Hệ thống phân phối khí đóng vai trò quan trọng trong hoạt động của động cơ ô tô, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất, mức tiêu hao nhiên liệu và khí thải. Do đó, việc nghiên cứu và tính toán hệ thống phân phối khí có ý nghĩa thiết thực trong việc nâng cao hiệu quả hoạt động của động cơ ô tô.
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÍ
Tổng quan
Hệ thống phân phối khí có công dụng điều khiển quá trình trao đổi khí trong xylanh Thực hiện các công việc đóng mở các cửa nạp và cửa xả với mục đích nạp đầy không khí, hỗn hợp cháy (hỗn hợp cháy gồm xăng - không khí đối với động cơ xăng) và thải sạch khí cháy ra khỏi xylanh.
Hệ thống phân phối khí có nhiệm vụ dùng để thực hiện quá trình thay đổi khí Thải sạch khí thải ra khỏi xylanh và nạp đầy hỗn hợp hoặc khí mới vào xylanh để động cơ làm việc liên tục.
1.1.3 Yêu cầu Đảm bảo thải sạch và nạp đầy
Các xupap phải đóng mở đúng thời điểm quy định Độ mở phải đủ lớn để dòng khí dễ lưu thông
Các xupap phải kín khít, tránh để lọt khí trong quá trình nén và giản nở.
Hệ thống phải làm việc êm dịu, tin cậy, công chi phí thấp.
Trong quá trình làm việc, mặt nấm xupap chịu phụ tải động và phụ tải nhiệt rất lớn Lực khí thể tác dụng trên diện tích mặt nấm xupap có thể lên đến 10.000 đến 20.000 N,trong động cơ cường hóa và tăng áp, lực này có thể tăng đến 30.000 N.
Hơn nữa mặt nấm xupap luôn luôn va đập mạnh với đế xupap nên rất dễ biến dạng Do xupap trực tiếp tiếp xúc với khí cháy nên xupap còn phải chịu nhiệt độ rất cao. Nhiệt độ của xupap thải trong động cơ xăng thường đạt 800-850 0 C, trong động cơ diezel là 500-600 0 C Nhất là trong kỳ thải, nấm và thân xupap phải tiếp xúc với dòng khí thải có nhiệt độ rất cao, vào khoảng 700-900 0 C đối với động cơ diezel còn ở động cơ xăng thì cao hơn 1100-1200 0 C Hơn nữa tốc độ dòng khí thải rất lớn, mới bắt đầu thải có thể đạt được 400-600 m/s nên khiến cho xupap nhất là xupap xả thường dễ bị quá nóng và bị dòng khí ăn mòn Ngoài ra trong nhiên liệu có lưu huỳnh nên khi cháy tạo axit ăn mòn mặt nấm xupap Vì vậy vật liệu dùng để chế tạo xupap phải có sức bền cơ học cao, chịu nhiệt tốt, chống được ăn mòn hóa học và hiện tượng xâm thực của dòng khí thải có nhiệt độ cao.
Phân loại, cấu tạo và nguyên lý làm việc
1.2.1 Hệ thống phân phối khí dùng xupap treo
Hệ thống phân phối khí có xupap treo các xupap được bố trí ở phía trên của nắp máy Hệ thống nạp xả này được dùng hầu hết trong động cơ diesel và động cơ cơ xăng có tỷ số nén cao Cơ cấu xupap treo gồm: trục cam, con đội, đũa đẩy, đòn gánh, lò xo, ống đẫn hướng và đế xupap. Đối với cơ cấu xupap treo có trục cam đặt ở phía trên nắp máy Thì có thể không có đũa đẩy mà thay vào đó là xích hoặc bánh răng Và có thể có hoặc không có đòn gánh. Khi trục cam quay, cam sẽ truyền chuyển động tịnh tiến cho con đội làm cho đũa đẩy chuyển động tịnh tiến do đó làm cho đòn gánh quay quanh trục đòn gánh Đầu đòn gánh sẽ đè lên đuôi xupap làm cho xupap chuyển động tịnh tiến đi xuống mở cửa nạp và xả để thực hiện quá trình trao đổi khí Vào lúc cam không đội con đội thì lò xo xupap sẽ giãn ra, làm cho xupap chuyển động đi lên đóng cửa nạp và xả lại để thực hiện quá trình nén, cháy, giãn nở và sinh công Ở tư thế này, lúc máy còn nguội, giữa đầu đòn gánh và đuôi xupap sẽ có khe hở, gọi là “khe hở nhiệt” Nhờ nó, khi máy làm việc, do nóng lên, xupap có giãn nở, buồng đốt cũng không bị, hở nhiệt.
Hình 1.1 Hệ thống phân phối khí xupap treo 1- Cò mổ 2- Đũa đẩy 3- Xupap 4- Con đội 5- Trục cam.
1.2.2 Hệ thống phân phối khí có xupap đứng (xupap đặt)
Hệ thống phân phối khí có xupap đứng trình bày trên loại này thường dùng ở máy xăng
Hình 1.2 Hệ thống phân phối khí xupap đứng
1 –đế xupap; 2 – xupap; 3- ống dẫn huớng xupap; 4 – lò xo xupap;5– móng hãm hình côn; 6 – đĩa chặn lò xo; 7 – bulông điều chỉnh; 8– con đội; 9– trục cam. Ở đây không có đũa đẩy, đòn gánh, con đội 8 trực tiếp truyền động cho xupap 2. Thay đổi chiều cao tuyệt đối của con đội bằng bu lông 7 và ốc hãm sẽ điều chỉnh được khe hở nhiệt Loại hệ thống nạp xả có xupap đứng này làm tăng diện tích buồng đốt nhưng ít chi tiết hơn so với loại xupap treo do đó độ tin cậy khi làm việc của loại này cao hơn hệ thống nạp xả có xupap treo Và an toàn hơn loại xupap treo, vì giả sử móng hãm xupap có tuột ra, xupap cũng không rơi vào xylanh, không gây hư hỏng cho piston, xylanh đặc biệt khi khi động cơ đang làm việc.
1.2.3 Hệ thống phân phối khí có trục cam truyền động trực tiếp cho xupap
Hệ thống phân phối khí có trục cam truyền động trực tiếp cho xupap thể hiện trên hình vẽ Khi trục cam đặt trên nắp xylanh, và cam trực tiếp điều khiển việc đóng, mở xupap, không qua con đội, đũa đẩy, đòn gánh…… Tuy nhiên hệ trục và hai cặp bánh răng côn có phức tạp, chế tạo khó, nhưng nó có ưu điểm là làm việc êm hơn, ít gây tiếng ồn Bởi vì cơ cấu này không có chi tiết làm việc theo chuyển động tịnh tiến có điểm dừng như trường hợp có đòn gánh và đũa đẩy Loại này có xupap rỗng, ghép Bulông 5 giúp ta điều chỉnh chiều dài xupap, sẽ cho phép điều chỉnh khe hở nhiệt (giữ mặt tựa của cam và đuôi xupap) Tuy nhiên, đối với xupap xả thường làm việc ở nhiệt độ tới (300 – 400)0C. vì vậy các đường ren dễ bị kẹt do han rỉ, điều chỉnh bu lông 5 rất khó Lò xo xupap ở đây có hai chiếc có độ cứng khác nhau, chiều quấn nguợc nhau và có chiều dài bằng nhau.Nhờ vậy tránh được sự cộng hưởng nên bền lâu hơn Với máy nhỏ đôi khi người ta đúc liền một khối, như vậy không điều chỉnh được khe hở nhiệt Trong trường hợp này, nhà chế tạo để khe hở nhiệt lớn một chút, khi mòn càng lớn hơn, nên có thể có tiếng gõ khi máy làm việc, nhưng cấu tạo đơn giản, làm việc an toàn.
Hình 1.3 Hệ thống phân phối khí có xupap được dẫn động trục tiếp bằng cam
1–xupap xả; 2–lò xo xupap; 3–trục cam; 4–đĩa tựa; 5–bulông điều chỉnh; 6–thân xupap rỗng; 7–vành tựa; 8–mặt trụ.
1.2.4 Hệ thống phân phối khí có trục cam đặt trên nắp xylanh có đòn gánh
Hệ thống phân phối khí có trục cam đặt trên nắp xylanh nhưng vẫn có đòn gánh được thể hiện trên hình vẽ Trục cam đặt trên nắp xylanh, nhưng cam không trực tiếp tỳ vào xupap mà thông qua đòn gánh Chuyển động từ trục khuỷu cho trục cam bằng xích. Điều chỉnh khe hở nhiệt được thực hiện nhờ vít điều chỉnh và ốc hãm ở đầu đòn gánh.
Hình 1.4 Sơ đồ hệ thống phân phối khí có trục cam đặt trên nắp xylanh nhưng vẫn có đòn gánh.
1.2.5 Hệ thống phân phối khí điều khiển điện tử
1.2.5.1 Sơ đồ nguyên lý tổng quát
Hình 1.5 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển lập trình
Hệ thống điều khiển động cơ theo chương trình bao gồm các cảm biến kiểm soát liên tục tình trạng hoạt động của động cơ, một bộ ECU tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến, xử lý tín hiệu và đưa ra tín hiệu điều khiển đến cơ cấu chấp hành Cơ cấu chấp hành luôn đảm bảo thừa lệnh ECU và đáp ứng các tín hiệu phản hồi từ các cả biến Hoạt động của hệ thống điều khiển động cơ đem lại sự chính xác và thích ứng cần thiết để giảm tối đa chất độc hại trong khí thải cũng như lượng tiêu hao nhiên liệu ECU cũng đảm bảo công suất tối ưu ở các chế độ hoạt động của động cơ, giúp chẩn đoán khi có sự cố xảy ra Điều khiển đông cơ bao gồm điều khiển phun nhiên liệu, điều khiển đánh lửa, điều khiển góc phối cam, điều khiển ra tự động.
Hình 1.6 Sơ đồ cấu tạo hệ thống điều khiển kiểu Valvetronic.
1:Mô tơ bước; 2:Bộ truyền trục vít bánh vít; 3:Cần dẫn hướng; 4:Trục nắp cần dẫn hướng; 5: Đòn gánh; 6:Lò xo xupap; 7: Xupap.
Hê thống cung cấp nhiên liệu kiểm soát số lượng không khí đi qua cổ họng bướm ga và quyết định số lượng nhiên liệu tương ứng mà động cơ yêu cầu. Bướm ga mở càng rộng thì lượng không khí đi vào buồng đốt càng nhiều Tại vùng họng bướm ga, bướm ga đóng một phần thậm chí gần như đóng, nhưng những piston vẫn còn hoạt động, không khí được lấy vào từ một phần của ống thông của đường ống phân phối đầu vào, ống thông nằm giữa vị trí bướm ga và buồng đốt có độ chân không thấp ngăn cản tác động của sự hút vào và bơm vào của những piston, làm lãng phí năng lượng Các kỹ sư ô tô nói đến hiện tượng này như sự bỏ phí năng lượng khi có sự bơm Động cơ hoạt động càng chậm thì các bướm ga đóng càng nhiều, và sự lãng phí năng lượng càng lớn Valvetronic giảm tối thiểu mất mát khi bơm bằng sự giảm bớt sự tăng lên của trục van và số lượng không khí đi vào buồng cháy So với những động cơ cam đôi kiểu cũ với sự xuất hiện của bánh con lăn có bộ phận định hướng, valvetronic sử dụng thêm một trục lệch tâm, một mô tơ điện và một số cần đẩy (đòn gánh) trung gian, mà lần lượt dẫn động sự đóng và mở của các xupap Nếu đòn gánh đẩy xuống sâu, những van nạp sẽ bị đẩy xuống ở vị trí mở xupap lớn nhất và làm cho tiết diện lưu thông qua các van là lớn nhất Như vậy, valvetronic có khả năng nạp nhiều, thời gian nạp dài
(hành trình van lớn) và quá trình nạp được đầy hoàn toàn, tiết diện lưu thông nhỏ(hành trình van ngắn) tuỳ thuộc vào vị trí định trước trên động cơ.
Đặc điểm kết cấu các chi tiết chính của hệ thống phân phối khí
Hình 1.7 kết cấu nắp xilanh 1-roăng xupap; 2-ống lót vòi phun; 3- bulông áp lực; 4- vòi phun; 5- roăng vòi phun; 6- đĩa lò xo; 7-móng hãm; 8-lò xo lớn xupap; 9- lò xo nhỏ xupap; 10-bộ phận làm xoay xupap; 11-đế xupap xả; 12-xupap xả; 13-ống dẫn hướng xupap; 14-ống bảo vệ vòi phun; 15-Xupap nạp; 16- Đế xupap nạp ; a- nước làm mát động cơ lên; b-đường dầu bôi trơn; c- Khí xả; d- khí nạp
Trục cam mang các cam dẫn động cơ cấu phối khí Trong một số trường hợp, trên trục cam còn có các bộ phận của hệ thống khác như : cam của bơm chuyển nhiên liệu, bánh răng dẫn động bơm dầu, dẫn động chia điện – đánh lửa….
Hình 1.8 Kết cấu trục cam 1- Đầu trục cam, 2- Cổ trục cam, 3- Cam nạp và cam thải Điều kiện làm việc
Về mặt tải trọng, trục cam không phải chịu nhiều điều kiện làm việc nặng nhọc Các bề mặt làm việc của cam tiếp xúc thường là dạng trượt nên dạng hỏng chủ yếu của trục cam là mài mòn.
Vật liệu Để chế tạo trục cam, người ta sử dụng thép ít cacbon như thép C30, thép cacbon trung bình như thép C40, C45 hoặc thép hợp kim như 15Cr, 15Mn, 12CrNi…
Các bề mặt làm việc của cam và các cổ trục được thấm than và tôi cứng với độ thấm tôi khoảng 0,7 – 2 mm đạt HRC 52 – 65 Những bề mặt còn lại có độ cứng đạt HRC 30 – 40.
Các xupap có vai trò đống mở cửa nạp và cửa thải để thực hiện quá trình trao đổi khí Việc thải sạch và nạp đầy môi chất sẽ giúp tiết kiệm nhiên liệu và tăng công suất làm việc của động cơ.
1 – Đuôi xupap, 2 – Thân xupap, 3 – Nấm xupap. Điều kiện làm việc
Do tiếp xúc trực tiếp với khí cháy nên các xupap chịu áp lực rất lớn và nhiệt độ cao, nhất là đối với xupap thải Ví dụ, ở động cơ xăng, nhiệt độ xupap thải có thể đến 800 ¿ 850 0 C, còn ở động cơ diesel có thể tới 500 ¿ 600 0 C Ngoài ra, xupap còn bị ăn mòn hóa học do các hơi axit trong khí cháy, đặc biệt là đối với xupap thải.
Khí xupap đóng mở, nấm xupap va đập với đế nên nấm dễ bị biến dạng cong vênh và mòn rỗ bề mặt nấm.
Vận tốc lưu động của môi chất qua xupap rất lớn Đối với xupap thải, vận tốc này có thể đạt 400 ¿ 600 m/s gây ra mòn cơ học bề mặt nấm và đế.
Vật liệu Đối với xupap thải, thường sử dụng thép hợp kim chịu nhiệt có các thành phần như silic, crôm, măng gan Để tiết kiệm vật liệu có thể chỉ chế tạo nấm bằng hợp kim chịu nhiệt rồi hàn với thân xupap bằng thép thông thường Để chống mòn và chống gỉ, người ta mạ lên bề mặt làm việc của xupap một lớp mỏng hợp kim côban. Đối với xupap nạp, người ta cũng sử dụng thép hợp kim crôm, măng gan hoặc hợp kim chịu nhiệt có thêm thành phần của silic Tuy nhiên khả năng chịu nhiệt không cần cao như đối với vật liệu của xupap thải.
Vai trò Đế xupap tiếp xúc với nấm xupap khi đóng Để tăng tuổi thọ và thuận tiện khi sửa chữa, đế xupap thường được chế tạo rời ( bằng vật liệu chịu mòn) rồi nắp vào than máy ( cơ cấu phối khí xupap treo).
Hình 1.10 Một số dạng đế xupap.
Vật liệu Đối với thân máy hoặc nắp xylanh bằng nhôm, đế xupap nạp và đế xupap thải đều được, làm rời với thân máy Còn than máy và nắp xylanh bằng gang thì chỉ làm đế xupap rời cho xupap thải Đế xupap thường được chế tạo bằng thép hợp kim hoặc gang trắng và được lắp có độ dôi vào than máy hoặc nắp xylanh.
Vai trò Để dẫn hướng được xupap và để dễ gia công, sửa chữa, thay thế cũng như có thể dùng vật liệu tốt nhằm tăng tuổi thọ, ống dẫn hướng xupap được chế tạo rời rồi lắp vào thân máy (cơ cấu phối khí xupap đặt) hay nắp xylanh (cơ cấu phối khí xupap treo).
Hình 1.11 Ống dẫn hướng xupap.
Người ta thường dùng gang hợp kim, gang dẻo nhiệt luyện để chế tạo ống dẫn hướng xupap cho các động cơ thông thường Đối với động cơ cao tốc, vật liệu được dùng là đồng thanh hoặc kim loại bột được tẩm dầu nhằm tăng khả năng chịu nhiệt và dễ thích ứng với điều kiện bôi trơn khó khăn
Lò xo xupap giúp xupap trở về vị trí khi không chịu tác dụng lực từ con đội hoặc cò mổ, đồng thời giúp xupap đóng kín các cửa nạp và cửa thải.
Hình 1.12 Kết cấu lò xo hình trụ
1 – lò xo có bước không đều (đối xứng), 2 – lò xo có bước không đều ( đối xứng), 3 – lò xo kép, 4 – lò xo bên trong, 5 – lò xo bên ngoài. Điều kiện làm việc
Lò xo xupap ngoài sức căng ban đầu còn chịu tải trọng thay đổi đột ngột và tuần hoàn trong quá trình xupap đóng mở.
Lò xo xupap thường được chế tạo bằng thép lò xo dây có đường kính 3 ¿
Con đội là chi tiết trung gian truyền chuyển động từ cam đến xupap. Điều kiện làm việc
Cũng như trục cam, con đội làm việc trong điều kiện tải trọng cơ học không khắc nghiệt Dạng hỏng chủ yếu là mòn các bề mặt làm việc.
Con đội thường được làm bằng thép ít cacbon như thép C15, C30 hoặc thép hợp kim như 15Cr, 20Cr, 12CrNi…
Bề mặt làm việc của con đội được thấm than và tôi cứng đạt HRC 52 đến
TÍNH TOÁN CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ
Xác định các thông số cơ bản của cơ cấu phân phối khí
2.1.1 Xác định tỷ số truyền của cơ cấu phân phối khí
Tại một thời điểm nào đó con đội nâng được một đoạn Sc thì xupáp nâng được một đoạn Sx, khi đó tỷ số truyền của cơ cấu
Thường lx > lc và bố trí nằm ngang nên coi nó luôn vuông góc với đường tâm xilanh (góc lắc con đội bé).
Trong đó: vd: Vận tốc vòng của đòn bẩy phía tiếp xúc với đũa đẩy vx: Vận tốc xupáp vc: Vận tốc con đội.
Chiếu vd và vc lên đường tâm đũa đẩy ta có vd' và vc' coi vd' ~ vc' ta có:
Hình 2.16 Sơ đồ tính tỷ số truyền cơ cấu phân phối khí
Từ công thức trên rút ra:
Tỷ số truyền i thường nằm trong phạm vi i = 1,2 - 1,5
Khi làm việc i thay đổi theo vị trí làm việc (ϕ và ψ) nhưng thay đổi không đáng kể vì ϕ và ψ bé Khi tính lấy với giá trị i ứng với vị trí con đội nâng 1/2 hành trình.
Khi con đội, xupáp, đũa đẩy bố trí thẳng đứng, cánh tay đòn của đòn bẩy nằm ngang thì i=lx/lc
2.1.2 Xác định tiết diện lưu thông và trị số "thời gian - tiết diện"
2.1.2.1 Tiết diện lưu thông của xupáp
Hình 2.17 Tiết diện lưu thông của xu páp
Khi tính toán tiết diện lưu thông ta thường giả thiết dòng khí đi qua họng đế xupáp là ổn định, coi dòng khí nạp, thải có tốc độ bình quân và tốc độ pittông không đổi.
Căn cứ vào giả thiết tính ổn định, liên tục của dòng khí ta có thể xác định được tốc độ khí qua họng xupáp vkh:Tốc độ trung bình của dòng khí qua họng đế (m/s) fh:Tiết diện lưu thông của họng đế xupáp (m 2 ) dh: Đường kính họng đế xupáp i: Số xupáp vp: Vận tốc trung bình của piston
Fp: Diện tích đỉnh piston.
Qua tính toán và thực nghiệm tốc độ của dòng khí nạp ở chế độ toàn tải vkhn vkhn = 40 - 115 m/s (ôtô, máy kéo); vkhn = 30 - 80 m/s (tàu thuỷ, tĩnh tại);
Tốc độ càng cao, tổn thất càng lớn, tuy nhiên đối với động cơ xăng do yêu cầu việc hình thành hỗn hợp, tốc độ khí nạp phải lớn hơn 40 m/s, nếu bé hơn quá trình bốc hơi của xăng và hoà trộn hơi xăng với không khí sẽ xấu Đối với dòng khí thải, vkht = (1,2 - 1,5 )vkhn.
Rút ra đường kính họng
Tiết diện lưu thông fk qua xupáp (tiết diện vành khăn) được xác định
Mà d1 = dh + 2e ; h' = h cosα ; e = h' sinα fkx =πh (d.cosα + h.sinαcos2α) Khi α = 0, thì fkx = πhdh, dòng khí lưu động khó (bị gấp khúc).
Khi α = 300 thì fkx = πh(0,866dh + 0,375h), dùng cho xupáp nạp
Khi α = 450 thì fkx = πh(0,707dh + 0,353h), dùng cho xupáp nạp, thải
Rõ ràng fk phụ thuộc vào α và h, khi α càng nhỏ tiết diện lưu thông càng lớn Hành trình h càng lớn fk càng lớn, tuy vậy tiết diện lưu thông fk không thể lớn hơn tiết diện họng đế xupáp:
Trong trường hợp α ≠ 0 hành trình xupáp phải lớn hơn dh/4 mới có thể đạt được điều kiện tiết diện lưu thông bằng tiết diện họng đế. khi α= 30 0 hmax = 0,26dh và α = 45 0 hmax = 0,31dh
Hiện nay thường dùng hmax = (0,18 - 0,3)dh.
Tiết diện lưu thông qua xupáp phải thoả mãn điều kiện sau:
Khi đã có đường kính và góc côn của nấm, tiết diện lưu thông của xupáp quyết định bởi quy luật động học của cam và pha phân phối khí Nếu lựa chọn các thông số này hợp lý có thể làm cho trị số tiết diện lưu thông trung bình fktb đạt giá trị lớn nhất.
2.1.2.2 Xác định trị số “thời gian - tiết diện”
Tốc độ trung bình tính toán của dòng khí nạp (thải):
Vh: Dung tích công tác của xilanh
∫fkxdt : Trị số "thời gian - tiết diện" t1, t2: Thời gian bắt đầu và kết thúc nạp (thải)
Khi tính toán trị số thời gian - tiết diện, thường bỏ qua giai đoạn mở sớm, đóng muộn (phần diện tích ứng với góc mở sớm α1 và đóng muộn α2).
Có thể coi t1, t2 ứng với góc α k1, α k2 do đó:
Khi thiết kế cần bảo đảm: v'kx = (1,3 - 1,4)vkh Động cơ xăng: v'kx = 90 - 150 m/s Động cơ Diesel:v'kx = 80 -110 m/s
Hình 2.18 Xác định trị số thời gian tiết diện của xupáp
Dạng cam phải đảm bảo sao cho trị số thời gian tiết diện lớn nhất, cam phải mở xu páp nhanh, giữ ở vị trí mở lớn nhất lâu và đóng nhanh xupáp
Dạng cam phải đảm bảo cho giai đoạn mở và đóng xu páp có gia tốc và vận tốc nhỏ nhất để cơ cấu phối khí làm việc êm ít va đập hao mòn
Dạng cam phải đơn giản, dễ chế tạo.
2.1.3.2 Phương pháp thiết kế cam
Chọn trước qui luật gia tốc của con đội, sau đó suy ra qui luật nâng để xác định dạng cam Phương pháp này có ưu điểm chọn được qui luật gia tốc tối ưu nhưng khó gia công chính xác, thường chỉdùng cho động cơ cao tốc hiện đại Định sẵn dạng cam, xác định gia tốc và kiểm tra lại qui luật gia tốc có phù hợp hay không Phương pháp này có ưu điểm dễ gia công
Khi gia tốc dương của con đội lớn dẫn đến va đập giữa các chi tiết trong hệ thống Còn khi gia tốc âm lớn tải trọng tác dụng lên lò xo lớn Có thể nhận xét sau:
Cam tiếp tuyến: Đơn giản, dễ chế tạo, có gia tốc dương bé do đó khi đóng mở xupáp lực va đập giữa con đội và xu páp, xupáp với đế bé Tuy nhiên cam tiếp tuyến có trị số tiết diện thời gian bé, mặt khác gia tốc âm lớn, lò xo chịu tải lớn, để giảm tải cho lò xo phải dùng trong cơ cấu phối khí có khối lượng nhỏ, do vậy thường áp dụng trong hệ thống phối khí dùng xupáp đặt
Cam lồi: Có trị số thời gian tiết diện lớn nhất trong số các loại cam, nhưng gia tốc dương lớn gây ra va đập lớn Tuy vậy loại cam này có gia tốc âm bé nhất do vậy không đòi hỏi lò xo xu páp có độ cứng lớn, giảm được mài mòn trục cam
Cam parabol: Có các giá trị độ nâng và gia tốc trung gian so với hai loại cam trên.
Hình 2.19 So sánh các dạng cam.
1 Cam lồi cung tròn; 2 Cam lồi cung parabol; 3 Cam tiếp tuyến
Dạng cam lồi và động học con đội
Xây dựng biên dạng cam lồi theo các bước sau:
Góc công tác của cam nạp α1, α2 là góc mở sớm đóng muộn xupáp nạp
Góc công tác của cam thải β1, β2 là góc mở sớm đóng muộn xupáp thải. dc : đường kính trục cam (mm) R: bán kính cơ sở của cam (mm)
R 2 + (0.5 ÷ 1) (mm) h: độ nâng lớn nhất của con đội; r: Bán kính của cung đỉnh cam (mm);
Vẽ vòng tròn tâm O bán kính R, xác định góc AOA' = ϕ
Trên đường phân giác của góc AOA' ta lấy EC = h
Vẽ vòng tròn đỉnh cam có tâm O1 bán kính r nằm trên đường phân giác ấy, vòng tròn ấy đi qua C
Vẽ cung tròn bán kính ρ tiếp tuyến với hai vòng tròn trên có tâm O2 nằm trên đường kéo dài của AO, ρ xác định như sau:
Kẻ O1M vuông góc với AO.
Hình 2.20 Dựng hình cam lồi
Xét tam giác vuông O1MO2 có: (O1O2) 2 = (O1M) 2 + (MO2) 2 Đặt D = R + h - r ta có:
Hình 2.21 Xác định bán kính ρ cung tiếp tuyến
2.2.2 Động học con đội đáy bằng (con đội hình nấm, hình trụ)
Con đội đáy bằng chỉ làm việc với cam lồi Nghiên cứu quy luật động học của con đội trên hai cung AB bán kính ρ và BC bán kính r, mỗi giai đoạn có một quy luật riêng.
2.2.2.1 Động học của con đội đáy bằng trong giai đoạn 1 (cung AB)
Ta xét chuyển vị, vận tốc, gia tốc của con đội theo góc quay của trục cam. Giả sử trục cam quay một góc θ thì chuyển vị con đội là hθ, vận tốc vθ, gia tốc Jθ sẽ được xác định như sau:
Hình 2.22 Động học con đội đáy bằng giai đoạn 1
Hình 2.23 Động học con đội đáy bằng giai đoạn 2
Chuyển vị của con đội:
Khi cam quay một góc θ, con đội tiếp xúc với cam tại M, chuyển vị: hθ = ME = MO2 - (EN + NO2 ) = ρ - [R + (ρ + R) cosθ] hθ = (ρ - R)(1 - cosθ)
Vận tốc của con đội:
Mà vận tốc trục cam ωc = dθ/dt nên: vθ = ωc ( ) ρ −R sinθ
Khi con đội tiếp xúc tại điểm A của cam thì θ = 0 Khi con đội tiếp xúc tại điểm B thì θ = θmax góc θmax xác định theo tam giác O1O2M O1M vuông góc với
Nhận xét thấy khi θ = 0 thì gia tốc đạt cực đại:
2.2.2.2 Động học con đội đáy bằng trong giai đoạn 2 (cung BC)
Khi đó cam tiếp xúc với con đội tại điểm M trên cung BC ứng với góc γ nào đó
Chuyển vị con đội h γ = ME = M1O +O1N – EN h γ = r + Dcos γ – R
Gia tốc con đội j γ = - ωcDcosγ γmax = ϕ/2 – θmax
2.2.3 Động học con đội con lăn làm việc với cam lồi
2.2.3.1 Trên cung AB (giai đoạn 1)
Khi con lăn tiếp xúc với mặt cam tại điểm M bất kỳ ứng với góc quay của cam là θ
Hình 2.24 Động học con đội con lăn giai đoạn 1
Hình 2.25 Động học con đội con lăn giai đoạn 2 Chuyển vị của con đội hθ = EF = HOl − EOl − HF mà HF = HO + OF Đặt: a = ρ – R Khi đó chuyển vị của con đội được tính:
Vận tốc của con đội
2.2.3.2 Trên cung BC (giai đoạn 2).
Trên cung này góc quay của cam là
Khi đó chuyển vị của con đội được tính:
Vận tốc của con đội
Gia tốc của con đội
2.2.3.3 Xác định các góc giới hạn trên các cung.
Hình 2.26 Xác định các góc giới hạn khi con đội con lăn làm việc với cam lồi xét tam giác ONO’l ta có:
Tính nghiệm bền lò xo xupáp
2.3.1 Qui dẫn khối lượng các chi tiết:
2.3.1.1 Đối với cơ cấu phối khí không có đũa đẩy và đòn bẩy:
Khối lượng qui dẫn mox, qui dẫn về tâm xu páp chính bằng tổng khối lượng của xupáp, con đội, móng hãm và khối lượng qui dẫn của lò xo (Trường hợp xu páp đặt, xu páp treo cam dẫn động trực tiếp xu páp).
Khối lượng qui dẫn của lò xo
Khối lượng qui dẫn được xác định theo điều kiện cân bằng động năng: molx là khối lượng qui dẫn của lò xo; vxp là tốc độ xupáp dmlx: khối lượng của phân tố lò xo cách mặt cố định đoạn x vx : tốc độ chuyển động của phân tố x; l là chiều dài lò xo.
Giả thiết khối lượng lò xo phân bố đều theo chiều dài và tốc độ của phân tố lò xo quan hệ tuyến tính với chiều dài:
Hình 2.27 Qui dẫn khối lượng lò xoKhối lượng qui dẫn của cả cơ cấu:
Như vậy khối lượng qui dẫn của cơ cấu phối khí mox sẽ là:
2.3.1.2 Đối với cơ cấu phối khí có đũa đẩy, đòn bẩy: Điều kiện qui dẫn các chi tiết không đồng tâm với xu páp là động năng không đổi. Đối với con đội: (mcđ) v là vận tốc con đội (m/s), lc/lx là tỷ lệ cánh tay đòn Tương tự với đũa đẩy. Đối với đòn bẩy: (mođb)
Phải đảm bảo điều kiện cân bằng:
Iđb, Ωđb là mô men quán tính và tốc độ góc của đòn bẩy đối với trục quay.
Vì vxp = Ωđb.lxp nên rút ra mođb = lđb.1/(ix) 2 Trường hợp qui dẫn về đường tâm xu páp khối lượng qui dẫn của cơ cấu phối khí có đũa đẩy và đòn bẩy bằng:
Lực quán tính tác dụng lên đường tâm xupáp:
Lực quán tính qui dẫn về đường tâm con đội: jx, jc là gia tốc của xupáp và gia tốc con đội Quan hệ hai gia tốc này như sau:
2.3.2 Tính toán lò xo xupáp:
Giai đoạn có gia tốc âm (giai đoạn 2), các chi tiết xupáp và các chi tiết chuyển động của hệ thống phối khí có xu hướng rời khỏi mặt cam do đó lực lò xo Plx phải lớn hơn lực quán tính Pjx (lực quán tính âm khi γ = 0) ở mọi chế độ tốc độ do đó: k: Hệ số an toàn (k=2.3 - 2.35 với động cơ không có điều tốc hạn chế tốc độ, k= 1.25 - 1.6 đối với động cơ có điều tốc)
Xupáp thải phải đảm bảo luôn đóng kín trong quá trình nạp (nhất là đối với động cơ xăng khi chạy không tải, bướm ga đóng nhỏ, độ chân không trong xilanh lớn, áp suất cuối quá trình nạp có thể giảm tới 0,015MN/m2 trong khi đó áp suất trên đường hải = 0,102 ÷ 0,11 MN/m 2 cao hơn áp suất khí trời) Độ chênh áp có thể đạt ∆p = 0,09 MN/m 2 Dưới tác dụng của ∆p, xupáp thải có thể bị hút mở ra nếu lò xo yếu, vì vậy lực nén ban đầu của lò xo Plxo phải đảm bảo lớn hơn lực khí thể tác dụng lên xupáp thải :
: đường kính họng đế xupáp thải.
2.3.2.2 Xác định đặc tính lò xo:
Vẽ đường cong biểu diễn hành trình nâng xupáp = f( ) Vẽ đường biểu diễn lực quán tính = f'( ) Sau khi lựa chọn hệ số k, vẽ đường biểu diễn lực tác dụng lên lò xo Hình bên phải vẽ đường cong biểu thị đặc tính của lò xo, trong đó tung độ biểu thị biến dạng, hoành độ biểu thị lực lò xo.
Hình 2.28 xác định đường đặc tính của lò xo xupap
Từ các điểm a', b', c' trên đồ thị = f( ) kẻ các đường song song với tung độ, cắt đường biểu diễn ở a, b, c Do đó xác định được lực lò xo trên các điểm này, đem trị số các lực này đặt trên các đường song song với hoành độ qua các điểm a", b", c" nối các điểm này với nhau bằng một đường thẳng kéo dài cho cắt tung độ của trục toạ độ f, ở 0" ta có đường đặc tính biến dạng lò xo
Lực ứng với biến dạng , lực ứng với biến dạng ban đầu khi lắp ghép (lúc này hành trình xupáp = 0)
Khi biết được đặc tính của lò xo, có thể xác định được độ cứng C.
Hình (5-14) cho phép lựa chọn đường đặc tính của lò xo Khi tăng , nếu giữ nguyên biến dạng ban đầu phải tăng độ cứng lò xo (đường chấm) làm cho lực lò xo tăng lên khiến hệ thống phân phối khí chóng mòn
Hình 2.29 Chọn đường đặc tính của lò xo xupap
Ngược lại nếu giữ nguyên lực lò xo cực đại (đường ) thì phải giảm độ cứng lò xo khiến lò xo quá dài nhất là khi gần bằng Người ta thường căn cứ vào điều kiện bố trí chung để lựa chọn miễn là phải thoả mãn hai điều kiện: và Sau khi lựa chọn đặc tính lò xo, có thể định kích thước lò xo:
: Đường kính trung bình lò xo
: Đường kính họng đế xupáp nạp.
Lực lò xo khi xupáp mở hết có thể tính theo độ biến dạng và độ cứng C là độ cứng lò xo: là độ biến dạng cực đại
Nếu lực lò xo tác dụng trên phương đường tâm của lò xo thì mômen xoắn lò xo bằng: Ứng suất xoắn
: Môdun chống xoắn của tiết diện dây cuốn lò xo : Môdun chống xoắn của tiết diện dây cuốn lò xo
Do ứng suất phân bố trên tiết diện dây cuốn không đều, ứng suất lớn nhất xuất hiện trên điểm gần tâm lò xo và còn gây ứng suất cắt nên phải có hệ số hiệu đính ứng suất xoắn. χ: Hệ số hiệu đính biến thiên theo tỷ số /d.
Tỷ số /d của lò xo xupáp trong phạm vi 5 ÷ 12
Có thể tính hệ số χ nếu góc xoắn lò xo α <
Căn cứ vào các đường đặc tính biến dạng lò xo, ứng suất xoắn cho phép
[ ], hệ số hiệu đính χ có thể tính đường kính dây cuốn lò xo theo công thức: Ứng suất xoắn cho phép [ ] = 350 ÷ 600 MN/m2 Sau khi tính được đường kính dây cuốn d, cần tính nghiệm lại < [ ] Độ biến dạng lớn nhất
Số vòng công tác của lò xo
G: Môdun đàn hồi vật liệu khi chịu cắt G=(0,8÷0,85)105 MN/ Thông thường = 5 ÷ 12 vòng.
Nếu cả hai vòng đầu được mài phẳng thì: i = + (2 ÷ 3) vòng
Khi biến dạng lớn nhất giữa các vòng của lò xo cần phải có khe hở ∆ min = 0,5 ÷ 0,9 mm
Với động cơ cao tốc nên chọn số nhỏ để lò xo ít dao động ở trạng thái tự do Bước xoắn t xác định theo công thức sau:
Chiều dài lò xo khi xupáp mở lớn nhất:
Chiều dài lò xo khi xupáp đóng kín:
Chiều dài lò xo ở trạng thái tự do: Để tránh cộng hưởng, yêu cầu tần số dao động tự do của lò xo ( ) phải lớn gấp 10 lần số vòng quay trục cam ( ).
Trong đó: C, m - độ cứng và khối lượng lò xo
Nếu dùng nhiều lò xo (2 lò xo) thì phải bảo đảm điều kiện không cộng hưởng:
Tính kiểm nghiệm sức bền trục cam
Giả thiết trục cam như dầm có tiết diện đồng đều đặt tự do trên hai gối tựa như hình 5.15 Tính theo xu páp thải
Hình 2.30 Sơ đồ tính bền trục cam
Nếu bỏ qua ma sát và trọng lực thì lực tác dụng trên trục cam sẽ là:
Pxlo lực nén ban đầu của lò xo xupáp
Pjt lực quán tính cơ cấu phối khí khi bắt đầu mở xu páp thải
Pkt lực khí thể tác dụng trên mặt nấm xupáp thải qui dẫn về đường tâm con đội.
Mô men uốn trục cam sẽ là:
I1, I2 là khoảng cách từ hai gối tựa đến cam chịu lực PTmax d và do là đường kính ngoài và đường kính trong của trục cam.
Mô men xoắn đạt cực đại khi lực Pt ở xa tâm trục cam nhất, con đội trượt hết phần cung bán kính ρ.
Mô men xoắn trục cam do lực lò xo và lực quán tính gây ra trên mặt cam (khi dùng cam lồi) xác định theo công thức sau:
[(Plx)t + (Pj)t]θ là lực lò xo và lực quán tính khi cam quay đến điểm B
A là cánh tay đòn lớn nhất của lực PTθ;
Mô men xoắn tổng cộng trên trục cam phải xét đến mô men xoắn trên các cam khác đang cùng làm việc cũng như mô men dẫn động các cơ cấu khác Mô men xoắn tổng hợp tại một thời điểm sẽ là MΣ. Ứng suất xoắn trục cam: Ứng suất tổng tính theo công thức Xanh - Vê năng:
2.4.4 Độ võng cho phép của trục:
Nếu trên đoạn trục cam có một cam nạp và một cam thải:
Nếu trên đoạn trục có hai cam cùng tên thì:
2.4.5 Ứng suất tiếp xúc mặt cam: Đối với con đội hình trụ, hình nấm: Đối với con đội con lăn:
Rl là bán kính con lăn
Tính sức bền con đội
Con đội hình nấm hoặc hình trụ:
Thường tính kiểm nghiệm áp suất tiếp xúc trên thân con đội Khi cam tiếp xúc với con đội ở điểm B mô men xoắn trục cam Mx có trị số lớn nhất Mô men này làm thân con đội bị nghiêng và tiếp xúc không đều.
Hình 2.31 Sơ đồ tính áp suất trên thân con đội Áp suất tiếp xúc:
Với l,d là chiều dài tiếp xúc và đường kính của thân con đội (m). Con đội con lăn: Lực tác dụng lên con đội tính theo công thức sau:
PN = PT tgγ Lực này gây áp suất cực đại tại mép dưới lỗ dẫn hướng: Áp suất trên mặt chốt:
PP là lực tác dụng lên chốt con lăn l là chiều dài con lăn L,d là chiều dài và đường kính chốt. Áp suất trên bạc chốt: Ứng suất cắt chốt: Ứng suất uốn chốt:
Tính sức bền đũa đẩy
Đũa đẩy được tính theo hệ số an toàn ổn định dọc:
E: mô dun đàn hồi vật liệu
Iđ : Mô men quán tính của tiết diện đũa đẩy lđ
Pđ chiều dài và lực tác dụng đũa đẩy; Ứng suất tiếp xúc đầu đũa đẩy tính theo công thức: r1,r2 là bán kính đầu đũa đẩy và bán kính mặt tiếp xúc (con đội, đòn bẩy).
Tính sức bền đòn bẩy
Lực tác dụng lên hai đầu đòn bẩy luôn cân bằng nên:
Pk.a = PT.b Lực tác dụng lên phía bên đầu xupáp bằng: với a, b là khoảng cách từ lực đến tâm quay đòn bẩy
Hình 2.32 Sơ đồ tính đòn bẩy