Hệ thống phát lực động cơ đốt trong ô tô là hệ thống cung cấp nguồn động lực cho cả ô tô hoạt động. Đây là các chi tiết tạo thành buồng cháy để đốt cháy nhiên liệu sinh công cho động cơ đồng thời nhận công để thực hiện nén nhiên liệu để thực hiện tiếp quá trình đốt cháy động cơ.
TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÁT LỰC
GIỚI THIỆU HỆ THỐNG PHÁT LỰC
Hệ thống phát lực động cơ đốt trong ô tô là hệ thống cung cấp nguồn động lực cho cả ô tô hoạt động Đây là các chi tiết tạo thành buồng cháy để đốt cháy nhiên liệu sinh công cho động cơ đồng thời nhận công để thực hiện nén nhiên liệu để thực hiện tiếp quá trình đốt cháy động cơ.
NHIỆM VỤ VÀ YÊU CẦU
Hệ thống phát lực có nhiệm vụ tiếp nhận năng lượng khí cháy, tạo thành chuyển động tịnh tiến của piston (trong xy-lanh) và biến nó thành cơ năng làm quay trục khuỷu, tạo mô-men có ích cho động cơ làm việc.
Chịu được điều kiện làm việc khắc nghiệt
Chịu được tải trọng va đập lớn có chu kỳ (áp suất tác động lớn, đột ngột)
Chịu được tải trọng nhiệt cao Ít mài mòn và chịu được ăn mòn hoá học
Hoạt động êm dịu, ít ồn.
CẤU TẠO CHUNG CỦA HỆ THỐNG PHÁT LỰC
Các chi tiết chính của hệ thống phát lực bao gồm: nhóm piston (piston, séc-măng, chốt piston), nhóm thanh truyền (thanh truyền, đầu to thanh truyền, bạc đầu to, nắp đập đầu to), và nhóm trục khuỷu - bánh đà.
Hình 1.1: Kết cấu của nhóm hệ thống phát lực
VẬT LIỆU CẤU TẠO CỦA HỆ THỐNG PHÁT LỰC
Vật liệu chế tạo piston phải đảm bảo cho piston làm việc ổn định và lâu dài trong những điều kiện khắc nghiệt đã nêu trên Trong thực tế một số vật liệu sau được dùng chế tạo piston.
Gang: Thường dùng gang xám, gang dẻo, gang cầu Gang có sức bền nhiệt và bền cơ học khá cao, hệ số giãn nở dài nhỏ nên khó bị bó kẹt, dễ chế tạo và rẻ Tuy nhiên, gang rất nặng nên lực quán tính của piston lớn Do đó, gang chỉ dùng để chế tạo piston động cơ tốc độ thấp Mặt khác, hệ số dẫn nhiệt của gang nhỏ nên nhiệt độ đỉnh piston cao.
Thép: Thép có sức bền cao nên piston nhẹ Tuy nhiên, hệ số dẫn nhiệt cũng nhỏ đồng thời khó đúc nên hiện nay ít được dùng Một số hãng đã sử dụng thép để chế tạo piston như Ford (Mỹ) hay Junker (Đức) trong chiến tranh thế giới thứ hai.
Hợp kim nhôm: Hợp kim nhôm có nhiều ưu điểm như nhẹ, hệ số dẫn nhiệt lớn, hệ số ma sát với gang (xy-lanh thường bằng gang) nhỏ, dễ đúc, dễ gia công nên được dùng rất phổ biến để chế tạo piston Tuy nhiên, hợp kim nhôm có hệ số giãn nở dài lớn nên khe hở giữa piston và xy-lanh phải lớn để tránh bó kẹt Do đó, lọt khí nhiều từ buồng cháy xuống hộp trục khuỷu, động cơ khó khởi động và làm việc có tiếng gõ khi piston đổi chiều Ở nhiệt độ cao, sức bền của piston giảm khá nhiều.
Chốt piston thường được chế tạo từ thép ít cacbon và thép hợp kim có các thành phần hợp kim như crom, mangan với thành phần cacbon thấp Để tăng độ cứng cho bề mặt – tăng sức bền mỏi – chốt được thấm than, xianua hóa, hoặc tôi cao tần và được mài bóng.
Một yêu cầu rất quan trọng đối với vật liệu chế tạo xéc-măng là phải bảo đảm độ đàn hồi ở nhiệt độ cao và chịu mòn tốt Hầu hết xéc-măng được chế tạo bằng gang xám pha hợp kim Vì xéc-măng đầu tiên chịu điều kiện làm việc khắc nghiệt nhất nên ở một số động cơ xéc-măng khí đầu tiên, được mạ crôm xốp có chiều dày 0,03mm, 0,06mm có thể tăng tuổi thọ của xéc-măng này lên 3 đến 3,5 lần.
1.4.4 THANH TRUYỀN Đối với động cơ tĩnh tại và động cơ tàu thủy tốc độ thấp, người ta dùng thép ít cacbon hoặc thép cacbon trung bình như C30, C35, C45 Đối với động cơ ô tô máy kéo và động cơ tàu thủy cao tốc, người ta dùng thép cacbon trung bình như C4, C45 hoặc thép hợp kim crom, niken Còn đối với động cơ cao tốc và cường hóa như động cơ ô tô du lịch, xe đua… người ta dùng thép hợp kim đặc biệt có nhiều thành phần hợp kim như măng gan, niken, vônphram …
Bu-lông thanh truyền thường được chế tạo bằng thép hợp kim có các thành phần crom, mănggan, niken … Tốc độ động cơ càng lớn, vật liệu bu-lông thanh truyền có hàm lượng kim loại quý càng nhiều.
Trục khuỷu của động cơ tốc độ thấp như động cơ tàu thủy và tĩnh tại thường được chế tạo bằng thép cacbon trung bình như thép C35, C40, C45 Còn trục khuỷu của động cơ cao tốc thường dùng thép hợp kim crôm, niken Động cơ cường hóa như ở xe đua, xe du lịch, trục khuỷu được chế tạo bằng thép hợp kim có các thành phần măng gan, vôn phram … Thép các bon có ưu điểm là rẻ và có hệ số ma sát trong lớn nên giảm dao động xoắn tốt nên sức bền không cao bằng thép hợp kim Phôi trục khuỷu bằng thép thường tạo bằng phương pháp rèn khuôn hoặc rèn tự do Sau đó, phôi được ủ và thường hóa trước khi gia công cơ Tiếp theo gia công cơ thô, trục khuỷu đươc nhiệt luyện và xử lý bề mặt rồi gia công lần cuối như mài các ổ trục Với kiểu tạo phôi bằng phương pháp rèn, lượng dư gia công cơ thường khá lớn Nếu tạo phôi bằng phương pháp đúc thì lượng dư gia công cơ ít hơn Tuy nhiên, sức bền của trục khuỷu nhận được từ phương pháp đúc không cao bằng khi dùng phương pháp rèn.
Gang graphit cầu: Gang cầu có đặc điểm rất dễ đúc và rẻ Ngoài ra do có cacbon ở dạng graphit cầu nên ma sát trong lớn, chịu mòn tốt và không nhạy cảm với ứng suất tập trung Khi đúc tạo phôi có thể đúc được phôi có hình dạng phức tạp như yêu cầu thiết kế đề ra nhằm bảo đảm sức bền đều trên toàn bộ trục khuỷu Tuy nhiên, khó khăn lớn nhất khi chế tạo trục khuỷu bằng gang cầu là cầu hóa.
Bánh đà động cơ tốc độ thấp thường được chế tạo từ gang xám, còn của động cơ tốc độ cao thường dùng thép ít cacbon.
Vật liệu chịu mòn, hợp kim chịu mòn cho bạc lót của động cơ đốt trong thường có các loại sau:
Hợp kim bacbít: Phổ biến là bacbit nền thiết và bacbit nền chì Về tổ chức kim loại, ví dụ, bacbit nền thiếc gồm những hạt đồng (Cu) và hợp đồng thiếc (CuSn) cứng trên nền thiếc (Sn) mềm Khi làm việc, nền thiếc mềm sẽ mòn nhanh chóng và tạo thành nơi chứa dầu bôi trơn, còn các hạt cứng sẽ đỡ lấy trục Hợp kim bacbit có ưu điểm là có tính dẻo cao, dễ đúc, có tính bám tốt và dễ rà khít với trục Tuy nhiên áp suất tiếp xúc cho phép nhỏ, chịu nhiệt kém và thiếc khá đắt Vì vậy, bạc lót với hợp kim bacbit thường chỉ được dùng trong động cơ xăng.
Hợp kim đồng chì: Tổ chức kim loại của hợp kim đồng chì là hỗn hợp cơ học của đồng (Cu) và chì (Pb), cụ thể là các tấm chì mềm trên nền đồng cứng Hợp kim đồng chì có sức bền cơ và nhiệt cao, độ cứng lớn, áp suất tiếp xúc cho phép lớn, dẫn nhiệt tốt, do đó được dùng trong những động cơ có áp suất lớn như động cơ Diesel Nhược điểm cơ bản của hợp kim đồng chì là dễ bị thiên tích khi đúc do nhiệt độ nóng chảy của đồng và chì rất khác nhau Ngoài ra, khi dùng hợp kim đồng chì, cổ trục phải được nhiệt luyện để đạt độ cứng cao.
Hợp kim nhôm: Hợp kim nhôm đóng vai trò là hợp kim chịu mòn được tráng, cán và ủ khuếch tán trên gộp bạc thép để tạo độ bám dính Bạc lót hợp kim nhôm có sức bền cơ học và độ cứng cao, hệ số dần nhiệt lớn, do đó ngày càng được dùng rộng rãi để thay thế cho bộ môn đồng chì Nhược điểm cơ bản của hợp kim nhôm là khó dính bám trên gộp bạc thép và hệ số dãn nở dài lớn nên khe hở bạc – trục phải để lớn hơn so với khi dùng hợp kim đồng chì.
Hợp kim gốm: Hợp kim gốm có ưu điểm chủ yếu là ít phải bôi trơn vì kim loại ở dạng xốp có thể chứa được dầu bôi trơn Ngoài ra, khả năng chịu nhiệt của hợp kim gốm rất cao Đây là loại vật liệu mới, giá thành chế tạo còn khá cao nên chưa được sử dụng rộng rãi.
KẾT CẤU CỦA CÁC CHI TIẾT TRONG HỆ THỐNG PHÁT LỰC
Nhiệm vụ: piston là cùng với các chi tiết khác như xy-lanh, nắp xy-lanh bao kín tạo thành buồng cháy, đồng thời truyền lực của khí thể cho thanh truyền cũng như nhận lực từ thanh truyền để nén khí Ngoài ra ở một số động cơ 2 kỳ, piston còn có nhiệm vụ đóng mở các cửa nạp và thải của cơ cấu phối khí. Điều kiện làm việc: điều kiện làm việc của piston rất khắc nhiệt bao gồm:
Tải trọng cơ học lớn và có chu kỳ: Áp suất lớn, có thể đến 120 kG/cm2
Lực quán tính lớn, đặc biệt là ở động cơ cao tốc.
Do tiếp xúc trực tiếp với khí cháy có nhiệt độ 2200 – 28000 K nên nhiệt độ đỉnh piston có thể đến 500 – 8000K Do nhiệt độ cao piston bị giảm sức bền, bó kẹt, nứt, làm giảm hệ số nạp, gây kích nổ…
Ma sát lớn và ăn mòn hóa học:
Do có lực ngang N nên giữa piston và xy-lanh có ma sát lớn Điều kiện bôi trơn tại đây rất khó khăn, phương pháp bôi trơn bằng cách vung té nên khó bảo đảm bôi trơn hoàn hảo Mặt khác, do thường xuyên tiếp xúc trực tiếp với sản vật cháy có các chất ăn món như các hơi axít nên piston còn chịu ăn mòn hóa học.
Kết cấu của piston: Để thuận lợi phân tích kết cấu, có thể chia những piston thành những phần như đỉnh, đầu, thân và chân piston mỗi phần đều có nhiệm vụ riêng và những đặc điểm kết cấu riêng Bên trong hệ thống piston ô tô có cấu tạo bao gồm: Vòng piston,chốt piston, váy piston, đầu piston, vòng bi và thanh kết nối.
Hình 1.2: Kết cấu của piston ô tô Vòng piston: Để có thể duy trì sự nén khí giữa xilanh và piston, các vòng của piston làm kín khí trong xilanh, khi đó khí cháy sinh ra tại thời điểm đánh lửa không lọt vào khe hở giữa xilanh và piston.
Chốt piston: Chốt piston còn có tên gọi khác là chốt gudgeon hay chốt cổ tay, bộ phận này có kết cấu hình trị rỗng (mặt ngoài là hình trụ, còn mặt trong là rãnh) để giảm trọng lượng chốt Chốt piston được dùng để kết nối piston với đầu nhỏ thanh truyền.
Váy piston: Váy piston được thiết kế các rãnh để lắp vòng đầu piston và các vòng nén, váy piston thường được làm từ chất liệu gang để tăng khả năng chống mài mòn cùng đặc tính tự bôi trơn. Đầu piston: Đầu piston còn được gọi là đỉnh hoặc mái vòm của piston Đầu piston tiếp xúc trực tiếp với khí đốt và phải chịu nhiệt độ cao Vậy nên, để tránh tình trạng nóng chảy thì các bộ phận của đầu piston thường được làm từ những chất liệu hợp kim đặc biệt, trong đó có hợp kim thép Ngoài ra, đầu piston còn được chế tạo với các rãnh và khoang giúp tạo ra một vòng xoáy, cải thiện quá trình đốt cháy.
Vòng bi piston: Vòng bi piston là bộ phận piston nằm ở những điểm xảy ra chuyển động quay của trục Do đó, vòng bi piston thường được thiết kế hình bán nguyệt để lắp dễ dàng vào các lỗ trên những điểm này Bên cạnh đó, vòng bi piston được làm từ chì, đồng, nhôm silicon,… có sơn phủ để cải thiện độ cứng, hỗ trợ tải trọng từ các chuyển động của thanh kết nối và piston.
Thanh kết nối: Thanh kết nối (hay còn gọi là thanh truyền) là một phần của động cơ đốt trong, có chức năng kết nối piston với trục khuỷu Thanh kết nối chuyển hoạt động tịnh tiến, kết hợp với tay quay của piston thành chuyển động của trục khuỷu.
Nguyên lý hoạt động: Piston hoạt động theo từng giai đoạn nên còn gọi là hành trình Hành trình hoạt động này được biểu thị bằng vị trí của piston (khi nằm ở trên, giữa và dưới cùng của xinh lanh).
Trong quá trình cung cấp nhiên liệu, vị trí hoạt động của piston được diễn ra theo một trình tự chính xác đến hoàn hảo Chu trình đốt cháy được bắt đầu với piston ở vị trí trên cùng của xi lanh
Trong thời gian này, Các van nạp và xả sẽ đều được đóng lại Sau đó, piston chuyển động đi xuống và tạo ra một phần chân không trong không gian bên trên Lúc này, không khí và nhiên liệu đồng thời đi vào trong xi lanh và các van nạp sẽ đóng lại, piston đã bắt đầu chuyển động lên trên.
Bởi vì khi tất cả các van đều đóng, chuyển động của piston nén hỗn hợp không khí hoặc nhiên liệu sẽ tạo ra một không gian có áp suất cao giữa piston và đầu xi lanh Sau đó, hỗn hợp này sẽ bốc cháy và đẩy piston đi xuống.
Tiếp theo, các van xả sẽ mở ra, các sản phẩm của hành trình đốt cháy thoát ra ngoài (điều này xảy ra khi piston chuyển động đi lên) Piston chuyển động đẩy khí thải ra ngoài, đồng thời các van nạp mở nhiên liệu và không khí đi vào xi lanh, sau đó chu trình sẽ được lặp lại.
Nhóm thanh truyền gồm có: thanh truyền, bu lông thanh truyền và bạc lót thanh truyền
Nhiệm vụ: là chi tiết máy kết nối piston với trục khuỷa qua chốt piston Trong quá trình làm việc nhóm thanh truyền nhận lực tác dụng trên piston truyền cho trục khuỷa làm quay trục khuỷa. Điều kiện làm việc: khi động cơ làm việc thanh truyền chịu các lực sau:
Lực khí thể trong quá trình nén và cháy – giản nỡ trong xy lanh
Lực quán tính cảu các chi tiết chuyện động tịnh tiến
Lực quán tính của bản thân thanh truyền
TÍNH BỀN HỆ THỐNG PHÁT LỰC TRÊN Ô TÔ
CÁC CÔNG THỨC SỬ DỤNG TRONG QUÁ TRÌNH TÍNH TOÁN SỨC BỀN
Trong quá trình làm việc các cơ cấu piston, trục khuỷu và thanh truyền chịu các lực: Lực quán tính của các chi tiết có khối lượng: chuyển động tịnh tuyến (Pj) và chuyển động quay (Pk).
Trong các lực này, lực quán tính và lực khí thể có trị số lớn hơn cả nên trong quá trình tính toán cũng chỉ xét hai lực này.
Lực tác dụng lên chốt piston P1 là hợp lực của lực quán tính và lực khí thể, nó tác dụng lên chốt piston và đẩy thanh truyền. p 1 =p kt +p j
Hình 2.1: Sơ đồ tính toán piston
Nhưng trong quá trình tính toán động lực học, các lực này thưởng được tính trên đơn vị diện tích đỉnh piston (Fp) nên sau khi chia hai vế ta có: p 1 =p kt +p j p 1 = p 1
Phân P1 thành 2 thành phần lực:
Pu – lực tác dụng trên phương đường tâm thanh truyền.
N – lực tác dụng trên phương vuông góc đường tâm xy lanh. p 1 =p u +N
Từ quan hệ lượng giác ta có thể xác định được trị số của Pu và N p u = p 1 cosβN=p 1 tg β
Phân lực Pu thành 2 thành phần lực: lực tiếp tuyến T, lực pháp tuyến Z và được xác định dựa theo quan hệ sau:
T=p u sin(¿α+β)=p 1 sin(¿α+β) cosβ ¿ ¿Z=p u cos(¿α+β)=p 1 cos(¿α+β) cosβ ¿ ¿ Lực quán tính Pk của khối lượng chuyển động quay là lực ly tâm, có trị số không đổi: p k =m r R ω 2 =const
Mr – là khối lượng của các chi tiết chuyển động quay
R – bán kính quay của trục khuỷu ω – tốc độ góc cảu trục khuỷu α – góc hợp bởi đường tâm xy lanh và đường tâm má khuỷu β – góc hợp bởi đường tâm xy lanh và đường tâm thanh truyền
Lực khí thể do áp xuất khí thể sinh ra tác dụng lên nắp xy lanh, thân xy lanh và lên piston.
Hợp lực của lực quán tính và lực khí thể tác dụng lên chốt piston sản sinh ra lực đẩy thanh truyền, nhưng đồng thời cũng tác dụng lên ô trục và thân máy Phân lực tiếp tuyến
T tạo thành momen quây trục khuỷu động cơ Momen này tính theo công thức sau:
M=T.R Lực quán tính chuyển dộng tịnh tiến tác dụng lên ổ trục, chốt khuỷu và chốt piston. Lực quán tính chuyển động quay là lực luôn tác dụng lên ổ trục của trục khuỷu.
Lực N tạo thành momen ngược chiều (momen lật):
M N =N A=N (lcosβ+Rcosα)=p 1 tg β (lcosβ+Rcosα)=p 1 sin(¿α+β) cosβ ¿ Trong đó:
A – khoảng cách từ N đến tâm trục khuỷu
Trị số của momen ngược chiều vừa bằng trị số của momen quay trục khuỷu nhưng trái chiều Momen ngược chiều này tác dụng lên thân máy và do thân máy chịu lực Trong quá trình động cơ làm việc, momen quay trục khuỷu M làm quay trục khuỷu và đưa công suất ra ngoài.
SƠ ĐỒ TÍNH TOÁN CỦA NHÓM PISTON, TRỤC KHUỶU, THANH TRUYỀN
Các kích thước cơ bản của piston thường được xác định theo những công thức thực nghiệm:
Hình 2.2: Sơ đồ tính toán piston
Bảng 2.1: Thông số Điều kiện tải trọng
Piston chịu lực khí thể Pkt, lực quán tính và lực ngang N, đồng thời chịu tải trọng nhiệt không đều Khi tính toán kiểm nghiệm bền thường tính với điều kiện tải trọng lớn nhất.
Tính nghiệm bền đỉnh piston
Tính nghiệm bề n đỉnh piston đều phải giả thiết l ực tác dụng phân bố đề u và chiều dày của đỉnh có giá trị không đổi Dưới đây giới thiệu hai phương pháp tính nghiệm bền đỉnh.
Hình 2.3: Sơ đồ tính đỉnh piston theo phương pháp Back
Công thức Back dùng các giả thiết sau:
Coi đỉnh piston là một đĩa tròn có chiều dày đồng đều δ đặt trên gối tựa hình trụ rỗng Coi áp suất khí thể pz phân bố đều trên đỉnh như sơ đồ hình 1.2.
Lực khí thể Pz = pz FP và phản lực của nó gây uốn đỉnh piston tại tiết diện x - x Lực khí thể tác dụng trên nửa đỉnh piston có trị số:
Lực này tác dụng tại trọng tâm của nửa hình tròn.
Phản lực phân bố trên nửa đườ ng tròn đường kính Di, có trị số bằ ng PZ/2 và tác dụng trên trọng tâm của nửa đường tròn cách trục x - x một khoảng:
2 D i y Mômen uốn đỉnh sẽ là:
Môđun chống uốn của tiết diện đỉnh:
Do đó ứng suất uốn đỉnh piston:
Ứng suất cho phép như sau: Đối với piston nhôm hợp kim: Đỉnh không gân [σu] = 20 - 25 MN/m2σu] = 20 - 25 MN/m2u] = 20 - 25 MN/m2 Đỉnh có gân [σu] = 20 - 25 MN/m2σu] = 20 - 25 MN/m2u] = 100 - 190 MN/m2 Đối với piston gang hợp kim: Đỉnh không gân [σu] = 20 - 25 MN/m2σu] = 20 - 25 MN/m2u ] = 40 - 45 MN/m2 Đỉnh có gân [σu] = 20 - 25 MN/m2σu] = 20 - 25 MN/m2u ] = 100 - 200 MN/m2
Công thức Orơlin giả thiết đỉ nh là một đĩa tròn bị ngàm cứng trong gối tựa hình trụ (đầu piston) như sơ đồ Giả thiết này khá chính xác với loại đỉnh mỏng có chiều dày δ ≤ 0,02 D.
Khi chịu áp suất pz phân bố đều trên đỉnh, ứng suất của một phân tố ở vùng ngàm được tính theo các công thức sau: Ứng suất hướng kính:
Ứng suất hướng tiếp tuyến:
Hình 2.4: Sơ đồ tính đỉnh piston theo phương pháp Orlin ξ - Hệ số ngàm, thường chọn ξ= 1.
Hệ số poỏt xụng (đối với gang à = 0,3; với nhụm à = 0,26).
Khoảng cách từ tâm đỉnh piston đến mép ngàm. Ứng suất cho phép đối với vật liệu gang và nhôm: [σu] = 20 - 25 MN/m2σu] = 20 - 25 MN/m2] = 60 MN/m 2
Tiết diện nguy hiể m của phần đầu piston là tiết diện cắt ngang của rãnh xéc măng dầu Ứng suất kéo: Ứng suất kéo: là trạng thái ứng suất khi vật liệu chịu tác động kéo căng hướng trục.
Bất kỳ một vật liệu nào thuộc loại đàn hồi thì phần lớn chịu được ứng suất kéo trung bình, ngược lại là các vật liệu chịu đựng lực kéo kém như: gốm, hợp kim giòn. max; / 2 jI I I
Trong đó: mI-I là khối lượng phần đầu piston phía trên tiết diện I-I.
Theo kinh nghiệm mI-I thường bằng (0,4 - 0,6) m np Ứng suất cho phép: [σu] = 20 - 25 MN/m2σu] = 20 - 25 MN/m2k] ≤ 10 MN/m 2 Ứng suất nén : Ứng suất nén: là trạng thái ứng suất khi vật liệu bị tác động ép chặt Trường hợp đơn giản của sự ép là lực ép đơn gây ra bởi phản lực tác động, lực đẩy Sức bền nén của vật liệu luôn cao hơn sức bền kéo của vật liệu đó, tuy nhiên hình thể lại quan trọng để phân tích khi ứng suất nén đạt đến giới hạn cong vênh.
Ứng suất cho phép: Đối với gang [σu] = 20 - 25 MN/m2σu] = 20 - 25 MN/m2n] = 40 MN/m 2 Đối với nhôm [σu] = 20 - 25 MN/m2σu] = 20 - 25 MN/m2n] = 25 MN/m 2
Tính nghiệm bền thân piston.
Tính nghiệm bền thân piston chủ yếu là kiểm tra áp suất tiếp xúc của thân với xilanh. max; / 2 th th
Trong đó: Nmax là lực ngang lớn nhất, xác định từ kết quả tính toán động lực học. Trị số cho phép của Kth như sau: Đối với động cơ tốc độ thấp [σu] = 20 - 25 MN/m2Kth] = 0,15 - 0,35 MN/m 2 Đối với động cơ tốc độ trung bình [σu] = 20 - 25 MN/m2Kth] = 0,3 - 0,5 MN/m 2 Đối với động cơ tốc độ cao [σu] = 20 - 25 MN/m2Kth] = 0,6 - 1,2 MN/m 2 Áp suất tiếp xúc trên bệ chốt piston cũng được xác định theo công thức tương tự:
Trong đó: dcp - đường kính chốt piston l1 - chiều dài làm việc của bệ chốt Áp suất tiếp xúc cho phép:
Kiểu lắp chốt tự do: [σu] = 20 - 25 MN/m2Kb] = 20 -30 MN/m 2
Kiểu lắp cố định trên piston gang: [σu] = 20 - 25 MN/m2Kb] = 25 - 40 MN/m 2
Khe hở lắp ghép của piston:
Tùy thuộc vật liệu chế tạo piston, xi lanh và trạng thái nhiệt của piston mà khe hở lắp ghép khác nhau.
Trường hợp trạng thái nguội:
Trường hợp trạng thái nóng:
Với: Txl, Td, Tt là nhiệt độ xi lanh, nhiệt độ phần đầu piston, nhiệt độ phần thân piston.
Khi làm mát bằng nước: Txl83 – 388K, TdG3-723K, Tt@3-473K
Khi làm mát bằng không khí: TxlD3 – 463K, TdW3-823K, TtH3-613K αxl, αp: Hệ số dãn nở của vật liệu xi lanh và của vật liệu piston (1/K).
Tính nghiệm bền chốt piston.
Chốt piston làm vi ệc trong trạng thái chịu uốn, chịu cắt, chịu va đập và biến dạng. Trạng thái chịu lực của chốt trên theo sơ đồ. Ứng suất uốn
Nếu coi chốt piston như một dầm đặt tự do trên hai gối đỡ
Khi chịu lực khí thể, chốt bị uốn lớn nhất ở tiết diện giữa chốt Mômen uốn chốt có thể xác định theo công thức:
Mô dun chống uốn của tiết diện chốt piston bằng:
Hình 2.5: Sơ đồ tính toán chốt piston l - Khoảng cách giữa hai gối đỡ. lđ - Chiều dày đầu nhỏ thanh truyền. dcp - Đường kính chốt piston. do - Đường kính lỗ rỗng của chốt.
Nếu coi chiề u dài chốt piston lcp ≈ 3l 1 và l 1 ≈ lđ thì ứng suất uốn chốt piston tính theo sơ đồ trên hình 1.4 có thể tính theo công thức:
Hệ số độ rỗng của chốt
Chốt piston chịu cắt ở tiết diện I-I trên hình 1-4 ứng suất cắt xác định theo công thức sau:
Trong đó: Fcp - Tiết diện ngang chốt (m 2 ) Ứng suất cho phép đối với các loại vật liệu như sau:
- Thép hợp kim: [σu] = 20 - 25 MN/m2σu] = 20 - 25 MN/m2u] = 150 - 250 MN/m 2
- Thép hợp kim cao cấp: [σu] = 20 - 25 MN/m2σu] = 20 - 25 MN/m2u] = 350 - 450 MN/m 2
[σu] = 20 - 25 MN/m2τc] = 100 - 150 MN/m 2 Ứng suất biến dạng
Khi biến dạng chốt biến dạng thành dạng méo Theo Kinaxôsvili lực tác dụng theo chiều chốt piston phân bố theo đường parabôn có số mũ từ 2,5 ÷ 3 Trên phương thẳng góc với đườ ng tâm chốt tải trọng phân bố theo đường sin như hình 1.5a. Đối với các loại chốt có độ rỗng độ biến dạng ∆dmax có thể xác định theo công thức sau:
Trong đó: k - Hệ số hiệu đính. k = [σu] = 20 - 25 MN/m21,5 - 15(α - 0,4) 3 ]
E - Môdun đàn hồi của thép; E = 2.10 5 MN/m 2 Độ biến dạng tương đối: max 0,002 / ; cp cp d mm cm
Hình 2.6: Ứng suất biến dạng trên tiết diện chốt piston
Khi chốt bị biến dạng ứng suất biến dạng phân bố trên các điểm 1, 2, 3, 4 có ứng suất lớn nhất. Ứng suất kéo tại điểm 1 của mặt ngoài (ϕ = 0 0 ) tính theo công thức sau:
Ứng suất nén tại điểm 2 của mặt trong:
Ứng suất kéo tại điểm 4 của mặt trong (ϕ = 90 0 ):
Kết quả tính toán cho thấy ứng suất ở mặt trong thường lớn hơn ứng suất ở mặt ngoài. Ứng suất biến dạng cho phép:
Tính nghiệm bền xéc măng.