Thiết kế cụm chi tiết trong Động cơ Đốt trong

Động cơ đốt trong là loại động cơ chuyển hóa năng lượng hóa học từ nhiên liệu thành năng lượng cơ học thông qua quá trình đốt cháy. Quá trình này diễn ra trong các xi-lanh, nơi nhiên liệu được hòa trộn với không khí, nén và đốt cháy để tạo ra áp suất cao. Áp suất này đẩy piston chuyển động, từ đó tạo ra công suất cơ học để vận hành máy móc. Động cơ đốt trong có nhiều ứng dụng trong đời sống, từ ô tô, xe máy đến máy phát điện và các thiết bị công nghiệp. Dù hiệu suất cao và khả năng tạo ra công suất lớn, động cơ đốt trong cũng đối mặt với những thách thức về ô nhiễm môi trường và tiêu thụ nhiên liệu, thúc đẩy sự phát triển của các công nghệ động cơ xanh và năng lượng tái tạo.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN MÔN HỌC: Thiết kế đồ án

Thiết kế cụm chi tiết piston, trục khuỷu, thanh truyền trong

động cơ đốt trong của ô tô

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI

TÊN MÔN HỌC : ĐỒ ÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ Ô TÔ NGÀNH: CÔNG NGHỆ KĨ THUẬT Ô TÔ

1 Họ và tên sinh viên/ nhóm sinh viên được giao đề tài (sĩ số trong nhóm……):

2 Tên đề tài : Thiết kế cụm chi tiết piston, trục khuỷu, thanh truyền trong động cơ đốt trong của ô tô

3 Các dữ liệu ban đầu : Nhóm tự chọn các thông số về kích thước, khối lượng các chi tiết phù hợp với đề tài

4 Nội dung nhiệm vụ :

Tìm hiểu tổng quan về đề tài

Trình bày cơ sở lý thuyết

Tính toán các yêu cầu kỹ thuật

Thực hiện mô hình 3D, bản vẽ 2D

Kết luận và hướng phát triển

5 Kết quả tối thiểu phải có: 1) 01 Báo cáo đề tài

2) 03 Bản vẽ kỹ thuật

3)

4)

Ngày giao đề tài: ……./…… /……… Ngày nộp báo cáo: ……./…… /………

Sinh viên thực hiện (Ký và ghi rõ họ tên các thành viên) TP HCM, ngày … tháng … năm ……

Giảng viên hướng dẫn

(Ký và ghi rõ họ tên)

VIỆN KỸ THUẬT HUTECH

PHIẾU THEO DÕI TIẾN ĐỘTHỰC HIỆN ĐỒ ÁN MÔN HỌC & ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THỰC HIỆN

TÊN MÔN HỌC: ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ Ô TÔ NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

Tên đề tài: Thiết kế cụm chi tiết piston, trục khuỷu, thanh truyền trong động cơ đốt trong

của ô tô

1 Giảng viên hướng dẫn: Sinh viên/ nhóm sinh viên thực hiện đề tài (sĩ số trong

nhóm:3):

(Giảng viên hướng dẫn ghi)

Tuần Ngày Nội dung thực hiện Kết quả thực hiện của sinh viên

(Giảng viên hướng dẫn ghi)

Cách tính điểm:

Điểm quá trình = 0.5 x Tổng điểm tiêu chí đánh giá + 0.5 x điểm báo cáo ĐA MH

Lưu ý: Tổng điểm tiêu chí đánh giá về quá trình thực hiện đồ án; Điểm báo cáo bảo vệ đồ án môn học; Điểm quá trình (Ghi theo thang điểm 10)

Họ tên sinh viên Mã số SV

Tiêu chí đánh giá về quá trình thực hiện đồ

án

Tổng điểm tiêu chí đánh giá về quá trình thực hiện đồ án (tổng 2 cột điểm 1+2) 50%

Điểm báo cáo bảo

vệ đồ án môn học (50%)

Điểm quá trình = 0.5*tổng điểm tiêu chí + 0.5*điểm báo cáo

Tính chủ động, tích cực, sáng tạo (tối đa 5 điểm)

Đáp ứng mục tiêu

đề ra (tối đa 5 điểm)

Ghi chú: Điểm số nếu có sai sót, GV gạch bỏ rồi ghi lại điểm mới kế bên và ký nháy vào phần điểm chỉnh sửa.

TP HCM, ngày … tháng … năm ……….

Sinh viên thực hiện

(Ký và ghi rõ họ tên các thành viên)

Giảng viên hướng dẫn

(Ký và ghi rõ họ tên)

Mục lục

Chương 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 1

1.3 NỘI DUNG ĐỀ TÀI 1

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1

1.5 KẾT CẤU CỦA ĐỒ ÁN 1

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

2.1.CÔNG DỤNG CHUNG 3

2.2.CẤU TẠO CƠ CẤU THANH TRUYỀN TRỤC KHUỶU 4

2.2.1 Piston 4

2.2.1.1 Cấu tạo piston 5

2.2.2 Thanh Truyền 6

2.2.2.1 Cấu tạo thanh truyền 6

2.2.3 Trục khuỷu 7

2.2.3.1 Cấu tạo trục khuỷu 8

2.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 9

Chương 3: Tính toán thiết kế 11

3.1 TÍNH TOÁN CÁC QUẤ TRÌNH CÔNG TÁC 11

3.1.1 Tính toán quá trình nạp 11

3.1.1.1 Hệ số khí sót r 11

3.1.1.2 Nhiệt độ cuối quá trình nạp Ta 11

3.1.1.3 Hệ số nạp 11

3.1.1.4 Lượng không khí lí thuyết cần để đốt cháy 1kg nhiên liệu M 0 : 11

3.1.1.5 Lượng khí nạp mới M 1 12

3.1.1.6 Lượng sản vật cháy M 2 12

3.1.2 Tính toán quá trình nén 12

3.1.2.1.Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của không khí: 12

3.1.2.2 Chỉ số nén đa biến trung bình n 1 : 12

3.1.2.3 Áp suất cuối quá trình nén P c 12

3.1.2.4 Nhiệt độ cuối quá trình nén T c 13

3.1.3 Tính toán quá trình cháy 13

3.1.3.1 Hệ số thay đổi phân tử lí thuyết β 0 13

3.1.3.2 Hệ số thay đổi phân tử thực tế β 13

3.1.3.3 Hệ số thay đổi phân tử thực tế tại điểm z β z .13

3.1.3.4 Nhiệt độ tại điểm z T z 13

3.1.3.5 áp suất tại điểm z P z 14

3.1.4 Tính toán quá trình giãn nở 14

3.1.4.1 Hệ số giãn nở sớm  14

3.1.4.2 Hệ số giãn nở sau  14

3.1.4.3 Áp suất cuối quá trình giãn nở Pb 14

3.1.4.4.Tính nhiệt độ cuối quá trình giản nở T b : 14

3.1.5 Tính toán các thông số chu trình công tác 15

3.1.5.1 Áp suất chỉ thị trung bình p i 15

3.1.5.2 Áp suất chỉ thị trung bình thực tế p i 15

3.1.5.3 Hiệu suất chỉ thị i 15

3.1.5.4 Hiệu suất có ích e 15

3.1.5.5 Áp suất có ích trung bình p e 15

3.1.5.6 Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị g i .15

3.1.5.7 Suất tiêu hao nhiên liệu g e 16

3.2 KẾT CẤU ĐỘNG CƠ 16

3.2.1 Kiểm nghiệm đường kính xy lanh D 16

3.1.1 Lực quán tính 16

3.1.2 Xác định lực tiếp tuyến, lực pháp tuyến và lực ngang N 16

3.1.3 Chuyển vị piston x 17

3.1.4 Tốc độ piston V p 17

3.1.5 Gia tốc piston Jp 17

Chương 4: Thi công mô hình/mô phỏng 18

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển 21

TÀI LIỆU THAM KHẢO 22

Chương 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ:

Lý do chọn đề tài : vì động cơ đốt trong đóng vai trò vô cùng quan trọng trong đờisống cũng như hoạt động sản xuất của con người Đặc biệt là sự phát triển của ngành giaothông vận tải và ngành công nghiệp chế tạo máy móc

1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI:

Mục tiêu của nhóm là giúp các bạn sinh viên hiểu hơn về kết cấu, công dụng,nguyên lý hoạt động và ứng dụng vào cuộc sống của động cơ đốt trong

1.3 NỘI DUNG ĐỀ TÀI:

Tuần 1: Giao đề tài

Tuần 2: Phân tích và lấy số liệu chi tiết thiết kế

Tuần 3: Lên kế hoạch, quy trình thiết kế chi tiết

Tuần 4: Tính toán và thiết kế sơ bộ hệ thống

Tuần 5, 6: Thiết kế chi tiết theo quy trình đã vạch ra

Tuần 7, 8: Hoàn chỉnh bản vẽ thiết kr61 2D gồm 3 hình chiếu và mặt cắt

Tuần 9: Chỉnh sửa bản vẽ thiết kế 2D (nếu cần)

Tuần 10: Hoàn chỉnh đồ án Đóng thành cuốn cho giảng viên ký duyệt để tiến hành bảo

vệ đồ án

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:

Thông thập thêm thông tin và tài liệu từ mạng xã hội như Google, Facebook,YouTube,

1.5 KẾT CẤU CỦA ĐỒ ÁN:

Gồm có 5 chương:

Chương 1: Giới thiệu đề tài

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

1

Chương 3: Tính toán thiết kế.

Chương 4: Thi công mô hình/mô phỏng.Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

2

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1.CÔNG DỤNG CHUNG:

Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền là một bộ phận có cơ chế phức tạp, chúng được kếthợp một cách hoàn hảo nhằm biến đổi các dạng chuyển động và là cơ cấu chiếm diện tíchlớn, được xem là thành phần chính cấu tạo nên động cơ dùng để biến chuyển động tịnhtiến của pít tông thành chuyển động quay của trục khuỷu khi động cơ làm việc

Chức năng chính của thanh truyền là kết nối giữa piston và trục khuỷu, có nhiệm

vụ truyền đồng thời biến hoạt động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trụckhuỷu

Khi hoạt động, chịu sự tác động của lực quán tính và lực khí cháy, những lực nàybiến hoá chu kỳ cả về hướng và trị số nên thanh truyền rất dễ bị xoắn và cong do chịunén, chịu kéo và chịu uốn

Hình 1.1: Cơ cấu cấu tạo phân trên piston, thanh truyền

3

2.2.CẤU TẠO CƠ CẤU THANH TRUYỀN TRỤC KHUỶU:

Gồm 3 thành phần chính gồm: Piston, thanh truyền và trục khuỷu

Hình 2.1: Cấu tạo cơ cấu thanh truyền trục khuỷu

- Ba thành phần này hoạt động theo một quy trình định sẵn và liên quan chặt chẽ với nhau

- Piston là bộ phận đảm nhận vai trò tạo ra lực đẩy cho toàn bộ chiếc xe Chuyển độngcủa nó là chuyển động lên xuống theo một đường thẳng hay còn gọi là chuyển động tịnhtiến Tuy nhiên để một chiếc xe có thể vận hành được thì phải dựa vào chuyển động quaycủa bánh xe Lực này được sinh ra bởi trục khuỷu Thanh truyền là bộ phận trung gian cóvai trò chuyển đổi chuyển động tịnh tiến từ Pitson thành chuyển động quay tròn của trụckhuỷu

2.2.1 Piston:

Piston (còn được gọi là quả piston hay trái piston) là một bộ phận của động cơ,máy bơm dạng piston, máy nén khí hoặc xi lanh hơi

4

- Đối với động cơ đốt trong, piston có nhiệm vụ cùng với xi lanh và nắp máy tạo thànhbuồng đốt Piston nhận áp suất do sự giãn nở của khí cháy rồi truyền lực cho trục khuỷu

để sinh công trong quá trình nổ và nhận lực từ trục khuỷu để thực hiện các quá trình nạp,nén và thải (động cơ đốt trong 4 kì), ở động 2 kì piston còn thực hiện chức năng làm vanđóng mở cửa hút và cửa xả

- Trong máy bơm, piston làm nhiệm vụ đẩy, hút chất lỏng

2.2.1.1 Cấu tạo piston:

Cấu tạo Piston gồm 3 phần chính là: đỉnh piston, đầu piston và thân piston

Hình 2.2: Cấu tạo Piston

- Đỉnh piston: Lại phân làm 3 dạng : đỉnh lõm, đỉnh lồi và đỉnh bằng mỗi loại lại mang

tới ưu điểm và chức năng riêng

Đỉnh bằng thường được sử dụng với động cơ chạy dầu Diezel dạng buồng cháyxoáy lốc lốc do có thiết kế khá đơn giản Diện tích chịu nhiệt tương đối nhỏ

5

Đỉnh lồi sử dụng nhiều với loại động cơ chạy xăng 2 và 4 kỳ do nó có diện tíchchịu nhiệt lớn, thiết kế mỏng, nhẹ cùng sức bền lớn.

Đỉnh lõm pitson dạng này được sử dụng cho cả 2 loại động cơ chạy xăng và dầuDiezel Nhược điểm của nó là sức bền cơ khí kém, ưu điểm là không gian chịu nhiệt lớnhơn so với pitson đỉnh bằng

- Đầu piston: Bao kín khoang buồng đốt Trên thân được tạo các rãnh, mục đích của nó

để lắp các xec măng dầu và xec măng khí Xéc măng là màng ngăn cách ngăn không chokhông khí tràn vào cate và dầu bôi trơn chảy vào buồng cháy

- Thân pitson: Là khoảng hành trình mà xi lanh di chuyển Xi lanh sẽ di chuyển nên

xuống trong khoảng thân giới hạn này Thanh truyền sẽ được liên kết với piston tại vị trínày qua các lỗ khoan chốt

2.2.2 Thanh Truyền:

Thanh truyền (tiếng Anh: connecting rod), hay còn gọi là biên, tay biên, tay dên (từtiếng Pháp: bielle), là một bộ phận của động cơ piston , có nhiệm vụ kết nối piston vớitrục khuỷu Thanh truyền kết hợp cùng với tay quay (khuỷu) biến đổi chuyển động tịnhtiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu Thanh truyền chịu lực nén và lựckéo từ piston và quay ở hai đầu

Tiền thân của thanh truyền là cơ cấu liên hợp cơ học dùng trong các cối xay nước

Cơ cấu liên hợp này biến đổi chuyển động quay của bánh xe nước thành chuyển động tịnhtiến.Thanh truyền được dùng chủ yếu trong các động cơ đốt trong hoặc động cơ hơi nước

2.2.2.1 Cấu tạo thanh truyền:

Thanh truyền được cấu tạo nên từ 3 phần gồm: đầu nhỏ, đầu to và thân

6

Hình 2.3: Cấu tạo thanh truyền

+ Đầu nhỏ là khối trụ tròn, nó được liên kết với Piston qua một thanh chốt Tại nơi tiếpxúc sẽ được bọc một lớp bạc mỏng giúp hạn chế độ ma sát nâng cao tuổi thọ của nó + Đầu to gắn vào trục khuỷu thiết kế của nó thường được chia làm 2 để thuận lợi choquá trình lắp đặt và sửa chữa Hai nửa được ghép với nhau nhờ chốt ốc bu lông

+ Thân là đoạn kim loại gắn kết giữa hai đầu của thanh truyền

2.2.3 Trục khuỷu:

Trục khuỷu là một phần của động cơ dùng để biến đổi chuyển động tịnh tiến củapiston thành chuyển động quay Nó nhận lực từ piston để tạo ra mô men quay sinh côngđưa ra bộ phận công tác và nhận năng lượng từ bánh đà truyền lại cho piston để thực hiệncác quá trình sinh công Trong quá trình làm việc, trục khuỷu chịu tác dụng của lực khíthể, lực quán tính và lực quán tính ly tâm Có hai loại trục khuỷu là trục khuỷu nguyên vàtrục khuỷu ghép

7

2.2.3.1 Cấu tạo trục khuỷu:

Cấu tạo nên trục khuỷu gồm 6 phần bao gồm : Đầu trục khuỷu, cổ trục khuỷu, chốtkhuỷu, má khuỷu, đối trọng, đuôi trục khuỷu

Hình 2.4: Cấu tạo trục khuỷu

1 Đầu trục khuỷu 4 Má khuỷu

2 Chốt khuỷu 5 Đối trọng

3 Cổ khuỷu 6 Đuôi trục khuỷu

- Đầu trục khuỷu thường được lắp vấu để khởi động hoặc để quay, puly dẫn động quạtgió, bơm nước, các bánh răng dẫn động trục cam,… Nó có thể được lắp thêm bộ giảmchấn xoắn

- Cổ trục khuỷu ở các động cơ đa số có cùng một đường kính Nó thường được làmrỗng để chứa dầu bôi trơn, các bánh răng dẫn động trục cam,… Nó có thể được lắp thêm

bộ giảm chấn xoắn

- Chốt khuỷu là bộ phận để lắp với đầu to thanh truyền, được gia công chính xác có độbóng cao và được nhiệt luyện để nâng cao độ cứng như cổ trục Số chốt khuỷu bao giờcũng bằng số xi lanh động cơ (động cơ một hàng xi lanh) Đường kính chốt khuỷu thườngnhỏ hơn đường kính cổ trục, nhưng cũng có những động cơ cao tốc, do lực quán tính lớnnên đường kính chốt khuỷu có thể làm bằng đường kính cổ trục để tăng độ cứng vững -Cũng như cổ trục, chốt khuỷu có thể làm rỗng để giảm trọng lượng trục khuỷu và chứadầu bôi trơn, đồng thời các khoang trống còn có tác dụng lọc dầu bôi trơn

8

- Đa số má khuỷu có hình dạng elip để phân bố ứng suất được hợp lý nhất Nó là bộphận nối liền cổ trục và cổ chốt

- Đối trọng có tác dụng nhằm cân bằng các lực và mô men quán tính không cân bằngcủa động cơ Nó còn có tác dụng giảm tải cho ổ trục, và là nơi khoan bớt các khối lượngthừa khi cân bằng trục khuỷu Nó có thể được chế tạo liền với má khuỷu hoặc làm rời sau

đó hàn hoặc bắt bu long với má khuỷu

- Đuôi trục khuỷu: Đây là nơi truyền công suất ra ngoài Trên đuôi của nó có lắp mặtbích để lắp bánh đà

2.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG:

Nguyên lý hoạt động của động cơ đốt trong là hỗn hợp không khí và nhiên liệu,được đốt trong xilanh của động cơ trong sinh ra nhiệt Nhiệt độ cao sẽ giúp cho khí đốtgiãn nở tạo ra áp suất tác dụng lên piston đẩy cho piston di chuyển

Hiện nay, có nhiều loại động cơ đốt trong khác nhau Các động cơ này đều hoạtđộng theo một chu kỳ làm việc động cơ 4 kỳ: nạp, nén, đốt và xả

Hình 3.1: Nguyên lý hoạt động của động cơ đốt trong

9

- Kỳ 1: Kỳ nạp

Ở kỳ này van nạp được mở và van xả đóng lại Piston chuyển động xuống dưới lanh tạo nên một khoảng trống trong xi-lanh để chứa nhiên liệu phun sương từ bộ chế hòakhí

xi Kỳ 2: Kỳ nén

Lúc này van nạp và van xả đều được đóng lại, piston chuyển động lên trên xi-lanh,nén hỗn hợp khí và xăng Trước khi piston chạm vào điểm chết trên của xi-lanh Bộ phậnđánh lửa sẽ đốt cháy hỗn hợp xăng ở dạng hơi và không khí (hòa khí)

- Kỳ 3: Kỳ nổ

Trong kỳ này cả hai van vẫn tiếp tục đóng Piston sẽ chuyển động đến điểm chếttrên của xi-lanh Khí được tạo ra từ việc đốt cháy hòa khí nổ một cách nhanh chóng.Piston lại chuyển động xuống dưới xi-lanh Sự chuyển động này thực hiện nhờ vàochuyển động quay của trục khuỷu và thanh truyền được nối cùng nhau Áo nước bọc bênngoài thân xi-lanh giúp làm giảm nhiệt độ do lượng nhiệt phát ra trong quá trình đốt cháy,động cơ sẽ được làm mát

- Kỳ 4: Kỳ xả

Lúc này van xả được mở, van nạp vẫn đóng Piston chuyển động lên trên xi-lanhđẩy khí thải ra ngoài thông qua van xả Van xả đóng muộn sau điểm chết trên 10-30 độgóc quay trục khuỷu, lợi dụng quán tính dòng khí thải tăng khả năng thải sạch Cũng nhờ

đó van nạp được mở sớm hơn Cuối kỳ xả, trong khoảng thời gian nào đó cả hai van xả vàvan nạp cùng mở

Khi bốn kỳ được hoàn tất và động cơ lại tiếp tục thực hiện chu trình mới

10

Chương 3: Tính toán thiết kế.

3.1 TÍNH TOÁN CÁC QUẤ TRÌNH CÔNG TÁC

0,09.

1

8,2.1,03−1,15.1.¿ ¿ = 0,0742

❑r nằm trong khoảng giá trị 0,05 - 0,15

3.1.1.2 Nhiệt độ cuối quá trình nạp Ta

0,090,1 .[8,2 1,03−1,15 1.(0,090,11)1,51 ]

= 0,836

Lượng không khí lí thuyết cần để đốt cháy 1kg nhiên liệu M0 được tính toán theo công thức:

Chỉ số nén đa biến trung bình n1 được xác định bằng cách giải phương trình:

3.1.2.3 Áp suất cuối quá trình nén P c :

Được xác định theo công thức:

3.1.3 Tính toán quá trình cháy:

3.1.3.1 Hệ số thay đổi phân tử lí thuyết β 0 :

χ z=ξ z

ξ b=

0,80,9=0,889

Với động cơ xăng ta có: ρ =1

3.1.4.2 Hệ số giãn nở sau  :

Ta có hệ số giãn nở sau  được xác định theo công thức:

 = ❑❑Với động cơ xăng:     8,2

Áp suất cuối quá trình giãn nở Pb được xác định trong công thức:

Pb = P z

❑n2 = 5,45

8,21,23 = 0,409 (MPa)

Nhiệt độ cuối quá trình giản nở được tính theo công thức:

Tb = T z

❑n2 −1 = 2525,3

8,21,23−1 = 1556,4 (K)Kiểm nghiệm nhiệt độ khí sót:

Điều kiện: Tr ≤ 10% Tr

Tr = Tb(P r

P b)

m−1 m

= 1556,4.( 0,11

0,409)

1,5−1 1,5 = 1000 (K)