Không một loạikim loại nào có thể chịu được nhiệt đột tăng lên mãi mãi.Chính vì vậy bộ phận làm mát trên động cơ là bắt buộc.Chúng hoạt động giúp giữ nhiệt độ của động cơ ổn định ởmức độ
GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Lịch sử phát triển ô tô
Từ những chiếc xe đầu tiên chạy bằng hơi nước ở thế kỷ 18, đến nay làng ôtô thế giới đã cho ra đời những chiếc xe động cơ điện sang trọng, hiện đại.
Cho đến nay để nhận định chiếc xe hơi đầu tiên ra đời khi nào vẫn còn nhiều luống ý kiến khác nhau trên thế giới Nguồn gốc của từ ôtô là automobile (tiếng Anh), có nghĩa là tự động (auto) chuyển động (mobile) Như vậy nếu căn cứ theo định nghĩa, chiếc xe hơi đầu tiên trên thế giới ra đời năm 1770 do Nicolas Joseph Cugnot chế tạo chạy bằng động cơ hơi nước Tuy nhiên, từ khi xuất hiện động cơ đốt trong do Nicolaus Otto phát minh năm
1876, người ta coi xe hơi ra đời ở thời kỳ này mới là nguồn gốc bởi có hình dáng và động cơ gần với ngày nay nhất Thời điểm đánh dấu ôtô bắt đầu được chú ý đưa vào sản xuất hàng loạt thành phương tiện di chuyển là năm 1892 tại Chicago (Mỹ) Ở đây người ta chứng kiến một chiếc xe ô tô có 4 bánh, hệ thống đánh lửa bằng điên, bộ bơm dầu tự động, đạt vận tốc khoảng 20 km/h.
Cùng với châu Âu và châu Mỹ, tại châu Á cũng có một đất nước nổi lên là Nhật Bản. Chiếc xe đầu tiên của Nhật Bản có tên Takkuri, do Uchiyama Komanosuke, kỹ sư ôtô đầu tiên của xứ mặt trời mọc sản xuất vào năm 1907 Tuy nhiên, số lượng ít, giá thành cao khiến xe Nhật không thể cạnh tranh được với xe nhập từ Mỹ.
Nhật bản là một trong những nước vươn lên mạnh mẽ bằng các hãng xe hàng đầu như Toyota, Honda, Nissan Sở dĩ xe Nhật được ưa chuộng rộng khắp bởi nhỏ gọn, ít tốn nhiên liệu, giá cả hợp lý và đặc biệt bền, ít trục trặc
Từ đấy có thể thấy được những hãng xe tới từ Nhật Bản Như Toyota đã phát triển những khía cạnh khác với các hãng còn lại nhằm cạnh tranh được với thi trường quốc tế đến từ Đức hay Mỹ, ngoài vẽ bề ngoài thì kết cầu cũng như độ bền bên trong cũng đóng vai trò không nhỏ trong việc phái triển nên thương hiệu đến từ châu á này. Đến thời điểm hiện nay, châu Á vẫn là nơi sản xuất nhiều ôtô trên thế giới nhất với sự nổi lên của Hàn Quốc, Trung Quốc, Đài Loan Đây cũng là thị trường hấp dẫn với bất cứ hãng xe nào trên thế giới bởi kinh tế đang trên đà phát triển nóng, dân số đông và lượng xe chưa đạt mức bão hòa.
Xu hướng hiện nay ngoài vấn đề tiết kiệm, chất lượng tốt thì người tiêu dùng còn hướng tới yếu tố thiết kế ấn tượng và tính tiện dụng cao Vì thế sự cạnh tranh về mức giá dần mất ý nghĩa, thay vào đó là thỏa mãn và gợi mở nhu cầu khách hàng.
Bên cạnh sự xuất hiện của các động cơ đốt trong thì hiện nay xu hướng thế giới đang dần chuyển hướng san xu hướng bảo vệ môi trường để có thể đáp ứng được các nhu cầu này sự xuất hiện của các xe sử dụng điện năng thay thế cho các nguồn nguyên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt.
STT Tên chi tiết Nhiệm vụ của chi tiết
Là bộ phận bao bọc bên ngoài Piston, vừa có nhiệm vụ làm buồng đốt, vừa có nhiệm vụ dẫn hướng cho piston chuyển động tịnh tiến
Piston là một trong những bộ phận quan trọng trong động cơ đốt trong Nó là bộ vận đảm nhiệm 2 công việc chính bao gồm: Nén nhiên liệu, và tạo chuyển nhiệt năng thành động năng thông qua cơ cấu trượt bên trong xi lanh. Ơ giai đoạn 1, Piston sẽ nén phần nhin liệu được bơm từ kim phun đến một áp xuất nhất định Sau khi lượng nhiên liệu đã được nén, chúng sẽ phát nổ đẩy piston trở lại vị trí ban đầu đồng thời sinh công.
3 Thanh truyền Đây là cơ cấu kết nối trực tiếp piston và trục khuỷu, chúng còn được gọi là chi tiết tay biên Thanh truyền được thiết kế chắc chắn, bền bỉ bằng thép gia cường.
Là bộ phận kết nối với thanh truyền làm nhiệm vụ chuyển từ chuyển động tịnh tiến sang chuyển động quay khi động cơ hoạt động Trục khuỷu vừa cung cấp động năng cho bánh đà, vừa tiếp nhận lực từ bánh đà tác động ngược lại piston để thực hiện một chu kỳ mới
5 Cơ cấu phân phối khí
Cơ cấu phân phối khi là tên gọi chung của các chi tiết trong động cơ làm nhiệm vụ nạp khí mới vào buồng đốt, và xả khí cũ từ buồng đốt ra ngoài Chúng làm nhiệm vụ đóng, mở các của nạp thải trong quá trình động cơ hoạt động
6 Hệ thống bôi trơn Được thiết kế nhằm tạo ra chuyển động trơn, mượt mà, giảm ma sát giữa các chi tiết khi động cơ hoạt động. Chúng làm nhiệm vụ đưa dầu bôi chơi từ bình chứa tới từng chi tiết bên trong động cơ.
Hệ thống cung cấp nhiên liệu và không khí
Hệ thống cung cấp nhiên liệu bao gồm kim phun, các cơ cấu lọc, chế hòa khí, và các chi tiết khoác Bộ phận này có nhiệm vụ hòa trộn không khí sạch với nhiên liệu và phun chúng vào bên trong buồng đốt khi mỗi chu kỳ mới bắt đầu
8 Hệ thống làm mát Động cơ hoạt động dựa trên việc đốt nhiên liệu, vì vậy nhiệt động động cơ tỏa ra là vô cùng lớn Không một loại kim loại nào có thể chịu được nhiệt đột tăng lên mãi mãi. Chính vì vậy bộ phận làm mát trên động cơ là bắt buộc. Chúng hoạt động giúp giữ nhiệt độ của động cơ ổn định ở mức độ cho phé
Động cơ đốt trong là gì?
Động cơ đốt trong, động cơ nhiệt hay ICE (internal combustion engine) là tên gọi của một nhóm động cơ nhiệt, chúng giúp chuyển hóa từ nhiệt năng, thành động năng thông qua quá trình đốt cháy nhiên liệu bên trong buồng đốt (xi lanh), cung cấp hoạt động cho các phương tiện và máy móc Loại nguyên liệu chủ yếu sử dụng cho động cơ đốt trong là các loại nhiên liệu hóa thạch.
Quá trình đốt cháy nhiên liệu và sinh công được xảy ra ra trong 2 hoặc 4 giai đoạn được gọi là các “Thì hoặc Kì” Khi hoàn thành tất cả các thì thì người ta gọi là một chu kì của động cơ Các chu kỳ của động cơ diễn ra trong trong một thời gian cực ngắn và liên tục, đảm bảo các thiết bị sử dụng động cơ đốt trong hoạt động liên tục trong thời gian dài. Ưu điểm của động cơ đốt trong
Giá thành rẻ: So với các loại động cơ điện, động cơ phản lực,… các thì động cơ đốt trong là một trong những loại động cơ có chi phí đầu tư ban đầu thấp.
Bền bỉ: Ở thời điểm hiện tại động cơ đốt trong vẫn được cho là một trong những loại động cơ có khả năng hoạt động bền bỉ ít phải bảo trì, bảo dưỡng, và ít hỏng vặt. Hoạt động mạnh mẽ: So với động cơ điện thì động cơ đốt trong có công suất hoạt động mạnh mẽ hơn nhiều Chính vì vậy chúng không thể thay thế trên các loại phương tiện vận tải hạng nặng.
Hoạt động không ngừng nghỉ: Nếu động cơ điện cần phải sạc lại điện trong một khoảng thời gian nhất định Thì động cơ đốt trong có khả năng hoạt động liên tục không ngừng nghỉ, việc bạn cần làm là bổ sung nhiên liệu để chúng hoạt động.
Nguyên liệu sẵn có: Hiện nay công nghệ sạc và các Trạm sạc trên thế giới là không phổ biến Nhưng các trạm xăng và các trạm cung cấp nhiên liệu dành cho động cơ đốt trong lại được xây dựng vô cùng nhiều Vì vậy bạn có thể dễ dàng sử tìm mua và dụng nhiên liệu đốt trong theo các phương tiện máy móc và thiết bị của mình.
Nhược điểm của động cơ đốt trong
Tuy mang trong mình nhiều ưu điểm vượt trội so với các dòng động cơ khác Tuy vậy động cơ đốt trong đang dần được nghiên cứu và thay thế bởi các loại động cơ mới bởi các nhược điểm sau đây Ô nhiễm môi trường: Nhược điểm lớn nhất của động cơ đốt trong đó là phát thải khí nhà kính gây ô nhiễm môi trường Khí thải từ động cơ đốt trong là một trong những nguyên nhân chính gây ra hiệu ứng nhà kính thủng tầng ozon Đây cũng là nguyên nhân chính khiến cho các quốc gia ra trên thế giới chung tay hạn chế loại động cơ này. Tiếng động lớn: Động cơ đốt trong được cho là hoạt động của nào với nhiều tiếng động lớn Chúng không thích hợp làm việc trong những môi trường cần sự yên tĩnh như nhà xưởng, kho sạch. Ảnh hưởng tới sức khỏe con người: Động cơ đốt trong không chỉ tạo ra khí CO2 mà chúng còn có thể tạo ra nhiều loại khí khác, độc hại ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe của con người Đã có nhiều tai nạn nghiêm trọng xảy ra khi động cơ đốt trong đốt sạch khí oxi, và thải khí CO2 trong buồng kín.
Đặt vấn đề
Động cơ đốt trong đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế, là nguồn động lực cho các phương tiện vận tải như ôtô, máy kéo, xe máy, tàu thủy, máy bay và các máy công tác như máy phát điện, bơm nước và lĩnh vực quân sự … Mặt khác động cơ đốt trong đặc biệt là động cơ ôtô là một trong những nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường, nhất là ở thành phố.
Sau khi học môn học ‘‘Động cơ đốt trong’’, chúng em đã vận dụng những kiến thức đã học để làm bài tập lớn‘‘Đồ án Động cơ đốt trong’’ Trong quá trình hoàn thành đồ án môn học chuyên nghành này, bước đầu đã gặp không ít khó khăn bỡ ngỡ nhưng với sự nỗ lực của chính bản thân cùng với sự hướng dẫn và giúp đỡ hết sức tận tình của giảng viên hướng dẫn Phan Quốc Minh, giờ đây sau một thời gian làm việc hết mình, nghiêm túc trong nghiên cứu và tìm hiểu chúng em đã hoàn thành xong bài tập lớn môn học Động cơ
14 đốt trong Tuy nhiên do đây là lần đầu tiên chúng em vận dụng lý thuyết đã học, vào hoàn thành đồ án theo đề tài đã chọn, nên gặp rất nhiều khó khăn và không tránh khỏi những sai sót Vì vậy em rất mong được sự xem xét, sự giúp đỡ chỉ bảo và đưa ra ý kiến của các thầy để chúng em hoàn thành đồ án một cách tốt nhất, đồng thời cũng qua đó rút ra kinh nghiệm, bài học làm giàu kiến thức chuyên môn và khả năng tự nghiên cứu của mình.
Giới hạn đề tài
- Đề tài được giới hạn trong việc tính toán – thiết kế phần động của động cơ đốt trong trên xe ôtô nói chung và trên Toyota Innova 2010 nói riêng.
Mục tiêu
- Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lí hoạt động phần động của động cơ đốt trong trên ôtô.
- Tính toán – thiết kế các chi tiết của phần động động cơ đốt trong.
Nội dung đề tài
- Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lí hoạt động phần động của động cơ đốt trong trên ôtô.
- Tính toán – thiết kế các chi tiết của phần động động cơ đốt trong.
- Vẽ và thiết kế mô hình mô phỏng các chi tiết.
Phương thức nghiên cứu
1 Tìm hiểu các thông tin liên quan.
2 Nghiên cứu lại tài liệu môn học Động cơ đốt trong.
4 Sử dụng phầm mềm soạn thảo Word.
5 Sử dụng phần mềm Solidwork.
6 Xây dựng mô hình bằng chất liệu nhựa.
Kết cấu đồ án
- Nội dung tiểu luận word gồm 4 chương.
- Bản vẽ 2D, 3D và mô phỏng chuyển động của phần động động cơ trên Solidwork.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ KẾT CẤU PHẦN ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
Piston
2.1.1 Công dụng, điều kiện làm việc, vật liệu chế tạo
Piston cùng với các chi tiết khác như xi lanh, nắp xi lanh bao kín tạo thành buồng đốt, đồng thời truyền lực của khí thể cho thanh truyền cũng như nhận lực của thanh truyền để nén khí.
Ngoài ra ở một số động cơ hai kỳ, piston còn có nhiệm vụ đóng mở các cửa nạp và thải của cơ cấu phối khí.
Piston là một chi tiết máy quan trọng của động cơ, làm việc trong điều kiện chịu tải trọng cơ học lớn, chịu nhiệt cao, chịu ma sát và ăn mòn hoá học
Các tải trọng cơ học lên piston:
- Áp lực khí thể rất lớn của quá trình cháy – giãn nở.
- Lực quán tính tác dụng lên piston rất lớn, nhất là với động cơ tốc độ cao.
Piston trực tiếp tiếp xúc với khí cháy có nhiệt độ cao (2300÷28000K) Nhiệt độ của đỉnh piston thường khoảng 500÷8000K
Nhiệt độ cao của piston có thể gây các tác hại sau đây:
- Gây ứng suất nhiệt làm rạn nứt piston.
- Gây biến dạng piston, tăng độ ma sát, kẹt piston.
- Làm giảm sức bền piston
- Làm giảm hệ số nạp, ảnh hưởng đến công suất động cơ;
- Làm hủy hoại tính chất bôi trơn của dầu nhờn.
- Đối với động cơ xăng dễ sinh ra kích nổ.
Ma sát lớn và ăn mòn hóa học:
Do có lực ngang N (Hình 2.1) nên giữa piston và xi lanh có ma sát lớn Điều kiện
16 bôi trơn tại đây rất khó khăn, thông thường là vung toé nên khó đảm bảo bôi trơn hoàn hảo.
Mặt khác, do thường xuyên tiếp xúc với sản vật cháy có các chất ăn mòn như các hơi axít nên piston còn chịu ăn mòn hoá học
Hình 2.1: Lực ngang tác dụng lên piston
Một số vật liệu thường được dùng để chế tạo piston:
- Gang: Thường dùng gang dẻo, gang cầu, gang xám Gang chỉ dùng để chế tạo piston động cơ có tốc độ thấp Mặt khác hệ số dẫn nhiệt của gang nhỏ nên nhiệt độ đỉnh piston cao.
- Thép: Có hệ số dẫn nhiệt nhỏ, khó đúc nên hiện nay ít được dùng.
- Hợp kim nhôm: Có nhiều ưu điểm như nhẹ; hệ số dẫn nhiệt lớn; hệ số ma sát với so với gang nhỏ; dễ đúc; dễ gia công nên được dùng phổ biến chế tạo piston Tuy nhiên, piston bằng hợp kim nhôm chịu mòn kém và giá thành cao.
Kết cấu piston gồm ba phần chính: Đỉnh piston, đầu piston và thân piston.
2.12.1 Đỉnh piston Đỉnh piston là mặt trên của piston, nó nhận lực cháy khí thể và chịu nhiệt lớn Đỉnh piston có nhiều dạng khác nhau và đặc điểm cấu tạo của từng dạng đều có tác dụng nhất định.
Piston đỉnh bằng: Đỉnh bằng là loại phổ biến nhất, diện tích chịu nhiệt nhỏ, dễ chế tạo Nó thường được dùng trong động cơ xăng, diesel có buồng đốt dự bị và xoáy lốc.
Piston đỉnh lồi: Đỉnh lồi có sức bền lớn, đỉnh mỏng nhưng diện tích chịu nhiệt lớn, loại đỉnh này thường được dùng trong động cơ xăng 4 kỳ, 2 kỳ xupap treo, buồng đốt chỏm cầu.
Piston đỉnh lõm: Đỉnh lõm tạo sự xoáy lốc mạnh trong vùng nén cũng như xoáy Tuy nhiên sức bền kém và diện tích chịu nhiệt lớn hơn so với đỉnh bằng Loại này được dùng trong động cơ xăng, diesel.
Hình 2.2: Kết cấu của Piston
3– Thân piston; 4– Rãnh lắp xéc măng khí; 5– Rãnh lắp xéc măng dầu; 6– Bệ chốt piston;
7– Chân piston Đỉnh piston nhiều dạng khác nhau nhưng phải bảo đảm các yêu cầu cơ bản sau đây:
- Đỉnh piston phải có hình dạng phù hợp để hình thành khí hỗn hợp khí cháy tốt nhất (xoáy lốc).
- Tỷ số Fc/Vc nhỏ (diện tích buồng đốt so với thể tích buồng đốt) Mục đích giảm tổn thất nhiệt, nâng cao các chỉ tiêu kinh tế của động cơ.
- Phải có góc lượn để dẫn nhiệt tốt.
- Đỉnh có hình dạng hợp lý không va chạm vòi phun, xupap, bugi xông.
Bao gồm đỉnh và phần chứa rãnh xéc măng hơi làm nhiệm vụ bao kín Đường kính đầu piston thường nhỏ hơn đường kính thân vì thân là phần dẫn hướng của piston Kết cấu đầu piston phải đảm bảo các yêu cầu sau:
- Đầu piston phải đảm bảo tản nhiệt tốt:
Trong quá trình làm việc của động cơ, piston truyền phần lớn nhiệt lượng của khí cháy truyền cho nó (70÷80%) qua phần đai xéc măng – xéc măng –xi lanh rồi đến nước hoặc không khí làm mát động cơ Vấn đề tản nhiệt nếu không được thực hiện tốt sẽ làm giảm sức bền của piston
Do đó, để tản nhiệt nhanh người ta thường dùng các biện pháp sau đây:
+ Thiết kế đỉnh piston dày phần chuyển tiếp giữa đỉnh và đầu có bán kính R lớn. + Dùng gân tản nhiệt ở dưới đỉnh piston
+ Dùng hợp kim nhôm có hệ số dẫn nhiệt cao để giảm nhiệt độ piston.
+ Tạo ngăn cách nhiệt ở đầu piston để giảm nhiệt lượng truyền cho xéc măng thứ I.
Kết cấu piston kiểu đỉnh lõm
+ Làm mát đỉnh piston bằng cách đưa dầu nhờn vào phía dưới đỉnh piston.
- Đầu piston phải đảm bảo bao kín buồng đốt tốt:
Việc bao kín không cho khí nén, khí cháy lọt xuống Cacte và không cho dầu nhờn lên buồng đốt là rất quan trọng Nếu để lọt khí, công suất động cơ giảm và làm hỏng dầu nhờn ở Cacte, còn để dầu nhờn lên buồng đốt, cháy thành muội than vừa hao tốn dầu nhờn, vừa bị mài mòn nhanh đồng thời dễ sinh cháy sớm.
Ngày nay biện pháp duy nhất để bao kín là dùng xéc măng Ngăn lọt khí là dùng xéc măng hơi (lắp ở phần đầu piston) Ngăn dầu nhờn lên buồng đốt và làm nhiệm vụ bôi trơn dùng xéc măng dầu.
Nguyên tắc thì càng nhiều xéc măng bao kín thì càng tốt Tuy nhiên công ma sát sẽ lớn, mài mòn nhanh vì vậy số lượng xéc măng cần bảo đảm bao kín với mức cần thiết
Số lượng xéc măng phụ thuộc vào các yếu tố sau:
+ Áp suất khí thể: áp suất thể khí càng cao, càng nên bố trí nhiều xéc măng
+ Tốc độ piston: tốc độ piston càng thấp, càng nên bố trí nhiều xéc măng.
+ Đường kính piston: đường kính piston càng lớn, càng nên bố trí nhiều xéc măng.
Bảng 3.1: Kinh nghiệm thiết kế xéc măng đối với từng loại động cơ Loại xéc măng
Số lượng xéc măng (chiếc) Động cơ xăng Động cơ diesel
Tốc độ cao Tốc độ thấp
Xéc măng đặt trong rãnh piston phải có 1 khe hở nhất định Nếu khe hở bé quá thì dễ bị bó kẹt Ngược lại nếu khe quá lớn thì sinh ra va đập
Khe hở chọn theo kinh nghiệm:
-Xéc măng khí thứ nhất: = (1/20÷1/40)hΔ
Trong đó: Δ - Khe hở rãnh piston và xéc măng h - Chiều cao của xéc măng.
Rãnh xéc măng thường khoét sâu hơn chiều dày xéc măng chừng 0,5÷1,5mm.
Chốt piston
Hình 2.7: Chốt piston lệch tâm Hình 2.8: Chốt piston
2.2.1 Công dụng, điều kiện làm việc, vật liệu chế tạo a Công dụng
Là chi tiết nối piston với thanh truyền Tuy có kết cấu đơn giản nhưng chốt piston rất quan trọng để đảm bảo điều kiện làm việc bình thường của động cơ. b Điều kiện làm việc
- Chốt piston chịu tải trọng cơ học luôn luôn thay đổi: Gồm có lực quán tính, lực khí thể, ma sát trong điều kiện bôi trơn khó khăn.
- Chốt chịu tải trọng nhiệt: Nhiệt độ khí cháy truyền xuống và do ma sát sinh ra Lúc làm việc nhiệt độ chốt lớn hơn 373 K Để chốt piston chịu được điều kiện làm việc như vậy cần phải thỏa mãn các yêu cầu sau:
+ Ít biến dạng trong quá trình làm việc.
+ Vật liệu chịu tải trọng va đập, chịu mòn tốt. c Vật liệu chế tạo
Yêu cầu vật liệu chế tạo chốt piston phải bền, độ cứng bề mặt cao nhưng bên trong dẻo Vật liệu hay dùng là thép cacbon và thép hợp kim có thành phần cacbon thấp như:
22 Để bảo đảm độ cứng, thường chốt piston đều thông qua khâu nhiệt luyện: xementit hoá, xianuya hoá, hoặc nitơ hoá đạt độ sâu 0,5 1,5 mm và độ cứng bề mặt đạt 58 62 HRC (đơn vị đo độ cứng vật liệu).
2.2.2 Kết cấu và các phương án lắp ghép chốt piston
- Chốt piston được lắp vào đầu nhỏ thanh truyền và bệ chốt theo ba kiểu sau đây: + Cố định chốt piston trên bệ chốt piston: Dùng một hay nhiều bulông để cố định, bệ chốt được khoan có ren răng để lắp chốt piston (Hình 2.9)
+ Cố định chốt piston trên đầu nhỏ thanh truyền: Chốt piston được cố định vào đầu nhỏ thanh truyền bằng đầu bulông (Hình 2.10)
+ Chốt piston lắp tự do: Là kiểu lắp ghép mà chốt piston quay tự do trong lỗ đầu nhỏ thanh truyền và trong bệ chốt Đây cũng là kiểu lắp ghép được phổ biến nhiều nhất hiện nay (Hình 2.11)
Xéc măng
2.3.1 Công dụng xéc măng n không cho không khí cháy lọt xuống Cacte (còn ở kỳ nén không Cacte)
- Xác măng dầu: Gạt dầu về Cacte không cho lên buồng đốt và hình thành màng dầu để bôi trơn piston xi lanh
Chốt piston cố định trên bệ chốt
Hình 2.10: Chốt piston cố định trên đầu nhỏ thanh truyền
Hình 2.11: Chốt piston lắp tự do
2.3.2 Điều kiện làm việc của xéc măng
- Xéc măng làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao, chịu va đập mạnh, bị ăn mòn hóa học cao và lực ma sát lớn
- Chịu nhiệt độ cao: Do tiếp xúc trực tiếp với khí cháy và được piston truyền qua cho nên có nhiệt độ cao, nhất là xéc măng đầu tiên (623÷673K) Nhiệt độ trung bình của các xéc măng khí khác vào khoảng (473÷523K) Xéc măng dầu (373÷423K) Nhiệt độ cao làm giảm độ đàn hồi của xéc măn, dễ lọt khí, làm cháy dầu nhờn, điều kiện làm việc xấu, do đó nhanh chóng làm cho xéc măng bị mất tác dụng (xéc măng bị bó)
- Chịu lực va đập lớn: Vì được lắp trong rãnh piston bao giờ cũng có một khe hở nhất định bởi vậy piston chuyển động sẽ sinh lực va đập lớn, nhất là với động cơ cao tốc
- Chịu mài mòn: Khi làm việc xéc măng và xi lanh ma sát lớn, công ma sát khoảng 50÷60% toàn bộ công tổn thất cơ giới của động cơ Áp suất tiếp xúc xéc măng với thành xi lanh lớn,trong lúc điều kiện bôi trơn kém nên mài mòn tăng.
2.3.3 Vật liệu chế tạo xéc măng
- Vật liệu chế tạo cần phải đảm bảo những yêu cầu sau:
+ Sức bền và độ đàn hồi ở nhiệt độ cao
+ Hệ số ma sát nhỏ
+ Có khả năng rà khít mặt xi lanh nhanh chóng
- Để đáp ứng những yêu cầu trên thì người ta sử dụng gang xám hợp kim (có pha thêm Ni, Cr, P, Cu, Mo, V, Ti, hợp kim cho thêm rất ít để đảm bảo độ dẻo, sức bền cơ học và chịu mòn tốt của gang) Để chống mài mòn xéc măng người ta thường mạ Cr hay kẽm Sn bên ngoài bề mặt làm việc của xéc măng, lớp mạ Cr dày 0,1÷0,2 mm, còn lớp mạ kẽm Sn có chiều dày 0,005÷0,01 mm.
- Độ cứng của xéc măng HB = 95÷105, thường thấp hơn độ cứng của mặt gương xi lanh 10÷20 đơn vị.
2.3.4 Kết cấu xéc măng khí
- Đối với động cơ có áp suất thể khí không cao lắm người ta chỉ dùng 3 xéc măng khí là đủ bao kín Số lượng xéc măng khí phụ thuộc vào kiểu động cơ và tốc độ của nó
- Động cơ diesel áp suất khí trong xi lanh lớn cần nhiều xéc măng hơn động cơ xăng. Động cơ tốc độ thấp cần nhiều xéc măng khí hơn động cơ tốc độ cao
- Khi lắp các xéc măng khí cần xoay miệng của các xéc măng lệch nhau một góc 120 hoặc 180 độ để làm giảm lượng khí lọt xuống Cacte
- Tiết diện xéc măng khí:
+ Tiết diện hình chữ nhật là thông dụng nhất, dễ chế tạo nhất Để tăng lực P tiếp xúc, làm việc bao kín tốt và giảm trọng lượng thường giảm chiều cao (h) của xéc măng khí + Tiết diện hình côn có góc 15÷30 độ Với tiết diện hình côn sẽ tăng áp suất tiếp xúc giữa xéc măng và xi lanh, làm nâng cao khả năng bao kín, cạo dầu, nhưng nhược điểm là khó chế tạo
+ Tiết diện không đối xứng Ưu điểm dễ chế tạo nhưng khi lắp vào xi lanh nó biến dạng nên có tác dụng làm việc như tiết diện hình côn
+ Tiết diện hình thang có tác dụng tăng áp suất giữa xéc măng và các xi lanh đồng thời hạn chế việc kết muội than ở mặt đáy xéc măng (mặt nghiêng) Vì khi làm việc mặt đáy va đập làm rơi muội than khỏi mặt nghiêng Nhược điểm khi bị mòn và lực ngang N thay đổi thì khe hở ở đáy tăng
+ Tiết diện có nhiều rãnh ở mặt xéc măng Tác dụng tăng áp suất tiếp xúc, rút ngắn thời gian chạy rà, tạo điều kiện thuận lợi cho việc bao kín Để cải thiện quá trình chạy rà người ta dùng loại xéc măng có gắn một vòng bằng đồng hoặc đổ đầy thiếc vào các rãnh xác măng.
- Miệng của xéc măng khí: Để xéc măng khí co giãn khi lắp ráp và làm việc, phải xẻ miệng xéc măng Miệng xéc măng khí thường có các dạng
+ Miệng cắt thẳng dễ chế tạo nên được dùng nhiều nhất hiện nay (trong động cơ cao tốc).Nhưng loại này dễ lọt khí qua miệng
+ Miệng cắt vát dùng trong các động cơ cao tốc, hạn chế đáng kể việc lọt khí Tùy theo yêu cầu mà góc nghiêng nhỏ hay lớn (30÷40 độ)
+ Miệng cắt bậc dùng ở động cơ tốc độ thấp Ưu điểm hạn chế lọt khí, ngăn dầu nhờn lên buồng đốt Nhược điểm việc chế tạo phức tạp.
2.3.5 Kết cấu xéc măng dầu
- Xéc măng dầu cấu tạo theo nhiều loại khác nhau Có tiết diện hình thang, hình lưỡi dao, loại có xẻ rãnh thoát dầu.
- Đôi khi để tăng áp suất trên thành xi lanh người ta đặt vào khe hở giữa xéc măng và piston một vòng đệm lò xo Hoặc dùng loại xéc măng dầu tổ hợp đặc biệt bằng thép Số lượng xéc măng dầu thường từ 1 2 chiếc Xéc măng được đặt ở đầu piston hoặc cả ở hai÷ đầu và thân piston.
2.3.5.1 Hiện tượng bơm dầu lên buồng đốt động cơ của xéc măng làm kín:
- Trong quá trình làm việc của động cơ đốt trong, xéc măng khí không thể ngăn được dầu nhờn đi vào buồng đốt, ngược lại còn gây ra tác dụng ngược là bơm dầu vào buồng đốt.
Thanh truyền
2.4.1 Cộng dụng của thanh truyền
- Thanh truyền là chi tiết nối giữa piston và trục khuỷu, nó có tác dụng biến chuyển động tịnh tiền của piston thành chuyển động quay tròn của trục khuỷu và ngược lại
Hình 2.15: Những bộ phận của nhóm thanh truyền
2.4.2 Điều kiện làm việc của thanh truyền
- Khi làm việc thanh truyền phải chịu các áp lực:
+ Lực khí thể của qua trình nén và cháy giãn nở.
+ Lực quán tính của nhóm piston.
Hình 2.14: Tác dụng bơm dầu của xéc măng khí (a,b)
Tác dụng gạt dầu của xéc măng dầu (c)
+ Lực quán tính của bản thân thanh truyền.
- Khi làm việc lực khí thể và lực quán tính thay đổi theo chu kỳ bởi vậy tải trọng tác dụng vào thanh truyền cũng thay đổi và sinh va đập mạnh Thân thanh truyền chịu nén, kéo và uốn, còn đầu nhỏ, đầu to bị ma sát và mài mòn
2.4.3 Vật liệu chế tạo thanh truyền:
- Động cơ tĩnh tại, tàu thủy tốc độ thấp thường dùng thép cacbon chế tạo thanh truyền: CT4, CT5, C30, C35, C45, và đôi khi là thép 40X
- Đối với tàu thủy tốc độ cao, và máy kéo thường được chế tạo bằng thép cacbon trung bình: C40, C45, hoặc là thép hợp kim crôm, niken,
- Còn với động cơ cao tốc, xe đua, ô tô du lịch thường dùng thép hợp kim chế tạo thanh truyền, đặc biệt, có nhiều phần hợp kim như mangan, niken, vônphram,
- Thanh truyền chia làm 3 phần:
+ Đầu nhỏ thanh truyền: đầu lắp ghép thanh truyền với chốt piston.
+ Thân thanh truyền: phần thanh truyền nối đầu nhỏ với đầu to
+ Đầu to thanh truyền: đầu lắp ghép với chốt khuỷu.
- Kết cấu đầu nhỏ thanh truyền phụ thuộc vào kích thước chốt piston và phương pháp lắp ghép chốt piston với đầu nhỏ thanh truyền.
Hình 2.16: Kết cấu các dạng đầu nhỏ thanh truyền.
- Khi chốt piston lắp tự do với đầu nhỏ thanh truyền, trên đầu nhỏ thường phải có bạc lót. Đối với động cơ ô tô máy kéo thường là động cơ cao tốc, đầu nhỏ thường mỏng để giảm trọng lượng Ở một số động cơ người ta thường làm vấu lồi trên đầu nhỏ để điều chỉnh trọng tâm thanh truyền cho đồng đều giữa các xi lanh Để bôi trơn bạc lót và chốt piston
28 có những phương án như dùng rãnh hứng dầu hoặc bôi trơn cưỡng bức do dẫn dầu từ trục khuỷu dọc theo thân thanh truyền.
- Ở động cơ hai kỳ, do điều kiện bôi trơn khó khăn, người ta làm rãnh chứa dầu ở bạc đầu nhỏ hoặc dùng kim bi thay cho bạc lót Khi đó lắp ráp thanh truyền với chốt piston và piston khá phức tạp
- Chiều dài của thân thanh truyền được tính từ tâm đầu nhỏ và đầu to thanh truyền Chiều dài phụ thuộc vào tham số kết cấu λ (λ = R/L) Đa số các động cơ ngày nay có λ 0,24÷0,3
- Thân thanh truyền chịu lực phức tạp: Nó chịu lực kéo, chịu nén, chịu uốn Lực quán tính tác dụng vào thân thanh truyền phân bố theo hình tam giác và tăng dần về đầu thanh truyền Để phù hợp với tình hình chịu lực người ta cấu tạo đầu to có tiết diện lớn hơn đầu nhỏ
- Thân thanh truyền có nhiều tiết diện khác nhau Trục là trục của tiết diện thanh truyền vuông góc trục khuỷu Hình dáng, kích thước của tiết diện có ảnh hưởng đến độ cứng của thân thanh truyền.
- Trong hầu hết các động cơ, nhất là động cơ máy kéo, đầu to thanh truyền được chia thành hai nửa, hai nửa này ôm lấy chốt khuỷu Liên kết hai nửa bằng bulông, gugiông hay chốt
- Đầu to thanh truyền phải đảm bảo các yêu cầu sau:
+ Bảo đảm cứng vững để bạc lót không bị biến dạng.
+ Phải nhỏ, gọn để làm giảm lực quán tính.
+ Góc chuyển tiếp giữa đầu to và thân có góc lượn để tránh gây ứng suất tập trung + Thuận lợi cho việc lắp ghép với chốt khuỷu.
Hình 2.18: Kết cấu đầu to thanh truyền
(1 Đầu to thanh truyền; 2 Bạc lót; 3 Bulông thanh truyền)
- Đặc điểm cấu tạo đầu to thanh truyền:
+ Hai nửa đầu to thanh truyền ôm lấy chốt khuỷu Để chống mòn và thay thế khi sửa chữa bao giờ cũng có hai miếng bạc lót lắp vào hai nửa đầu to (có loại đổi lẫn cho nhau được, có loại không) Mặt làm việc của bạc lót được tráng lớp hợp kim chống mòn + Để điều chỉnh khe hở giữa bạc đầu to và chốt khuỷu đôi khi ở giữa hai mặt tiếp xúc của hai nửa đầu to thanh truyền người ta lắp những miếng đệm Khi bạc đã mòn người ta lấy dần những miếng đệm đó ra để điều chỉnh khe hở Khuyết điểm của việc làm này là làm cho đầu to kém cứng vững, bulông chịu lực nặng nề hơn và khi lấy miếng đệm ra thì bạc lót không tròn nữa (dạng ô van) tiếp xúc không tốt Bởi vậy động cơ cao tốc, ôtô máy kéo thường không dùng đệm này mà hỏng bạc thì phải thay thế.
+ Có loại đầu to thanh truyền đúc thành một khối và dùng ổ bi thay cho bạc lót Loại này ứng dụng với động cơ nhỏ như ô tô, xe máy có trục khuỷu phân đoạn (loại này có nhược điểm là làm tăng trọng lượng đầu to và khó khăn khi lắp ghép)
+ Trong động cơ tĩnh tại và tàu thủy cỡ lớn người ta thường dùng loại thanh truyền có đầu to riêng Đầu to cũng gồm hai nửa lắp lại và liên kết đầu to với thân thanh truyền bằng gugiông
+Hai nửa đầu to thanh truyền thường mặt phân chia vuông góc với đường tâm thanh truyền song có khi người ta cắt nghiêng với góc 30÷60 độ.
- Là chi tiết phép nối hai nửa đầu to thanh truyền Nó có thể ở dạng bulông hay vít cấy (gupiông), tuy có kết cấu đơn giản nhưng rất quan trọng nên phải được quan tâm khi thiết kế và chế tạo Nếu bulông thanh truyền do nguyên nhân nào đó bị đứt sẽ dẫn tối phá hỏng toàn bộ động cơ.
Hình 2.19: Kết cấu bulông thanh truyền.
- Bán kính góc lượn trong phần chuyển tiếp nằm trong khoảng 0,2÷1mm nhằm giảm ứng suất tập trung
- Đai ốc có kết cấu đặc biệt để ứng suất trên các ren đồng đều Ren được tạo thành bằng những phương pháp gia công phôi như lăn, cán
- Ngoài ra bulông thanh truyền còn được tôi, ram và xử lý bề mặt bằng phun cát, phun bi để tạo độ cứng HRC 26÷32.
- Bạc lót đầu to thanh truyền thường làm bằng đồng thanh hoặc thép có tráng hợp kim chống mòn
- Bạc lắp có độ dôi vào đầu to thanh truyền rồi doa đạt kích thước chính xác lắp ghép
- Đầu to thanh truyền có thể tráng trực tiếp lớp hợp kim chịu mòn ở hai nửa đầu to mà không dùng bạc lót, giảm được kích thước và trọng lượng đầu to thanh truyền, tuy nhiên có nhược điểm là việc gia công phiền phức và sửa chữa khó khăn
- Ngày nay phổ biến dùng bạc lót lắp vào đầu to thanh truyền Mặt làm việc của bạc lót được tráng lớp hợp kim chịu mòn Bạc lót được chia 2 loại:
- Bạc lót dày: Chiều dày gộp bạc: 3÷6mm, chiều dày lớp hợp kim: 1,5÷3mm
- Bạc lót mỏng: Chiều dày gộp bạc: 0,9÷3mm, chiều dày lớp hợp kim: 0,4÷0,7mm
- Khe hở giữa bạc lót và chốt khuỷu nằm trong khoảng (0,0045÷0,0015)dđck
Trong đó: dđck - Đường kính chốt khuỷu
Trục khuỷu
- Trục khuỷu nhận lực tác dụng từ piston tạo mômen kéo các máy công tác và nhận năng lượng của bánh đà, sau đó truyền cho thanh truyền và piston thực hiện quá trình nén cũng như trao đổi khí trong xi lanh.
- Trục khuỷu chịu lực tác dụng của khí thể, lực quán tính, khối lượng vận động thẳng (Pj) và khối lượng vận động quay (Pk), chịu uốn, chịu xoắn Các lực trên thay đổi theo chu kỳ Các cổ trục khuỷu bị mài mòn, trong quá trình làm việc trục khuỷu còn chịu va đập, rung.
- Yêu cầu đối với trục khuỷu:
+ Độ bền, độ cứng cao nhưng trọng lượng nhỏ và ít mòn
+ Có độ chính xác cao, cổ trục mài bóng (có độ cứng cao)
+ Không xảy ra cộng hưởng ở tốc độ sử dụng.
+ Bảo đảm cân bằng, dễ chế tạo
- Để tăng công suất của động cơ, làm cho trục khuỷu quay đều và giảm được kích thước và trọng lượng của bánh đà người ta thường chế tạo động cơ nhiều xi lanh Số xi lanh của động cơ có thể là: hai, bốn, sáu, tám
- Khi chế tạo động cơ nhiều xi lanh, phải tính toán sao cho sau hai vòng quay của trục khuỷu của động cơ 4 kỳ) hoặc một vòng quay trục khuỷu của động cơ 2 kỳ, tất cả các xi lanh đều có một lần sinh công
- Thời điểm sinh công của các xi lanh không được trùng nhau và phải cách đều nhau để động cơ làm việc ổn định Vì vậy, hình dáng trục khuỷu, đặc biệt là góc lệch công tác của trục khuỷu có ảnh hưởng nhiều đến quá trình làm việc của động cơ Góc lệch công tác của trục khuỷu là góc hình học giũa hai khuỷu trục tương ứng với hai cổ biên của hai xi lanh có kỳ sinh công kế tiếp nhau.
- Trục khuỷu động cơ tốc độ thấp như động cơ tàu thuỷ và tĩnh tại được chế tạo bằng thép cacbon trung bình như thép C35, C40, C45 Còn trục khuỷu của động cơ cao tốc thường dùng thép hợp kim crôm, niken Động cơ cường hoá như xe đua, xe du lịch trục khuỷu được chế tạo bằng thép hợp kim có các thành phần mangan, vônphram…
- Ngoài ra, trục khuỷu của động cơ còn được chế tạo bằng gang graphit cầu.
- Kết cấu trục khuỷu được chia làm các phần sau: đầu trục khuỷu, cổ khuỷu, chốt khuỷu, má khuỷu, đuôi trục khuỷu
- Dựa vào kết cấu, trục khuỷu được chia thành 2 loại:
+ Trục khuỷu nguyên khối: Trục khuỷu là một khối
+ Trục khuỷu ghép: cổ khuỷu, chốt khuỷu và má khuỷu được chế tạo riêng rồi lắp ép hay bắt bulông để thành trục khuỷu Khi lắp nung nóng 200÷250 độ và lắp ép (không cần then) Động cơ cỡ lớn hay dùng loại trục khuỷu này.
- Đầu trục khuỷu thường dùng để lắp bánh răng và puly để dẫn động bơm nước, bơm dầu bôi trơn, bơm cao áp, trục cam, quạt không khí, máy nén hệ thống điều hòa, bơm trợ lực lái…
- Cổ trục khuỷu nằm cùng đường tâm với đầu trục khuỷu và đuôi trục khuỷu Các cổ trục khuỷu thường có cùng một đường kính, đường kính cổ trục chọn theo kết quả của việc tính toán sức bền, điều kiện hình thành màng dầu bôi trơn và qui định về thời gian sử dụng động cơ.
- Về nguyên tắc thì đường kính cổ trục lớn dần về phía bánh đà nhưng để đơn giản cho sửa chữa và chế tạo người ta làm bằng nhau
+Động cơ xăng: Đường kính cổ trục dct = (0,65÷0,80)D Chiều dài cổ trục Lct (0,7÷0,85)D
Trong đó: D - Đường kính xi lanh
- Cổ trục khuỷu được mài bóng, tôi cứng Độ côn và độ ôvan không được vượt quá 0,01mm Cổ khuỷu làm rỗng và khoan lỗ dẫn dầu đi bôi trơn chốt khuỷu.
- Má khuỷu là bộ phận liên kết chốt khuỷu và cổ khuỷu Hình dạng má khuỷu có nhiều dạng khác nhau, phụ thuộc chủ yếu vào loại động cơ, tốc độ động cơ Các dạng má khuỷu thường thấy như hình chữ nhật, hình tròn, elip,
- Chốt khuỷu hướng theo các góc độ khác nhau tùy theo số lượng xi lanh và thứ tự làm việc của động cơ Đường kính chốt khuỷu bằng đường kính cổ khuỷu
- Tuy nhiên trên các động cơ có tốc độ cao đường kính chốt khuỷu có thể nhỏ hơn đường kính cổ khuỷu một ít để giảm lực quán tính chuyển động quay
- Chốt khuỷu thường khoan rỗng để giảm lực quán tính và chứa dầu bôi trơn bạc lót đầu to thanh truyền Lỗ rỗng có thể bố trí đồng tâm hay lệch tâm với chốt khuỷu Giữa chốt khủyu và cổ khuỷu có đường dầu liên hệ thông qua má khuỷu.
- Đối trọng dùng để cân bằng động cơ, làm cho máy chạy êm, giảm mài mòn trục khuỷu và các bộ phận khác Đối trọng được tính toán và bố trí sao cho vừa bảo đảm cân bằng tốt, gọn không ảnh hưởng đến kích thước của Cacte Đối trọng lắp với má khuỷu theo ba cách:
Bánh đà
Hình 2.25 Bánh đà 2.6.1 Công dụng
- Đảm bảo tốc độ quay đồng đều của trục khuỷu động cơ.
- Trong quá trình làm việc, bánh đà tích trữ năng lượng dư sinh ra trong quá trình sinh công để bù đắp phần năng lượng thiếu hụt trong các hành trình tiêu hao công
- Ngoài ra, bánh đà còn là nơi lắp đặt các chi tiết của cơ cấu khỏi động như vành răng khởi động, nơi đánh dấu tương ứng với điểm chết và khắc vạch chia độ góc quay trục khuỷu.
- Bánh đà động cơ tốc độ thấp thường là gang xám, còn của động cơ tốc độ cao thường dùng thép ít cacbon.
- Kết cấu bánh đà tuỳ thuộc vao kiểu loại động cơ Số xi lanh càng nhiều, bánh đà càng nhỏ Bánh đà của động cơ dùng trên ôtô có kích thước nhỏ, gọn hơn bánh đà của đông cơ tĩnh tại và tàu thuỷ
- Bánh đà sử dụng trong động cơ đốt trong có 3 dạng: Bánh đà dạng đĩa (sử dụng chủ yếu trên động cơ nhiều xi lanh và tốc độ cao), bánh đà dạng chậu, bánh đà dạng vành.
NÔI DUNG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, THI CÔNG MÔ HÌNH, KẾT MÔ PHỔNG MÀ THỰC NGHIỆM
Thông số ban đầu, thông số chọn của piston
3.1.1 Các thông số ban đầu.
Loại động cơ Diesel, không tăng áp
Kiểu động cơ Một hàng
Công suất động cơ 110 Mã lực
Số vòng quay 2500 Vòng/phút
Suất tiêu hao nhiên liệu 183 g/ml.h
Số kỳ 04 mm Đường kính xi lanh 135 mm
Chiều dài thanh truyền 280 mm
Khối lượng nhóm piston 4 Kg
Khối lượng thanh truyền 3,5 Kg Áp suất khí thể lớn nhất 7,5 Mpa
Bảng 1: Bảng thông số ban đầu.
Số thứ tự Thông số ban đầu Công thức tính toán Kết quả
1 Áp suất khí thể P=7,5Mpa
Bảng 2: Bảng thông số ban đầu tính toán.
Thông số Động cơ diesel (ôtô, máy kéo)
Chiều dày đỉnh piston không làm mát (0,1 0,2) D
Khoảng cách C từ đỉnh piston tới xéc măng thứ nhất (1,0 2,0)
Chiều dày s của phần đầu (0,05 0,1) D
Chiều cao H của piston (động cơ bốn kỳ) (1,0 1,6) D
Vị trí của chốt piston (đến chân piston) H-h (0,5 1,2) D Đường kính chốt piston (0,3 0,45) D Đường kính bệ chốt (1,3 1,6) Đường kính lỗ trên chốt (0,6 0,8)
Chiều dày phần thân (2 5) mm
Chiều dày đường kính t của xéc măng khí (1/22 ÷ 1/26) D
Chiều cao a của xéc măng khí (2,2 4) mm
Chiều dày bờ rãnh xéc măng ≥ a
Chiều cao a của xéc măng dầu a2 ≥ a
Vị trí của chốt piston trên chân piston h = H (H)
Bảng 3 : Bảng kích thước cơ bản của piston , chốt piston và xéc măng
3.1.2 Xác định các kích thước cơ bản của piston, chốt piston và xéc măng.
- Xác định chiều dày đỉnh piston (δ) Chiều dày đỉnh piston δ không làm mát đỉnh δ = (0,1 ÷ 0,2) D (mm) δ = (0,1 ÷ 0,2 )135 δ = ( 13,5 ÷ 27) chọn δ = 15 (mm)
Xác định khoảng cách C từ đỉnh đến xéc măng khí thứ nhất
C = (1,0 ÷ 2,0) 15= (15÷30) (mm) Đối với piston không làm mát đỉnh chọn C = 20 (mm)
- Xác định chiều dày S của phần đầu Chiều dày S của phần đầu được xác định
- Xác định chiều cao H của piston (động cơ bốn kỳ) Chiều cao H của piston được xác định :
- Xác định vị trí của chốt piston (đến chân piston) H-h Vị trí của chốt piston (đến chân piston) H –h được xác định
- Xác định đường kính chốt piston
- Xác định đường kính lỗ rỗng của piston Đường kính lỗ rỗng của chốt piston được xác định theo công thức
- Xác định đường kính bệ chốt Đường kính bệ chốt được xác định
-Xác định chiều dày thân
- Xác định số xéc măng khí
Số xéc măng khí có từ 3 ÷ 4 Ta chọn số xéc măng khí bằng 3
- Xác định chiều dày hướng kính t của xéc măng khí
Chiều dày hướng kính t của xéc măng khí bằng công thức t = ( 1/22 ÷ 1/26 ) D
- Xác định chiều cao a của xéc măng khí
Chiều cao a của xéc măng khí được xác định bằng công thức a = (2,2 ÷ 4 ) (mm)
- Xác định số xéc măng dầu được xác định bởi
Số xéc măng dầu có từ (1 ÷ 3 )
Ta chọn số xéc măng dầu là 1.
- Xác định chiều dày bờ rãnh xéc măng
Chiều dày bờ rãnh xéc măng
Chiều cao của xéc măng dầu a 2 a 2 >a Ta chọn a = 3,5 (mm)2
- Chiều dài chốt piston l :cp l =(0,80,9)Dcp
Chọn chiều dài chốt piston lcp = 120 (mm)
3.1.3 Các thông số chọn cơ bản của piston, chốt và xéc măng.
Hình 3.1: Sơ đồ tính toán piston
Tính toán kiểm tra bền cho piston
Piston chịu lực khí thể Pkt, lực quán tính và lực ngang N, đồng thời chịu tải trọng nhiệt không đều Khi tính toán kiểm nghiệm bền thường tính với điều kiện tải trọng lớn nhất.
3.2.2 Tính nghiệm bền đỉnh piston.
Tính nghiệm bền đỉnh piston đều phải giả thiết lực tác dụng phân bố đều và chiều dày của đỉnh có giá trị không đổi Dưới đây giới thiệu hai phương pháp tính nghiệm bền đỉnh.
Công thức Back dùng các giả thiết sau: Coi đỉnh piston là một đĩa tròn có chiều dày đồng đều δ đặt trên gối tựa hình trụ rỗng Coi áp suất khí thể pz phân bố đều trên đỉnh như sơ đồ hình 1.2.
Lực khí thể Pz = pz FP và phản lực của nó gây uốn đỉnh piston tại tiết diện x - x Lực khí thể42 tác dụng trên nửa đỉnh piston có trị số:
Lực này tác dụng tại trọng tâm của nửa hình tròn
Phản lực phân bố trên nửa đường tròn đường kính Di, có trị số bằng PZ/2 và tác dụng trên trọng tâm của nửa đường tròn cách trục x - x một khoảng:
Mômen uốn đỉnh sẽ là:
Môđun chống uốn của tiết diện đỉnh:
Do đó ứng suất uốn đỉnh piston
(1-3) Ứng suất cho phép như sau:
- Đối với piston nhôm hợp kim: Đỉnh không gân [σu] = 20 - 25 MN/m2 Đỉnh có gân [σu] = 100 - 190 MN/m2
- Đối với piston gang hợp kim: Đỉnh không gân [σu ] = 40 - 45 MN/m2 Đỉnh có gân [σu] = 100 - 200 MN/m2
Công thức Orơlin giả thiết đỉnh là một đĩa tròn bị ngàm cứng trong gối tựa hình trụ (đầu piston) như sơ đồ trên hình 1.2 Giả thiết này khá chính xác với loại đỉnh mỏng có chiều dày δ ≤ 0,02 D.
Khi chịu áp suất pz phân bố đều trên đỉnh, ứng suất của một phân tố ở vùng ngàm được tính theo các công thức sau: Ứng suất hướng kính:
MN/m2 (1-4) Ứng suất hướng tiếp tuyến:
Trong đó: ξ - Hệ số ngàm, thường chọn ξ
= 1. à - Hệ số poỏt xụng (đối với gang à = 0,3; với nhụm à = 0,26). r - Khoảng cách từ tâm đỉnh piston đến mép ngàm. Ứng suất cho phép đối với vật liệu gang và nhôm: [σ] = 60 MN/m2
Trong đó: mI-I là khối lượng phần đầu piston phía trên tiết diện I-I.
Theo kinh nghiệm mI-I thường bằng (0,4 - 0,6) mnp Ứng suất cho phép: [σk] ≤ 10 MN/m2
3.2.2.5 Tính nghiệm bền thân piston
Tính nghiệm bền thân piston chủ yếu là kiểm tra áp suất tiếp xúc của thân với xilanh
Trong đó: Nmax là lực ngang lớn nhất, xác định từ kết quả tính toán động lực học. Trị số cho phép của Kth như sau:
- Đối với động cơ tốc độ thấp [Kth] = 0,15 - 0,35 MN/m2
- Đối với động cơ tốc độ trung bình [Kth] = 0,3 - 0,5 MN/m2
- Đối với động cơ tốc độ cao [Kth] = 0,6 - 1,2 MN/m2 Áp suất tiếp xúc trên bệ chốt piston cũng được xác định theo công thức tương tự:
Trong đó: dcp - đường kính chốt piston l1
- chiều dài làm việc của bệ chốt Áp suất tiếp xúc cho phép:
- Kiểu lắp chốt tự do:
- Kiểu lắp cố định trên piston gang:
3.2.2.6 Khe hở lắp ghép của piston:
Tùy thuộc vật liệu chế tạo piston, xi lanh và trạng thái nhiệt của piston mà khe hở lắp ghép khác nhau
Trường hợp trạng thái nguội:
Trường hợp trạng thái nóng:
Với: Txl, Td, Tt là nhiệt độ xi lanh, nhiệt độ phần đầu piston, nhiệt độ phần thân piston. (K)
Khi làm mát bằng nước: Txl83 – 388K, TdG3-723K, Tt@3-473K
Khi làm mát bằng không khí: TxlD3 – 463K, TdW3-823K, TtH3-613K αxl, αp: Hệ số dãn nở của vật liệu xi lanh và của vật liệu piston (1/K).
Tính nghiệm bền chốt piston
Chốt piston làm việc trong trạng thái chịu uốn, chịu cắt, chịu va đập và biến dạng Trạng thái chịu lực của chốt trên theo sơ đồ hình 1.4
Nếu coi chốt piston như một dầm đặt tự do trên hai gối đỡ, lực tác dụng có thể phân bố theo hình 1.4.
Khi chịu lực khí thể, chốt bị uốn lớn nhất ở tiết diện giữa chốt Mômen uốn chốt có thể xác định theo công thức:
Mô dun chống uốn của tiết diện chốt piston bằng:
Trong đó: l - Khoảng cách giữa hai gối đỡ. lđ - Chiều dày đầu nhỏ thanh truyền. dcp - Đường kính chốt piston. do - Đường kính lỗ rỗng của chốt
Hệ số độ rỗng của chốt.
Nếu coi chiều dài chốt piston lcp ≈ 3l1 và l1 ≈ lđ thì ứng suất uốn chốt piston tính theo sơ đồ trên hình 1.4 có thể tính theo công thức:
Chốt piston chịu cắt ở tiết diện I-I trên hình 1-4 ứng suất cắt xác định theo công thức sau:
Trong đó: Fcp - Tiết diện ngang chốt (m2 ) Ứng suất cho phép đối với các loại vật liệu như sau:
- Thép hợp kim cao cấp: [σu] = 350 - 450 MN/m2
3.3.3 Ứng suất tiếp xúc trên đầu nhỏ thanh truyền: Ứng suất cho phép:
- Chốt lắp động: [Kđ] = 20 - 35 MN/m2
- Chốt lắp cố định: [Kđ] = 30 - 40 MN/m2
Khi biến dạng chốt biến dạng thành dạng méo Theo
Kinaxôsvili lực tác dụng theo chiều chốt piston phân bố theo đường parabôn có số mũ từ 2,5 ÷ 3 Trên phương thẳng góc với đường tâm chốt tải trọng phân bố theo đường sin như hình 1.5a Đối với các loại chốt có độ rỗng
0,4 ÷ 0,8 độ biến dạng ∆dmax có thể xác định theo công thức sau:
E - Môdun đàn hồi của thép; E = 2.105 MN/m2 Độ biến dạng tương đối:
Khi chốt bị biến dạng ứng suất biến dạng phân bố theo hình 1.5b.
Trên các điểm 1, 2, 3, 4 có ứng suất lớn nhất Ứng suất kéo tại điểm 1 của mặt ngoài ( = 00) tính theo công thức sau: ϕ
- Ứng suất nén tại điểm 3 của mặt ngoài:
- Ứng suất nén tại điểm 2 của mặt trong
- Ứng suất kéo tại điểm 4 của mặt trong ( = 90độ ):ϕ
Kết quả tính toán cho thấy ứng suất ở mặt trong thường lớn hơn ứng suất ở mặt ngoài. Ứng suất biến dạng cho phép:
Tính nghiệm bền xéc măng
Kích thước xéc măng khí có liên quan mật thiết với ứng suất của xéc măng là chiều dày t. Chiều dày xéc măng t thường đã được chuẩn hoá Có thể xác định trong phạm vi:
A - độ mở miệng của xéc măng ở trạng thái tự do.
Xéc măng không đẳng áp khi xéc măng làm việc- ứng suất công tác có thể xác định theo công thức Ghinxbua:
Cm - hệ số ứng suất phần miệng xéc măng Tuỳ theo quy luật phân bố áp suất phần miệng có thể chọn Cm = 1,74 ÷ 1,87. ξ - hệ số phân bố áp suất Thông thường có thể chọn ξ = 0,196.
Đặc điểm và kết cấu của trục khuỷu
_Trục khuỷu của động cơ là trục khuỷu ghép, dạng đủ cổ Cổ trục được chế tạo rời rồi ghép với khuỷu
_Mối ghép dùng kiểu lắp chặt, không cần then Khi lắp trục khuỷu được đun nóng lên đến (200 0 C 250 0 C) Độ dôi trong khoảng (1/700 1/900).d ct
_Kết cấu trục khuỷu bao gồm: Đầu trục khuỷu, cổ trục, chốt khuỷu, má khuỷu, đuôi trục khuỷu. a Đầu trục khuỷu: Trên đầu trục khuỷu có lắp mặt bích để nối với thiết bị dẫn động chân vịt, lắp vành ngăn dầu. b Cổ trục:
- Tất cả các cổ trục có cùng kích thước đường kính.
- Đường kính cổ trục: d = (0,7 0,8)D.ct
Trong đó: D = 500 mm là đường kính xilanh.
- Chiều dài cổ trục: l = (0,5 0,6)dct ct.
- Bề mặt làm việc cổ trục được tôi cứng đạt (52 62)HRC để giảm mài mòn.
- Cổ trục có khoan đường dẫn dầu bôi trơn. c Chốt khuỷu:
- Đường kính chốt khuỷu: d = (0,64 0,72)D.ch
Trong đó: D = 500 mm là đường kính xilanh.
- Chiều dài chốt khuỷu: l = (0,8 1,0)dch ch.
- Bề mặt làm việc chốt khuỷu được tôi cứng đạt (52 62)HRC để giảm mài mòn.
- Chốt khuỷu có khoan đường dẫn dầu bôi trơn. d Má khuỷu:
- Má khuỷu có dạng hình lăng trụ để tiết kiệm vật liệu.
- Chiều rộng của má khuỷu: h = (1,05 1,3)D.m
- Má khuỷu có khoan đường dẫn dầu bôi trơn từ cổ trục lên chốt khuỷu.
Hình 3.6 - Má khuỷu e Đuôi trục khuỷu: Đuôi trục khuỷu có mặt bích để lắp bánh đà, có lắp bánh xích (truyền động xích) để dẫn động trục cam.
- Bạc lót được sử dụng là loại bạc dày, có vai.
- Cấu tạo bạc lót gồm có:
+ Gộp bạc: Làm bằng thép có thành phần cacbon thấp để hợp kim chịu mài mòn dễ bám chắc vào gộp bạc và bạc lót có độ đàn hồi tương đối tốt.
+ Lớp hợp kim chịu mòn.
- Hai mặt đầu bạc lót được tráng lớp hợp kim chịu mòn để tránh cọ xát giữa đầu to thanh truyền và má khuỷu.
- Định vị bạc lót bằng chốt đóng trên nắp đầu to , chốt này được lắp sít với lỗ định vị trên lưng bạc lót.
Hình 3.7 - Bạc lót chốt khuỷu
- Các kích thước của bạc lót:
+ Chiều dày bạc lót = 6 mm.
Trong đó: - Chiều dày gộp bạc là 5 mm.
- Chiều dày lớp hợp kim chịu mòn là 1 mm.
+ Đường kính ngoài của bạc dbch = d + 2 = 340 + 2.6 = 352 mm.ch
+ Chiều rộng của bạc bbch = l = 306 mm.ch
- Bạc lót được sử dụng là loại bạc dày , có vai, được lắp theo kiểu lắp căng.
- Cấu tạo bạc lót gồm có:
+ Lớp hợp kim chịu mòn.
- Vai bạc lót được tráng hợp kim chịu mòn.
- Hai đầu bạc được vát góc để bạc lắp vào ổ không bị kênh.
- Bạc lót được cố định bằng chốt định vị trên nắp ổ trục , chốt này được lắp vào lỗ trên lưng bạc lót.
Hình 3.8 - Bạc lót cổ trục
- Các kích thước của bạc lót:
+ Chiều dày bạc lót = 6 mm.
Trong đó: - Chiều dày gộp bạc là 5 mm.
- Chiều dày lớp hợp kim chịu mòn là 1 mm.
+ Đường kính ngoài của bạc dbct = d + 2 = 400 + 2.6 = 412 mm.ct
+ Chiều rộng của bạc b = l = 240 mm.bct ct
THI CÔNG MÔ HÌNH – KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Xéc măng
Hình 4.3 Xéc măngHình 4.2 Chốt Piston
Trục khuỷu
Hình 4.4 Đầu Thanh truyền,bulong thanh truyền
Hình 4.6 Kết quả lắp ráp