Đồ Án Môn Học Động Cơ Đốt Trong Tinhs Toán Thiết Kế Trục Khuỷu Và Thân Máy.pdf

3.1.3 Động lực học cơ cấu trục khuỷu3.1.4 Tính toán thiết kế trục khuỷu 2.1.1.2 Điều kiện làm việc Trong quá trình động cơ làm việc, trục khuỷu chịu lực tác dụng rất phứctạp: + Lực khí

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN MÔN HỌC: ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

TINHS TOÁN THIẾT KẾ TRỤC KHUỶU VÀ THÂN MÁY

Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

Giảng viên hướng dẫn: PHAN QUỐC MINH

Sinh viên thực hiện: Dương Ngọc Thiện MSSV: 2182505188

Lớp: 21DOTC4Sinh viên thực hiện: Phạm Đỗ Quốc Nam MSSV: 2182505008 Lớp: 21DOTC4Sinh viên thực hiện: Đồng Hữu Phúc MSSV: 2182505331 Lớp: 21DOTC4

LỜI MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của thời đại, cuộc cách mạng công nghiệp

“4.0”, sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã không ngừng thúc đẩy việctìm tòi nghiên cứu Việc áp dụng những thành tựu khoa học kỹ thuậtvào ngành công nghiệp nói chung cũng như ngành công nghệ chế tạomáy nói riêng, đã đạt được những kết quả to lớn, đặc biệt là lĩnh vựcđiện tử đóng vai trò quan trọng trong cuộc đổi mới của ngành côngnghiệp này

Có thể nói sự phát triển của ngành công nghệ chế tạo máy cùng vớiquá trình đẩy mạnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa của Đất nước Nhucầu về lực lượng kỹ sư có tay nghề thực tế cao ra vô cùng lớn Ngoài ra,việc đầu tư các cơ sở sản xuất lớn của các tập đoàn kinh tế, các công tynước ngoài tại Việt Nam mà chủ yếu đến từ: Nhật Bản, Hàn Quốc,Trung Quốc… đã khiến cho ngành công nghệ chế tạo máy đang có tốc

Trong quá trình thực hiện đề tài mặc dù gặp không ít những khó khănnhững được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của các thầy trong viện kỹthuật và đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của thầy Phan Quốc Minh vàcác bạn sinh viên, em đã từng bức hoàn thiện được đề tài mình đượcgiao đúng thời gian quy định Đến nay đồ án của em đã hoàn thành cácmục tiêu đề ra theo đúng thời gian quy định

Do còn nhiều hạn chế về thời gian cũng như kiến thức chuyên môn Em

đã cố gắng hết sức để hoàn thành đề tài vì vậy vẫn không tránh khỏinhững khuyết điểm và hạn chế Em rất mong nhận được sự đóng góp ýkiến từ các quý thầy cô trong viện kỹ thuật để đề tài của em được hoànthiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

TP.Hồ Chí Minh, ngày 10, tháng 10, năm 2023

Sinh viên thực hiện

MỤC LỤC CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ TRỤC KHUỶU VÀ THÂN MÁY

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA TRỤC KHUỶU VÀ THÂN MÁY

2.1 TRỤC KHUỶU

2.1.1 Nhiệm vụ, điều kiện làm việc và yêu cầu của trục khuỷu

2.1.1.1 Nhiệm vụ

2.1.1.2 Điều kiện làm việc

2.1.1.3 Yêu cầu đối với trục khuỷu

3.1.1 Thông số động cơ đốt trong

3.1.2 Thông số trục khuỷu tính toán

3.1.3 Động lực học cơ cấu trục khuỷu

3.1.4 Tính toán thiết kế trục khuỷu

2.1.1.2 Điều kiện làm việc

Trong quá trình động cơ làm việc, trục khuỷu chịu lực tác dụng rất phứctạp:

+ Lực khí thể

+ Lực quán tính chuyển động tịnh tiến của nhóm piston – thanh truyền.+ Lực quán tính chuyển động quay của đầu to thanh truyền và củachính trục khuỷu Những lực này có cường độ thay đổi làm cho trụckhuỷu bị va đập; gây cho trục khuỷu ứng suất kéo, nén, uốn, xoắn; gây

ra dao động dọc và dao động xoắn làm động cơ rung động, mất cânbằng

- Ma sát trên bề mặt cổ trục lớn gây làm các cổ trục bị mài mòn Khithiếu dầu bôi trơn sẽ sinh nhiệt rất lớn làm hỏng bề mặt cổ trục.

2.1.1.3 Yêu cầu đối với trục khuỷu

dùng các loại thép 40XH, 20XHMA, 18XHMA,

Đối với các loại động cơ tốc độ cao, động cơ cường hoá, động cơ ô tô - máy kéo có thể dùng thép 30XMA, 40XH, 50XHMA, 25XH4BA,

2.1.3.1 Phân loại

Theo hình thức kết cấu ta có thể chia trục khuỷu thành:

+ Trục khuỷu nguyên: là trục mà các bộ phận cổ trục, má khuỷu, đốitrọng, làm liền với nhau thành một khối

+ Trục khuỷu ghép: các bộ phận của trục được làm rời sau lắp ghép lạivới nhau hoặc trục khuỷu được làm thành một số đoạn rồi ghép lại vớinhau bằng các mặt bích

2.1.3.2 Các bộ phận cấu tạo trục khuỷu

Ngoài ra, bộ phận này còn có kết cấu hạn chế di chuyển dọc trục Các bề mặt đầu của cổ trục khi di chuyển dọc trục sẽ tỳ vào các tấm chắn hợp kim chịu mòn.

* Cổ trục

Cổ trục có hình trụ, là trục quay chính của trục khuỷu Đây là bộ phận được gia công và xử lý bề mặt có độ cứng và độ bóng cao Số cổ trục có thể nhiều hơn hoặc ít hơn số xi lanh động cơ

Phần lớn các động cơ có đường kính các cổ trục khác nhau Nhưng một số động cơ cỡ lớn, đường kính cổ trục lớn dần từ đầu đến đuôi trục

Ngoài ra, cổ khuỷu thường có cấu tạo rỗng để làm rãnh dẫn dầu bôi trơn đếncác cổ và chốt khác của trục

* Chốt khuỷu( cổ biên )

Chốt khuỷu là bộ phận được gắn với đầu to thanh truyền Số chốt khuỷu luônbằng số xi lanh động cơ Đường kính của bộ phận này cũng thường nhỏ hơn đường kính cổ trục Nhưng ở các động cơ cao cấp để chịu lực quán tính lớn, người gia công có thể làm đường kính chốt khuỷu bằng đường kính cổ để tăng

độ cứng cáp

Chốt khuỷu của trục khuỷu cũng yêu cầu được gia công và xử lý bề mặt chuẩn để đạt độ cứng và độ bóng bề mặt cao

* Má khuỷu

Má khuỷu có kết cấu đơn giản và dễ gia công nhất vì chúng có hình dạng chữ nhật và dạng tròn Đây là phần nối liền chốt khuỷu với cổ trục làm thanh tay quay trục

Đối với động cơ cổ trục lắp ổ bi, má khuỷu còn đóng vai trò như cổ trục Ngoài ra, má khuỷu có thể được chế tạo hình chữ nhật có vát góc hoặc hình ô-van

* Đối trọng

Đây là cục khối lượng gắn đối diện với chốt khuỷu ở hai bên má khuỷu Tạo

ra lực quán tính ly tâm để cân bằng lực ở trục Chúng còn là nơi để khoan bớt khối lượng khi cần cân bằng hệ trục

2.2.2 Nhiệm vụ

- Thân máy dùng để lắp đặt các cơ cấu vá hệ thống của động cơ

2.2.3 Cấu tạo

- Cấu tạo của thân máy phụ thuộc vào sự bố trí các xilanh, cơ cấu và hệ thống

của động cơ Nhìn chung cấu tạo của cacte tương đối giống nhau, sự khác biệt chủ yếu là phần thân xilanh

2.2.4 Thân xi lanh

-Thân xi lanh của động cơ làm mát bằng nước có cấu tạo khoang chứa nước làmmát, khoang này gọi là “áo nước”

- Thân xi lanh của động cơ làm mát bằng không khí có các cánh tản nhiệt

- Xilanh được lắp trong thân xilanh, có dạng hình ống, mặt trụ bên trong được gia công với độ chính xác cao Xilanh có thể được làm rời hoặc đúc liền với thânxilanh

- Khối xi lanh một khối xi lanh là cấu trúc có chứa xi lanh, cộng với bất kỳ ống

xi lanh và các đoạn làm mát

- Khối xi lanh có lót ướt sử dụng các bức tường xi lanh có thể tháo rời hoàn toàn, phù hợp với khối bằng các miếng đệm đặc biệt Chúng được gọi là "lớp lótướt" vì mặt ngoài của chúng tiếp xúc trực tiếp với chất làm mát của động cơ Nói cách khác, lớp lót là toàn bộ bức tường, thay vì chỉ đơn thuần là một tay áo

- Đường dẫn chất làm mát

- Đường đi của dầu

- Hộp trục khuỷu

- Đầu xi lanh tích hợp: Một số động cơ nhỏ cấp tiêu dùng hiện đại sử dụng thiết

kế monobloc trong đó đầu xi-lanh, thân và một nửa trục khuỷu có chung vật đúc

- Bộ truyền tích hợp

CHƯƠNH III: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TRỤC KHUỶU VÀ THÂN MÁY

3.1 TRỤC KHUỶU

3.1.1 Thông số đọng cơ đốt trong

Trường hợp thiết kế mới động cơ :

Suy ra : Dung tích xylanh V = 1647 [cm3]

3.1.2 Thông số trục khuỷu tính toán

`

8 Đường kính ngoài cổ trục khuỷu (dct) mm 60

3.1.3 Động lực học của cơ cấu trục khuỷu



Khối lượng của khuỷu trục (các chi tiết chuyển động quay) :

Ta tạm chia trục khuỷu thành các phần như hình vẽ

- Phần khối lượng chuyển động quay theo bán kính R là phần

khối lượng của chốt khuỷu mChk (phần gạch dọc trên hình vẽ)

- Phần khối lượng chuyển động quay với bán kính là phần khối 

lượng của hai má khuỷu mm (phần gạch cho trn hình vẽ), là 

khoảng cách từ trọng tâm má khuỷu đến tâm cổ khuỷu

Quy dẫn khối lượng má khuỷu mm về tâm của chốt khuỷu ta phải

thay thế bằng khối lượng tương đương “m ” và xác định bằng phương trình cân mrbằng lực quán tính sau :

- Vật liệu chế tạo : Thép Cacbon

- Sử dụng phương pháp bôi trơn cưỡng bức bằng các mạch dầu

Pr1 - Lực quán tính ly tâm của má khuỷu

Pr 2 - Lực quán tính ly tâm của đối khuỷu

Z’, Z’’- Phản lực pháp tuyến trên các gối trục bên trái và bên phải T’, T’’- Phản lực tiếp tuyến trên các gối trục bên trái và bên phải

- Moment uốn chốt khuỷu:

- Ứng suất uốn chốt khuỷu là :



- Với modun chống uốn:

b Trường hợp trục khuỷu chịu lực Z : max

- Lực quán tính ly tâm của má khuỷu và đối trọng :

- Phản lực tác dụng lên các gối trục:

- Mặt khác khi tính toán sức bền của một khuỷu nào đó của trục khuỷu động cơ nhiều xylanh, ngoài lực Z ra, khuỷu đó còn chịu moment xoắn do các khuỷu maxphía trước nó truyền đến vì vậy khuỷu chịu lực và moment lớn nhất sẽ là khuỷu nguy hiểm nhất, dựa vào đồ thị T=f(α) ta có bảng giá trị sau:

- Dựa vào bảng trên ta thấy khuỷu thứ 2 chịu lực (∑Ti-1)max do

đó cần phải tính bền cho khuỷu này

● Tính bền chốt khuỷu:

- Ứng suất nén trên má khuỷu :

- Ứng suất uốn trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng khuỷu

trục(uốn quanh y-y) :

- Ứng suất uốn tổng hợp khi chịu uốn và xoắn :

- Ứng suất uốn do lực quán tính ly tâm P gây ra :r2

- Ứng suất uốn do lực tiếp tuyến T gây ra :

Với r = 0,0553m là khoảng cách từ tâm cổ trục khuỷu đến

tiết diện nguy hiểm của má khuỷu

- Ứng suất uốn do moment xoắn M’’k gây ra :

- Ứng suất xoắn má khuỷu do lực tiếp tuyến T’’ gây ra :

Trong đó : g1 = 0,29 và g2 = 0,745 là hệ số ứng suất phụ thuộc vào hệ số h/b=5

B Trường hợp trục khuỷu chịu lực Σ T :max

●

 Trong trường hợp này vị trí tính toán là tại = α αTmax =376o

 ● Theo đồ thị tổng lực tiếp tuyến của động cơ 4 xylanh

● Bảng xác định khuỷu trục nguy hiểm :

Ta thấy Ti-1 = 0,010697 MN/m2 tại khuỷu trục thứ 3, nên khuỷu trục này là nguy hiểm nhất và cần phải tính toán

với : Zo = Z ( =136o) = – 0,00366261 MN

- Ứng suất uốn tổng hợp khi chịu uốn và xoắn :

- Ứng suất uốn do Z’ gây ra :

- Ứng suất uốn do lực quán tính ly tâm Pr2 gây ra :

- Ứng suất uốn do lực tiếp tuyến T gây ra :

- Ứng suất xoắn được xác định theo công thức sau :

 Bảng ứng suất cho phép của trục khuỷu Ô tô

e Tính bền trục khuỷu khi xét đến ảnh hưởng của phụ tải động

- Trong thực tế sử dụng trục khuỷu thường bị gãy ở các phần nối tiếp với cổ trục, chốt khuỷu, má khuỷu hoặc gãy ngang vị trí có rãnh khoan dầu Nghiên cứu các hiện tượng hỏng này, ta thấy tuyệt đại đa số đều mang tính chất hư hỏng

do chịu tải trọng thay đổi và va đập (tải trọng động) Như vậy khi tính bền trục khuỷu trên cơ sở tính bền bằng phương pháp phân đoạn cần xét đến ảnh hưởng của tải trọng động với các vùng chịu ứng suất tập trung

- Tính toán sức bền của trục khuỷu khi xét đến phụ tải động chủ yếu là tính hệ

số an toàn của các phần của khuỷu trục khi chịu uốn và xoắn:

- Hệ số an toàn khi chịu uốn:

;

Khi tính hệ số an toàn cho cổ khuỷu và chốt khuỷu, tỷ số của hệ số ứng suất tập trung K so với hệ số kích thước ta có thể chọn:

● Hệ số an toàn của cổ trục khuỷu :

- Trong quá trình làm việc cổ trục khuỷu chịu ứng suất uốn và ứng suất xoắn

- Nói chung ứng suất uốn thường có giá trị nhỏ, do đó khi tính toán trục với hệ

Như vậy cổ khuỷu đủ bền

● Hệ số an toàn của chốt khuỷu :

- Trong quá trình làm việc,tương tự như cổ khuỷu, chốt khuỷu cũng chịu tác động đồng thời của ứng suất nén và uốn Các ứng suất này đều có ảnh hưởng rất lớn đến sức bền trục khuỷu Do đó trong quá trình tính toán ta phải tính riêng hệ

số an toàn chịu uốn và hệ số an toàn chịu xoắn

Tương tự: T = 0,009077289MN; T = 0MN; R =0,0461mmax min

- Căn cứ vào đồ thị Σ T =f (a) ta lập bảng để tính M theo góc chi .

- Hệ số an toàn của chốt khuỷu khi bị uốn:

Vì đường tâm dẫn dầu theo phương nằm trong mặt phẳng chứa

khuỷu nên moment tác dụng trên mặt phẳng chứa đường tâm dẫn dầu chính là:

- Má khuỷu chịu ứng suất rất phức tạp: uốn, xoắn, kéo, nén nhưng thành phần ứng suất uốn và xoắn ảnh hưởng nhiều nhất nên ta kể đến thành phần này trong tính toán Khi tính hệ số an toàn thường tính toán đối vời tiết diện cắt nang má

và tiếp tiến với một cổ trục khuỷu

- Hệ số an toàn uốn của má khuỷu bên trái và bên phải: Ta xem trục khuỷu hoàn toàn đối xứng nên chi cần kiểm tra một má khuỷu bên trái

- Do hệ số nhỏ nên thường bỏ qua ảnh hưởng của ứng suất

bình quân m Do đó hệ số an toàn khi má khuỷu chịu uốn

- Hệ số an toàn của má khi chịu xoắn:

Với T = 0 0119076MN; T = 0 MNmin

- Biên độ ứng suất xoắn:

- Hệ số an toàn khi chịu xoắn:

 Kết luận: Sau khi kiểm tra bền trục khuỷu theo phương pháp phân đoạn

và hệ số an toàn, ta thấy điều kiện bền trục khuỷu đạt yêu cầu về độ bền

và độ cứng vững

3.2 THÂN MÁY

3.2.1 Tính toán thân máy

Máy Ðp có lực Ðp danh nghĩa P > 160 T thì phải tính đầy đủ về sức bền của Hthân máy, cùng độ cứng vững, kết cấu của thân máy bằng thép hàn, khi chịu lựcdanh nghĩa P > 160 T Tính thân máy là công việc thiết kế mà cần thiết là kiểm Htra các tiết diện chịu tải nguy hiểm về chịu lực và độ cứng vững Ở diện tích ngang là nguy hiểm nhất nh hình vẽ:

Đối với thân máy đúc bằng gang:

F = 1,31 6300 = 8253 (mm ) 2

Đối với máy 2 trô :

h = (2,3 – 4 ) A h= 2,54 A = 2,54 110 = 280 (mm)    h/b = 1- 1,7 b= h/ 1,037= 270 mm

Chiều dày vách thân máy

a 0,09   √ PH

a: chiều dày vách thân

PH là lực Ðp danh nghĩa của máy tính bằng Kg

a 0,09   √ 6300 = 7,1 thông thường a 8 mm đối với máy Ðp khuỷu 6,3 T 

ta lấy a = 12 mm

3.2.2 Tính sức bền ống lót xy lanh

3.2.2.1 Trường hợp ống lót xi lanh khô:

-Ứng suất kéo dọc theo xi lanh:

3.2.2.2 Trường hợp ống lót xy lanh ướt:

* Tính toán phần thân

Ứng suất phần thân được tính theo công thức Lame:

a Ứng suất kéo mặt trong theo phương tiếp tuyến:

b Ứng suất kéo mặt ngoài theo phương tiếp tuyến:

c Ứng suất kéo mặt trong theo phương hướng kính:

d Ứng suất kéo mặt ngoài theo phương hướng kính:

Nếu xét đến trạng thái ứng suất nhiệt:

e Ứng suất nén ở mặt trong lót xi lanh:

f Ứng suất nén do lực Pg gây ra trên mặt rãnh:

[σn] = 15-20 MN/m2 gioăng mềm, 40 với gioăng đồng, 100 với gioăng thép

g Ứng suất nén do lực Pg gây ra trên mặt tựa III - III:

[σn] = 80-100 MN/m2 gang HK

g Ứng suất uốn do lực ngang N gây ra:

h Độ biến dạng khi chịu uốn:

i Độ biến dạng khi chịu uốn:

J là mô men quán tính của tiết diện vành khăn có chiều rộng vành khăn (D1- D)/2