Đồ án tính toán thiết kế ô tô

Xuất phát từ những điều kiện trên, em đã được nhà trường và khoa giao cho đề tài: “Tính toán kiểm nghiệm bền cho thanh truyền” Trong quá trình thực hiện đề tài, được sự chỉ bảo tận tình

Khái quát chung về nhóm thanh truyền

Nhiệm vụ

Thanh truyền là một chi tiết quan trọng trong động cơ, nối piston với trục khuỷu, truyền lực khí thể từ piston làm quay trục khuỷu và điều khiển piston hoạt động trong các giai đoạn nạp, nén, xả Thanh truyền có vai trò biến đổi chuyển động thẳng của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu, đóng vai trò trung gian trong quá trình chuyển đổi năng lượng.

Điều kiện làm việc

+ Thanh truyền chịu lực khí thể trong xi lanh

+ lực quán tính của nhóm piston

+ lực quán tính của bản thân thanh truyền

Các lực trên đều là các lực tuần hoàn va đập Dưới tác dụng của các lực đó trong quá trình làm việc thanh truyền luôn chịu các lực kéo, nén, uốn dọc và khi đổi chiều chuyển động thì có lực quán tính làm nó bị uốn ngang Khi động cơ làm việc,các lực trên thay đổi theo chu kỳ vì vậy tải trọng tác dụng lên thanh truyền là tải trọng động.

Vật liệu chế tạo

Thanh truyền thường được chế tạo bằng thép cacbon hoặc thép hợp kim với phương pháp rèn khuôn Các loại vật liệu nặng cơ tính tốt, sức bền mỏi cao, đảm bảo yêu cầu làm việc.

Vật liệu chế tạo thanh truyền

- Đối với động cơ ô tô - máy kéo : C40, C45, .

- Đối với động cơ nhẹ cao tốc : 18XHBA, 18XH3A

- Đối với động cơ tàu thủy tĩnh tại tốc độ thấp : C35, C40, 40X

4: Bulông bắt nắp đầu to

6: Bạc đầu to thanh truyền

7: Nửa dưới thanh truyền Hình 1.1.Kết cấu của thanh truyền

- Người ta chia kết cấu thanh truyền thành các phần:

 Đầu nhỏ thanh truyền : đầu lắp ghộp với chốt piston

 Đầu to thanh truyền : đầu lắp ghộp với chốt khuỷu

 Thân thanh truyền : nối đầu nhỏ với đầu to

 Bạc lót đầu to và đầu nhỏ thanh truyền

Sau đây ta xét từng bộ phận cụ thể : a Đầu nhỏ

Chốt piston là bộ phận lắp vào đầu nhỏ thanh truyền, có cấu tạo hình trụ rỗng hoặc hình ovan để tăng độ cứng vững Khi lắp, cần chú ý bôi trơn mặt chốt piston và bạc lót đầu nhỏ bằng dầu được dẫn lên qua đường khoan trong thân thanh truyền Đối với động cơ ô tô, máy kéo, chốt piston được bôi trơn theo kiểu vung té, nên đầu nhỏ thanh truyền cần có lỗ hoặc rãnh hứng dầu Thiết kế đầu nhỏ thanh truyền phụ thuộc vào kích thước và phương pháp lắp ghép.

Hình 1.2a và 1.2b là hai loại đầu nhỏ thanh truyền được sử dụng phổ biến trên các động cơ ô tô hiện nay Lý do là khả năng bôi trơn hiệu quả, dầu được phân bố đều trên bề mặt bạc lót, hoạt động đồng đều Bạc lót thường được làm từ đồng, đôi khi là thép tráng lớp hợp kim chịu mòn.

Là phần nối giữa đầu nhỏ và đầu to thanh truyền Khoảng cách giữa hai tâm đầu nhỏ và đầu to gọi là chiều dài ảo của thanh truyền l phụ thuộc vào thông số kết cấu

 R/l Đại đa số các động cơ ngày nay có   0,24 ÷ 0,30 Chiều dày đầu nhỏ thanh truyền thường chọn trong khoảng sau đây d1/d2 = 1,2 ÷ 1,3.

Hình 1.3.Các loại tiết diện thân thanh truyền

+ Hình 1.3a thân có tiết diện tròn,

+ Hình 1.3b,c thân có tiết diện chữ I,

+ Hình1.3d thân có tiết diện hình chữ nhật,

+ Hình 1.3e thân có tiết diện hình elip,

Thân thanh truyền có nhiều kiểu tiết diện như tròn, ovan, chữ nhật, elip, chữ I, trong đó dạng chữ I được sử dụng phổ biến trên động cơ ô tô và xe du lịch do tính bền và tiết kiệm vật liệu Thân thanh truyền thường được khoan lỗ dẫn dầu bôi trơn với đường kính từ 4 đến 8mm, hoặc có thể được gắn gân dọc để tăng độ cứng vững và khoan lỗ dẫn dầu Kích thước thân thanh truyền thay đổi từ nhỏ đến lớn từ đầu nhỏ đến đầu to để phù hợp với lực quán tính lắc, chiều dài của thân đồng đều trên suốt chiều dài.

Kết cấu đầu to thanh truyền phải đảm bảo các yêu cầu sau:

+ Có độ cứng vững lớn để đảm bảo bạc lót không bị biến dạng.

+ Kích thước nhỏ để lực quán tính nhỏ giảm được tải trọng lên chốt khuỷu, ổ trục đồng thời cho phép giảm kích thước hộp trục khuỷu.

Để tăng độ cứng vững, chỗ chuyển tiếp giữa thân và đầu to cần có góc lượn lớn Cụm piston - thanh truyền dễ dàng lắp ghép với trục khuỷu Đầu to được chia thành hai nửa, nửa trên liền với thân, nửa dưới lắp với nắp đầu to.

Kích thước đầu to thanh truyền phụ thuộc vào chốt khuỷu Để tăng độ cứng vững cho trục khuỷu, một chi tiết chịu tải trọng động lớn, người ta thường tăng đường kính cổ chốt và cổ trục, tạo ra độ trùng điệp giữa hai cổ này.

Để đảm bảo thanh truyền có thể lắp ghép vào xi lanh, kích thước đầu to của thanh truyền cần được giảm, đặc biệt là khi đường kính chốt lớn dẫn đến đầu to lớn hơn.

Hình 1.5.Các dạng kết cấu đầu to thanh truyền.

Hình 1.4.Kết cấu cố định bạc lót trên đầu to thanh truyền.

1 Vấu lưỡi gà định vị

Kết cấu đầu to thanh truyền (Hình 1.5a,b) được sử dụng phổ biến nhất vì nó giúp tăng tiết diện của thanh truyền, tăng đường kính trục cơ, và dễ dàng tháo lắp.

1.5 Bạc thanh truyền a) Bạc đầu nhỏ

- Khi lắp chốt piston xoay tương đối với đầu nhỏ thanh truyền thì trong đầu nhỏ có ép vào 1 bạc đồng mỏng dày 1  4mm để giảm ma sát, chống mòn Bạc được ép vào lỗ rồi doa lại cho chính xác Bạc lót đầu nhỏ thông thường là bạc đồng đôi khi là bạc thép có tráng lớp hợp kim chịu mòn, chiều dày bạc vào khoảng (0,080 ÷ 0,085)dc (dc là đường kính chốt piston) Khe hở hướng kính giữa bạc lót đầu nhỏ và chốt piston thường lấy bằng ∆ = (0,0004 ÷ 0,0015)dc b) Bạc đầu to

- Bạc đầu to lắp giữa đầu to thanh truyền và cổ trục khuỷu

Bạc lót thanh truyền được cấu tạo bởi hai nửa giống nhau, mỗi nửa có gờ chống xoay và thường có rãnh dẫn dầu bôi trơn Bạc lót này bao gồm bạc thép phía ngoài và lớp hợp kim chịu mòn tráng lên phía trong của gộp thép.

- 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

+ ở nhiệt độ cao, sức bền ít giảm

+ giữ được dầu bôi trơn

+ chóng rà khít với bề mặt trục

+ dễ đúc và dễ bám với vỏ thép

- Người ta chia vật liệu chịu mòn ra làm 3 nhóm :

+ nhóm kim loại : gồm babit, đồng thanh - thiếc, 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.

- Kết cấu bạc lót : tráng hợp kim chịu mòn lên bạc lót tùy theo chiều dày của lớp hợp kim chịu mòn, bạc lót được chia làm 2 loại, bạc lót dày và bạc lót mỏng.

1.6 Bu lông thanh truyền a) Chức năng

- Bu lông thanh truyền là chi tiết ghép nối hai nửa đầu to thanh truyền Nó có thể ở dạng bu lông hay vít cấy (gujông) b) Điều kiện làm việc

Bu lông thanh truyền chịu tải trọng động và sức bền mỏi do phải chịu đựng lực xiết ban đầu, lực quán tính của khối lượng vận động tịnh tiến và lực quán tính ly tâm của khối lượng vận động quay, những lực này thay đổi theo chu kỳ Vật liệu chế tạo bu lông thanh truyền cần đảm bảo độ bền mỏi cao để chịu được tải trọng động và hoạt động ổn định trong thời gian dài.

- Bu lông thanh truyền thường được chế tạo bằng thép hợp kim có các thành phần crôm, mangan, niken Tốc độ động cơ càng lớn, vật liệu bu lông thanh truyền có hàm lượng kim loại quí càng nhiều. d) Kết cấu

Hình 1.6.Một dạng kết cấu của bu lông và gujông

1.6a bu lông thanh truyền 1.6b vít cấy gujông thanh truyền

- Như đã trình bày ở trên, hai nửa đầu to thanh truyền có thể được ghép nối bằng bu lông (hình 1.6a) và gujông (hình 1.6b)

Hình dạng và kết cấu của bulông thanh truyền có rất nhiều kiểu, chủ yếu do công dụng của động cơ và các biện pháp nâng cao sức bền mỏi của bulông Thiết kế và chế tạo bulông thanh truyền cần phải đảm bảo sao cho nó chỉ chịu lực kéo, tránh các lực cắt và uốn bulông Muốn vậy phải thực hiện các biện pháp sau đây:

+ gia công bề mặt tựa

+ bố trí phân đoạn và thắt vào một ít để tăng sức bền mỏi.

+ nhiệt luyện để đạt độ cứng sau đó ta rô ren.

Bạc thanh truyền

Khi lắp chốt piston xoay, một bạc đồng mỏng dày 1/4mm được ép vào đầu nhỏ thanh truyền để giảm ma sát và chống mòn Bạc được ép vào lỗ và doa lại cho chính xác Bạc lót đầu nhỏ thường là bạc đồng, đôi khi là bạc thép có tráng lớp hợp kim chịu mòn, với chiều dày khoảng (0,080 ÷ 0,085)dc (dc là đường kính chốt piston) Khe hở hướng kính giữa bạc lót đầu nhỏ và chốt piston thường lấy bằng ∆ = (0,0004 ÷ 0,0015)dc.

- Bạc đầu to lắp giữa đầu to thanh truyền và cổ trục khuỷu

Bạc lót thanh truyền được cấu tạo từ hai nửa giống nhau, mỗi nửa có gờ chống xoay và rãnh dẫn dầu bôi trơn Bạc lót được chế tạo từ thép và được tráng một lớp hợp kim chống mòn bên trong để tăng cường độ bền và giảm ma sát.

- 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

+ ở nhiệt độ cao, sức bền ít giảm

+ giữ được dầu bôi trơn

+ chóng rà khít với bề mặt trục

+ dễ đúc và dễ bám với vỏ thép

- Người ta chia vật liệu chịu mòn ra làm 3 nhóm :

+ nhóm kim loại : gồm babit, đồng thanh - thiếc, 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.

Bạc lót có cấu trúc được tráng hợp kim chịu mòn, tùy thuộc vào độ dày của lớp hợp kim mà bạc lót được phân loại thành hai loại: bạc lót dày và bạc lót mỏng.

Bu lông thanh truyền

- Bu lông thanh truyền là chi tiết ghép nối hai nửa đầu to thanh truyền Nó có thể ở dạng bu lông hay vít cấy (gujông) b) Điều kiện làm việc

Bu lông thanh truyền chịu tải trọng động do lực xiết ban đầu, lực quán tính tịnh tiến và ly tâm thay đổi theo chu kỳ, gây ra hiện tượng mỏi Vật liệu chế tạo bu lông thanh truyền cần đảm bảo độ bền mỏi cao để chịu được tải trọng động này.

Bu lông thanh truyền thường được chế tạo từ thép hợp kim, chứa các thành phần như crôm, mangan, niken, v.v Hàm lượng kim loại quý trong bu lông thanh truyền tỉ lệ thuận với tốc độ động cơ, tức là động cơ càng mạnh, hàm lượng kim loại quý càng cao.

Hình 1.6.Một dạng kết cấu của bu lông và gujông

1.6a bu lông thanh truyền 1.6b vít cấy gujông thanh truyền

- Như đã trình bày ở trên, hai nửa đầu to thanh truyền có thể được ghép nối bằng bu lông (hình 1.6a) và gujông (hình 1.6b)

Hình dạng và kết cấu của bulông thanh truyền đa dạng, phụ thuộc vào chức năng của động cơ và biện pháp tăng cường sức bền mỏi Thiết kế và chế tạo cần đảm bảo bulông chỉ chịu lực kéo, tránh lực cắt và uốn, bằng cách áp dụng các biện pháp kỹ thuật phù hợp.

+ gia công bề mặt tựa

+ bố trí phân đoạn và thắt vào một ít để tăng sức bền mỏi.

+ nhiệt luyện để đạt độ cứng sau đó ta rô ren.

Xác định các thông số cần thiết

Các thông số

2.1.1 Thông số cho trước Động cơ Diesel, không tăng áp

Kiểu động cơ Thẳng hàng

Công suất động cơ 30 mã lực = 22,065 KW

Số vòng quay 2600 vòng/ phút

Suất tiêu hao nhiên liệu 210 g/ml.h

Số kỳ 04 kỳ Đường kính xy lanh 98 mm

Chiều dài thanh truyền 155 mm

Khối lượng nhóm piston 1,34 kg

Khối lượng thanh truyền 0,84 kg Áp suất khí thể p z =7.45Mpa

2.1.2 Các thông số tính toán

Dựa trên các thông số đầu bài, loại động cơ được chọn là động cơ Diesel 3 xy lanh thẳng hàng Đường kính xy lanh D = 98 mm, đường kính chốt piston dcp nằm trong khoảng (0,3  0,45)D theo bảng 1.1 sách tính toán động cơ đốt trong.

 dcp = (0,3  0,45).98 = (29,4  44,1)  Chọn dcp 5 (mm) + Đường kính bệ chốt (d b ): db = (1,3  1,6)d cp (ct Bảng 1.1sách tính toán động cơ đốt trong)

 db = (1,3  1,6).35 =(45,5  56)  Chọn d b = 50 (mm) + Đường kính lỗ trên chốt (d 0 ): d 0 = (0,6  0,8) d cp (ct Bảng 1.1sách tính toán động cơ đốt trong)

Chiều dày bạc lót được xác định là 2,45 mm dựa trên công thức Δ = (0,07  0,085)dcp Khe hở hướng kính bạc lót và chốt piston được chọn là 0,05 mm, tính toán từ công thức Δ’=( 0,0004  0,0015).dcp Bán kính trong đầu nhỏ thanh truyền r1 được tính toán là 20 mm, dựa trên công thức r1=dcp/2+ Δ + Δ’.

+ Gọi r2 là bán kính ngoài đầu nhỏ thanh truyền: 2.r2 = d2

Ta có : d2 =(1,3  1,7).dcp (ct Bảng 1.1sách tính toán động cơ đốt trong) d2= (1,3  1,7) 35 =(45,5  59,5) (mm) Chọn d2 X  r 2 = 29 (mm)

40 d d    Đầu nhỏ là loại đầu mỏng + Chiều dài đầu nhỏ thanh truyền : l d 1 = (0,28  0,32)D (ct Bảng 1.1sách tính toán động cơ đốt trong)

 l d1 = (0,28  0,32).98 = (27,44  31,36) Chọn l d 1 = 28 (mm) + Đường kính chốt khuỷu : (ct Bảng 1.1sách tính toán động cơ đốt trong) dck = (0,56  0,75)D= (0,56  0,75).98 = (54,88  73,5)

Chọn dck = 55 (mm) + Đường kính trong đầu to thanh truyền :

Với:  ' 1 : Chiều dày vỏ thép bạc lót :  ' 1 = (0,030,05)dck

: Khe hở giữa bạc lót và chốt khuỷu:  ' 2 =(0,0450,015) dck

 3: Chiều dày lớp hợp kim chịu mòn;  ' 3 = (0,20,7) (mm) Chọn:  ' 3 = 0,5 (mm)

 D 1 = 55+ 2.(2 + 1 + 0,5) = 62 Chọn D 1 = 62 (mm) + Đường kính ngoài đầu to thanh truyền :D2

 D 2 = 1,45 D 1 = 1,45.62 = 89,9 Chọn: D 2 = 90 (mm) + Chiều dài đầu to : lđt = (0,45 ÷ 0,95 ) dck= (0,45 ÷ 0,95 ) 55 = (24,75 ÷ 52,25 )

Khối lượng nhóm thanh truyền

+ Khối lượng thanh truyền quy dẫn về đầu nhỏ m1 = (0,275  0,35)mtt

Chọn : m1 = 0,24 (kg) + Khối lượng thanh truyền quy dẫn về đầu to thanh truyền. m2 = mtt - m1 = 0,84 – 0,24= 0,6 (kg)

Bảng thông số tính toán

T Thông số K/h Giá trị Đơn vị

1 Đường kính chốt piston d cp 35 mm

2 Chiều dày bạc lút ∆ 2,45 mm

3 Khe hở hướng kính bạc lót và chốt piston ∆’ 0,05 mm

4 Bán kính trong đầu nhỏ r 1 20 mm

5 Bán kính ngoài đầu nhỏ r 2 29 mm

6 Chiều dài đầu nhỏ l d1 28 mm

7 Đường kính chốt khuỷu d ck 55 mm

8 Chiều dày vỏ thép bạc lót ∆

9 Khe hở giữa bạc lót và chốt khuỷu ∆

10 Chiều dày lớp hợp kim chịu mòn ∆

11 Đường kính trong đầu to D 1 62 mm

12 Đường kính ngoài đầu to D 2 90 mm

13 Chiều dài đầu to l đt 35 mm

14 Khối lượng thanh truyền quy dẫn về đầu nhỏ m 1 0,24 Kg

15 Khối lượng thanh truyền quy dẫn về đầu to m 2 0,6 Kg

Tính toán kiểm nghiệm bền

Tính sức bền của đầu nhỏ thanh truyền

Khi động cơ làm việc đầu nhỏ thanh truyền chịu các lực tác dụng sau:

- Lực quán tính của nhóm piston.

- Lực do biến dạng gây ra.

- Ngoài ra khi lắp ghép bạc lót, đầu nhỏ thanh truyền còn chịu thêm ứng suất phụ do lắp ghép bạc lót có độ dôi gây nên.

Các lực tác động lên đầu nhỏ thanh truyền bao gồm uốn, kéo và nén, thường được tính toán ở chế độ công suất lớn nhất Trong trường hợp động cơ có bộ điều tốc hoặc bộ hạn chế tốc độ vòng quay, tính toán này cũng tương ứng với chế độ số vòng quay giới hạn lớn nhất Tuy nhiên, nếu không có bộ phận giới hạn số vòng quay, số vòng quay lớn nhất Nmax của động cơ có thể vượt quá 30% so với số vòng quay ở chế độ công suất lớn nhất ne, cụ thể là Nmax = (1,25 - 1,30) ne.

Hình 3.1.Sơ đồ tính toán đầu nhỏ thanh truyền a Tính sức bền đầu nhỏ khi chịu kéo

Bài viết này xem xét đầu nhỏ như một dầm cong được ngàm hai đầu, với vị trí ngàm được xác định tại điểm chuyển tiếp giữa đầu nhỏ và thân, ứng với góc bằng.

Bán kính trong của đầu nhỏ : 2

Bán kính ngoài đầu nhỏ : r2 = 29 (mm)

H - chiều rộng của thân chỗ nối với đầu nhỏ.

: Bán kính góc lượn nối đầu nhỏ với thân thanh truyền chọn theo hệ số thực nghiệm.

Do tính đối xứng của ngàm, việc tính toán có thể đơn giản hóa bằng cách cắt bỏ một nửa và thay thế bằng các lực pháp tuyến (NA) và mô men uốn (MA).

- Khi lắp bạc lót vào đầu nhỏ, bạc lót và đầu nhỏ đều biến dạng.

Mô men uốn Mj và lực kéo Nj ở tiết diện bất kỳ trên cung AA – BB

NA = pj ( 0 , 5 7 2 0 , 0 0 0 8) (MN) Giá trị của  trong hai biểu thức trên tính theo độ.

- pj : Lực quán tính của nhóm piston

Với: mnp: Khối lượng nhóm piston mnp = 1,34 (kg)

30 (Vận tốc góc ứng với số vòng quay định mức của động cơ) ω=π × n N

- : Bán kính trung bình đầu nhỏ;  = d 1 + d 2

- Lực tác dụng trên dầm cong có bán kính cong bằng bán kính trung bình của đầu nhỏ là lực phân bố có giá trị là:

(MN) Trên cơ sở giả thiết nêu trên, ta xây dựng sơ đồ tính toán và biểu thị ở

Hình 3.2.Sơ đồ lực tác dụng khi đầu nhỏ thanh truyền chịu kéo

Sơ đồ cho phép xác định mô men uốn và lực kéo tại mọi tiết diện của dầm cong, bao gồm hai cung: cung có lực phân bố đều và cung không có lực phân bố.

 x ) và cung có lực phân bố (  x  9 0 0 )

Mj = MA+NA(cosx)-0,5.Pj.(1-cosx) (3-3)

Mô men uốn : Mj = MA + NA(1 co s x ) 0,5.P j .(sin  x  co s x ) (3-5) Lực kéo: Nj = NAcosx+0,5Pj (sinx-cosx ) (3-6)

Từ các biểu thức (3-5) và (3-6), ta thấy Mj và Nj trên cung BC (x ≥90°) có giá trị lớn hơn, tiết diện nguy hiểm là tiết diện ngàm C - C.

Như vậy mô men uốn và lực kéo tại tiết diện ngàm C -C bằng :

Mjc = MA + NA (1-cos) - 0,5Pj.(sincos)

Njc = NAcos + 0,5PJ(sincos)

Thay MA, NA , , , và PJ vào (3-5) và (3-6) ta được:

Mjc=1,43.10 -6 +2,62 10 24,5.10 (1-cos122 )-0,5 0,005531.24,5.10 -3 (sin122 - cos122 ) => Mjc=4,2.10 -5 (MN.m)

Njc= 2,62 10 cos122 +0,5 0,005531 (sin122 - cos122 ) = 2,42.10 -3 (MN)

Do có ép bạc lót đầu nhỏ nên có sự biến dạng đồng thời của đầu trục và bạc lót, trong đó đầu nhỏ bị biến dạng kéo, còn bạc lót chịu biến dạng nén Do vậy phần của lực kéo đó, đặc trưng bằng hệ số  , tức là : Nk =  N J

Hệ số  phụ thuộc vào độ cứng của các chi tiết mối ghép (bạc lót và đầu nhỏ) và được xác định bằng biểu thức:

- Ed: Mô đun đàn hồi của vật liệu chế tạo thanh truyền; Ed= 2,2.10 MN/m

- Eb : Mô đun đàn hồi của vật liệu chế tạo bạc lót; Eb = 1,15 10 (MN/m )

- Fd :Tiết diện dọc của đầu nhỏ thanh truyền

Với: l d 1 : Chiều dài đầu nhỏ thanh truyền; l d 1= 28 (mm) d1 : Đường kính trong đầu nhỏ : d1 = 40 (mm) d2: Đường kính ngoài đầu nhỏ: d2= 58 (mm)

Fb = ld1.(d1 - dcp) = 28.10 -3 (40.10 - 35.10 ) = 1,4.10 -4 (m ) Thay số vào ta được : ¿ 2,2.10 5 5,04.10 −4

Do vậy, ứng suất trên đầu nhỏ trong trường hợp có ép bạc lót sẽ là:

  s là chiều dày đầu nhỏ s= r 2−r 1 )−20=9(mm)

→ σ nj 7,97(MN m 2 ) Trên mặt trong : σ tj =[ −2 M j s 6 (2 ρ− ρ−s s ) + N k ] l d 1 1 s (3-9)

Thay số vào (3.9) ta được:

Hình 3.3 ứng suất trên mặt trong và mặt ngoài của đầu

Để xác định ứng suất tại bất kỳ tiết diện nào của đầu nhỏ, ta cần tính giá trị Mj và NJ Thông qua đó, cùng với quy luật phân bố ứng suất trên mặt ngoài và mặt trong của đầu nhỏ (Hình 3.3), ta có thể tính toán ứng suất tại các tiết diện đó Ngoài ra, việc tính toán này cũng giúp xác định sức bền của đầu nhỏ khi chịu nén.

Lực nén tác dụng lên đầu nhỏ thanh truyền là hợp lực của lực khí thể và lực quán tính của khối lượng piston.

P = Pkt + Pjp = pz Fpt + mnp.Rω 2 (1 + λ )

- Fpt : Diện tích đỉnh piston;

Lực P theo Kinaxotsvili phân bố trên nửa dưới đầu nhỏ theo quy luật đường cong cosin Đầu nhỏ được coi như một dầm cong, và do tính chất đối xứng, một nửa tiết diện A-A được thay thế bằng lực NA và mô men MA tương ứng Thông tin chi tiết về bảng giá trị có thể tìm thấy trên trang 202 của sách "Kết cấu và tính toán động cơ đốt trong ĐHBK".

Hình 3.4 Sơ đồ tác dụng lực trên đầu nhỏ thanh truyền.

Mô men uốn và lực pháp tuyến (lực kéo) trên cung AB ( x 9 0 0 ) là:

Và trên cung BC ( x 9 0 0 ) là:

Mz2 = MA + NA co s ) sin 1 2

Trong công thức trên  x tính theo radian, chọn  x = 3

Do lực pháp tuyến tác dụng lên đầu nhỏ chỉ là một phần của lực NZ, tức là  N Z, ứng suất tổng gây ra trong đầu nhỏ khi chịu nén được tính toán dựa trên lực pháp tuyến này, thay vì toàn bộ lực NZ.

Bằng cách thay thế giá trị MZ, NZ bởi MZ1, MZ2, NZ1, NZ2 theo công thức (3-12) và (3-13), ta có thể xác định ứng suất tại bất kỳ tiết diện nào trên bề mặt trong và ngoài của đầu nhỏ Từ đó, ta có thể vẽ biểu đồ phân bố ứng suất trên đầu nhỏ (Hình 3.5).

Hình 3.5.Ứng suất trên đầu nhỏ thanh truyền khi chịu nén

Ứng suất biến dạng là ứng suất sinh ra do sự biến dạng vì dãn nở nhiệt và do lắp ghép có độ dôi giữa lót đầu nhỏ và đầu nhỏ thanh truyền Độ biến dạng của đầu nhỏ khi chịu nhiệt độ được tính bằng công thức: (MN/m 2 ) c.

 t ( b   tt ) t d 1 (3-14) Trong đó : t: Nhiệt độ trung bình của bạc lót khi làm việc. t = 100 – 140 0 C , chọn t = 120 0 C tt b 

 , : Là hệ số nở dài của bạc lót và đầu nhỏ.

(mm) Độ dôi lắp ghép giữa bạc lót và đầu nhỏ thanh truyền

Nếu độ dôi khi lắp ghép bạc đầu nhỏ thanh truyền là thì áp suất trên mặt cong của đầu nhỏ sẽ là:

(MN/m 2 ) (3-15) Trong đó: d2:đường kính ngoài của đầu nhỏ (mm); d 2 = 58 (mm) d 1 : Đường kính trong đầu nhỏ; d 1 = 40 (mm)

Ett , Eb : mô đun đàn hồi của vật liệu thanh truyền và bạc lót.

(MN/m 2 ) Ứng suất biến dạng theo công thức Lame: Ứng suất bên ngoài mặt đầu nhỏ :

 (MN/m2) Ứng suất trên mặt trong:

 (MN/m 2 ) Ứng suất biến dạng cho phép có thể đạt đến 100 – 250MN/m 2

Kết luận: Thỏa mãn ứng suất cho phép d Hệ số an toàn của đầu nhỏ thanh truyền

Do ứng suất trên đầu nhỏ thanh truyền thay đổi theo chu trình không đối xứng Vì vậy hệ số an toàn được tính theo công thức:

(3-21) Tính toán cho tiết diện nguy hiểm (tiết diện ngàm C -C ) và trên mặt ngoài nên:

 n : ứng suất kéo trên mặt ngoài đầu nhỏ; j  n = 107,97 (MN/m j 2 ) Ứng suất biến dạng trên mặt ngoài đầu nhỏ;  n  = 51,08 (MN/m 2 ) Ứng suất tổng gây ra trên đầu nhỏ khi chịu nén;  n = -105,36( MN/m z 2 )

 min 105,36 51,08 54, 28 (MN/m 2 ) Thay vào (3-19) và (3-20) ta được:

 : Giới hạn bền mỏi trong chu trình không đối xứng, với vật liệu thép

 0 : Độ bền kéo ( tra bảng 7-2 trang 191, sách thiết kế Chi tiết máy -Nguyễn

Trọng Hiệp,Nguyễn văn lẫm) ta được   1 = 600(N/mm 2 ) ;  0 = 850 (N/mm 2 )

Thay các kết quả tính được vào (3-18) ta được:

Để đảm bảo an toàn, hệ số an toàn phải đạt mức    5 Ngoài ra, cần chú ý đến độ biến dạng  của đầu nhỏ thanh truyền, được tính toán theo công thức nghiệm cụ thể.

E: Môđun đàn hồi của vật liệu (MN/m 2 )

J : mô men quán tính tiết diện dọc đầu nhỏ:

(m 4 ) Với: l d 1 :Chiều dài đầu nhỏ thanh truyền; l d 1 ( (mm) s: Chiều dày đầu nhỏ; s = 9 (mm)

P jn : Lực quán tính của khối lượng nhóm piston p

P jn = m p n R p  2 (1 + ) d tb : đường kính trung bình đầu nhỏ thanh truyền: d tb  2  (m)

 P jn =1,34 43,5.10 272,27 (1+ 0,28) = 0,005531 p (MN) Thay vào (3-22) ta được:

(m) Thỏa mãn điều kiện đối với động cơ ô tô máy kéo, khe hở lắp ghép giữa chốt piston và bạc lót thường trong khoảng 0,04-0,06 mm, nên yêu cầu   0 , 0 2  0 , 0 3 (mm)

3.2 Tính sức bền thân thanh truyền

Tính thân thanh truyền thường được tính toán ở các tiết diện: nhỏ nhất, trung bình và tính toán Tiết diện nhỏ nhất chịu nén từ lực khí thể và lực quán tính tịnh tiến, tiết diện trung bình chịu nén và uốn dọc do các lực tương tự, còn tiết diện tính toán chịu nén và uốn ngang do lực quán tính lắc của thanh truyền Tính toán thường thực hiện ở chế độ công suất lớn nhất và cần kiểm tra thêm độ ổn định khi uốn dọc của thân thanh truyền.

Là động cơ tốc độ trung bình do nằm trong khoảng 6,5 / m s v  tb  9 / m s Ứng suất nén : m ax F m in

Pz : Lực khí thể tác đụng lên thân khi chịu nén và uốn dọc.

Tính theo tải trọng tĩnh của lực khí thể lớn nhất, bỏ qua lực quán tính chuyển động thẳng và chuyển động lắc của thanh truyền.

F m : Tiết diện nhỏ nhất của thân thanh truyền -tiết diện I-I in

Hình 3.6.Tiết diện nhỏ nhất của thân thanh truyền

Trong đó: H1=2.r1=2.20@ (mm) h1 = 0,668.H1 = 0,668.40 = 26,72 Chọn h1 = 27 (mm) b1/2 = 0,292.H1 = 0,292.40 = 11,68 Chọn b1/2 = 12 (mm)

Hình 3.7.Tiết diện sau khi chọn các thông số

Thay vào (3-22) ta có: max 4

Fmax tiết diện lớn nhất của thân thanh truyền tại tiết diện II-II

Hình 3.8 Tiết diện trung bình của thân thanh truyền

Hình 3.9.Tiết diện sau khi chọn thông số

Hình 3.10 minh họa sơ đồ tính thân thanh truyền Ứng suất nén và uốn dọc tại tiết diện trung bình được tính toán theo công thức Nave- Răngkin, dựa trên tải trọng tĩnh của lực khí thể lớn nhất Lực quán tính chuyển động thẳng và chuyển động lắc của thanh truyền được bỏ qua trong tính toán.

( MN/m) (3-24) Đối với trục x - x ta có:

(m 4 ) (3-25) Đối với trục y- y ta có:

- i: là bán kính quán tính của tiết diện. Đối với trục x-x ta có: ix = tb x

(m) Đối với trục y – y ta có: iy = tb y

 giới hạn đàn hồi của vật liệu.

L0: Chiều dài biến dạng của thân thanh truyền khi chịu uốn dọc. m : Hệ số xét đến ngàm chịu lực của thân thanh truyền khi uốn dọc:

Khi uốn trong mặt phẳng lắc của thanh truyền (uốn quanh x-x )ta có:

Khi uốn dọc trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng lắc (uốn quanh y-y) ta có:

(m) l : chiều dài thanh truyền l = 155 (mm)

D1, d1 : Đường kính trong đầu to và đầu nhỏ;

C : Hệ số đặc tính của vật liệu C = 2.10 -4 - 5.10 -4 Chọn C = 3.10 -4

Như vậy, ứng suất tổng do nén và uốn dọc trong mặt phẳng lắc tại tiết diện trung bình sẽ là: x tb x tb x

Tương tự trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng lắc. y y tb tb y k

Thay vào (3-27) và (3-28) ta được:

Thỏa mãn ứng suất cho phép của thân thanh truyền như sau:

- Đối với thanh truyền thép hợp kim : 120 - 180 (MN/m 2 ) b Kiểm tra độ ổn định khi uốn dọc Độ uốn dọc khi uốn dọc của thân thanh truyền trong động cơ đốt trong thường được tính theo công thức của Tetmaierơ như sau:

Lực tới hạn thanh truyền thép các-bon.

) (MN) (3-29) i: là bán kính quán tính nhỏ nhất tại tiết diện trung bình;

Chọn imin theo Jx và Jy

Hệ số ổn định dọc: z th

Trong đó: Pz = P  là lực tổng cộng đối với động cơ tốc độ cao bỏ qua lực quán tính

3.3 Tính sức bền đầu to thanh truyền

Do kết cấu đầu to có tiết diện thay đổi phức tạp, nên tính toán mang tính chất gần đúng.

Lực tính toán là hợp lực của lực quán tính vận động tịnh tiến và vận tốc quay của đầu to không kể đến nắp :

Tính sức bền đầu to thanh truyền

Do kết cấu đầu to có tiết diện thay đổi phức tạp, nên tính toán mang tính chất gần đúng.

Lực tính toán là hợp lực của lực quán tính vận động tịnh tiến và vận tốc quay của đầu to không kể đến nắp :

Công thức tính công suất truyền động Pd = R.w 2 Fpt.[m.(1+ ) + m 2 - m n ] trong đó m là khối lượng vận tốc tịnh tiến, mn + mp 1 = 1,34 + 0,24 = 1,58 (kg) với m2, mn lần lượt là khối lượng quy về đầu to, khối lượng nắp đầu to (kg) Theo thực nghiệm, mn = (0,20 - 0,28).mtt = (0,20 - 0,28).0,84 = (0,168 - 0,2352).

Tính sức bền đầu to thanh truyền theo phương pháp của Kinaxotsvili với các giả thiết sau: Đầu to coi như một khối nguyên, không xét đến mối ghép.

Tiết diện ngang đầu to coi như không đổi bằng tiết diện giữa của nắp.

Khi lắp căng bạc lót đầu to với đầu to, cả bạc lót và đầu to đều biến dạng đồng thời Do đó, mô men tác dụng tỷ lệ thuận với mô men quán tính của tiết diện, còn lực tác dụng tỷ lệ thuận với diện tích tiết diện.

Còi đầu to được mô hình hóa như một dầm cong tiết diện không đổi, ngàm một đầu tại tiết diện B-B với góc  0 = 40 0 Mô hình này được tạo ra bằng cách cắt bỏ một nửa đầu to và thay thế tác động của nó bằng mô men uốn Ma và lực pháp tuyến NA tại tiết diện cắt bỏ (A-A) Bán kính cong của dầm bằng một nửa khoảng cách giữa hai tâm lỗ lắp ghép bu lông thanh truyền.

-Lực phân bố trên dầm cong của đâu to (gây ra lực Pđ) theo quy luật đường côsnnuýt.

C : khoảng cách 2 đường tâm lỗ bu lông

: góc lệch so với đường tâm thanh truyền.

Mô men uốn và lực pháp tuyến thay thế tại tiết diện A-A được tính theo biểu thức sau:

0: góc giữa tiết diện ngàm và mặt lắp ghép đầu to tính bằng độ Theo trên chọn

Hình 3.11 Sơ đồ tính toán đầu to thanh truyền Ứng suất tổng trên nắp đầu to là:

J b , J d : Mô men quán tính tại tiết diện A-A của đầu to và bạc lót đầu to;

Wu: mô đun chống uốn của tiết diện A-A của nắp đầu to

Fb, Fd: diện tích tiết diện bạc lót và nắp đầu to tại A-A.

F l      (m 2 ) Thay các kết qủa trên vào (3-31) ta được:

Ngoài ra để đảm bảo điều kiện làm việc của mối ghép và dễ hình thành màng dầu bôi trơn, cần phải kiểm tra độ biến dạng hướng kính của đầu to thanh truyền dưới tác dụng của lực Pd. Độ biến dạng  d đường kính xác định theo công thức thực nghiệm sau đây:

 Độ biến dạng  d không được vượt quá một nửa khe hở giữa bạc lót và cổ chốt, tức là:  d = 0,06 – 0,1(mm)