XÂY DỰNG ĐỒ THỊ CÔNG, ĐỘNG VÀ LỰC HỌC
Xây dựng đồ thị công
1.1.1 Các thông số xây dựng đồ thị.
Số xy lanh / Số kỳ i /
Tỷ số nén 9.5 Đường kính (mm) D 92
Tham số kết cấu λ 0.25 Áp suất cực đại
Khối lượng nhóm piston (kg) mp t 0.9
Khối lượng nhóm thanh truyền (kg) mt t 1.2
Hệ thống nhiên liệu Fuel injection
Hệ thống bôi trơn Force- feed lubrication system
Hệ thống làm mát Forced Cỉculation Water
Hệ thống nạp Naturally aspirated
Hệ thống phân phối 4 valve/cylinder, DOHC
Các thông số cần tính toán
Xác định tốc độ trung bình của động cơ:
S = 2R [m]: Hành trình dịch chuyển của piston trong xilanh n [vòng/phút]: Tốc độ quay của động cơ
Do Cm > 9 m/s nên động cơ là động cơ tốc độ cao hay động cơ cao tốc.
+ Áp suất khí cuối kỳ nạp: “pa”
Chọn áp suất đường nạp : pk = 0,1 [MN/m 2 ] [2] Đối với động cơ bốn kỳ tăng áp ta chọn: pa =0,9 pk [2] Vậy chọn: pa = 0,9.pk = 0.09[MN/m 2 ] Áp suất cuối kì nén: pc = pa.ε n1 = 0.09.9.5 1,36 = 1.9228[MN/ m 2 ] [2] giá trị biểu diễn 87 Chỉ số giãn nở sớm ρ=1 Áp suất cuối quá trình giãn nở sớm: p b = p z δ 1 n 2 = p z ( ε ρ ) n2 = 4.4 ( 9.51 ) 1,28 =0,2465 [ MN m 2 ] Giá trị biểu diễn Pb.2 [2]
Thể tích công tác:Vh
+ Thể tích buồng cháy: Vc
V c =V h −1=0.4985 9.5−1=0.0586[dm 3 ] [2] + Vận tốc góc của trục khuỷu: ¿ n
30 b8.318[rad s ] + Áp suất đường thải: vì hầu hết các động cơ đều dung bình tiêu âm nên pth = 1.03pa= 1.03*0.09= 0.0927[MN/m 2 ] [2]
+ Áp suất khí sót (chọn): pr = 1,1pth = 1,1 0,0927= 0,11 [MN/m 2 ] [2]
Gọi Pnx, Vnx là áp suất và thể tích biến thiên theo quá trình nén của động cơ Vì quá trình nén là quá trình đa biến nên:
V nx ) n 1 Đặt i= V V nx c , ta có: P nx =P c i n 1 Để dễ vẽ ta tiến hành chia Vh thành khoảng, khi đó i = 1, 2, 3,….
1.1.3 Xây dựng đường giãn nỡ.
Gọi Pgnx, Vgnx là áp suất và thể tích biến thiên theo quá trình giãn nở của động cơ Vì quá trình giãn nở là quá trình đa biến nên ta có:
Ta có: Vz = .Vc => P gnx =
(V gnx V c ) n 2 Đặt i= V V gnx c , ta có: P gnx =P z ❑ n 2 i n 21 Để dễ vẽ ta tiến hành chia Vh ô thể tớch cụng tỏc ằ thành khoảng, khi đó i = 1, 2, 3,…
+ Biểu diễn thể tích buồng cháy: Chọn Vcbd = 19 [mm] μ V = V c
19 =0.00309[d m 3 mm] + Biểu diễn thể tích công tác:
+ Biểu diễn áp suất cực đại: pzbd = 160 - 220 [mm] Chọn pzbd = 200 [mm] μ p = p z p zbd
Về giá trị biểu diễn ta có đường kính của vòng tròn Brick AB bằng giá trị biểu diễn Vh, nghĩa là giá trị biểu diễn cửa AB Vhbd
+ Giá trị biểu diễn của oo’: o o bd
+ Áp xuất khí trời Po = 0.1[MN/m2]
Giá trị biểu diễn của Po =0.1/0.022=4.544 [mm]
- Để vẽ nhanh bảng đồ thị công ta làm trong phần mềm excel
Ta được đồ thị công như bản vẽ
1.1.5 Xác định các điểm đặc biệt.
Xác định các điểm đặc biệt.
+ Từ bảng giá trị ta tiến hành vẽ đường nén và đường giản nở.
+ Vẽ vòng tròn của độ thị Brick để xác định các điểm đặc biệt: Điểm a (Va ; pa):
Va = Vc+ Vh = 0.05865+ 0.49857=0.55722[dm 3 ] Vabd 180.5 [mm] pa = 0,09 [MN/m 2 ] pabd = 0,09/0,00309 = 4.09[mm] abd (180,4) Điểm b (Vb; pb): (180; 11)
Vb = Va = 0.55722[dm 3 ] Vbbd = 180.5[mm] excel chuyển sang cad tự có Áp suất cuối kì nén: pc = pa.ε n1 [MN/m 2 ] p b = p z δ 1 n 2 = p z
Điểm phun sớm : c’ xác định từ Brick ứng với s
Điểm bắt đầu quá trình nạp : r(Vc;Pr) => r(19;5)
Điểm mở sớm của xu páp nạp : r’ xác định từ Brick ứng với α1
Điểm đóng muộn của xupáp thải : r’’ xác định từ Brick ứng với α4
Điểm đóng muộn của xupáp nạp : a’ xác định từ Brick ứng với α2P
Điểm mở sớm của xupáp thải : b’ xác định từ Brick ứng với α3`
Điểm áp suất cực đại lý thuyết: z (Vc, Pz) => z(19; 200)
Điểm áp suất cực đại thực tế: z’’ z’’=1/2yz’: dóng từ y sang đồ thị công, Z’’ là đỉnh
Bảng 1.3: Các điểm đặc biệt
Giá trị thật Giá trị vẽ Điểm V
(mm) a (Va, pa) 0.55722 0.09 180 4 c (Vc, pc) 0,05865 19 8
+ Sau khi có các điểm đặc biệt tiến hành vẽ đường thải và đường nạp , tiến hành hiệu chỉnh bo tròn ở hai điểm z’’ và b’’.Động học cơ cấu khuỷu trục thanh truyền động cơ.
Động học cơ cấu khuỷu trục thanh truyền động cơ
1.2.1 Xây dựng đồ thị chuyển vị piston bằng phương pháp Brick.
- Phương pháp đồ thị Brick:
Vẽ vòng tròn tâm O, bán kính R Vì vậy AD = S = 2R Điểm A ứng với góc quay 𝛂 = 𝟎 ( đây là vị trị của điểm chết trên) và điểm D ứng với khi 𝛂 = 𝟏𝟖𝟎 độ ( đây là vị trí của điểm chết dưới)
Từ O lấy đoạn OO’ dịch về phía ĐCD với:
OO’ Từ O’ kẻ đoạn thẳng O’M song song với đường tâm của má khuỷu OB, hạ M’C vuông góc với đoạn AD Theo Brick đoạn AC = x
Hình 1.2 – Phương pháp vẽ đồ thị Brick
+ Đồ thị Brick có nửa đường tròn tâm o bán kính R + Lấy về phía phải điểm O’ một đoạn gần bằng OO’
+ Từ tâm O’ của độ thị kẻ các tia ứng với 10, 20, 30 180 độ Đồng thời đánh số thứ tự từ trái qua phải là 0, 1, 2 18.
+ Gióng các điểm ứng với 10, 20, 30 180 độ đã chia trên cùng tròn đồ thị xuống cắt các đưòng kẻ từ điểm 10, 20,30 180 độ tương ứng trở thành 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) như hình dưới
1.2.2 Xây dựng đồ thị vận tốc.
+ Ta tính tỷ lệ xích: μv = ω μs
+ Trong đó: ω là tốc độ góc của trục khuỷu ω=π n
30 b8,319(rad s ) Suy ra μv = ω μs = 291,79[mm/s.mm]
+ Vẽ đường tròn tâm O bán kính R1
+ Suy ra giá trị biểu diễn của R1 = R1/ μv = 23561,94/395,99,75[mm]
+ Vẽ đường tròn tâm O bán kính R2
2 )45,243[mm s ] + Suy ra giá trị biểu diễn của R2 = R2 / μv = 10,0938 [mm]
+ Chia vòng tròn R1 và vòng tròn R2 thành 18 phần đánh số 1, 2, 3, …,18 và 1’, 2’, 3’,… 17’ theo ngược và cùng chiều kim đồng hồ.
+ Từ các điểm 0, 1, 2, 3, … 18 kẻ các đường thẳng góc với AB kẻ từ 0, 1’ , 2’, 3’,
…, 17’ tương ứng tạo thành các giao điểm.
+ Nối các đường thẳng này lại bằng đường cong trơn ta được đường biểu diễn trị số vận tốc.
+ Khoảng cách từ đường cong này đến nữa đường tròn biểu diễn trị số tốc độ của piston ứng với góc quay trục khuỷu α.
Hình 1.4 – Đồ thị vận tốc
1.2.3 Xây dựng đồ thị gia tốc bằng phương pháp Tôlê.
+ Để giải gia tốc j của piston, người ta thường dùng phương pháp đồ thị Tôlê vì phương pháp này đơn giản và có độ chính xác cao Cách tiến hành cụ thể như sau:
+ Lấy đoạn thẳng AB = S = 2R Từ A dựng đoạn thẳng AC = Jmax
= R 2 (1+) Từ B dựng đoạn thẳng BD = Jmin = -R 2 (1-) , nối CD cắt
+ Lấy EF = -3R 2 Nối CF và DF Phân đoạn CF và DF thành những đoạn nhỏ bằng nhau ghi các số 1 , 2 , 3 , 4 , và 1’ , 2’ , 3’ , 4’ , (hình 1.7).
+ Nối 11’ , 22’ , 33’ , 44’ , Đường bao của các đoạn thẳng này biểu thị quan hệ của hàm số : j = f(x).
+ Giá trị biểu diễn : J max bd = Jmax / μ J = 185.05 [mm]
+ Lấy đoạn thẳng AB trên trục Os, với:
+ Tại A, dựng đoạn thẳng AC thẳng góc với AB về phía trên, với:
200 52[mm]+ Tại B, dựng đoạn thẳng BD thẳng góc với AB về phía dưới, với:
100 =−55.51[mm]+ Nối C với D cắt AB tại E, dựng
EF thẳng góc với AB về phía dưới một đoạn:
+Nối đoạn CF và DF, ta phân chia các đoạn CF và DF thành 8 đoạn nhỏ bằng nhau và ghi số thứ tự cùng chiều, chẳng hạn như trên đoạn CF: C, 1, 2, 3, 4, F; trên đoạn FD: F, 1’, 2’, 3’,4’,D Nối các điểm chia 11 ' , 22 ' , 33 ' , Đường bao của các đoạn này là đường cong biểu diễn gia tốc của piston: J = f(x).
Hình 1.5: Đồ thị gia tốc J=f(x)
Động học cơ cấu trục khuỷu thanh truyền động cơ
1.3.1 Xác định khối lượng tham gia chuyển động tịnh tiến.
Trong đó mnp - Khối lượng nhóm piston tính trên đơn vị diện tích piston ( kg/m^2) ml - Khối lượng thanh truyền phân bố về tâm chốt piston , tính trên đơn vị diện tích piston ( kg/m^20) khối lượng piston có thể tra trong các sổ tay , có thể tính theo công thức kinh nghiệm sau :
- Thanh truyền của động cơ ô tô : m1 = ( 0,275 ÷ 0,285 ) mtt mtt là khối lượng nhóm thanh truyền tính trên đơn vị diện tích đỉnh piston ( kg /m^2 ) m1 = 0,28 * 1,4 = 0,392 ( kg/m^2) Khối lượng chuyển động quay mk = m2 +meh + m0m ( kg/m^2)
– khối lượng của thanh truyền quy dẫn về tâm chốt khuỷu tính trên đơn vị diện tích định piston ( kg/m^2) meh – khối lượng của chốt khuỷu tính trên đơn vị diện tích đỉnh piston (kg/m^2) m0m – khối lượng của má khuỷu quy dẫn về tâm chốt trên đơn vị diện tích đỉnh piston (kg/m^2)
Khối lượng này tính gần đúng theo phương trình quy dẫn : m0m = mm ρ Rλ ( kg/m^2)
Trong đó: mm – khối lượng của má khuỷu ( kg ) ρ - bán kính trọng tâm của má khuỷu ( m )
R - bán kính quay của khuỷu
1.3.3 Vẽ đồ thị khai triển P kt – α.
Cách khai triển là dựa vào đồ thị Brick và đồ thị công để xác định điểm có áp suất theo giá trị cho trước Để thuận tiện cho việc tính toán sau này ta tiến hành khai triển đồ thị công p-V thành độ thị Pkt = f(𝛂) Ta khai triển như sau:
+ Chọn tỷ lệ xích μα = 20 /mm Như vậy toàn bộ chu trình
720 độ sẽ ứng với 360 mm Đặt hoành độ α này trên đường đậm biểu diễn po
+ Chọn tỷ lê ̣xích μp đúng bằng tỷ lê ̣xích μp của đồ thị công μPkt = μPj = μP1 = μp = 0,022[ của pkt tương ứng với các góc α rồi đặt các giá trị này trên tọa độ pkt-α
1.3.4 Vẽ đồ thị khai triển P J – α. Đồ thị Pj = f(x) biểu diễn trên đồ thị công có ý nghĩa kiểm tra tính năng tốc độ của động cơ Nếu động cơ ở tốc độ cao, đường pj thế nào cũng cắt đường nén Động cơ tốc độ thấp, đường Pj ít khi cắt đường nén
Ngoài ra đường Pj còn cho ta tìm đươc giá trị của P1 = Pkt + Pj một cách dễ dàng vì giá trị của đường P1 chính là khoảng cách giữa đường pj với đường biểu diễn Pkt của quá trình nạp, nén, cháy, giãn nở và thải của động cơ
Ta tiến hành khai triển đồ thị Pj = f(x) thành đồ thị Pj = f() tương tự như cách ta khai triển đồ thị công thành Pkt (thông qua đồ thị Brick)
Giá trị của P1 đươc̣ xác định : P1 = Pkt + Pj Do đó P1 đươc ṿẽ bằng phương pháp cộng đồ thị từ hai đồ thị Pkt = f(α) và Pj f() Để có thể tiến hành cộng đồ thị thì P1, Pkt và Pj phải cùng thứ nguyên và cùng tỷ lê ̣xích
Bảng giá trị đồ thị khai triển Pkt – f(α)) , PJ - α), P1 - α)
Bảng 1.1 Giá trị đồ thị khai triển Pkt – f(α)) , PJ - α), P1 - α)
1.3.6 Xây dựng đồ thị lực tiếp tuyến T, lực pháp tuyến Z, lực ngang N theo α.
+ Các công thức để tính toán T, Z, N được chứng minh như sau: p1 = pkt + pj p1 = P1/Fp pj = PJ / Fp
+ Ta phân p1 thành 2 thành phần lực p1 = ptt + N
+ Trong đó: ptt là lực tác dụng trên đường tâm thanh truyền.
N là lực ngang tác dụng trên phương thẳng góc với đường tâm xy lanh.
+ Từ quan hệ lượng giác ta có thể xác định được trị số của ptt và N. p tt =p 1 1 cos(β)
+ Ta phân ptt thành hai thành phần lực: Lực tiếp tuyến T và lực pháp tuyến Z (sau khi dời xuống tâm chốt khuỷu) ta có thể xác định trị số của T và Z bằng quang hệ sau:
Z=p tt cos(α+β)=p 1 sin(α+β) cos(β)+ Lập bảng tính T, N, Z tương ứng với các góc quay trụcc khuỷu và β=arcsin ( λ sinα )
+ Ta chọn tỷ lệ xích μT = μZ = μN = 0,0220 [MN/m 2 mm] và μα
+ Sử dụng các công thức trên ta tính được các giá trị T, N, Z ứng với góc quay trục khuỷu α.
+ Các công thức để tính toán T, Z, N được chứng minh như sau: p1 = pkt + pj p1 = P1/Fp pj = PJ / Fp
+ Ta phân p1 thành 2 thành phần lực p1 = ptt + N
+ Trong đó: ptt là lực tác dụng trên đường tâm thanh truyền.
N là lực ngang tác dụng trên phương thẳng góc với đường tâm xy xi lanh.
+ Từ quan hệ lượng giác ta có thể xác định được trị số của ptt và N. p tt =p 1 1 cos(β)
+ Ta phân ptt thành hai thành phần lực: Lực tiếp tuyến T và lực pháp tuyến Z (sau khi dời xuống tâm chốt khuỷu) ta có thể xác định trị số của T và Z bằng quang hệ sau:
Z=p tt cos(α+β)=p 1 sin(α+β) cos(β) + Lập bảng tính T, N, Z tương ứng với các góc quay trụcc khuỷu và β=arcsin(λ sinα).
+ Sử dụng các công thức trên ta tính được các giá trị T, N, Z ứng với góc quay trục khuỷu α.
Bảng 1.2 Giá trị T, N, Z ứng với các góc quay trục khuỷu.
P1 α β sin ( α + β ) cosβ T cos (α + β ) cosβ Z tag β N
+ Trên hệ tọa độ T – α, Z – α, N – α, ta xác định các trị số T,
Z, N ở các góc độ α0 = 0, α1 = 10, α2 = 20, α3 = 30, …, α72 720 Trị số của T, N, Z như lập được ở bảng 1.1 được tính theo các công thức ở trên, ta sẽ xác định được các điểm 0, 1, 2, 3, … ,
72 Dùng đường cong trơn nối các điểm đó lại ta được đồ thị T,
- Để vẽ đồ thị tổng T ta thực hiên theo nḥững bước sau:
+ Lập bảng xác định góc ứng với góc lêch các trục khuỷu theo thứ tự làm viêc.̣
+ Góc lêch khuỷu trục của 2 xi lanh làm viêc ḳế tiếp nhau:
= 180 độ Trong đó t là số chu kì động cơ = 4 i là số xi lanh động cơ = 4 + Thứ tự làm việc của động cơ là 1-3-4-2
Khi α1 = 0 độ, xilanh 1 đang ở đầu quá trình nạp
Bảng 1.3 –Bảng giá trị của ∑T
1.3.8 Đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu. Đồ thị vecto phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu dùng để xác định lực tác dụng lên chốt khuỷu ở mỗi vị trí trục khuỷu Sau khi có đồ thị này ta có thể tìm trị số trung bình của phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu cũng có thể tìm được dễ dàng lực lớn nhất và lực bé nhất Dùng đồ thị phụ tải ta có thể xác định khu vực chịu lực ít nhất để xác định vị trí khoan dẫn dầu bôi trơn và xác định phụ tải khi tính sức bền trục.
Cách xây dựng được tiến hành như sau:
+ Từ bảng giá trị T, Z -α, ta chọn hệ trục tọa độ OZT có chiều dương của trục Z là chiều hướng xuống dưới
+ 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 trục khuỷu ω : Vận tốc góc ω = π.n/30 = π.6000/30 = 628,318 [rad/s] + Tính trên đơn vị diện tích piston.
+ Chọn tỷ lệ xích μP = 0,022 [MN/m2.mm] nên giá trị biểu diễn lực PR0 là:
P Rλ0 =P Rλ0 μ p ,46(mm)+ Vẽ từ O1 xuống phía dưới một vecto -PR0 và có giá trị biểu diễn PR0 = Vecto này nằm trên trục Z gốc vecto là O Điểm O là tâm chốt khuỷu
+ Trên tạo độ T – Z xác định các trị số của T và Z ở các góc độ α0 = 0, α1 = 10, α2 = 20, α3 = 30, …, α72 = 720, trị số T – Z được lập ở bảng 1.8.2, Ta có các điểm 0, 1, 2, 3, …, 72 Dùng đường cong nối các điểm đó lại, ta có đồ thị vecto biểu diễn phủ tại tác dụng lên chốt khuỷu.
+ Nếu ta nối O với bất kỳ điểm nào trên hình vẽ, ta sẽ được vecto biểu diễn phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu
+ Tìm điểm tác dụng của vecto chỉ cần kéo dài vecto về phía gốc cho đến khi gặp vòng tròn tượng trưng bề mặt chốt khuỷu tại điểm b Rất dễ thấy rằng vecto Q là hợp lực của các lực tác dụng lên chốt khuỷu.
Hình 1.9 – Đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu
+ Chọn tỷ lệ xích μQ = 0,0293 [MN/m2.mm] và μα =2 [độ /mm].
+ Lập bảng giá trị của Q theo α bằng cách đo khoảng cách từ tâm O đến các điểm αi : α0 = 0,α1 = 10, α2 = 20, α3 = 30,…, α72 720 trên đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu.
+ Để xác định ta tính theo công thức
+ Xác định trị số trung bình của phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu Qtb bằng công thức sau.
Bảng 1.4 – Giá trị Q theo góc quay trục khuỷu. α αb d Q T Z Z +
6 + Từ thông số trên ta có đồ thị sau.
Hình 1.10 – Đồ thị khai triển phụ tải tác dụng lên chốt khủy Q
1.3.10 Đồ thị phụ tải tác dụng lên đầu to thanh truyền.
Sau khi vẽ được đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu ta căn cứ vào đấy để vẽ đồ thị phụ tải của ổ trượt đầu to thanh truyền. Cách vẽ như sau.
+ Vẽ hình dạng đầu to thanh truyền lên giấy bóng, tâm của đầu to thanh truyền là O Vẽ một vòng tròn bất kỳ tâm O giao điểm của đường tâm thanh truyền với mép dưới của vòng tròn là điểm 0 o
+ Lần lượt xoay tờ giấy bóng sao cho các điểm 0, 1, 2, 3, … ,
PHÂN TÍCH ĐỘNG CƠ THAM KHẢO
DẪN NHẬP
Hiện nay ngành công nghệ ô tô đã có những bước phát triển vượt bậc, trên xe ô tô hiện đại đã xuất hiện những hệ thống như: Hệ thống điều khiển động cơ bằng điện tử, hệ thống chống bó cứng phanh (ABS), bộ phận phân bố lực phanh điện tử (EBD) và đặc biệt đó là hệ thống điều khiển động cơ. Để giúp chúng em tiếp cận những công nghệ điện tử mới đã được ứng dụng trên xe ô tô, Thầy Huỳnh Bá Vang đã đưa vào hướng dẫn chúng em làm đồ án môn học Cuốn đồ án viết về chuyên đề động cơ 1NZ-FE xe TOYOTA VIOS 2007.
1.2 Giới hạn của đề tài Đề tài chỉ giới hạn ở việc giới thiệu về động cơ 1NZ-FE được sử dụng trên xe VIOS 2007, các cơ cấu cơ khí và hệ thống điều khiển động cơ Đồng thời trình bày quá trình chẩn đoán, khắc phục hư hỏng của các cơ cấu chính cũng như các cảm biến trên động cơ 1NZ-FE.
1.3 Mục tiêu của đề tài
Giúp người nghiên cứu cũng cố lại kiến thức đã được học trong suốt chương trình học Đồng thời tiếp cận với công nghệ mới nhất đã được ứng dụng trên xe ô tô ngày nay, đó là những kiến thức thực tế rất cần thiết của một người kỹ sư cơ khí động lực.
1.4 Phương pháp nghiên cứu Để đề tài được hoàn thành tác giả đã kết hợp nhiều phương pháp nghiên cứu Trong đó đặc biệt là phương pháp tham khảo tài liệu, thu mới để hình thành đề cương của đề tài.
+ Thu thập thông tin liên quan
+ Nghiên cứu chương trình học môn động cơ I, II
GIỚI THIỆU
2.1 Giới thiệu chung về xe TOYOTA VIOS 2007
Hình 2.1 Ảnh xe toyota vios 2007
2.1.1 Quá trình hình thành và phát triển xe
Năm 2003, Toyota Vios được tập đoàn Toyota giành riêng cho thị trường châu Á, cụ thể là khu vực Đông Nam Á và Trung Quốc Đó là một mẫu xe sedan bốn cửa hạng nhỏ thay thế cho Toyota Soluna. Ở châu Á, Toyota Vios được gọi với những tên gọi khác như:
Và được giới thiệu lần đầu tiên ở Thái Lan và từ đó đến nay nó đã trải qua 3 thế hệ:
2.1.1.1 Thế hệ thứ nhất (2003-2007) ã Toyota Vios sử dụng động cơ 1NZ-FE 1.51 ở cỏc nước như: Thỏi Lan, Indonesia, Singapore, Brunei, Malaysia, Đài Loan.
• Toyota Vios sử dụng động cơ 1NZ-FE 1.31 ở Philippines
Toyota Vios sử dụng động cơ 8A-FE 1.51 ở Trung Quốc.
.Toyota Vios sử dụng động cơ tăng áp 1.51 chỉ có ở Thái Lan mang tên là Toyota MR-B
Các phiên bản của Toyota Vios thế hệ thứ nhất: J, E, S, G Riêng ở Trung Quốc có các phiên bản: DLX, GL, GLX, GLX.
Toyota Vios được gọi với những tên gọi khác như: Vitz, Belta
Năm 2005, Toyota Vios được gọi với tên gọi mới là Belta, sử dụng động cơ 1NZ-FE 1.51 (NCP93) ở các nước như: Philippines, Indonesia, Malaysia, Singapore,Brunei, Thái Lan. Ở Mỹ, Canada, Autralia được quảng bá là Yaris Sedan (thay thế cho Echo) Ở Nhật sử dụng động cơ INZ-FE loại 1.3 và 1.51 cho xe Belta.
Các phiên bản của Toyota Vios thế hệ thứ hai: J, E, G (Singapore);
J, E, G, G- Limited, S- Limited (Thái Lan):S, E, G (Malaysia)
Triển lãm International Motor Show 2007 lần thứ 28 tại Bangktốt, lần đầu tiên giới thiệu trước công chúng mẫu sedan sub-compact Vios.
Các phiên bản của Toyota Vios thế hệ thứ ba: J, E, G (Singapore); J,
E, G, G-Limited, S- Limited (Thái Lan);S, E, G (Malaysia) Ở Malaysia còn có tên là Toyota Yaris với thiết kế năm cửa dòng HatchPack
Toyota Vios còn phát triển ra các thị trường khác như: Trung Quốc, Ấn độ, Châu Phi, Úc, Nhật, Trung Đông và Bắc Mỹ.
2.1.2 Tình hình xe Toyota Vios tại Việt Nam
Tháng 8/2003, Vios có mặt ở thị trường Việt Nam và nhanh chóng chiếm giữ thứ hạng cao ở phân khúc Sedan hạng nhỏ.
Ngày 21/9/2007 vừa qua, Vios 2007 mới đã chính thức có mặt tại thị trường Việt Nam So với Vios thế hệ cũ, Vios 2007 mới được cải tiến với phong cách trẻ trung , thiết kế hoàn toàn mới cả ngoại lẫn nội thất,tiện nghi lẫn các trang thiết bị an toàn đều được đáp ứng. ã
Toyota Vios 2007 vẫn sử dụng động cơ cũ (ra mắt vào tháng 8/2003) Tuy nhiên, khung gầm thiết kế hoàn toàn mới
Phiên bản Vios 1.5E mới (5 số sàn) được nâng cấp từ xe Vios
2003 1.5G (5 số sàn), còn phiên bản Vios 1.5G mới (4 số tự động) lần đầu tiên được giới thiệu tại thị trường Việt Nam.
Xe Vios 2007 có kích thước lớn hơn xe đời cũ Trang bị an toàn và tiện nghi có nhiều cải tiến Cũng vì thế, phiên bản cao cấp nhất 1.5G mới có giá đắt hơn xe 1.5G thế hệ cũ 3.700 USD (giá công bố là 28.900 USD), trong khi phiên bản 1.5E có giá 26.100 USD.
2.3 Các điểm nổi bật của xe
Xe Vios mới dài hơn thế hệ cũ khoảng 50mm nên không gian bên trong xe rộng hơn một chút, khoảng cách giữa hàng ghế trước và sau tăng lên.
Cản trước theo chuẩn toàn cầu với thiết kế chữ V cùng với các đường viền hai bên hông.
Hình 2.2 Thiết kế phía trước Ốp hướng gió cản trước được thiết kế dày và tròn tạo kiểu dáng mềm mại, rộng rãi Cụm đèn trước được thiết kế hoàn toàn mới làm tôn thêm nét lịch lãm của xe mà vẫn đảm bảo tầm nhìn tốt cho lái xe trong thời tiết mù.
Khoảng sáng gầm xe: 150 Chiều cao toàn bộ: 1460 (+25]
Hình 2.3 Kích thước thiết kế phía trước
Hình 2.4 Kích thước thiết kế bên hông
Cụm đến sau kết hợp với đường viền trang trí biển số mạ crôm phối hợp với thiết kế cản sau tạo dáng vẻ mạnh mẽ và rộng rãi cho xe Vios 2007 thể thao năng động hơn với vành hợp kim 15 inch với lốp mỏng (linch = 25,4 mm)
Hình 2.5 Thiết kế phía sau với đường viền trang trí biển số mạ crôm
Ngoài ra, ăng-ten cột được thay thế bằng ăng-ten in trên mặt kính sau không những giảm được độ ồn của gió mà còn mang đến diện mạo mới cho xe.
Về ngoại thất, thay đổi lớn nhất là lưới tản nhiệt có cấu trúc hình chữ V, đèn xi-nhan tích hợp trên gương (gương có thể gập lại khi không sử dụng), vành hợp kim thiết kế mới.
- Cụm đèn hậu nhô ra ngoài
- Gương chiếu hậu ngoài gập điện tích hợp với đèn báo đẹp và tiện ích.
Nội thất của chiếc Vios hoàn toàn mới cho cảm giác thoáng và rộng rãi hơn nhờ thiết kế tối ưu cho khoang hành khách Các nút điều khiển đều ngay trong tầm với của người lái.
Vios 1.5G, ghế và vô lăng bọc da cao cấp tích hợp các nút điều chỉnh hệ thống âm thanh mang lại cảm giác tiện nghi sang trọng và thoái mái hơn.
Hệ thống âm thanh trọn bộ nghe được đài AM/FM, CD Player (Compact Disk Player – chơi đĩa CD) với 6 loa, tương thích với định dạng MP3,WMA được trang bị các tính năng DSP (Digital Sound Processing - xử lý âm thanh kỹ thuật số), ASL (tự động điều chỉnh âm lượng theo vận tốc xe) và LIVE –ASC tạo âm thanh sống động.
Trong chiếc xe Vios hoàn toàn mới này, bảng đồng hồ Optitron nằm ở vị trí trung tâm giúp gia tăng tối đa tầm nhìn, đồng thời làm nổi bật phong cách trẻ trung cho chiếc xe Màn hình hiển thị đa thông tin giúp người lái dễ dàng kiểm soát tình trạng vận hành của xe.
Hình 2.11 Bảng đồng hồ Optitron
Một cải tiến mới trên Vios 2007 là sàn sau thiết kế phẳng tạo ra khoảng để chân rộng rãi cho người ngồi sau.
Vios có sự nâng cấp về động cơ khi trang bị loại 1NZ-FE dung tích 1.5L, với ưu điểm tiết kiệm nhiên liệu và độ bền bỉ cao. Toyota Vios 2007 còn được trang bị hộp số tự động 4 cấp cùng với tiêu chuẩn khí thải Euro 4 tân tiến, giúp giảm tối đa lượng khí thải ra ngoài môi trường.
2.5 Giới thiệu chung về động cơ 1NZ-FE
Hình 2.13 Động cơ 1NZ-FE nhìn từ bên ngoài
- Động cơ 1NZ-FE được sử dụng rộng rãi trên các loại xe của TOYOTA như:
2.6 Thông số động cơ tham khảo
Thông số kỹ thuật Đơn vị Giá trị
Số lượng xilanh / Cách bố trí - 4 Cylinder / In-line
Hệ thống phân phối khí - 16 Vale DOHC / Chain Drive
Thể tích công tác cc 1497 Đường kính / Hành trình piston mm x mm 75 /84.7
Công suất cực đại/ tốc độ kW/rpm 79/ 6000
Momen xoắn cực đại Nm 139
Góc phân phối khí α 1 độ -7 - 33 α2 độ 52 - 12 α3 độ 42 α4 độ 2
Hệ thống nhiên liệu - Electronic Fuel injection
Hệ thống đánh lửa - Direct ignition System
Hệ thống làm mát - Pressurized, Forced-circulation system
Hệ thống bôi trơn - Fored - feed lubriation system
Phân tích đặc điểm kết cấu
3.1 Giới thiệu các cơ cấu, hệ thống của động cơ 1NZ-FE
Hệ thống nhiên liệu động cơ 1NZ-FE còn có liên kết với các hệ thống điều khiển điện tử (ECU), hệ thống đánh lửa điện tử, điều khiển tốc độ động cơ, tạo ra tối ưu hóa trong quá trình hoạt động của động cơ Kim phun 12 lỗ được sử dụng để nâng cao tính phun sương của nhiên liệu, điều khiển cắt nhiên liệu khi túi khíhoạt động Đường dẫn ống nhiên liệu với các giác dầu nối nhanh để nâng cao khả năng sữa chữa Bình xăng làm bằng chất dẻo sáu lớp với bốn loại vật liệu có bộ lọc than hoạt tính trong bình.
Lượng không khí nạp được lọc sạch khi qua lọc không khí và được đo bởi cảm biến lưu lượng không khí Tỷ lệ hòa trộn được ôxy ở đường ống thải để nhận lượng oxy dư, để điều khiển lượng phun nhiên liệu vào tốt hơn.
Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu trên động cơ 1NZ-FE
Khi động cơ làm việc, các chi tiết của động cơ nhất là các chi tiết trong buồng cháy tiếp xúc với khí cháy nên nhiệt độ rất cao Nhiệt độ đỉnh piston có thể lên đến 600oC, nhiệt độ xupap có thể lên 900oC Hệ thống làm mát được thiết kế giữ các chi tiết trong động cơ ở nhiệt độ ổn định Động cơ 1NZ-FE có hệ thống làm mát bằng nước kiều kín, tuần hoàn theo áp suất cưỡng bức trong đó bơm tạo ra áp lực đẩy nước lưu thông vòng quanh động cơ Hệ thống bao gồm: áo nước xilanh, nắp máy, két nước, bơm nước, van hằng nhiệt, quạt gió và các đường ống dẫn nước Nếu nhiệt độ nước làm mát vượt quá nhiệt độ cho phép thì van hằng nhiệt sẽ mở để lưu thông nước làm mát đi qua két nước để giải nhiệt bằng gió Hệ thống làm mát sử dụng nước làm mát siêu bền chính hiệu Toyota SLLC (là dung dich pha sẵn 50%nước sạch)
Hình 3.2 Hệ thống làm mát trên động cơ 1NZ-FE Toyota Vios
Hình 3.3 Sơ đồ hệ thống làm mát trên động cơ 1NZ-FE
Hệ thống bôi trơn trong động cơ 1NZ-FE là hệ thống bôi trơn cưỡng bức cat-te ướt, với dung tích mặt ma sát, làm giảm tổn thất ma sát, làm mát cổ trục, tẩy rửa bề mặt ma sát và bao kín khe hở giữa piston với xilanh, giữa xecmang với piston, ngoài ra trên động cơ 1NZ-FE dầu bôi trơn còn tham gia điều khiển bôi trơn khoảng 3,4 lít đến 4,2 lít Hệ thống bôi trơn có nhiệm vụ đưa dầu bôi trơn đến các trục cam Loại dầu bôi trơn sử dụng trên động cơ là API SM, SL, ILSAC
Dầu bôi trơn từ cat-te được lưu thông qua vỉ lọc, bơm dầu, bầu lọc dầu rồi đến đường ống dầu chính sau đó được bôi trơn các bộ phận công tác như sơ đồ sau.
Hình 3.5 Sơ đồ hệ thống bôi trơn trên động cơ 1NZ-FE Toyota
Hệ thống khởi động sử dụng trên động cơ là hệ thống điện được điều khiển bằng ECU Ngay khi công tắc điện xoay chiều sang vị trí Start, chức năng điều khiển máy khởi động sẽ điều khiển motor khởi động mà không cần giữ tay ở vị trí khởi động Khi ECU nhận được tín hiệu khởi động từ chìa khóa điện, hệ thống sẽ theo dõi tín hiệu tốc độ động cơ Khi tốc độ động cơ đạt tới 500rpm, hệ thống sẽ đánh giá là động cơ đã khởi động thành công.
Hình 3.6 Sơ đồ hệ thống khởi động động cơ 1NZ-FE Toyota
3.1.5 Cơ cấu phân phối khí.
Hình 3.7 Cơ cấu phân phối khí
Hệ thống phân phối khí động cơ INZ – FE với trục cam kép (DOHC) và sử dụng hệ thống điều khiển thời điểm mở xupap thông minh VVT-I, giúp động cơ đạt công suất cao hơn, tiết kiệm nhiên liệu, đạt hiệu quả cao hơn ở những điều kiện đường xá khác nhau và bảo vệ môi trường
Hình 3.8 Hệ thống VVT-i động cơ INZ – FE a) Chức năng:
- Điều khiển quá trình trao đổi khi trong xylanh.
- Thực hiện các công việc đóng và mở các cửa nạp – xã với mục đích nạp đầy không khí và thải sạch khi cháy ra khỏi xylanh.
- Điều khiển sự mở xupap hợp lý hơn nhằm phù hợp với mọi chế độ hoạt động của động cơ, đồng thời tăng công suất của động cơ. b) Cấu trúc, nguyên lý:
- Ở cơ cấu này, hai trục cam được bố trí trên nắp máy Một trục cam điều khiển các xupap nạp, một trục cam điều khiển các xupap thải.
- Mỗi xy lanh trang bị 4 xupap
Hình 3.10 Cơ cấu trục cam kép
- Sự truyền động từ trục khuỷu lên trục cam được thực hiện bằng xích
- Khi trục cam quay, cam tác động lên con đội để điều khiển xupap đóng mở
- Mỗi xylanh có 4 xupap, hai xupap nạp và hai xupap thải Đường kính đầu xupap nạp lớn đường kính xupap thải.
- Xupap có tác dụng đóng mở các cửa nạp và cửa thái
- Xupap được chế tạo bằng thép đặc biệt vì làm việc ở nhiệt độ cao, va đập mạnh và bị ăn mòn hóa học.
- Xupap được chia làm 3 phần: Đầu, thân và đuôi
+ Đấu xupap có dạng hình nón cụt, bề mặt xupap dùng để làm kín.
+ Thân xupap chuyển động trong ống kèm xupap Thân xupap có dạng hình trụ, khe hở lắp ghép giữa xupap và ống kẽm phải đúng để đảm bảo sự chuyển động chính xác của xupap và ngăn ngừa nhớt vào buồng đốt, cũng như khi cháy từ buồng đốt làm hỏng dầu nhờn làm trơn
+ Đuôi xupap nhận lực tác động tử con đội, ngoài ra nó còn dùng để giữ lò xo xupap.
- Lò xo xupap đảm bảo cây xupap chuyển động theo đúng quy luật khi động cơ hoạt động.
- Móng hãm được đặt vào để trên và lồng vão rãnh đuôi xupap để đảm bảo xupap đóng kín với một lực ép ban đầu của lò xo.
+ Độ căng lò xo: 15.2 – 16.8 kgf
- Con đội được đặt tiếp xúc với các cam trên trục cam Khi làm việc con đội chuyển động trong các xylanh của nó.
3.1.6 Hệ thống điều khiển động cơ
3.1.6.1 Vị trí các chi tiết
Hình 3.18 Vị trí các chi tiết trên động cơ
Hình 3.19 Vị trí các giắc nối trên xe
Hình 3.20 Vị trí các hộp cầu chì trên xe
Hình 3.21 Sơ đồ mạch cấp nguồn a Mạch nguồn ECM
Mô tả : Khi bật khóa điện ON, điện áp ắc quy được cấp đến cực IGSW của ECM Tín hiệu ra MREL của ECM làm cho dòng điện chạy qua cuộn dây rơ le EFI, đóng các tiếp điểm của rơ le EFI và cấp nguồn đến cực +B hay +B2 của ECM.
Hình 3.22 Sơ đồ mạch cấp nguồn
Mô tả: Điện áp VC (5V) được tạo ra trong ECM Điện áp được dùng để cấp nguồn cho cảm biến vị trí bướm ga.
Hình 3.23 Sơ đồ mạch điện của VC c Điện áp hệ thống
Mô tả : Ắc quy cấp điện năng đền ECM thậm chí khi khóa điện tắt OFF Nguồn này cho phép ECM lưu trữ dữ liệu như lịch sử DTC dữ liệu hư tức thời và các giá trị hiệu chính nhiên liệu Nếu điện áp ắc quy xuống dưới mức tối thiểu, bộ nhớ sẽ bị xóa và ECM xác định rằng có hư hồng trong mạch cấp nguồn Khi động cơ được khởi động lần tới ECM sẽ bật sáng đèn MIL và thiết lập mã DTC.
Hình 3.24 Sơ đồ mạch nguồn dự phòng ECM
3.1.6.3 Hệ thống điện thân xe
Bảng đồng hồ Optitron mới ở vị trí trung tâm có thể tự động điều chỉnh độ sáng cho phủ hợp, nó hiển thị đa thông tin: Vận tốc đi đường, quãng đường còn có thể đi được, tiêu hao nhiều liệu trung bình, giúp người lái dễ dàng kiểm soát tình trạng vận hành của xe.
Hình 3.25 Bảng đồng hồ Optitron
Hệ thống âm thanh Radio với ăng ten in trên kính sau có thể thu được sóng dài AM/FM và chơi đĩa nhạc CD/MP3/WMA.
Hệ thống đèn chiếu sáng là bóng đèn Halogen cho hiệu quả chiếu sáng và tuổi thọ làm việc cao So với đèn dây tóc bình thường, đèn Halogen sáng hơn và không bị xám đen bề mặt kinh Tuy nhiên, cường độ sáng thấp và công suất tiêu thụ điện cao hơn các loại đèn Xenon, Bi-Xenon.
Cửa sổ điện và khóa cửa trung tâm tiêu chuẩn
Dây điện được thiết kế để có thể lắp được các phụ kiện chính hiệu.
Hình 3.26 Đèn hậu và đèn báo rẽ trên gương chiếu hậu
Hệ thống chống trộm được lắp đặt cho vios 1,5 E
Hình 3.28 Hệ thống an toàn- túi khí
Túi khí: Hai túi khí phía trước cùng dây an toàn giúp giúp bảo vệ khi có va chạm
Thân xe (GOA - Global Outstanding Assessment) có khả năng hấp thụ xung lực
Hình 3.29 Thân xe GOA Đặc biệt, ghế trước có thiết kế giảm chấn thương đốt sống cổ để phòng trường hợp có va chạm từ phía sau, cấu trúc này sẽ nâng đỡ đồng thời vùng đầu và cột sống giúp giảm thiều áp lực lên vùng cổ.Ngoài ra, cũng để giảm thiểu chấn thương cho hành khách trong trường hợp va chạm, vùng phía trước xe, nắp ca-pô, các tấm ốp và mui xe được thiết kế đặc biệt để hấp thụ xung lực.
3.1.6.5 Hệ thống điều khiển động cơ
3.1.7.1 Hình dạng của bôbin và Igniter
3.1.7.2 Vị trí các chi tiết hệ thống đánh lửa
Hình 3.31 Các chi tiết hệ thống đánh lửa
3.1.7.3 Sơ đồ mạch điện hệ thống đánh lửa
Hình 3.32 Sơ đồ mạch điện hệ thống đánh lửa
3.1.7.4 Mô tả hệ thống, các tín hiệu đánh lửa
Hệ thống đánh lửa của động cơ 1NZ-FE là hệ thống đánh lừa trực tiếp (DIS) bổ bán và IC đánh lửa được lắp đặt trực tiếp ở đầu bugi tạo thành một cụm chi tiết, do có kết cấu như vậy nên ở hệ thống đánh lửa không có dây cao áp do đó giảm được tổn thất năng lượng, và tăng được khả năng chống nhiều Hệ thống này có một số ưu điểm:
Góc đánh lửa sớm được điều khiển tối ưu cho từng chế độ hoạt động của động cơ.
THIẾT KẾ CÁC CẤU PISTON–THANH TRUYỀN-TRỤC KHUỶU
PISTON
Piston là một chi tiết quan trọng của động cơ đốt trong Trong quá trình làm việc của động cơ, piston chịu lực rất lớn, nhiệt độ rất cao và ma sát mài mòn lớn, lực tác dụng và nhiệt độ cao do khí thể và lực quán tính sinh ra gây nên ứng suất cơ học và ứng suất nhiệt trong piston, còn mài mòn là do thiếu dầu bôi trơn mặt ma sát của pittong với xilanh khi chịu lực Piston có nhiệm vụ quan trọng như sau: Đảm bảo bao kín buồng cháy, giữ không cho khí cháy trong buồng cháy lọt xuống các te (hộp trục khuỷu) và ngăn không cho dầu nhờn từ hộp trục khuỷu súc lên buồng cháy Tiếp nhận lực khí thể và truyền lực ấy cho thanh truyền (trong quá trình cháy và giản nở) để làm quay trục khuỷu nén khí trong quá trình nén, đẩy khí thải ra khỏi xilanh trong quá trình thải và hút khí nạp mới vào buồng cháy trong quá trình nạp.
1.2.Kết cấu và nhiệm vụ
- Làm kín buồng cháy đối với hộp trục khuỷu khi vận hành
- Tiếp nhận áp lực khí sinh ra trong quá trình cháy và thông qua thanh truyền biến thành lực xoắn của trục khuỷu
- Truyền phần lớn nhiệt lượng do khí cháy tạo trên đỉnh piston lên vách xi lanh Kết cấu:
- Đỉnh piston: Đỉnh piston có dạng kiểu lõm Loại buồng cháy này tạo ra xoáy lốc rất mạnh trong quá trình nén để hình thành khí hỗn hợp được tốt. cùng trên bệ chốt piston
- Thân Piston: là phần phía dưới rãnh xéc măng dầu cuối cùng ở đầu piston, làm nhiệm vụ dẫn hướng cho piston chuyển động trong xylanh và chịu lực ngang N.
- Trong quá trình làm việc, một phần nhiệt từ Piston truyền qua Xécmăng đến xylanh và ra nước làm mát Tình trạng chịu nhiệt của Piston là không đều, nhiệt độ của đầu Piston cao hơn phần thân rất nhiều nên nó giãn nở nhiều khi làm việc Do đó, người ta chế tạo đường kính dầu Piston hơi nhỏ hơn thân một chút ở nhiệt độ bình thường
- Đuôi Piston là phần còn lại của piston, nó dùng để dẫn hướng Sự mài mòn nhiều nhất ở phần thân xảy ra theo phương vuông góc tâm trục Piston.
- Thân Piston có dạng hình oval, đường kính theo phương vuông góc với trục Piston hơi lớn hơn đường kính theo phương song song với trục Piston, để bù lại sự giãn nở nhiệt do phần kim loại bệ trục Piston dày hơn các chỗ khác.
+ Chân piston có vành đai để tăng độ cứng vững Đồng thời chân piston được gọt bớt phần kim loại để giảm khối lượng cho piston và tránh vo chạm với đối trọng trên trục khuỷu
Chốt piston là chi tiết máy nối piston với thanh truyền, nó truyền lực tác dụng của khí thể tác dụng trên piston cho thanh truyền để làm quay trục khuỷu.
Vật liệu làm chốt piston là thép cacbon và thép hợp kim có thành phần cacbon thấp.
Kết cấu của chốt piston rất đơn giản, là hình trụ rỗng để cho nhẹ Bề mặt bên trong chốt có dạng hình trụ nên dễ chế tạo
Chốt piston được lắp tự do.
Đầu piston bố trí 3 xéc măng gồm 2 xéc măng khí và 1 xéc măng dầu.
Xéc măng khí có nhiệm vụ bao kín buồng cháy, ngăn không để khí cháy lọt xuống cacte.
Xéc măng dầu có nhiệm vụ ngăn dầu nhờn sục lên buồng cháy.
Xéc măng dầu, 2- Xécmăng khí
Vật liệu làm xéc măng là gang hợp kim.
Xéc măng có kết cấu đơn giản, có dạng một vòng thép hở miệng
- Các chi tiết được lắp với piston bao gồm: piston, các xéc măng khí, xéc măng dầu, chốt piston và các chi tiết khác.
Vòng hãm có nhiệm vụ khống chế cách bậc tự do của chốt piston, không cho chốt piston di chuyện khi máy làm việc.
Vật liệu chế tạo: Hợp kim nhôm (Al-Mg-Si)
-Khối lượng sau khi gia công: 0.436 kg
1.3 Tính toán các thông số và kích thước cơ bản
Hình 3.5 Kích thước piston Đườn g kính D 90 mm
Thông số kí hiệu công thức Giá trị chọn
Khoảng cách từ đỉnh đên xắc măng thứ nhất c (0.6-
Vị trí chốt của piston h (0.35
5 40.5 34 đường kính chốt piston dcp
5 31.5 24 Đường kính bệ chốt piston db
2 38.4 34 Đường kính trong của chốt piston do
Chiều dày của xacmang khí t
Chiều cao của xacmang khí a (0.3-
Số xec măng dầu 1-3 1 chiều cao xắc mắng dầu a1 (0.45
THANH TRUYỀN
-Nối piston với trục khuỷu -Biến đổi chuyển động thẳng của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu -Truyền lực piston lên trục khuỷu và tạo ra 1 moomen xoắn
- Động cơ có 4 thanh truyền
Hình 3.6 Thanh truyền Nhóm thanh truyền được chia làm 3 phần:
+ Đầu nhỏ thanh truyền : Đầu lắp ghép chốt piston
+ Đầu to thanh truyền : Lắp ghép giữa thanh truyền với chốt khuỷu
+ Thân thanh truyền: Là phần thanh truyền nối giữa đầu nỏ và đầu to
- Đầu nhỏ thanh truyền : là nơi chứa chốt piston,khi chốt piston lắp tự do , một vòng bạc lót thường làm bằng hợp kim đồng (CuPbSn) được ép vào đầu nhỏ thanh truyền Nếu chốt piston được nối cố dịnh với đầu nhỏ thanh truyền bằng cách lắp ép nóng ,nó được trực tiếp làm co lại trong đầu nhỏ thanh truyền
- Thân thanh truyền : nối đầu nhỏ thanh truyền với đầu to thanh truyền Để nâng độ bền uốn ,tiết diện, thường có dạng I kép
-Chiều dài l của thanh truyền phụ thuộc vào thông số λ :
Tiết diện ngang của thân thanh truyền như hình 3.4
Hình 3.7 Tiết diện thân thanh truyền
Loại thân thanh truyền có tiết diện chữ I hình 3.4 a,b được ứng dụng rỗng rãi trong các động cơ.
Loại thân thanh truyền có tiết diện chữ nhật và ô van rất đơn giản trong chế tạo thường dùng cho động cơ mô tô, xe máy, xuồng máy và các động cơ xăng cở nhỏ
Đường kính lỗ dầu thường bằng 4 đến 8 mm Để đảm bảo cung cấp đầy đủ năng lượng dầu bôi trơn và nhanh chóng đưa dầu lên bôi trơn khi khởi động Vì vậy lỗ dầu không nên quá bé hoặc quá lớn
Đôi khi để tăng độ cứng vững và dễ khoan đường dầu bôi trơn, thân thanh truyền có gân gia cố trên suốt chiều dài của thân
- Đầu to thanh truyền : cùng với nắp thanh truyền bao quanh ổ đở trục khuỷu ,là loại bạc trượt đc chia đôi
-Kết cấu đầu to thanh truyền phải đảm bảo các yêu cầu sau đây :
+ Có độ cứng vững lớn để bạc lót không bị biến dạng.
+ Kích thước nhỏ gọn để lực quán tính nhỏ , giảm được tải trọng lên chốt khuỷu, ổ trục đồng thời giảm kích thước hộp trục khuỷu và tạo khả năng đặ trục cam gần trục khuỷu làm cho buồng cháy động cơ dùng cơ cấu xu pắp đặt nhỏ gọn hơn.
+ Chổ chuyển tiếp giữa thân và đầu to phải có góc lượn để tăng độ cứng vững.
+ Dễ dàng trong việc lắp ghép cụm piston – thanh truyền với trục khuỷu Trong hầu hết các động cơ đầu to được phân làm hai nữa : nữa trên liền với thân và nữa dưới là nắp đầu to thanh truyền.
2.3 Các chi tiết phụ a Bạc lót đầu to thanh truyền
-Yêu cầu đối với vật liệu chịu mòn:
+Có tính chống mòn tốt, có hệ số ma sát nhỏ
+Có độ cứng thích đáng và độ dẻo cần thiết
+Giữ được dầu bôi trơn
+Chóng và khít với bề mặt trục
+Dễ đúc và dễ bám với vỏ thép
-Các nhóm vật liệu chính
+Nhóm kim loại: gồm có babít, đồng thanh - thiết, đồng thanh - chì, hợp kim nhôm, hợp kim kẽm, gang chống mòn.
+Nhóm phi kim loại: gồm chất dẻo, gỗ ép
+Nhóm kim loại gốm: gồm các bột kim loại ép như: sắt - graphit, đồng thanh - graphit.
+Đầu to thanh truyền được chia thành hai nữa nên bac lót cũng được chia thành hai nữa
+Bạc lót thanh truyền gồm gộp bạc bằng thép ở phía ngoài và lớp hợp kim chịu mòn tráng lên mặt trong của bạc.
+Gộp bạc thường chế tạo bằng thép có hàm lượng cacbon thấp,bề mặt đúc tráng thường chỉ chế tạo thô hoặc mạ một lớp thiếc
+Định vị bạc lót trên đầu to bằng bu lông thanh truyền
+Theo chiều dày của lớp hợp kim chịu mòn, ta sử dụng bạc lót mỏng với những ưu điểm như sau :
Có điều kiện để sản xuất hàng loạt,có thể lắp lẫn,dễ thay thế
Tốn ít thời gian và vật liệu chịu mòn khi cạo rà nên giảm giá thành sữa chữa
Tiếp xúc đều với đầu to thanh truyền
Giảm kích thước,khối lượng đầu to,tăng được đường kính cổ khuỷu. b Bulông thanh truyền
Hình 3.9: Kết cấu bulông thanh truyền
-Bulông thanh truyền là một chi tiết nhỏ nhưng rất quan trọng, vì nếu bulông thanh truyền bị đứt, động cơ sẽ hư hỏng nặng.
-Trong khi làm việc, bulông thanh truyền chịu các lực sau:
+Lực xiết ban đầu khi lắp ghép
+Lực quán tính của khối lượng vận động tĩnh tiến và lực quán tính ly tâm của khối lượng vận động quay.
Hình 3.10: Cấu tạo của cụm thanh truyền c.Ứng lực
- Áp lực theo chiều dọc do áp suất khí tác dụng lên đỉnh piston tục của tốc độ piston
- Lực uống trong thân thanh truyền do chuyển động lăc liên tục quanh trục chốt piston
- Để giử lực quá tính nhỏ ,nên khối lượng thanh truyền nên nhỏ nhất có thể d.Vật liệu thanh truyền
- Thanh truyền chủ yếu được sản xuất từ hợp kim thép nhiệt luyện được rèn trong khuôn ,hoặc từ hợp kim bột thép thành chi tiết rèn nung kết
- Khối lượng thanh truyền sau khi gia công là 1.068 kg
2.4 Điều kiện làm việc và tính toán thiết kế thanh truyền a Điều kiện làm việc
- Điều kiện làm việc của thanh truyền:
+ Thanh truyền là chi tiết nối với piston và trục khuỷu nhằm biến chuyển động tĩnh tiến của piston thành chuyển động quay tròn của trục khuỷu.
+ Trong quá trình làm việc, thanh truyền chịu tác dụng của các lực :
Lực khí thể trong xy lanh
Lực quán tính chuyển động tĩnh tiến cảu nhóm piston
Lực quán tính của thanh truyền
+ Các lực này thay dổi theo chu kỳ,vì vậy tải trọng tác dụng lên thanh truyền là tải trọng động.
+ Dưới tác dụng của các lực đó, thân thanh truyền bị nén, uốn dọc, uốn ngang ; đầu nhỏ thanh truyền bị biến dạng méo; nắp đầu to bị uốn và kéo. b Tính toán
- Xác định các kích thước cơ bản thanh truyền:
Hình 3.12: Sơ đồ tính thanh truyền đường kính D
8.5 m m số kí hiệu công thức Giá trị
Chọ n Đầu nhỏ thanh truyền dc p (0.28 - 0.32)D 25.7
Chiều dày đầu nhỏ ld (0.28-0.32)D
Chiều dày bạc đầu nhỏ s1
0.085)dcp 1.43 2.21 2 Đường kính chốt khuỷu dck dck (0.6-0.7)D 55.2 64.4 60 Đường kính trong của đầu to D
Chiều dày bạc lót s2 (0.03-0.05)dck 1.8 3 2
Khoảng cách tâm bulong c (1.3-1.75)dck 78 105 74
Chiều dày đầu to lđt s3 (0.45-0.95)dck 27 57 chiều dài tâm đầu nhỏ đến đầu to thanh truyền l R/λ 194
-Vật liệu chế tạo: Thép hợp kim
-Khối lượng sau khi gia công: 0,665kg
Hình 3.13 : Trục khuỷu động cơ 1NZ-FE
3.1 Nhiệm vụ, điều kiện làm việc và yêu cầu đối với trục khuỷu.
- Nhiệm vụ :Tiếp nhận lực khí thế truyền từ piston xuống để tạo momen quay cho động cơ
- Điều kiện làm việc của trục khuỷu:
+ Chịu lực quán tính và lực khí thể.
+ Chịu va đập, chịu xoắn.
+ Chịu mài mòn lớn -Yêu cầu đối với trục khuỷu:
+ Trục khuỷu có độ cứng lớn có độ bền cao và trọng lượng nhỏ + Có tính cân bằng cao không xảy ra cộng hưởng trong phạm vi tốc độ sử dụng
+ Độ chính xác cao trong gia công cơ khí + Kết cấu trục khuỷu phải đảm bảo cân bằng tốt ( tĩnh và động)
-Trục khuỷu động cơ GS4-023 được làm bằng vật liệu thép C35 Là một trục khuỷu được rèn với 4 đối trọng cân bằng và nặng 20 kg.
Hình 3.14 : Trục khuỷu GS4-023+ Đầu trục khuỷu: động 2 trục cam, bơm dầu bôi trơn, bơm cao áp, bánh đai (puly) để dẫn động quạt gió và đai ốc khởi động động cơ bằng tay quay Các bánh răng chủ động hoặc bánh đai dẫn động lắp trên đầu trục khuỷu theo kiểu lắp trung gian và đều là lắp bán nguyệt đai ốc hãm chặt bánh đai, phớt chắn dầu, ổ chắn dọc trục đều lắp trên đầu trục khuỷu.
Thân trục khuỷu gồm 5 cổ trục, 4 chốt khuỷu bên trong có các đường dầu bôi trơn cổ trục, khuỷu trục và các bạc lót
Rãnh dầu trên ổ trục khuỷu được làm lệch tâm để giảm lượng dầu rò rỉ ra khỏi ổ trục Điều này cho phép giảm công suất của bơm dầu để đạt được hoạt động ma sát thấp
Cổ trục khuỷu và chốt khuỷu được gia công với độ bền cao,
Các chốt khuỷu hình trụ rỗng để đảm bảo momen uốn và momen xoắn, khoan xiên để dễ gia công, nối với trục khuỷu thông qua các má khuỷu, góc lệch giữa 2 chốt khuỷu liên tiếp lệch nhau 1 80 °
Má khuỷu là bộ phận nối liền cổ trục và cổ chốt, có hình ovan, làm liền với đối trọng, có 4 má khuỷu có đối trọng còn 4 má không có đối trọng, có tác dụng đảm bảo được sự cân bằng các lực momen quán tính chủ yếu là lực và momen quán tính ly tâm của động cơ
Đối trọng lắp trên trục khuỷu có hai tác dụng :
Cân bằng momen lực quán tính không cân bằng động cơ chủ yếu là lực quán tính ly tâm nhưng đôi khi dùng để cân bằng lực quán tính chuyển động tịnh tiến như động cơ chữ V
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 lớn nói trên được cân bằng nên cổ trục giữa không chịu ứng suất uốn do lực quán tính mô men gây ra
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 (trục ly hợp) thường đồng tâm với trục khuỷu dùng mặt bích trục khuỷu để lắp bánh đà
-Trục khuỷu động cơ 1NZ-FE là một trục khuỷu nguyên khối (trục khuỷu liền). Trục khuỷu được hỗ trợ bởi 5 ổ trục Ổ trục đẩy nằm giữa tại vị trí ở ổ trục thứ 3 Ổ trục đẩy thiết kế chỉ 180ᵒ và nằm trong ổ đỡ Vòng bi trong ổ trục đẩy sẽ không chịu bất kỳ lực dọc trục nào.
3.4 Tính toán thông số cơ bản thiết kế trục khuỷu
Hình 3.14 Sơ đồ lực tác dụng lên trục khuỷu đường kính D 92 mm hành trình piston S 75 mm kí hiệu chọn dct (0.65-0.8)D 59.8 73.6 60 lct (0.5-0.6)dct 30 36 33 dck (0.6-0.7)D 55.2 64.4 56 lck (0.45-0.6)dch 25.2 33.6 26 rct (0.035-0.08)dct 2.1 4.8 3 rck (0.035-0.08)dch 1.96 4.48 3 s (0.24-0.27)D 22.08 25.76 24 b (1.05-1.3)D 96.6 119.6 100
BÁNH ĐÀ
- Bánh đà có hình dạng của một đĩa đặc đúc bằng gang, được lắp ở đuôi của trục khuỷu
Hình 3.16 Bánh đà động cơ 1NZ-FE
4.1 Nhiệm vụ, điều kiện làm việc
+ Bánh đà có nhiệm vụ giữ cho trục ổn định, nhất là đối với những động cơ có ít xi lanh như GS4-023 Ở phía ngoài của bánh đà có lắp vành răng để khởi động động cơ.
+ Tích trữ năng lượng dư trong hành trình sinh công để bù đắp năng lượng thiết hụt trong quá trình tiêu hao công khiến cho trục khuỷu quay đều hơn
+ Bánh đà còn là nơi ghi kí hiệu các ĐCT, ĐCD, góc phun sớm, đánh lửa sớm
+ Lực ma sát từ đĩa ly hợp nên chịu mài mòn lớn
+ Bánh đà động cơ GS4-023 được chế tạo từ vật liệu gang xám
- Loại bánh đà + Động cơ GS4-023 sử dụng bánh đà dạng vành
Hình 3.17 : Bánh đà động cơ GS4-023
THIẾT KẾ CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ
Phương án bố trí, dẫn động và kết cấu xupap
Cơ cấu phân phối khí của động cơ dùng xupap treo vì cơ cấu phân phối khí này có nhiều ưu điểm hơn so với cơ cấu phân phối khí đặt Ưu điểm của kiểu bố trí này là làm cho buồng cháy động cơ nhỏ gọn, diện tích mặt truyền nhiệt nhỏ vì vậy giả tổn thất nhiệt Khả năng chống kích nổ được cải thiện nhiều nên có thể tăng tỷ số nén lên 0,5 ÷ 2 so với khi dùng cơ cấu phân phối khí xupap đặt Cơ cấu phân phối khí dùng xupap treo làm cho đường thải và nạp thanh thoát hơn làm cho sức cản không khí động giả nhỏ Mỗi xi lanh được bố trí 4 xupap ( 2 xupap nạp, 2 xupap thải) làm tăng diện tích tiết diện lưu thông lên 5÷7 % và giảm đường kính nấm xupap, khiến cho xupap không bị quá nóng và tăng được sức bền Các xupap được bố trí thành 2 dãy ( 1 dãy xupap nạp và một dãy xupap thải) Các đường ống nạp và thải bố trí về hai phía.
* Hai trục cam được bố trí trên nắp máy DOHC (Double Overhead Cam)
Nguyên lý làm việc: Nguyên lý làm việc được chia làm hai quá trình cơ bản sau: Quá trình vấu cam đẩy mở xupap và quá trình lo xo giãn đóng kính xupap.
Quá trình vấu cam đẩy mở xuapap: Khi động cơ làm việc trục khuỷu quay làm cho bánh xích dẫn động cơ cấu phân phối khí lắp ở đầu trục khuỷu quay theo, thông qua bộ truyền động xích trung gian dẫn động các bánh xích lắp ở các đầu trục cam do đó làm cho các trục cam đóng mở xupap quay Khi các vấu cam tiếp xúc với con đội. Con đội bắt đầu chuyển động đi xuống làm mở các cửa nạp (nếu trong giai đoạn khí nạp đi vào xi lanh động cơ) và cửa thải (nếu trong quá trình thải) thực hiện quá trình nạp môi chất mới và thải khí cháy ra ngoài.
Quá trình lo xo giãn đóng kín xupap: Khi trục cam tiếp tục quay, vấu cam di chuyển theo cho đến khi đỉnh của vấu cam vượt qua tâm con đội Lúc này con đội bắt đầu di chuyển lên trên, lò xo xupap từ từ giãn ra nhờ vào đế chặn lò xo cùng với các móng hãm đẩy xupap tịnh tiến về vị trí ban đầu thực hiện quá trình đóng xupap Chu trình đóng mở xupap được lặp đi lặp lại như vậy tuân theo chu kỳ làm việc của pha phân phối khí.
Kết cấu xupap và xác định kích thước xupap
Xupap là chi tiết trực tiếp cho dòng khí nạp đi vào buồng cháy và thải khí cháy ra ngoài với một thời gian ngắn trong một chu kỳ làm việc của piston Trong quá trình làm việc xupap chịu tải trọng động và phụ tải nhiệt rất lớn. ÷ 20 000 N và chịu tác động của lực quán tính nên khi làm việc luôn bị va đập mạnh với đế xupap nên rất dễ gây biến dạng.
Về phụ tải nhiệt: Xupapa xả làm việc trực tiếp với dòng khí thải có nhiệt độ khoảng 1 100 ÷ 1 200 oC và tốc độ dòng khí cỡ 400 ÷
600 (m/s), xupap thải thường quá nóng và bị xâm thực Xupap nạp nhừo dòng khí nạp làm mát nên chịu nhiệt nhỏ hơn xupap thải.
Do xupap làm việc trực tiếp với khí cháy nên vật liệu chế tạo xupap là thép hợp kim chịu nhiệt tốt Với lớp loại vật liệu này làm cho xupap ít mòn và chống được gỉ của bề mặt nấm xupap.
Thường chịu lực khí thể khá lớn, chịu tải trọng nhiệt và va đập với đế xupap nên dễ gây ra biến dạng Vì vậy vật liệu chế tạo xupap thường là thép có độ bền lớn như thép crom, 40Cr9Si2 (xupap nạp) và thép chịu nhiệt 40Cr10Si (xupap thải).
Xupap thường được chia thành 3 phần : Nấm xupap, thân xupap và đuôi xupap.
Kết cấu của nấm xupap chẳng những có ảnh hưởng quyết định đến giá thành chế tạo xupap mà còn ảnh hưởng đến độ bền, trọng lượng và tình trạng của dòng khí lưu động qua họng đế xupap nữa. Nấm xupap của động cơ được ta chọn là loại nấm bằng Kết cấu này có ưu điểm dễ chế tạo, có thể dùng cho xupap thải hoặc xupap nạp và diện tích chịu nhiệt nhỏ.
Mặt làm việc quan trọng của phần nấm là mặt côn có góc α 15 ÷ 45 o , ta chọn góc α = 45 o Điều này vừa đảm bảo độ bền của nấm, vừa đảm bảo tiết diện lưu thông khi mở xupap vừa đảm bảo dòng khí lưu thông dễ dàng Góc α này càng nhỏ thì tiết diện lưu thông càng lớn Tuy nhiên nếu α càng nhỏ thì mặt nấm càng mỏng, độ cứng vững của mặt nấm càng kém do đó dễ cong vênh, tiếp xúc không khít với mặt đế xupap.
Khi tính toán tiết diện lưu thông ủa xupap phải dựa vào giả thiết lưu động ổn định của dòng khí khi qua họng đế xupap Ta coi dòng khí nạp hoặc khí thải có tốc độ bình quân và tốc độ của piston không đổi.
Căn cứ vào điều kiện lưu động ổn định và liên tục của dòng khí ta có: v k i f k γ k =v p F p γ p (III-1) Trong đó: v k : Tốc độ trung bình của dòng khí qua họng đế xupap [m/s] i : Số xupap. f k : Tiết diện lưu thông của họng đế xupap [cm2] f k =π d h 2
4 d h : Đường kính họng đế xupap [mm] γ k , γ p : Mật độ dòng khí ở họng xupap và trong xy lanh, coi γ p =γ k v p : Tốc độ bình quân của pisyon.
Từ công thức III -1: v k =v p F p f k i (III-2) Trong đó: v p =S n
S: Hành trình piston, S = 92mm n: Số vòng quay trục khuỷu, n = 4900 (vòng/ph).
D:Đường kính xy lanh, D = 98mm.
Từ III -2 ta rút ra tốc độ bình quân của dòng khí qua họng đế xupap. v k =v p D 2 d h 2 i (III -3) Đường kính họng đế xupap: d h =√ v v p D k i 2 (III-4)
Tốc độ bình quân của dòng khí thải thường lớn hơn dòng khí nạp khoảng 20÷50%.
Do đó xupap thải làm nhỏ hơn xupap nạp Vì vậy mặt nấm của xupap thải có độ cứng vững lớn, khó biến dạng và diện tích chịu nhiệt nhỏ hơn.
Tiết diện lưu thông f kx qua xupap (tiết diện vành khăn) được xác định theo công thức: f kx =π h
Thay vào III-5 ta được f kx =π h ( d h cosα+h sinα cos2α)( III −6)
Ta thấy f kx phụ thuộc vào α và h, khi α càng nhỏ tiết diện lưu thông càng lớn Hành trình h càng lớn f kx càng lớn Tuy vậy hành trình h bị hạn chế bởi tiết diện của họng đế xupap, tiết diện lưu thông không thể lớn hơn tiết diện đế họng xupap. h=(0,18÷0.3) d h
* Xác định tiết diện lưu thông qua xupap nạp:
Thực hiện nghiệm tốc độ lưu thông của dòng khí nạp: v kn @÷115[ m s ] ta chọn v kn [ m s ]
Từ III-4 suy ra đường kính họng nạp: d hn =√ v v p k D i 2 = √ 15,027 80.2 98 2 0.03 (mm)
Góc côn của xupap nạp α = 45 o
Từ III-6 ta có f kx =π h ( d h cosα+h sinα cos2α)
=>f kx =π9,3.(30,03.cos 45+9,3 sinα cos2.45)q5.85(mm 2 )
Kiểm nghiệm lại tốc độ trung bình lưu thông của xupap nạp theo III-2. v kn =v p F p f k i ,027.75,43
620,4.2.10 −2 y.17[m s ] v kn ≤70÷90[ m s ] Vậy v kn thỏa mãn điều kiện.
* Xác định tiết diện lưu thông qua xupap thải:
Thực hiện nghiệm tốc độ lưu thông của dòng khí thải: v kt =(1,2÷1,5) v kn =(1,2÷1,5).80=(94÷120)[ m s ]
Từ III-4 suy ra đường kính họng thải: d ht =√ v v p D k i 2 = √ 15 , 027 95.2 98 2 ',56( mm)
Góc côn của xupap nạp α = 45 o
Từ III-6 ta có f kx =π h ( d h cosα+h sinα cos2α)
=>f kx =π.8,525.(27,56.cos 45+8,525 sinα cos2.45)Y9,51(mm 2 )
Kiểm nghiệm lại tốc độ trung bình lưu thông của xupap nạp theo III-2. v kt =v p F p f kx i ,027.75,43
599,51 2.10 −2 ,5[m s ] v kt ≤75÷95[ m s ] Vậy v kt thỏa mãn điều kiện.
Thân xupap có đường kính thích đáng để dẫn hướng tốt, tản nhiệt tốt và chịu được lực nghiêng khi xupap đóng mở Để giảm nhiệt độ cho xupap người ta có xu hướng tăng đường kính của thân xupap và kéo dài ống dẫn hướng đến gần nấm xupap Nhưng do phải đảm bảo tiết diện lưu thông và gọn nhẹ nên xupap cũng không thể làm quá lớn.
Thân xupap có nhiệm dẫn hướng và tản nhiệt cho xupap. Đường kính thân xupap nạp và xupap thải có kích thước 10 mm. Chiều dài thân của xupap nạp. ln=(2,5÷3,5)dn = 89,9÷125,8 chọn ln = 120mm Chiều dài thân của xupap thải. lt=(2,5÷3,5)dn = 83,4÷116,7 chọn ln = 115mm
Phần đuôi xupap trực tiếp va đập với con đội do đó bề mặt trên phần đuôi xupap phải được tôi cứng Ở đôi xupap có đoạn khoét rãnh để lắp móng hãm. Đế chặn lò xo phía trên được lắp với xupap bằng hai móng hãm hình côn ăn khớp với mặt côn của lỗ đĩa lò xo.
Kiểu lắp dùng móng hãm có ưu điểm lớn là không gây nên ứng suất tập trung trên đuôi xupap Tuy vậy việc gia công móng hãm rất khó khăn.
Hình 1.2 Kích thước xupap nạp và xupap thải
Cơ cấu phân phối khí của động cơ đang thiết kế dùng xupap treo, đường thải và đường nạp bố trí trong nắp máy Để giảm hao ta dùng đế xupap ép vào họng đường thải và nạp Vì thân máy và nắp máy được chế tạo bằng hợp kim nhôm nên đế xupap được ép cho cả đường nạp và thải.
Mặt ngoài của đế là hình trụ trên có vát mặt côn để tiếp xúc với mặt côn của nấm xupap Đế được chế tạo bằng hợp kim chịu mài mòn.
Chiều cao đế xupap nạp. hn = (0,18÷0.25)*don = 5÷7 chọn 6mm.
Chiều cao đế xupap thải. ht = (0,18÷0.25)*dot = 4,6÷6,4 chọn 6mm.
Hình 1.3 Kích thước đế xupap
Ống dẫn hướng
Ống dẫn hướng làm nhiệm vụ dẫn hướng thân xupap Để đảm bảo độ chính xác thẳng hàng giữa mặt xupap và bệ đỡ, lỗ dẫn hướng phải trùng tâm với đế xupap Để dẫn hướng được xupap và để dễ gia công sửa chữa, thay thế cũng như dùng vật liệu tốt nhằm tăng tuổi thọ, ống dẫn hướng được chế tạo rời rồi lắp vào nắp máy Ống dẫn hướng được chế tạo bằng gang CH21-40 có tổ chức peclit Bôi trơn ống dẫn hướng và xupap bằng cách tiện rãnh hứng dầu để bôi trơn bằng dầu vung tung té Ống dẫn hướng có kết cấu hình trụ được dùng do tính công nghệ đơn giản Xupap được lắp vào ống dẫn hướng theo chế độ lắp lỏng.
Hình 1.4 Ống dẫn hướng xupap
Lò xo xupap
Lò xo xupap dùng để đóng kín xupap trên đế xuap và đảm bảo chuyển động theo đúng quy luật của cam phân phối khí, do đó trong quá trình đóng mở xupap không có hiện tượng va đập trên mặt cam.
Lo xo chịu tải trọng thay đổi theo chu kỳ và chịu dao động Vật liệu chế tạo lo xo xupap thường là dây thép có đường kính 3÷5 (mm), ta chọn 3mm loại thép C65.
Kết cấu lò xo dạng xoắn ốc hình trụ Hai vòng ở hai đầu lo xo được quấn sít nhau và mài phẳng để lắp ghép, bước xoắn trên cùng của lò xo có đường kính nhỏ hơn so với các vòng còn lại có độ cứng 17,5 kN/mm.
Kết cấu lò xo xupap nạp và xupap thải là giống nhau Lò xo có tổng cộng là 10 vòng Số vòng công tác là 8 ( không kể 2 vòng đầu của lò xo) Nếu số vòng công tác của lo xo càng ít thì mỗi vòng của lò xo biến dạng càng nhiều vì vậy lò xo chịu ứng suất xoắn càng lớn. Ngược lại, nếu số vòng công tác quá nhiều, lò xo quá dài, độ cứng của lò xo giảm, tần số dao động tự do thấp dễ bị cộng hưởng, sinh va đập với mặt cam.
Con đội
Con đội là chi tiết truyền lực trung gian Kết cấu con đội bao gồm 2 phần dẫn hướng (thân con đội) và phần mặt tiếp xúc. Động cơ ta chọn loại con đội hình trụ vì loại con đội hình nấm được dùng chủ yếu trong cơ cấu phân phối khí đặt Khi dùng con đội này thì dạng cam phân phối khí phải là cam lồi Đường kính mặt tiếp xúc với cam phải có đường kính lớn để tránh hiện tượng kẹt.
Loại con đội này có kết cấu đơn giản, gọn nhẹ và dễ chế tạo. Đường kính thân con đội có kích thước bằng đường kính mặt tiếp xúc.
Mặt tiếp xúc giữa con đội thường không phải là mặt phẳng mà là mặt cong có đường kính khá lớn Làm như vậy để tránh hiện tượng mòn vẹt con đội khi mà đường tâm con đội không thẳng góc với đường tâm trục cam.
Ngoài ra để thân con đội và mặt nấm mòn đều người ta thường lắp lệch với cam một khoảng e = 1÷3 (mm) Như thế trong quá trình làm việc con đội vừa tịnh tiến vừa có thể xoay quanh trục của nó.
TRỤC CAM
Bố trí 2 trục cam trên nắp máy (DOHC): Mỗi trục cam dẫn động các Xupap cần thiết Dễ làm mát thân xupap, kết cấu đơn giản nên được sử dụng phổ biến hiện nay.
Trục cam được bố trí phía trên nắp xilanh, khoảng cách giữa trục cam và trục khuỷu là rất lớn, nếu dùng phương pháp dẫn động bằng bánh răng sẽ rất phức tạp, cơ cấu dẫn động trở nên cồng kềnh, khi làm việc sẽ có tiếng ồn, vì thế trong trường hợp này trục cam được sẽ được dẫn động bằng xích
Xích được làm bằng thép hợp kim có sức bền rất cao và khi hoạt động không gây nên tiếng ồn Loại dẫn động này có nhiều ưu điểm như: Kết cấu gọn nhẹ, có thể dẫn động được trục cam ở khoảng cách lớn Tuy nhiên dùng phương án dẫn động này giá thành cao Hơn nữa khi phụ tải và tốc độ thay đổi đột ngột xích dễ bị rung động Sau một thời gian sử dụng xích thường bị rơ gây nên tiếng ồn và làm sai lệch pha phân phối khí Để giữ cho xích luôn được căng phải dùng thêm cơ cấu căng xích Để chống rung dùng thêm bộ dẫn hướng cho xích.
Bánh răng dẫn động xích được lắp ở đầu trục khuỷu Phía đầu trục khuỷu có biên độ dao động xoắn lớn vì vậy khi lắp theo kiểu này làm cho hệ thống phân phối khí chịu dao dộng xoắn làm sai lệch pha phân phối và chịu tải trọng phụ do dao động đó gây nên Ngoài ra khi trục cam bị ảnh hưởng của dao động xoắn thì góc phun sớm hoặc góc đánh lửa sớm cũng bị ảnh hưởng Tuy vậy khi lắp bánh răng ở đuôi trục khuỷu sẽ làm cho kết cấu dẫn động trở nên phức tạp.
1 - Lò xo vấu hãm; 2 – Vấu hãm; 3 – Piston; 4 – Lò xo; 5 – Van bi; 6 – Đĩa xích dẫn động trục cam nạp; 7 – Đĩa xích dẫn động cam thải; 8 – Bộ căng xích; 9 – Đĩa xích chủ động; 10 – Xích dẫn động; 11
* Nguyên lý làm việc của bộ căng xích: Khi động cơ bắt đầu hoạt động, xích dẫn động làm việc và căng theo Trong quá trình hoạt động lâu dài các mắt xích sẽ bị mòn làm cho độ chùng của xích tăng lên vượt quá giới hạn cho phép Khi xích chùng đến giới hạn đó dầu có áp suất cao được đưa vào qua van bi Dưới áp lực dầu, piston bị ép về phía bên phải đẩy thanh dẫn hướng xích đi theo và xích được căng ra Trên piston có khía rãnh, các khía rãnh này ăn khớp với rãnh trên chốt hãm Nhờ đó piston sẽ được giữ lại tại vị trí có độ chùng cho phép khi áp lực dầu không còn tác dụng Muốn cho piston trở lại vị trí ban đầu ta nới lỏng chốt hãm cho piston
- Trục cam dẫn động trực tiếp xupáp Động cơ thiết kế gồm 2 trục cam: Trên mỗi trục cam có các cam nạp và xả Trên các trục cam có cam nạp dẫn động xupáp nạp và cam thải dẫn động xupáp thải riêng biệt, và các cổ trục Ở đầu mỗi trục cam có gắn các bánh răng dẫn động trục cam Để giảm bớt độ trượt giữa bánh răng dẫn động cam với cam ta lắp thêm vòng đệm ma sát.
- Trục cam chịu hầu hết các lực của cơ cấu phân phối khí như: lực lò xo xupáp, lực quán tính con đội, lực khí thể bắt đầu thải, chịu mài mòn,… Vì vậy đòi hỏi trục cam phải có độ cứng vững, độ bền tốt
-Trên giữa trục cam xả có gắn thêm một cam bơm cao áp.
-Vật liệu chế tạo trục cam thường là thép có thành phần cácbon thấp Các mặt làm việc của cam được thấm than và tôi cứng để giảm sự mài mòn.
- Cam chế tạo cần phải có độ đồng tâm cao Sai lệch độ đồng tâm cho phép lớn nhất là 0,03 (mm) Đường kính cổ trục cam dc = 25 (mm).
- Cam nạp và cam xả: Trên 2 trục cam, cam nạp và cam xả được bố trí liền trục nhau - Kích thước của các cam lớn hơn kích thước trục Hình dạng của cam phụ thuộc vào pha phân phối khí và quy luật đóng mở xupáp.
Hình 11 Góc pha phối khí
Hình 2: Kết cấu cam nạp và thải
- Góc công tác của cam nạp φ n 0+α1+α2
2 Với α1°, α2P° lần lượt là góc mở sớm đóng muộn của xupap nạp φ n 0+1 4+50
- Góc công tác cam thải φ t 0+β1+β2
- Chọn đường kính trục cam dc: 23 (mm)
- Độ nâng lớn nhất của cam h= h xp i với h xp là độ nâng lớn nhất của xupap, i là tỉ số truyền tỉ số truyền của cơ cấu phân phối khí, Dẫn động trực tiếp chọn i=1 Độ nâng lớn nhất của xupap nạp =7,5 Độ nâng lớn nhất của xupap nạp = 7,5 Độ nâng lớn nhất cam nạp hcn = 7,5/ 1 = 7,5 mm Độ nâng lớn nhất cam thải hct = 7,5/ 1 = 7,5 mm
Bán kính cơ sở cam Rλ= dc 2 +(0,5 ÷1)= 23 2 +1,5 mm
Bán kính cung đỉnh cam: r = Rλ− hcosφ
2 Bán kính cung đỉnh cam nạp r n =¿ 5,5 mm
Bán kính cung đỉnh cam thải r t =¿ 6,8 mm Đặt D = R+h-r
- Được ρ tại cam nạp bằng 1150 mm , ρ tại cam thải bằng
Hình 12:Dựng hình cam lồi
- Trong động cơ một hàng xilanh góc lệch đỉnh cam của hai cam cùng tên được xác định bởi thứ tự làm việc của các xilanh và chiều quay của trục cam Trong động cơ 4 kỳ góc lệch giữa hai đỉnh cam của hai xilanh làm việc kế tiếp nhau bằng nửa góc công tác k của hai xilanh ấy = k/2.
Với k = 18 0 0 τ i Trong đó: τ là số kỳ động cơ τ = 4. i là số xilanh i = 4.
- Bôi trơn trục cam bằng cách khoan đường dẫn dầu đi bôi trơn trong đường tâm trục cam Trên các cổ trục được khoang các lỗ dầu để dẫn dầu bôi trơn các cổ trục cam.
- Cổ trục và ổ trục cam:
Số cổ trục cam mỗi trục : Z = 4
Các trục cam được cố định trên nắp máy bằng các ổ trục cam. Ổ trục cam được cắt thành hai nữa, dùng bulông để bắt chặt hai nữa ổ trục.
Khi cơ cấu phân phối làm việc sẽ xảy ra sự trượt tương đối giữa bánh răng dẫn động và trục cam Điều này gây sai lệch pha phân phối khí làm giảm công suất động cơ Vì vậy trong động cơ ở mỗi đầu trục cam nạp và thải, giữa các bánh xích dẫn động và đầu trục cam còn có lắp một vòng đệm ma sát Với vòng ma sát này làm nhiệm vụ định vị bánh xích vào trục cam dễ dàng hơn, cản trở sự khi động cơ làm việc.
Hình 16: Bản vẽ chi tiết xupap
THIẾT KẾ NHÓM THÂN MÁY NẮP MÁY
THÂN MÁY
Phân tích kết cấu và xác định kích thước của thân máy:
2.1 Yêu cầu và điều kiện làm việc:
-Chịu nhiêṭ đô ̣cao trong quá trình làm viêc ̣
- Chịu rung đôṇg có chu kỳ trong quá trình làm viêc ̣
- Chịu mài mòn (đối với loaị thân máy có xy lanh đúc liền)
- Phải đảm bảo bố trí đươc ̣ cái hê ̣thống: hê ̣thống phát lưc ̣ , hê ̣thống làm mát, hê ̣ thống bôi trơn và hê ̣thống phối khí
- Có rất nhiều mối lắp ghép với các chi tiết khác nên phải chịu ứng suất lắp ghép có độ dôi, lực xiết ban đầu với các nối ghép bu-lông
- Nhiệt độ cao cũng sinh ra ứng suất nhiệt tại các vị trí lắp ghép và giữa mặt trên và dưới của nắp quy lát vì chênh lệch nhiệt độ lớn.
- Chịu tải trọng động do lực khí thể sinh ra, có thể phải chịu thêm tải trọng cục bộ do các điều kiện làm việc khác nhau : Xe di chuyển trên mặt đường xấu, các máy xây dựng, xe chuyên dùng làm việc trong điều khị khắc nghiệt…
- Tham gia vào quá trình bôi trơn, làm mát của nhiều chi tiết khác trên động cơ thông qua các lỗ dầu, lỗ nước, áo nước, cánh tản nhiệt …
- Kết cấu đơn giản, dễ chế taọ và bảo trì sửa chữa
- Đảm bảo bao kín buồng cháy và xy lanh, không gây mất áp dẫn đến hao tổn công suất
- Vật liệu có cơ tính tốt chịu được tải trọng lớn, nhiệt độ cao, chịu mài mòn
- Đảm bảo bôi trơn, làm mát tốt
- Đảm bảo bao kín, tránh rò rĩ khí, nước làm mát, dầu bôi trơn
- Kế cấu gọn nhẹ, dể gia công
- Dể dàng tháo lắp và sửa chửa
- Tuổi thọ cao, độ bền ổn định
- Dể dàng tháo lắp, bảo trì, bảo dưỡng, phụ tùng thay thế và điều chỉnh các cơ cấu bên trong
- Có khối lượng nhỏ, gọn
- Mẫu mã đẹp, đảm bảo tính thẩm mĩ
-Thân máy là cụm chi tiết dùng để lắp các cơ cấu và các cơ cấu của động cơ -Cùng với Piston trong hệ thống phát lực và nắp máy tạo thành buồng cháy -Đồng thời là bộ phận dẫn hướng chuyển động Piston đảm bảo Piston khi chuyển đổi hướng ít bị xê dịch
- Thân máy động cơ là nơi lắp đặt hầu hết các cụm chi tiết của động cơ đốt trong Cụ thể trên đó được bố trí xy lanh, hệ trục khuỷu cùng các bộ phận truyền động để dẫn động các cơ cấu và hệ thống khác khác như bơm dầu, bơm nhiên liệu, bơm nước, trục cam, quạt gió…
- Thân máy động cơ 1NZ-FE được đúc bằng hợp kim nhôm
- Hợp kim nhôm được sử dụng cho thân máy thường là JIS-AC4B, có độ dẫn nhiệt là 150W/(m.K) Gang có độ dẫn nhiệt thấp hơn 50W/(m.K) Do đó độ dẫn nhiệt của nhôm gấp ba lần so với gang Vì tỷ trọng bằng 1:3 so với gang nên hợp kim nhôm mang lại hiệu suất làm mát cao với trọng lượng nhẹ hơn
- Thân máy động cơ 1NZ-FE là loại thân máy có xy lanh đúc liền với thân máy thành một bộ phận thống nhất gọi là thân xy lanh
- Thân máy được đúc bằng hợp kim nhôm Nhược điểm là mềm và khả năng chống mài mòn là thấp, để giải quyết vấn đề này nên các khối xilanh thường đúc với 1 lớp lót bằng gang Trong quá trình đúc, Nhôm nóng chảy được đổ vào khuôn đã đặt sẵn một lớp lót bằng gang.
- Các đường dẫn nước đã được cung cấp giữa các lỗ xy lanh Bằng cách cho phép chất làm mát động cơ chảy giữa các lỗ xy lanh, cấu trúc này cho phép giữ nhiệt độ của thành xy lanh đồng đều
Hình 5.2 : Thân máy 1NZ-FE
- Các đường dẫn khí thôi được cung cấp trong cacte
- Các đường xả dầu được cung cấp trong cacte Điều này ngăn trục khuỷu trộn dầu động cơ, làm giảm lực cản quay
2.3 Thông số cơ bản để thiết kế thân máy:
-Chiều dài thân máy: L= 510 mm
-Chiều rộng thân máy: B= 350 mm
- Đường kính xy lanh: D = 92 mm
- Khoảng cách tâm giữa 2 piston liên tiếp lx 7 mm
- Bán kính trục chính của trục khuỷu:R = 30 mm
- Bán kính quay của trục khuỷu: R = 85 mm
Hình 5.3: Mặt cắt thân máy
-Tính sức bền của bulong lắp ghép xy lanh hoặc thân máy với hộp trục khuỷu: + Các bulong này chịu lực khí thể nên cần tính toán ứng suất kéo của bulong, để đảm bảo khi siết bulong phải chặt không bị hở
+ Ứng suất kéo của bulong được xác định theo công thức:
+ Trong đó: + k: hệ số siết chặt bulong
+ G: là trong lương của thân máy
+ f: diện tích nhỏ nhất của phần ghép bulong
+ Ứng suất cho phép: Đối với bulong bằng thép cacbon:
[ σk] = 60 MN/mk] = 60 MN/m² (600 kg/cm²) Đối với bulong bằng thép hợp kim:
[ σk] = 60 MN/mk] = 80 MN/m² (800 kg/cm²)
- Nắp máy là cụm chi tiết để lắp các cơ cấu của động cơ, các trục cam đều được phân bố trên đầu nắp máy, lắp đặt kim phun thành cửa nạp được tối thiểu hóa và tính kinh tế nhiên liệu được nâng cao Áo nước được lắp đặt giữa cửa thải và lỗ bugi trên nắp máy để giữ nhiệt độ đồng đều cho buồng cháy, điều này nâng cao chất lượng làm mát cho buồng cháy và khu vực xung quanh bugi.
- Tạo thành buồng cháy kín trong động cơ, nắp máy kết hợp với xy lanh và piston hình thành buồng cháy trong động cơ.
- Tạo ra đường nạp, thải, kết hợp với cơ cấu phân phối khí để nạp đầy hòa khí và thải sạch.
2.1.2 Vật liệu chế tạo nắp máy.
- Nắp máy động cơ GS4-023 được đúc bằng hợp kim nhôm.
- Hợp kim nhôm có ưu điểm nhẹ, tản nhiệt tốt, giảm được khả năng kích nổ.
- Nắp máy động cơ được thiết kế 16 bệ đỡ con đội và 16 bệ đỡ chắn chặn dưới để tạo một góc nghiêng công tác của xupap là 30 độ.
- Nắp máy có lỗ để lắp 4 vòi phun và vị trí lắp vị trí cảm biến vị trí trục cam để xác định vị trí trục cam cho bộ VVT – i, hiệu chỉnh ở những dải tốc độ khác nhau của động cơ.
-Mặt tiếp xúc buồng cháy được thiết kế hình nón để tăng thể tích buồng cháy và diện tích chịu nhiệt khi cháy.
- Nắp máy có 3 trục rỗng đâm xuyên nắp máy xuống buồng và tạo ren ở gần buồng cháy là nơi lắp IC + Bobin.
- Vị trí lắp trục cam được thiết kế với với 5 gối đỡ trục cam và được lắp ghép với nhau thông qua buong.
- Nắp máy có những áo nước để tản nhiệt và giữ nhiệt độ đồng đều trong buồng cháy.
- Các đường dầu trong nắp máy để dẫn dầu bôi trơn đến các cổ trục cam và các buồng sớm và muộn cả bộ VVT-i, dẫn dầu đi bôi trơn các biên dạng cam nơi tiếp xúc với con đội bằng những giàn dầu bôi trơn biên dạng cam.
2.2 Các thông số cơ bản của nắp máy thiết kế.
Chiều dài nắp máy L 469m m Chiều dài tổng thể nắp máy L’ 513m m Chiều rộng nắp máy lắp với thân B 184m m Chiều rộng tổng thể nắp máy B’ 259m m Đường kính xy lanh D 92m m Khoảng cách 2 tâm xy lanh lx 107m m Đường kính họng nạp Dn 32m m Đường kính họng thải Dt h
Chiều cao nắp máy hn 142m m Chiều cao nắp giàn cò hg c
87m m Chiều cao tổng thể nắp máy h’ 229m m
Chi tiết nắp máy được thiết kế:
Hình 5.4 Hình chiếu đứng nắp máy
1-Đĩa xích chủ động bộ VVT-i – Cam nạp, 2 – Phớt chắn dầu bộ VVT-i, 3-Chốt khóa bộ VVT-i, 4 – Khoang dầu muộn, 5- Nắp dầu, 6- Giàn dầu bôi trơn biên dạng cam, 7- Cam nạp, 8 –Cam thải, 9- Van PCV, 10 – Cảm biến vị trí trục cam nạp 11 – Ống nước, 12 – Bugi, 13
1-Nắp máy, 2-Áo nước, 3- Họng thải,4-Nhóm xupap thải, 5-Cam thải,6-Nắp giàn cò, 7- IC+Bobin,8-Cam nạp,9- Nhóm xupap nạp, 10-
