng áp và có tăng áp I-1 5,4 lít lần đầu tiên được giới thiệu trên Honda Civic 2016 Động cơ là kết quả của chiến lược thu hẹp kích thước của Honda liên quan đến việc sử dụng các đơn vị phân khối nhỏ kết hợp với bộ tăng áp để khắc phục vấn đề năng lượng Vì vậy, động cơ turbo 1.5L cung cấp khả năng tiết kiệm nhiên liệu, nhưng đồng thời, công suất và mô- men xoắn khá vượt quá mô-men xoắn của động cơ 2.4L hút khí tự nhiên Nhà sản xuất đã bắt đầu cung cấp động cơ 1.5T cho những chiếc xe tương đối nặng như Honda CR-
Hình 1 1 Hình ảnh tổng quan động cơ L15B7 trên xe Honda Civic Động cơ sử dụng khối xi lanh sàn hở bằng nhôm và đầu xi lanh nhôm Khối động cơ được trang bị các thanh kết nối bằng thép nhẹ (rèn nhiệt cho độ bền cao hơn) để chịu được tải trọng cao Ngoài ra còn có các piston hình khoang mới với thiết kế váy được tối ưu hóa để giảm thiểu rung động và ma sát và tăng hiệu quả vận hành Các nhà sản xuất đã áp dụng mài cao nguyên (quá trình mài) cho thành xi lanh để giảm ma sát giữa piston và xi lanh hơn nữa Piston được làm mát bằng các tia phun dầu hướng vào đáy piston Thiết kế đầu bao gồm bốn van cho mỗi xi lanh và DOHC (cam kép trên cao) được điều khiển bởi chuỗi thời gian Trục cam
2 nạp và xả được trang bị bộ truyền động của VTC Mỗi kim phun nhiên liệu trực tiếp nhiều lỗ được đặt giữa hai van nạp; bugi nằm trên cùng ở giữa buồng đốt Đầu xi lanh có cổng nạp tumble cao (tỷ lệ tumble là 1,9) giúp tăng cường luồng khí nạp và thúc đẩy quá trình đốt cháy nhiên liệu hiệu quả Động cơ 1.5T cũng có ống xả làm mát bằng nước được tích hợp vào đầu xi lanh - cổng xả được đúc trực tiếp vào đầu Làm mát bằng khí thải (100 độ C) kéo dài tuổi thọ của các bộ phận tăng áp và cũng giúp động cơ nóng lên nhanh hơn Động cơ L15B7 có bộ tăng áp mono/single-scroll MHI-TD03 với tuabin đường kính nhỏ và cửa xả điện Turbo kích thước nhỏ với điều khiển điện tử giảm thiểu hiệu ứng "độ trễ turbo" và cung cấp phản ứng nhanh chóng với khả năng tăng tốc Áp suất tăng là 16,5 psi đối với Civic tiêu chuẩn của Mỹ với động cơ 1,5 tấn và tỷ số nén 10,6:1 Để giảm nhiệt độ của khí nạp được nén và làm nóng bằng bộ tăng áp, động cơ 1.5t của Honda sử dụng bộ làm mát không khí phổ biến hơn Sau khi intercooler, không khí đi vào một đường ống nạp bằng nhựa Tốc độ động cơ được điều khiển bởi van tiết lưu drive-by-wire điện tử Điều đó có nghĩa là không có kết nối cơ học giữa bàn đạp ga và van tiết lưu.
Các thông số kỹ thuật động cơ L15B7 trên xe Honda Civic
Bảng 1 1 Bảng thông số động cơ L15B7
TT Thông số Số liệu kĩ thuật
1 Nhà sản xuất Công ty Honda Motor
3 Vật liệu khối xi lanh Nhôm
4 Vật liệu đầu xi lanh Nhôm
6 Hệ thống nhiên liệu Phun nhiên liệu trực tiếp
7 Loại động cơ Động cơ chữ I thẳng hàng
9 Van trên mỗi xi lanh 4
10 Bố trí hệ thống van DOHC
11 Tỷ lệ nén 10.6:1 đối với động cơ không tăng áp
10.3:1 đối với động cơ có tăng áp
12 Công suất, hp 174-205 hp (130-153 kW)/ 5.500-6.000
13 Mô-men xoắn, lb ft 162-192 lb-ft (220-260 Nm)/ 1.600-5.000
14 Trọng lượng dầu động cơ
15 Dung tích dầu động cơ 3.5 L (3.7 Qt)0.28 L (0.3 QT)
16 Ứng dụng Honda Civic turbo, Honda Civic Si,
Honda Civic Hatchback Sport/Touring, Honda CR-V, Honda Accord, Acura CDX
TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC ĐỘNG LỰC HỌC ĐỘNG CƠ L15B7
Động học và động lực học của cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền
2.2.1 Động học Động cơ đốt trong kiểu piston thường có vận tốc lớn, nên việc nghiên cứu tính toán động học và động lực học của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền (TKTT) là cần thiết để tìm quy luật vận động của chúng và để xác định lực quán tính tác dụng lên các chi tiết trong cơ cấu TKTT nhằm mục đích tính toán cân bằng, tính toán bền của các chi tiết và tính toán hao mòn động cơ
O – Giao điểm của đường tâm xi lanh và đường tâm trục khuỷu
C – Giao điểm của đường tâm thanh truyền và đường tâm chốt khuỷu
B ’ - Giao điểm của đường tâm xilanh và đường tâm chốt piston
A – Vị trí của chốt khi piston ở ĐCT
B – Vị trí của chốt khi piston ở ĐCD
R – Bán kính quay của trục khuỷu (m) l – Chiều dài của thanh truyền (m)
S – Hành trình của piston (m) x – Độ dịch chuyển của piston tính từ ĐCT ứng với a) Xác định độ dịch chuyển (x) của piston bằng phương pháp đồ thị Brick
Theo phương pháp giải tích chuyển dịch x của piston được tính theo công thức:
1 cos ( ) ( 1 cos 2 ) xR − +4 − Chọn tỷ lệ xích: = 0,5 (độ/mm)
Vẽ nửa đường trũn tõm O bỏn kớnh R = S/2 Lấy bỏn kớnh R bằng ẵ khoảng Vh , giá tri AB = Vh
Lấy về phía phải điểm O’ một khoảng:
Hình 2 2 Sơ đồ cơ cấu trục khuỷu thanh truyền
Từ tâm O’ của đồ thị Brick kẻ các tia ứng với 10 0 , 20 0 ,…, 180 0 Đồng thời đánh số thứ tự từ trái qua phải 0, 1 ,2,…, 18
Chọn hệ trục tọa độ với trục tung biểu diễn góc quay trục khuỷu, trục hoành biểu diễn khoảng dịch chuyển của piston
Gióng các điểm ứng với 10 0 ; 20 0 …180 0 đã chia trên cung tròn đồ thị Brick xuống cắt các đường kẻ từ điểm 10 0 ; 20 0 …180 0 tương ứng ở trục tung của đồ thị x=f(α) để xác định chuyển vị tương ứng
Nối các giao điểm ta có đồ thị biểu diễn hành trình của piston x = f(α)
Hình 2 3 Sơ đồ độ dịch chuyển (x) b) Đồ thị biểu diễn tốc độ của piston v = f(α)
Chọn tỷ lệ xích: vt = s (m/s/mm) ω =
Vẽ nửa đường tròn tâm O bán kính R2 (mm), đồng tâm với nửa đường tròn có bán kính R1 = AB(mm)
Chia nửa vòng tròn tâm O bán kính R 1 thành 18 phần bằng nhau và đánh số thứ tự 0;1;2 …18
Chia vòng tròn tâm O bán kính R 2 thành 18 phần bằng nhau và đánh số thứ tự 0’; 1’; 2’…18’ theo chiều ngược lại
Từ các điểm 0, 1, 2, 3,… kẻ các đường thẳng góc với AB cắt các đường song song với AB, kẻ từ 0 ’ , 1 ’ , 2 ’ , 3 ’ ,…tại các điểm o, a, b, c,…nối các điểm o, a, b, c, bằng các đường cong ta được đường biểu diễn trị số tốc độ
Các đoạn thẳng ứng với a1, b2, c3,…nằm giữa đường cong o, a, b, c,…với nửa đường tròn R1 biểu diễn trị số tốc độ của các góc tương ứng
Hình 2 4 Đồ thị vận tốc v = f(x)
Từ hình ta có: bb ’ = R2.sin2 và b ’ 2 = R1.sin
Do đó: Va = bb ’ + b ’ 2 = R2.sin2 + R1.sin = R(sin + sin2/2) c) Đồ thị biểu diễn gia tốc j = f x ( )
13 Để vẽ đường biểu diễn gia tốc của piston ta sử dụng phương pháp Tôlê Chọn hệ trục tọa độ với trục Ox là trục hoành, trục tung là trục biểu diễn giá trị gia tốc
Chọn tỉ lệ xích: j = s 2 =0, 00062.576 2 5,7(m/s 2 /mm)
Trên trục Ox lấy đoạn AB = S = 2.R = 89,4 (mm), từ A dựng đoạn thẳng
AC = Jmax = R.ω 2 (1+), từ B dựng đoạn thẳng BD = Jmin = - R.w 2 (1-), nối CD cắt AB tại E
Lấy EF = -3.R.ω 2 , nối CF và DF, phân đoạn CF và DF thành những 7 đoạn nhỏ bằng nhau Nối 11 ’ , 22 ’ , 33 ’ ,… Ta được các đường bao của các đoạn thẳng này biểu thị quan hệ của hàm số: j = f(x)
Giá trị biểu diễn: AC = max 18831,8
Hình 2 5 Đồ thị gia tốc j = f(x)
2.2.2 Động lực học a) Lực quán tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến −P J = f x ( )
Vẽ theo phương pháp Tôlê với trục hoành đặt trùng với P 0 ở đồ thị công, trục tung biểu diễn giá trị P j
Vẽ đường biểu diễn lực quán tính được tiến hành theo các bước như sau:
Chọn tỉ lệ xích trùng với tỉ lệ xích đồ thị công: 0, 0278( 2 )
Xác định khối lượng chuyển động tịnh tiến: m’ = mpt + m1
Trong đó: m’ - Khối lượng chuyển động tịnh tiến (kg); mpt = 0,3 (kg) - Khối lượng nhóm piston; m1-Khối lượng thanh truyền quy về tâm chốt piston (kg)
Theo công thức kinh nghiệm: m1 = (0,275 ÷ 0,350).mtt Lấy m1 = 0,3.0,6 = 0,18(kg). mtt = 0,6 (kg) - Khối lượng nhóm thanh truyền
=> m’ = 0,3 + 0,18 = 0,48(kg) Để đơn giản hơn trong tính toán và vẽ đồ thị ta lấy khối lượng trên một đơn vị diện tích của một đỉnh piston: m = ' pt m
= 114,68(kg/m 2 ) Áp dụng công thức tính lực quán tính: pj = -m.j , ta có: pjmax = m.jmax = 114,68.18831,8 = 2159730,16(N/m 2 )
Hình 2 6 Đồ thị - pj b) Đồ thị khai triển
* Đồ thị p kt = Để biểu diễn áp suất khí thể pkt theo góc quay của trục khuỷu ta tiến hành như sau:
Vẽ hệ trục tọa độ (p - ) Trục hoành đặt ngang với đường biểu diễnp 0 trên đồ thị công
Chọn tỉ lệ xích: = 2(độ/mm)
Dùng đồ thị Brick để khai triển đồ thị (p-v) thành (p-α.)
Từ các điểm chia trên đồ thị Brick, dựng các đường song song với trục Op cắt đồ thị công tại các điểm trên các đường biểu diễn quá trình: nạp, nén, cháy giãn nở, xả
Qua các giao điểm này ta kẻ các đường song song với trục hoành gióng sang hệ toạ độ p-α Từ các điểm chia tương ứng 0 0 , 20 0 , 40 0 ,… trên trục hoành của đồ thị p-α ta kẻ các đường thẳng đứng cắt các đường trên tại các điểm ứng với các góc chia trên đồ thị Brick và phù hợp với các quá trình làm việc của động cơ Nối các điểm lại bằng đường cong thích hợp ta được đồ thị khai triển p-α
Khai triển đường p J = f x ( )thành p J = f ( ) cũng thông qua đồ thị brick để chuyển tọa độ Việc khai triển đồ thị tương tự khai triển (P-V) thành P=f(α) Nhưng ở tọa độ p-α phải đặt đúng trị số dương của pj
Theo công thức p 1 = p kt + p j Ta đã có vàp J = f ( ) Vì vậy việc xây dựng đồ thị p1 = f() được tiến hành bằng cách cộng đại số các toạ độ điểm của 2 đồ thị p kt =f() và p j =f() lại với nhau ta được toạ độ điểm của đồ thị p 1 =f().Dùng một đường cong thích hợp nối các toạ độ điểm lại với nhau ta được đồ thị p1=f()
Hình 2 7 Đồ thị Pkt, Pj, Pj
Hình 2 8 Sơ đồ lực tác dụng lên cơ cấu Trục khuỷu thanh truyền
Lực tác dụng trên chốt piston P1 là hợp lực của lực quán tính và lực khí thể Nó tác dụng lên chốt piston và đẩy thanh truyền Phân tích P1 thành hai thành phần:
- Ptt: tác dụng lên đường tâm thanh truyền
- N: tác dụng trên phương thẳng góc với đường tâm xilanh
- Ta có quan hệ Ptt , N: Ptt = 1 cos
− Phân tích Ptt làm hai thành phần lực: Lực tiếp tuyến T và lực pháp tuyến Z:
Từ đồ thị P1 - tiến hành đo giá trị biểu diễn của P1 theo = , 40 0 ,…720 0 Xác định được
Chọn tỉ lệ xích: =0,5(độ/mm)
Cosβ T(mm) cos(α+β)/ cosβ Z(mm) tg(β) N (mm) -77,217 0 0,00 0,00 0,0000 1,00 -2,1466 0,00 0,0000 -75,591 10 2,69 0,22 -0,4620 0,98 -2,0524 0,05 -0,0986 -70,163 20 5,30 0,43 -0,8371 0,91 -1,7710 0,09 -0,1809 -61,525 30 7,76 0,62 -1,0570 0,80 -1,3647 0,14 -0,2330 -50,019 40 9,99 0,78 -1,0815 0,65 -0,9077 0,18 -0,2451 -36,743 50 11,94 0,90 -0,9213 0,48 -0,4912 0,21 -0,2159 -22,619 60 13,52 0,99 -0,6202 0,29 -0,1834 0,24 -0,1512 -8,561 70 14,70 1,03 -0,2450 0,10 -0,0227 0,26 -0,0624 4,606 80 15,42 1,03 0,1323 -0,10 -0,0125 0,28 0,0353 16,225 90 15,66 1,00 0,4511 -0,28 -0,1265 0,28 0,1265 25,851 100 15,42 0,94 0,6733 -0,45 -0,3200 0,28 0,1982 33,282 110 14,70 0,85 0,7865 -0,59 -0,5445 0,26 0,2427 38,552 120 13,52 0,75 0,7993 -0,71 -0,7591 0,24 0,2578 41,897 130 11,94 0,63 0,7340 -0,80 -0,9373 0,21 0,2462 43,700 140 9,99 0,51 0,6169 -0,88 -1,0683 0,18 0,2141 44,426 150 7,76 0,38 0,4718 -0,93 -1,1537 0,14 0,1683 44,539 160 5,30 0,25 0,3156 -0,97 -1,2028 0,09 0,1148 44,430 170 2,69 0,13 0,1574 -0,99 -1,2265 0,05 0,0580 44,364 180 0,00 0,00 0,0000 -1,00 -1,2333 0,00 0,0000 44,430 190 -2,69 -0,13 -0,1574 -0,99 -1,2265 -0,05 -0,0580 44,801 200 -5,30 -0,25 -0,3174 -0,97 -1,2099 -0,09 -0,1155 44,689 210 -7,76 -0,38 -0,4746 -0,93 -1,1606 -0,14 -0,1693 44,163 220 -9,99 -0,51 -0,6234 -0,88 -1,0796 -0,18 -0,2164 42,659 230 -11,94 -0,63 -0,7473 -0,80 -0,9544 -0,21 -0,2507 39,815 240 -13,52 -0,75 -0,8255 -0,71 -0,7840 -0,24 -0,2662 35,045 250 -14,70 -0,85 -0,8281 -0,59 -0,5734 -0,26 -0,2555 28,6139 260 -15,42 -0,94 -0,7453 -0,45 -0,3542 -0,28 -0,2194 19,9876 270 -15,66 -1,00 -0,5557 -0,28 -0,1558 -0,28 -0,1558 10,3692 280 -15,42 -1,03 -0,2977 -0,10 -0,0282 -0,28 -0,0795
+ Vẽ hệ trục tọa Decac trong đó trục hoành biểu thị giá trị góc quay trục khuỷu, trục tung biểu diễn giá trị của T,N,Z Từ bảng 2 ta xác định được tọa độ các điểm trên hệ trục, nối các điểm lại bằng các đường cong thích hợp cho ta đồ thị biểu diễn:
+ Việc vẽ đồ thị biểu diễn lực tiếp tuyến T = f ( ) , lực pháp tuyến Z = f ( ) và lực ngang N = f ( ) cho ta mối quan hệ giữa chúng cũng như tạo tiền đề cho việc tính toán và thiết kế về sau nhằm bảo đảm độ ổn định ngang, độ ổn định dọc của động cơ, phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu, đầu to thanh truyền …đồng thời là cơ sở thiết kế các hệ thống khác như hệ thống làm mát, hệ thống bôi trơn…
2.2.4 Vẽ đồ thị ΣT = f( ) Để vẽ đồ thị tổng T ta thực hiện theo những bước sau:
+ Lập bảng xác định góc i ứng với góc lệch các khuỷu theo thứ tự làm việc + Góc lệch Trục khuỷu của 2 xi lanh làm việc kế tiếp nhau:
= = + Thứ tự làm việc của động cơ L15B7 là: 1-3-4-2
Bảng 2 4 Góc lệch công tác và thứ tự làm việc của Trục khuỷu
Xi lanh Tên kỳ làm việc αi o
1 Nạp Nén Cháy-giãn nở Thải 0
2 Nén Cháy-giãn nở Thải Nạp 540
3 Thải Nạp Nén Cháy-Giãn nở 180
4 Cháy-giãn nở Thải Nạp Nén 360
+ Sau khi lập bảng xác định góc i ứng với các khuỷu theo thứ tự làm việc, dựa vào bảng tính N, T,Z và lấy tỉ lệ xích:
= Ta lập được bảng tính T = f ( ) Trị số của T i ta đã tính, căn cứ vào đó tra bảng các giá trị T i đã tịnh tiến theo Cộng tất cả các giá trị của T i ta có:
+ Vẽ đồ thị tổng T bằng cách nối các tọa độ điểm a i =( i ; T i ) bằng một đường cong thích hợp cho ta đường cong biểu diễn đồ thị tổng T
Bảng 2 5 Số liệu tổng T α1 T1 α2 T2 α3 T3 α4 T4 Tổng T
+ Sau khi đã có đồ thị tổng T = f ( ) ta vẽ T tb (đại diện cho mô men cản)
Hình 2 10 Đồ thị tổng T 2.2.5 Xác định đồ thị véctơ phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu Đồ thị véctơ phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu dùng để xác định lực tác dụng trên chốt khuỷu ở mỗi vị trí của trục khuỷu Sau khi có đồ thị nàu ta có thể tìm trị số trung
23 bình của phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu cũng như có thể tìm được dể dàng lực lớn nhất và bé nhất Dùng đồ thị phụ tải ta có thể xác định vị trí khoan lỗ dầu bôi trơn và để xác định phụ tải khi tính bền trục
- Vẽ toạ độ T – Z gốc toạ độ chiều âm
- Tính lực quán tính của khối lượng chuyển động quay của thanh truyền (tính trên đơn vị diện tích piston) :
Trong đó: m2 – khối lượng tập trung tại đầu to thanh truyền
= = − R – bán kính quay của trục khuỷu
Tính trên đơn vị diện tích piston:
Chọn tỉ lệ xích p =0, 0278(MN m mm/ 2 ) nên giá trị biểu diễn lực pR0 là:
KHẢO SÁT CƠ CẤU PISTON - TRỤC KHUỶU - THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ L15B7
Piston động cơ L15B7
Nhóm piston bao gồm piston, xécmăng, chốt piston và vòng hãm chốt piston Trong quá trình làm việc của động cơ, nhóm piston có nhiệm vụ chính sau:
+ Bảo đảm bao kín buồng cháy, giữ không cho khí cháy lọt xuống cácte và ngăn không cho dầu nhờn từ catte sục lên buồng cháy
+ Tiếp nhận lực khí thể thông qua thanh truyền, truyền xuống trục khuỷu làm quay trục khuỷu trong quá trình cháy và giãn nở, nén khí trong quá trình nén, đẩy khí ra khỏi xilanh trong quá trình thải và hút khí nạp mới vào buồng cháy trong quá trình nạp
- Nhiệm vụ : Piston là chi tiết quan trọng của động cơ, cùng với xilanh và nắp xilanh tạo thành buồng cháy
+ Rãnh chống kích nổ để ngăn chặn sự tích tụ carbon
+ Hình dạng đĩa đặc biệt được tối ưu hóa cho việc phun trực tiếp OE
+ Rãnh tích lũy giúp duy trì vòng đệm ổn định và công suất
+ Lớp phủ vỏ Armor Glide giúp giảm ma sát và tiếng ồn khi vận hành đồng thời giảm mài mòn vỏ và xi lanh
+ Các hoạt động làm sáng bổ sung ở những khu vực không quan trọng giúp giảm trọng lượng trong khi vẫn duy trì độ bền
+ Mỗi bộ piston bao gồm các bộ vòng cao cấp với các vòng trên được thấm nitơ bằng khí
- Điều kiện làm việc : Điều kiện làm việc của piston là rất khắc nghiệt, trong quá trình làm việc của động cơ, piston chịu lực rất lớn, chịu áp suất và nhiệt độ rất cao và ma sát mài mòn lớn.Lực tác dụng và nhiệt độ cao do lực khí thể và lực quán tính gây ra ứng suất cơ học và ứng suất nhiệt trong piston
+ Tải trọng cơ học : Trong quá trình cháy của động cơ, khi hỗn hợp cháy sinh ra áp suất lớn trong buồng đốt (có khi cao hơn 130at) Động cơ L15B7 là động cơ cao tốc khi làm việc sinh ra lực quán tính lớn, tác dụng lên piston gây biến dạng
+ Tải trọng nhiệt : Trong quá trình cháy piston động cơ tiếp xúc trực tiếp với sản vật cháy Nhiệt độ cao khoảng (2300÷2800) 0 K nên nhiệt độ piston cao thường (500÷800) 0 K gây các tác hại cho piston như :
- Ứng suất nhiệt lớn làm rạn nứt piston ;
- Gây biến dạng, bó kẹt piston ;
- Giảm sức bền của piston ;
- Gây các hiện tượng kích nổ, phân hủy dầu nhờn ;
- Ma sát và ăn mòn hóa học
Trong quá trình làm việc piston chịu ma sát lớn do thiếu dầu bôi trơn và do lực ngang N ép piston vào thành xy lanh
- Vật liệu chế tạo : Piston động cơ L15B7 được chế tạo bằng hợp kim nhôm 2618 T6
Các ưu điểm hợp kim nhôm 2618 T6 như sau:
+ Trọng lượng riêng bé 2,76 g/cc;
+ Hệ số giãn nở nhỏ, hệ số dẫn nhiệt 146 W/mK nên có khả năng chống kích nổ; + Độ bền cao;
- Kết cấu của piston động cơ L15B7: Gồm 4 phần chính:
Piston động cơ L15B7 có kết cấu được thể hiện ở hình 3.1
- Đỉnh piston: Đỉnh piston động cơ L15B7 là loại đỉnh được đúc lõm mục đích là để tạo sự xoáy lốc và để tạo hỗn hợp nhiên liệu và không khí tốt hơn
- Đầu piston: Làm nhiệm vụ bao kín buồng cháy trên bề mặt trụ ngoài của piston có khoét 2 rãnh để lắp xécmăng khí và 1 rãnh lắp xécmăng dầu, ở các rãnh lắp xécmăng dầu phía dưới một đoạn người ta khoan các lỗ để dẫn dầu vào bên trong piston
- Thân piston: Làm nhiệm vụ dẫn hướng cho piston chuyển động trong xilanh và chịu lực ngang N Để khắc phục hiện tượng bó kẹt piston người ta tiện vát bớt mặt thân piston ở phía hai đầu bệ chốt Tiết diện ngang thân piston như hình 4-2
Hình 3 3 Kết cấu tiết diện ngang bệ chốt piston
- Chân piston: Có vành đai để tăng độ cứng vững Để điều chỉnh khối lượng piston ở động cơ L15B7 phần chân được cắt bỏ 1 ít
- Nhiệm vụ: Nối piston với thanh truyền và truyền lực tác dụng của lực tác dụng của khí thể tác dụng lên piston cho thanh truyền để làm quay trục khuỷu
- Điều kiện làm việc: Chịu lực khí thể và lực quàn tính rất lớn Nhiệt độ làm việc của chốt khuỷu cao > 373 0 K nên khó bôi trơn
- Vật liệu chế tạo: Chốt piston động cơ được làm bằng thép 9310
- Kết cấu chốt piston: Có dạng hình trụ rỗng, nhẹ nhàng dễ chế tạo Được thể hiện ở hình 3.4
Hình 3 4 Kết cấu tiết diện ngang bệ chốt piston
Chốt piston lắp tự do và được cố định bằng xéc líp Chốt piston có thể xoay tự do quanh đường tâm chốt nên chốt mòn đều và ít mỏi nhờ mặt chịu lực luôn thay đổi
Mark: Xéc măng khí Oil Ring: Xéc măng Spacer: Vòng căng xéc măng dầu
- Nhiệm vụ: Bảo đảm cho piston di chuyển dễ dàng trong lòng xylanh, piston lắp ghép với xy lanh có khe hở Vì vậy xécmăng có nhiệm vụ bao kín buồng cháy Xécmăng khí ngăn không cho khí lọt xuống cátte Xécmăng dầu có nhiệm vụ ngăn dầu nhờn sục lên buồng cháy
- Điều kiện làm việc: Chịu nhiệt độ cao, áp suất va đập lớn, ma sát mòn nhiều và chịu ăn mòn hóa học
- Vật liêu chế tạo xécmăng: Được chế tạo bằng gang xám hợp kim, trên bề mặt ngoài (mặt lưng) xécmăng được mạ crôm để hạn chế mài mòn
+ Xécmăng khí động cơ có tiết diện hình thang và được chế tạo bằng phương pháp đúc đơn chiếc Được thể hiện như hình 3.6
Hình 3 6 Kết cấu xécmăng khí động cơ L15B7
+ Xécmăng dầu động cơ được chế tạo bằng phương pháp đúc đơn chiếcvà được thể hiện như hình 4-5
Hình 3 7 Kết cấu xécmăng dầu động cơ L15B7
3.2 Nhóm thanh truyền động cơ L15B7
Nhóm thanh truyền động cơ L15B7 gồm có thanh truyền, bulông thanh truyền và bạc lót Trong quá trình làm việc nhóm thanh truyền truyền lực tác dụng trên piston cho trục khuỷu làm quay trục khuỷu
1- Thân thanh truyền; 2 - Bạc lót;
- Nhiệm vụ: Là chi tiết nối piston với trục khuỷu Có tác dụng truyền lực tác dụng lên piston xuống khuỷu trục để làm quay trục khuỷu a
Hình 3 8 Thanh truyền động cơ L15B7
- Điều kiện làm việc: Chịu tác dụng của lực khí thể trong lòn xy lanh Chịu lực quán tính chuyển động tịnh tiến của nhóm piston
- Vật liệu chế tạo: Thanh truyền động cơ được làm bằng thép hợp kim 18XHBA
- Kết cấu thanh truyền: Thanh truyền động cơ L15B7 chia làm 3 phần:
Kết cấu thanh truyền động cơ L15B7 được thể hiện ở hình 3.9
Hình 3 9 Kết cấu thanh truyền động cơ L15B7
+ Kết cấu đầu nhỏ thanh truyền: Có dạng hình trụ rỗng Đường kính lỗ lắp với chốt piston của đầu nhỏ 20 (mm) Bề rộng đầu nhỏ 15 (mm) Trên có khoan lỗ dầu 6 (mm)
Hình 3 10 Kết cấu đầu nhỏ thanh truyền
+ Thân thanh truyền: Có tiết hiện hình chữ I Bề rộng thân thanh truyền B= 12 (mm) Khoảng cách hai tâm thanh truyền λ 0 (mm)
Hình 3 11 Kết cấu thân thanh truyền
+ Đầu to thanh truyền: Đường kính đầu to thân truyền lắp ghép với bac có đường kính D = 40 (mm) Đầu to thanh truyền động cơ L15B7 được chia làm 2 nữa Để định vị 2 nữa đầu to người ta dùng gờ định vị và được bắt chặt bằng 2 bulông thanh truyền
Hình 3 12 Kết cấu đầu to thanh truyền động cơ L15B7 3.2.2 Bạc lót đầu to thanh truyền
Bạc lót đầu to thanh truyền động cơ L15B7 cắt làm hai nửa chúng có thể lắp lẫn với nhau
- Vật liệu chế tạo: Bạc lót đầu to thanh truyền được làm bằng hợp kim nhôm lớp phía trong được tráng lớp vật liệu chịu mòn Được gia công bằng phương pháp sản xuất hàng loạt
- Kết cấu bạc lót đầu to thanh truyền: Bạc lót đầu to thanh truyền động cơ L15B7 dùng loại bạc lót mỏng Có bề dày = 2 (mm) Đường kính trong của bạc D = 38 (mm) Khi sửa chữa bạc lót mòn được thay thế bằng bạc lót mới Trên mỗi nửa bạc lót đều có
38 rảnh định vị phay trên đầu to thanh truyền Trên mỗi bạc lót đều có lưỡi gà đẻ định vị bạc lót trên đầu to thanh truyền
3.2.3 Bulông thanh truyền động cơ
- Nhiệm vụ: Nối hai nửa đầu to thanh truyền
Trục khuỷu động cơ L15B7
Hình 3 14 Kết cấu trục khuỷu động cơ L15B7
1 - Đầu trục khuỷu; 2 - Chốt khuỷu; 3 - Cổ trục khuỷu; 4 - Má khuỷu; 5 - Lổ dầu;
Trục khuỷu là một trong những chi tiết máy quan trọng nhất, cường độ làm việc lớn nhất của động cơ đốt trong Công dụng của trục khuỷu là tiếp nhận lực tác dụng trên piston truyền qua thanh truyền và biến chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu để đưa công suất ra ngoài (dẫn động các máy công tác khác), trạng thái làm việc của trục khuỷu là rất nặng Trong quá trình làm việc, trục khuỷu chịu tác dụng của lực khí thể, lực quán tính (quán tính chuyển động tịnh tiến và quán tính chuyển động quay) những lực này có trị số rất lớn thay đổi theo chu kỳ nhất định nên có tính chất va đập rất mạnh Ngoài ra các lực tác dụng nói trên còn gây ra hao mòn lớn trên các bề mặt ma sát của cổ trục và chốt khuỷu Tuổi thọ của nhóm piston, thanh truyền chủ yếu phụ thuộc vào tuổi thọ của trục khuỷu
Trục khuỷu của động cơ L15B7 được chế tạo gồm một khối liền, vật liệu chế tạo bằng thép cacbon, các bề mặt gia công đạt độ bóng cao, có 5 cổ trục và 4 cổ biên, má khuỷu có dạng hình ôvan
Trục khuỷu gồm có các phần:
- Đầu trục khuỷu: Dùng để lắp bánh răng dẫn động bơm nước, bơm dầu bôi trơn, bánh đai (puly) để dẫn động quạt gió và đai ốc khởi động để khởi động bằng tay quay
Hình 3 15 Kết cấu đầu trục khuỷu
- Chốt khuỷu: Các chốt khuỷu của động cơ L15B7 có cùng 1 đường kính D 46(mm), bề rộng chốt khuỷu B = 20 (mm) Trên chốt khuỷu động cơ có khoan lỗ dầu bôi trơn Do phụ tải và lực quán tính lớn muốn vậy để tăng khả năng khả năng làm việc bạc lót và chốt khuỷu người ta thường tăng đường kính chốt khuỷu.Chốt khuỷu động cơ L15B7 được làm rỗng, chốt khuỷu rỗng có tác dụng chứa dầu bôi trơn bạc lót đầu to thanh truyền giảm khối lượng quay thanh truyền, lỗ rỗng trong chốt khuỷu được làm đồng tâm với chốt khuỷu
Hình 3 16 Kết cấu chốt khuỷu động cơ L15B7
- Cổ trục: Các cổ trục có cùng kích thước đường kính D = 40(mm), bề rộng các cổ trục B = 17,9(mm) (Đường kính cổ trục thường tính theo sức bền và điều kiện hình thành màng dầu bôi trơn, quy định thời gian sử dụng và thời gian sửa chữa động cơ)
- Má khuỷu: Là bộ phận nối liền giữa cổ trục và chốt khuỷu, hình dạng má khuỷu chủ yếu phụ thuộc vào dạng động cơ bề rộng má B = 15,36(mm), trị số áp suất khí thể và tốc độ quay của trục khuỷu, má khuỷu có nhiều dạng nhưng chủ yếu dạng má hình chữ nhật và hình tròn có kết cấu đơn giản dễ chế tạo, dạng má hình ô van có kết cấu phức tạp, má khuỷu dạng tròn sức bền cao có khả năng giảm chiều dày má do đó có thể tăng chiều dài cổ trục và chốt khuỷu và giảm mài mòn cổ trục và chốt khuỷu mặt khác má tròn dễ gia công Đối trọng lắp trên trục khuỷu có hai tác dụng:
+ Cân bằng mô men lực quán tính không cân bằng động cơ chủ yếu là lực quán tính ly tâm
+ Giảm phụ tải cho cổ trục vì ở động cơ này có lực quán tính và mô men quán tính tự cân bằng nhưng ứng suất giữa cổ trục chịu ứng suất uốn lớn, khi dùng đối trọng mô men quán tính nói trên được cân bằng nên cổ trục giữa không chịu ứng suất uốn do lực quán tính mô men gây ra, mặt khác trục khuỷu không phải là chi tiết cứng vững tuyệt đối và thân máy trong thực tế bị biến dạng nên trong động cơ dùng đối trọng để cân bằng
Hình 3 17 Hình dạng đối trọng động cơ Đuôi trục khuỷu thường lắp với các chi tiết máy của động cơ truyền dẫn công suất ra ngoài máy công tác
Trục thu công suất động cơ thường đồng tâm với trục khuỷu, dùng mặt bích trục khuỷu để lắp bánh đà
Ngoài kết cấu dùng để lắp bánh đà trên đuôi trục khuỷu còn có lắp các bộ phận đặc biệt:
+ Vành chắn dầu trên đuôi trục khuỷu có tác dụng ngăn không cho dầu nhờn chảy ra khỏi cátte
Các dạng trục khuỷu phụ thuộc vào số xilanh, cách bố trí xilanh, số kỳ động cơ và thứ tự làm việc của các xilanh, kết cấu trục khuỷu phải đảm bảo động cơ làm việc đồng đều biên độ dao động và mô men xoắn tương đối nhỏ
- Động cơ làm việc cân bằng ít rung động
- Ứng suất sinh ra do dao động xoắn nhỏ
CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN KIỂM NGHIỆM CƠ CẤU PISTON -TRỤC KHUỶU
- THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ L15B7 4.1 Tính toán và kiểm nghiệm bền nhóm piston
Các kích thước cơ bản của piston:
- Chiều cao của piston, H = 46(mm);
- Đường kính chốt, dcp = 22(mm);
- Đường kính bệ chốt,dbc = 36(mm);
- Số xéc măng khí 2, số xéc măng dầu 1;
- Chiều cao rãnh xéc măng, 1 = 1,5(mm);
- Chiều cao rãnh xéc măng, 2 = 1,5 (mm);
- Chiều cao rãnh xéc măng dầu = 2,5(mm);
- Chiều dày hướng kính, t = 4(mm)
- Các lực tác dụng lên nhóm piston:
+ Lực khí thể cực đại: Pz = pz.Fpt = 5.0,0042 = 0,021(MN)
Trong đó: Fpt - Diện tích tiết diện đỉnh piston
+ Lực quán tính cực đại khối lượng chuyển động tịnh tiến:
Hình 4 1 Các kích thước cơ bản của piston
Hình 4 2 Sơ đồ tính đỉnh piston
43 a) Tính 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 Để tính kiểm nghiệm đỉnh piston ta tính theo phương pháp Back
- Coi đỉnh piston như một đĩa tròn, có chiều dày đồng đều đặt tự do trên trụ rỗng;
- Áp suất khí thể tác dụng lên đỉnh piston phân bố đều;
- Lực khí thể và phản lực của nó gây uốn đỉnh piston;
- Xét nửa đỉnh piston, ta có:
+ Mômen uốn đỉnh piston là: 2 1 1 2
+ Mô đun chống uốn của đỉnh piston :
Do đó ứng suất chống uốn đỉnh piston:
= = = - Ứng suất cho phép của đỉnh piston
Kết luận: u u =100 190( MN m / 2 ) loại nhôm hợp kim nhẹ có gân b) Tính đầu piston Ứng suất trên tiết bé nhất I-I tiết diện này cắt qua rảnh xecmang dầu Tiết diện này chịu lực kéo bởi lực quán tính âm lớn nhất Ngoài ra, đầu piston còn chịu lực nén của lực khí thể:
* Ứng suất kéo: max max 2
= Trong đó: m I I − =(0, 4 0, 6). m Pt ; chọn m I I − =0,5.m Pt =0,15(kg)
FI-I - Diện tích tiết diện I-I :
Fld - Diện tích tiết diện lỗ dầu,F ld =n.( )s =8.(1 6) H(mm 2 )
: Đường kính lỗ dầu, =1mm
= = = - Ứng suất cho phép: k =10( MN m / 2 )
= − - Ứng suất nén cho phép: n =25( MN m / 2 )
Kết luận: n n =25( MN m / 2 ) đầu piston đảm bảo điều kiện bền c) Tính thân piston
- Chọn chiều cao của thân piston để áp suất của piston nén tác dụng lên xylanh không quá lớn dễ dàng cho việc bôi trơn
- Công thức kiểm nghiệm: max ( / 2 ) th th
Với: N max =0, 448(MN),được xác định trên đồ thị động lực học
= D l = - Giá trị cho phép : K th =0, 6 1, 2( MN m / 2 )
Kết luận: Kth < K th =0, 6 1, 2( MN m / 2 )thân piston đủ điều kiện bền d) Tính bệ chốt piston - Kiểm tra khả năng màng dầu bôi trơn chốt piston Áp suất bệ chốt xác định theo công thức:
Trong đó: l 1 - Chiều dài tiếp xúc chốt với piston ; l 1 %(mm) d cp - Đường kính chốt piston ; dcp= 20(mm)
K MN m b = - Ứng suất cho phép: K b =20, 9( MN m / 2 K b =20 30( MN m / 2 )
Kết luận: Bệ chốt đủ điều kiện bội trơn cho phép
4.1.2 Tính toán sức bền của chốt piston
Chốt piston làm việc trong trạng thái chịu uốn, chịu cắt, chịu va đập và biến dạng
* Các thông số kích thước:
- Chiều dài chốt piston, lcp = 46(mm);
- Đường kính chốt piston, dch = 20(mm);
- Đường kính trong chốt piston,d0 = 12(mm);
- Khoảng cách giữa hai gối tựa, l = 37,6(mm);
- Chiều dài lắp với đầu nhỏ thanh truyền, lđ = 15(mm)
- Chiều dài lắp với bệ chốt (một bên), l1 = 11,2(mm) a) Tính ứng suất uốn
Ta coi chốt piston như một dầm đặt tự do trên hai gối đỡ Để đơn giản trong tính toán, ta coi lực phân bố như trên sơ đồ hình bên
Khi có lực khí thể cực đại Pz, chốt piston chịu uốn lớn nhất tại tiết diện I-I ở giữa chốt Ứng suất uốn được xác định:
20 0, 6 o cp d d = Hình 4 3 Chốt piston khi lắp ghép
- Ứng suất uốn cho phép : u =150 250( MN m / 2 ) - Thép hợp kim
- Kết luận: u u =150 250( MN m / 2 )- Chốt đảm bảo điều kiện uốn b) Ứng suất cắt
Chốt piston chịu cắt ở tiết diện II-II Ứng suất cắt được xác định theo công thức:
Trong đó: F cp - Tiết diện ngang của chốt piston
= F = − - Ứng suất cắt cho phép: c =(50 70)( MN m / 2 ) - Thép hợp kim
- Kết luận: c c =(50 70)( MN m / 2 ) Chốt piston đảm bảo điều kiện cắt c) Áp suất tiếp xúc trên đầu nhỏ thanh truyền
Tính áp suất tiếp xúc trên đầu nhỏ thanh truyền nhằm mục đích kiểm tra điều kiện bôi trơn chốt piston Kiểm tra theo công thức sau:
=l d = - Với chốt piston lắp ghép cố định:
K d =30 40( MN m / 2 ) d) Tính ứng suất biến dạng
Do lực phân bố trên chiều dài chốt piston không đồng đều nên ứng suất trên các tiết diện khác nhau cũng khác nhau Ở khoảng giữa chốt piston, lực tác dụng lớn nhất nên biến dạng cũng nhiều nhất Chốt piston biến dạng thành hình ôvan như trên hình Lực tác dụng theo dọc trục chốt piston phân bố theo hình
Hình 4 4 Biến dạng của chốt piston.
47 parabol có số mũ từ 2÷3, kực trên phương thẳng góc với đường tâm chốt phân bố theo đừng Sin như hình Độ biến dạng trên tiết diện ngang được tính theo công thức sau:
= − Trong đó: k- Hệ số hiệu đính: k = 1,5 - 15.( α - 0,4 ) 3
E- Mô đun đàn hồi; E = 2.10 5 (MN/m 2 )
= − = Độ biến dạng tương đối: max 1
= d = − Độ biến dạng tương đối cho phép: [dch ] = 0,002[mm/cm]
TÍNH TOÁN KIỂM NGHIỆM CƠ CẤU PISTON - TRỤC KHUỶU -
Tính toán sức bền của thanh truyền
4.2 Tính toán sức bền của thanh truyền
* Các thông số kích thước:
- Đường kính ngoài đầu nhỏ thanh truyền, d 1 0, 62(mm);
- Đường kính trong đầu nhỏ thanh truyền, d 2 !(mm);
- Bề rộng của đầu nhỏ thanh truyền lđ , l đ ,9(mm);
- Đường kính trong của bạc đầu nhỏ, d b (mm);
- Chiều dày bạc đầu nhỏ, 1 = 0,5(mm)
- Chiều dày của đầu nhỏ, S =4,8 (mm)
- Độ đôi lắp ghép bạc vào đầu nhỏ, =0, 035(mm),
- Bề rộng thân từ chổ lắp ghép với đầu nhỏ, H ,9(mm);
- Bán kính góc lượn giữa than với đầu nhỏ, 1 (mm);
- Mô đun đàn hồi cảu thép, E tt =2, 2.10 ( 5 MN m/ 2 );
- Mô đun đàn hồi của đổng, E b =1,15.10 ( 5 MN m/ 2 );
- Hệ số giản nở dài của thép, tt =1.10 − 5
- Hệ số giản nở dài của đồng, b =1,8.10 − 5
- Chiều dài thanh truyền tâm đến tâm,: l0,85(mm);
- Đường kính của chốt khuỷu, d (mm);
- Chiều dày bạc lót đầu to, 2 =1, 5(mm);
- Đường kính trong đầu to thanh truyền, D 1 C(mm);
- Khoảng cách giữa hai tâm bu lông thanh truyền, l 2 Q, 56(mm);
- Đường kính bulông thanh truyền db = 13(mm);
- Chiều rộng của đầu to thanh truyền (theo mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng lắc): l 3 4(mm);
4.2.1 Tính sức bền của đầu nhỏ thanh truyền
- Khi động cơ làm việc đầu nhỏ thanh truyền chịu các lực sau:
- Lực quán tính của nhóm piston;
- Lực do biến dạng gây ra;
Ngoài ra khi lắp ghép bạc lót, đầu nhỏ còn chịu thêm ứng suất phụ do lắp ghép bạc lót có độ dôi gây ra
Các lực trên sinh ra ứng suất: uốn, kéo, nén tác dụng trên đầu nhỏ thanh truyền Tính toán đầu nhỏ thường tính ở chế độ công suất cực đại
Ta tính toán sức bền của đầu nhỏ mỏng theo công thức của Kinaxotsvily
* Tính sức bền đầu nhỏ thanh truyền khi chịu kéo
Lực kéo sinh ra ở dầu nhỏ là lực quán tínhP J Giáo sư Kinaxotsvily nêu giả thiết: + Lực quán tính P J phân bố đều theo hướng kính trên đường trung bình của đầu nhỏ:
P j q = (MN/m 2 ) ; Với – Bán kính trung bình của đầu nhỏ;
+ Coi đầu nhỏ là một dầm cong phẳng, ngàm một đầu ở tiết diện C-C ứng với góc
Góc xác định theo công thức sau:
+ Với, r2 - Bán kính ngoài đầu nhỏ ; r 2 , 31(mm)
H - Chiều rộng vị trí chuyển tiếp qua đầu nhỏ; H ,9(mm);
+ Khi bạc lót lắp vào đầu nhỏ, bạc và đầu nhỏ đều biến dạng Mô men uốn M j và lực kéo ngang N j ở tiết diện bất kỳ trên cung AA−BB (0≤ x 90 0 ) có thể xác định theo công thức:
- Tiết diện bất kỳ trên cung BB−CC ( ≥ x 90 0 ) xác định :
Hình 4 7 Sơ đồ lực tác dụng khi đầu nhỏ thanh truyền chịu kéo
- Mô men uốn M A và lực tiếp tuyến N A sinh ra khi cắt bỏ một nửa đầu nhỏ thanh truyền tại tiết diện A-A ( x =0 ) 0 Thanh truyền như một dầm cong ngàm tại tiết diện C-C thì :
- Mô men và lực kéo tại tiết diện ngàm C-C ( tiết diện nguy hiểm nhất ):
- Do giả thiết bạc lót và đầu nhỏ đều biến dạng khi lắp ghép với nhau,khi ép bạc lót vào đầu nhỏ xuất hiện ứng suất dư, khi làm việc đầu nhỏ không chịu toàn bộ lực kéo
N j do P j gây ra mà chỉ chịu một phần N j đặc trưng bằng hệ số , hệ số phụ thuộc vào độ cứng vật liệu
Trong đó: E E d , b - Mô đun đàn hồi vật liệu chế tạo thanh truyền và bạc lót;
F F d , b - Diện tích tiết diện dọc của đầu nhỏ thanh truyền và bạc lót
- Lực kéo thực tế tác dụng lên đầu nhỏ thanh truyền:
- Ảnh hưởng của ứng suất dư khi lắp ghép bạc lót đối với mô men uốn không lớn nên bỏ qua Ứng suất tổng cộng tác dung lên ngàm C-C :
+ Ứng suất tổng cộng tác dụng trên mặt ngoài:
+ Ứng suất tổng cộng tác dụng trên mặt trong:
* Tính sức bền đầu nhỏ thanh truyền khi chịu nén
- Lực tác dụng lên đầu nhỏ thanh truyền là hợp lực của lực khí thể và lực quán tính: P 1 =P kt +P j = p F kt P −m R . 2 (1+).F P
Trên đồ thị khai triển pkt, pj, sau khi cộng đồ thị ta xác định được giá trị p1max tại góc α = 540 như sau: p1 = 75,58(mm), với p = 0,0278[MN/m 2 mm]
Hình 4 8 Sơ đồ lực tác dụng khi đầu nhỏ thanh truyền chịu nén
Theo Giáo sư Kinaxốtvily lựcP 1 phân bố trên nửa dưới đầu nhỏ theo đường cosin Giá trị MA, NA (với = 141,8 0 )
- Mô men uốn và lực pháp tuyến trên cung AB (x 90 0 )
- Mô men uốn và lực pháp tuyến trên cung BC (x 90 0 )
= - Tiết diện ngàm C-C là tiết diện nguy hiểm nhất (x = ), mô men uốn và lực pháp tuyến tại tiết diện nay:
- Do đó tại tiết diện nguy hiểm, ứng suất mặt ngoài bằng:
- Ứng suất trên mặt trong:
* Ứng suất biến dạng của đầu nhỏ thanh truyền Ứng suất biến dạng sinh ra do bạc lót lắp ghép có độ dôi với đầu nhỏ thanh truyền và do vật liệu thanh truyền và bạc lót khác nhau, khi chịu nhiệt mức độ giãn nở sẽ khác nhau lúc này sẽ gây ra ứng suất biến dạng khi chịu nhiệt
- Khi động cơ làm việc, nhiệt độ đầu nhỏ thanh truyền có khi đến 370 ÷ 430K Vì vậy, thanh truyền và bạc lót đều giãn nở Nhưng do vật liệu của chúng khác nhau nên mức độ giãn nở cũng khác nhau do đó gây ra ứng suất biến dạng
- Độ giãn nở khi đầu nhỏ thanh truyền chịu nhiệt:
Trong đó: t – Nhiệt độ làm việc của bạc lót và đầu nhỏ, t = 110 0 C;
- Áp suất trên mặt lắp ghép:
- Ứng suất biến dạng của đầu nhỏ thanh truyền tính theo công thức Lame:
+ Ứng suất trên mặt ngoài:
+ Ứng suất trên mặt trong:
* Hệ số an toàn của đầu nhỏ thanh truyền
- Ứng suất cực đại và cực tiểu của chu trình:
- Biên độ ứng suất: max min 273, 6 14, 73 2
= − = + - Ứng suất trung bình: max min 273, 6 14, 73 2
- Giới hạn mỏi của vật liệu trong chu trình đối xứng − = 500(MN/m 2 )
- Giới hạn mỏi của vật liệu trong chu trình mạch động = 750(MN/m 2 )
Hệ số an toàn cho phép n =2, 5 5 Như vậy đầu nhỏ thanh truyền thoả mãn điều kiện an toàn
* Độ biến dạng của đầu nhỏ thanh truyền
- Độ biến dạng của đầu nhỏ thanh truyền theo hướng kính:
Trong đó: dtb - Đường kính trung bình của đầu nhỏ,
2 2.12, 9 25,8( ) d mm tb = = J - Mô men quán tính tiết diện dọc đầu nhỏ thanh truyền
[ = (0,02 ÷ 0,03) (mm) Kết luận: Thanh truyền đảm bảo điều kiện biến dạng
4.2.2 Tính sức bền thân thanh truyền
Khi động cơ làm việc, thân thanh truyền chịu các lực sau:
- Lực quán tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến;
- Lực quán tính chuyển động lắc của thanh truyền;
Vì vậy trạng thái chịu lực của thân thanh truyền là:
- Chịu nén và uốn dọc do hợp lực của 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 Ở đây ta tính thân thanh truyền của động cơ tốc độ cao (vch > 9m/s)
Hình 4 9 Mặt cắt tiết diện thanh truyền
Lực tác dụng lên thân thanh truyền khi thanh truyền chịu nén và uốn dọc là
* Tính sức bền mỏi của thân thanh truyền khi chịu tải trọng thay đổi
- Ứng suất tổng lớn nhất khi chịu nén và uốn ở tiết diện trung bình (theo x-x và y- y):
Trong đó : Các hệ số kx, ky xác định theo công thức: kx=1 + C
Với l – Chiều dài thanh truyền: l = 140,85 (mm)
Các kích thước: h = 17,9(mm); t = 5,9 (mm); b = 13,44(mm); a = 5(mm)
Jx - Mô men quán tính của tiết diện thanh truyền đối với trục x-x:
Jy - Mô men quán tính của tiết diện thanh truyền đối với trục y-y:
Ftb- Diện tích trung bình của thanh truyền:
Ftb = b.h - (b - a).t = 0,01344.0,0179 – (0,01344 – 0,005).0,0059 = 0,0002(m 2 ) ix – Bán kính quán tính của tiết diện đối với trục x-x: ix 6, 279.10 9
= − iy – Bán kính quán tính của tiết diện đối với trục y-y:
= − Thay các giá trị ta có kết quả: kx=1,22 ; ky=1,06
F = - Ứng suất cho phép đối với thanh truyền làm bằng thép hợp kim:
- Ứng suất kéo trên tiết diện trung bình (do Pjt) gây ra:
F = Trong đó : Pjt – Lực quán tính chuyển động tịnh tiến của nhóm piston và phần than thanh truyền phía trên tiết diện trung bình
- Hệ số an toàn ở tiết diện trung bình là: n = 1 max max
* Tính sức bền thân thanh truyền theo hệ số an toàn của tiết diện nhỏ nhất
- Ứng suất nén lớn nhất ở tiết diện nhỏ nhất của thân thanh truyền: max 1 min n
- Ứng suất kéo gây nên do lực quán tính Pjđ của khối lượng nhóm piston và đầu nhỏ thanh truyền ở tiết diện nhỏ nhất: min jd kj
- Hệ số an toàn ở tiết diện nhỏ nhất:
4.2.3 Tính sức bền đầu to thanh truyền
Vị trí tính toán chọn khi piston ở ĐCT, ở đây đầu to thanh truyền chịu tác dụng của hợp lực quán tính chuyển động tịnh tiến và lực quán tính chuyển động quay Khi tính toán không xét đến khối lượng mắp thanh truyền
Hình 4 10 Sơ đồ tính toán sức bền đầu to thanh truyền
+ Các thông số kích thước: Đường kính trong đầu to, D1 = 43(mm); Đường kính ngoài đầu to: D2= 52 (mm);
Chiều dày bạc lót đầu to: 2 = 1,5(mm);
Khoảng cách hai bu lông: l2 = 51,56(mm);
Chiều rộng đầu to: l3 = 17,9(mm);
- Lực tác dụng lên đầu to:
- Trong đó : m n - Khối lượng nắp đầu to thanh truyền m n =0, 25.m tt =0, 25.0, 7=0,175(kg)
- Tính trên một đơn vị diện tích tiết diện piston là: 41,8(kg/m 2 ) m = 114,68 (kg/m 2 ) - Khối lượng các chi tiết chuyển động tịnh tiến tính trên 1 đơn vị diện tích tiết diện của đỉnh piston
63 m 2 = 95,6(kg/m 2 ) - Khối lượng thanh truyền quy về đầu to thanh truyền P d =0, 0894.576 0, 0042 114, 68.(1 0, 25) 95, 6 2 + + −41,8
Tính sức bền của đầu to thường dùng công thức Kinaxotsvily với các giả thiết sau:
- Khi lắp căng bạc vào đầu to thì bạc lót và đầu to đều biến dạng như nhau;
- Nắp và nửa trên của đầu to thanh truyền coi như một khối nguyên, không xét đến ảnh hưởng của mối lắp ghép;
- Nắp đầu to và bạc lót được coi như một thanh cong có tiết diện không dổi ngàm một đầu ở B – B
- Diện tích tiết diện của nắp đầu to tại tiết diện A-A:
= = - Diện tích tiết diện của bạc lót tại tiết diện A -A:
- Mô men quán tính tiết diện nắp đầu to thanh truyền:
- Mô men quán tính tiết diện bạc lót thanh truyền:
- Mô men chống uốn tại tiết diện tính toán:
= - Ứng suất lớn nhất tác dụng lên đầu to:
Ta lấy 0 = 40 0 , vì vậy ta có:
Kết luận: =(150 200)( MN m/ 2 ) Đầu to thanh truyền đảm bảo điều kiện bền
- Ngoài ra để bảo đảm điều kiện làm việc của mối ghép và hình thành màng dầu bôi trơn trong mối ghép, cần kiểm tra độ biến dang hướng kính d của đầu to thanh truyền
Kết luận: Độ biến dạng hướng kính đầu to thanh truyền đảm bảo
4.2.4 Tính toán sức bền của bulông thanh truyền
Trong quá trình lắp ghép, bulông thanh truyền chịu lực kéo tĩnh khi bị siết chặt Lực này gây ra ứng suất kéo và xoắn bulông Ngoài ra trong quá trình làm việc, bulông thanh truyền còn chịu ứng suất thay đổi do lực quán tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến và khối lượng chuyển động quay Bulông thanh truyền chịu lực lớn nhất khi piston ở vị trí điểm chết trên
Các thông số kích thước:
- Số bu lông thanh truyền, Z =2;
- Đường kính trung bình, d tb (mm);
- Đường kính chân răng, d o (mm);
- Lực tác dụng lên bu lông thanh truyền:
- Lực xiết bu lông thanh truyền trong quá trình làm việc :
- Hợp lực tác dụng lên bu lông thanh truyền:
- Ứng suất kéo bu lông trong quá trình làm việc:
= = - Mô men xoắn bu lông :
Kết luận: Bu lông thanh truyền đảm bảo điều kiên bền
4.3 Tính toán nhóm Trục khuỷu động cơ
Các kích thước cơ bản khuỷu trục:
- Đường kính chốt khuỷu: dc = ( 0,6 ÷ 0,7)D Lấy dc = 46(mm)
Tính toán nhóm Trục khuỷu động cơ
Lch = (0,45 ÷ 0,7) dc Lấy lc = 24mm)
- Bán kính góc lượn: r = (0,06 ÷ 0,08 )dc Lấy r = 4(mm)
- Đường kính ngoài cổ khuỷu: dck = 40(mm)
Lm = (0,5 ÷ 0,8).dck Lấy Lm = 17,9(mm)
Hình 4 11 Sơ đồ tính toán bền trục khuỷu
Các lực tác dụng lên cơ cấu Trục khuỷu - thanh truyền
+ Pkt: lực khí thể tác dụng lên các piston;
+ J: gia tốc chuyển động của nhóm khối lượng chuyển động tịnh tiến;
+ Z: phản lực pháp tuyến các gối trục;
Bỏ qua các điều 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 thực chất là kiểm tra sự lựa chọn hợp lý các kích thước của trục khuỷu Do điều kiện tính toán không thể tính cho tất cả các trường hợp của trục khuỷu, mà chỉ chọn ra những trường hợp nguy hiểm nhất để tính cho trục khuỷu Trục khuỷu có thể xảy ra nguy hiểm nhất ở các trường hợp chịu tải trọng sau:
- Trường hợp chịu lực pháp tuyến lớn nhất Zmax
- Trường hợp chịu lực tiếp tuyến lớn nhất Tmax
- Trường hợp chịu lực ∑Tmax
4.3.2 Tính bền các trường hợp chịu tải a) Trường hợp khởi động:
Hình 4 12.Sơ đồ lực tác dụng trên Trục khuỷu khi khởi động động cơ
Giả thiết Trục khuỷu ở vị trí DCT ( α = 0 0 ), do đó tốc độ nhỏ bỏ qua lực quán tính
- Các phản lực xác định 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 xác định theo công thức:
chốt khuỷu đảm bảo điều kiện bền
* Tính sức bền của má khuỷu:
- Ứng suất uốn của má khuỷu bằng:
= = = - Ứng suất nén má khuỷu:
- Kết luận: , 95(MN m/ 2 )