- Vì đây là động cơ không tăng áp nên ta có nhiệt độ môi trường bằng nhiệt độtrước xupáp nạp nên : Tk =T0 =24ºC =297ºK 3 Áp suất cuối quá trình nạp : p a * Đối với động cơ không tăng á
Trình tự tính toán
1.1) Số liệu ban đầu : Xe Toyota Vios 2007
Loại động cơ: Đông cơ xăng 1NZ-FE ,4 xy lnh thẳng hàng,16 van,DOHC,VVT-i
1 - Công suất của động cơ : Ne 8 (mã lực) = 80 kW
2 - Số vòng quay của trục khuỷu : n `00 (vg/ph)
3 - Đường kính xi lanh : D u (mm)
5 - Dung tích công tác : Vh = \f(π.D.S,4 = 0,3742 (l)
8 - Thứ tự làm việc của xi lanh : (1-3-4-2)
9 - Suất tiêu hao nhiên liệu : g e 00 (g/kW.h)
10- Góc mở sớm và đóng muộn của xupáp nạp α1; α2:α13(độ),α2 (độ)
11- Góc mở sớm và đóng muộn của xupáp thải β 1 , β 2 : β 1B(độ), β 2=2(độ)
12- Chiều dài thanh truyền: ltt = 320 (mm) ()
15-Trọng lượng không tải: Gkt = 1360 (kg)
16- Trọng lượng toàn tải: Gtt = 1815 (kg)
1.2) Các thông số cần chọn :
Áp suất môi trường pk là áp suất khí quyển trước khi được nạp vào động cơ Đối với động cơ không tăng áp, áp suất khí quyển tương đương với áp suất trước khi nạp, do đó chúng ta chọn pk làm tham chiếu.
- Ở nước ta nên chọn p k = p o = 0,1013 (MPa).
- Nhiệt độ môi trường được chọn lựa theo nhiệt độ bình quân của cả năm.
- Vì đây là động cơ không tăng áp nên ta có nhiệt độ môi trường bằng nhiệt độ trước xupáp nạp nên : Tk =T0 $ºC )7ºK
3 )Áp suất cuối quá trình nạp : p a
* Đối với động cơ không tăng áp:
- Áp suất cuối quá trình nạp trong xylanh thường nhỏ hơn trong áp suất khi quyển, do có tổn thất trên ống nạp và tại bầu lọc gây nên:
Tổn thất Δpa trong quá trình nạp chủ yếu phụ thuộc vào trợ lực trên đường ống nạp, tốc độ quay của động cơ và tiết diện lưu thông của cửa ống nạp Hệ số k được sử dụng để xét tới ảnh hưởng của hệ số cản của đường nạp và thể tích công tác của xylanh, trong khi số vòng quay trục khuỷu được ký hiệu là n Cuối cùng, tiết diện lưu thông hẹp nhất của xupap nạp được biểu thị bằng fn.
Trong quá trình tính toán nhiệt, áp suất cuối của quá trình nạp Pa trong động cơ bốn kỳ không tăng áp thường được xác định bằng công thức thực nghiệm.
Áp suất khí sót Pr là một thông số quan trọng, giúp đánh giá mức độ thải sạch sản phẩm cháy ra khỏi xilanh động cơ Nó được xác định bằng công thức: p = Pth + ∆Pr, tương tự như áp suất cuối quá trình nạp Pa.
Tổn thất trong quá trình thải khí chủ yếu phụ thuộc vào trợ lực trên đường ống thải, bao gồm việc lắp đặt bình tiêu âm, thiết bị xử lý khí thải và bình chứa khí thải Ngoài ra, tốc độ quay của động cơ và tiết diện lưu thông của họng xupap thải cũng ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất thải khí.
Giá tri áp suất khí sót Pr phụ thuôc vào các yếu tố sau:
- Diện tich tiết diện thông qua của họng xupap xả;
- Biên độ, độ cao, góc mở sớm, đóng muộn của xupap xả;
- Đông cơ có lắp hệ thông tăng áp bằng khí xả hay không;
- Đô cản của bình tiêu âm, bộ xúc tác khi xả,… Đối với đông cơ xăng chọn:
- Thông thường, giới hạn thấp chọn cho đông cơ có tốc độ thấp, động cơ cao tốc chọn vùng giới hạn cao.
5 )Mức độ sấy nóng của môi chất ∆T
Khi nạp mới trong quá trình chuyển động qua đường ống vào xylanh của động cơ, khí sẽ tiếp xúc với vách nóng, dẫn đến việc nhiệt độ của khí được tăng lên một giá trị ΔT.
- Khi tiến hành tính toán nhiệt của động cơ, người ta thường chọn trị sô ΔT, căn cứ vào số liệu thưc nghiệm:
- Đối với động cơ xăng: ΔT = (0 ÷ 20) ℃ Ta chọn: ΔT = 10 ℃
6 )Nhiệt độ khí sót (khí thải) T
- Phụ thuộc vào thành phần của hỗn hợp khí, mức độ giãn nở và sự trao đổi nhiệt trong quá trình giãn nở và thải
- Đối với động cơ xăng: Tr = (900 ÷ 1000) ° K Ta chọn: Tr = 1000 ° K
7 )Hệ số hiệu định tỉ nhiêt λ :
Hệ số hiệu định tỷ nhiệt λ được xác định dựa trên hệ số dư lượng không khí α Qua thực nghiệm thống kê với động cơ xăng, các giá trị λ tương ứng với các hệ số α được chọn như sau: khi α là 0,8, λ là 1,13; khi α là 1,0, λ là 1,17; khi α là 1,2, λ là 1,14; và khi α là 1,4, λ là 1,11.
Thông thường khi tính cho:
- Đông cơ xăng có α = 0,85 ÷ 0,95; chọn α = 0,9; chọn λt = 1,12.
8 )Hệ số quét buồng cháy λ :
- Theo số liệu thực nghiệm, đối với những động cơ không tăng áp do không có quét buồng cháy thì chọn λ =1
- Hệ số nạp thêm λ phụ thuộc chủ yếu vào pha phối khí Thông thường ta có thể chọn λ =1,02÷1,07 ; ta chọn λ =1,07
10 )Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm z ξ :
Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm Z (ξZ) thể hiện mức độ hiệu quả trong việc sử dụng nhiệt của quá trình cháy, phản ánh tỷ lệ nhiên liệu được đốt cháy tại điểm này Giá trị của ξZ phụ thuộc vào chu trình làm việc của động cơ.
- Đối với động cơ xăng: ξZ = 0,75 ÷ 0,92 Ta chọn: ξZ = 0,8759.
11) Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b ξ :
- Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b ξ tùy thuộc vào loại động cơ xăng hay là động cơ điezel ξ bao giờ cũng lớn hơn ξ
- Đôi với đông cơ xăng: ξb = 0,85 ÷ 0,95 Ta chọn: ξb = 0,886.
12 )Hệ số hiệu chỉnh đồ thị công φ :
- Hệ số điền đầy đủ đồ thị công φd đánh giá phần hao hụt về diện tích của đồ thị công thực tế so với đồ thị công tính toán
- Hệ số điền đầy đủ đồ thị φd chọn theo số liệu kinh nghiệm: Đối với động cơ xăng: φd = 0,93 ÷ 0,97 Ta chọn: φd = 0,97.
- Là tỷ số giữa áp suất của hỗn hợp khí trong xilanh ở cuối quá trình cháy và quá trình nén:
Trị số λ thường nằm trong pham vi sau: Đối với động cơ xăng: λ = 3,00 ÷ 4,00.
II )Tính toán các quá trình công tác :
2.1 Tính toán quá trình nạp :
Hệ số khí sót γ được tính theo công thức : γ= \f(λ,T \f(P,P \f(p,p\f(1,m\a\ac\vs2(\f(1, Trong đó m là chỉ số giãn nở đa biến trung bình của khí sót m =1,45÷1,5
2 )Nhiệt độ cuối quá trình nạp T
Nhiệt độ cuối quá trình nạp T đươc tính theo công thức:
3 )Hệ số nạp η : η = \f(1,ε-1 \f(T,T+∆T \f(P,P \f(P,P\f(1,m\a\ac\vs2(
Lượng khí nạp mới M được xác định theo công thức sau :
Vậy : M = 0,3654 (kmol/kg) nhiên liệu
5 )Lượng không khí lý thuyết cần để đốt cháy 1kg nhiên liệu M :
Lượng kk lý thuyết cần để đốt cháy 1kg nhiên liệu M được tính theo côngthức:
Vì đây là đ/c xăng nên ta chọn C=0,885 ; H=0,145; O=0
6 )Hệ số dư lượng không khí α
Vì đây là động cơ xăng nên : α = M 1 −
2.2 )Tính toán quá trình nén :
1 )Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của không khí :
= 19,806+0,00209.T (kJ/kmol.độ) ,806+0,00209.297 ,4267 (kJ/kmol.độ)
2 )Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản phạm cháy :
Khi hệ số lưu lượng không khí α =1 tính theo công thức sau :
3 )Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp :
Tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hh trong quá trình nén tính theo công thức sau :
= \f(+γ.,1+γ ,503 (kJ/kmol.độ) Thay số vào ta có : a' = 19,8342 ; b' = 0,0042325
4 ) Chỉ số nén đa biến trung bình n:
Chỉ số nén đa biến trung bình chịu ảnh hưởng bởi các thông số cấu trúc và vận hành của động cơ, bao gồm kích thước xy lanh, loại buồng cháy, số vòng quay, phụ tải và trạng thái nhiệt độ Sự thay đổi của chỉ số n sẽ tăng hoặc giảm theo quy luật nhất định.
Tất cả các yếu tố gây mất nhiệt trong môi chất đều ảnh hưởng đến chỉ số n Để xác định chỉ số nén đa biến trung bình n, cần giải phương trình sau: n-1 = \f(b',2\a\ac\vs2(n-1\f(,a'+.T.
Chú ý : Thông thường để xác định được n ta chọn n trong khoảng
1,340÷1,390 Rất hiếm trường hợp đạt n trong khoảng 1,400 ÷ 1,410
→ (theo sách Nguyên Lý Động Cơ Đốt Trong - trang 128 )
Chúng ta sẽ chọn giá trị n theo yêu cầu của bài toán cho đến khi thỏa mãn điều kiện đề ra Cụ thể, ta thay n vào các giá trị VT và VP của phương trình và tiến hành so sánh Nếu sai số giữa hai vế của phương trình nhỏ hơn 0,2%, thì điều kiện được coi là đạt yêu cầu Với n-1 = 19,8745 và hằng số 8,314, ta có thể xác định giá trị phù hợp.
+ 0,688 ( 10 n 1 −1 + 1 ) Sau khi chọn các giá trị của n ta thấy n = 1,374 thõa mãn điều kiện bài toán.
5 )Áp suất cuối quá trình nén P : Áp suất cuối quá trình nén P được xác định theo công thức :
6 )Nhiệt độ cuối quá trình nén T
Nhiệt độ cuối quá trình nén T được xác định theo công thức
7 )Lượng môi chất công tác của quá trình nén M :
Lượng môi chất công tác của quá trình nén M được xác định theo công thức :
2.3 )Tính toán quá trình cháy :
1 )Hệ số thay đổi phân tử lí thuyết β :
Ta có hệ số thay đổi phần tử lý thuyết β được xác định theo công thức : β = \f(M,M = \f(M+ΔM,M = 1+ \f(ΔM,M
Trong đó độ tăng mol ΔM của các loại động cơ được xác định theo công thức sau: ΔM = 0,21.(1-α)M + ( \f(H,4 + \f(O,32 −¿\f(1,μ )
2 )Hệ số thay đổi phân tư thưc tế β: ( Do có khí sót )
Ta có hệ số thay đổi phân tử thực tế β được xác đinh theo công thức : β = r rr r \f(β+γ,1+γ = 1,0396+ 1+0,0377 0,0377=1,1576
3 )Hệ số thay đổi phân tử thực tế tại điểm z β : (Do cháy chưa hết )
Ta có hệ số thay đổi phân tư thực tế tại điểm z β được xác định theo công thức : β = 1 + r r \f(β-1,1+γ χ
Ta có lượng sản vật cháy M đươc xác định theo công thức :
5 )Nhiệt độ tại điểm z T : Đối với động cơ Diesel, tính nhiệt độ Tz bằng cách giải phương trình cháy sau: ξ z (Q ¿¿ H − ∆ QH )
M 1 (1+ γ r ) + mc ' v T c = β z mc } rsub {vz}} {T} rsub {z ¿¿¿ (3) Trong đó :
: nhiệt trị thấp của nhiên liệu,thông thườngTa chọn Q H
∆ QH : Nhiệt lượng tổn thất do nhiên liệu cháy không hết khi đốt 1kg nhiên liệu, thông thường có thể xác định ∆ QH theo α bằng công thức sau:
∆ QH 0 10 3 (1 −α ) Mo (kJ/kgnl) khi α < 1
- mc } rsub {vz ¿: là tỉ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản vật cháy được xác định theo công thức:
: Áp suất tại điểm z p z được xác định theo công thức: p z = λ p c
(MPa)Với: =βz Tz Tc = 3 , 9889 là hệ số tăng áp p z
2.4 )Tính toán quá trình giãn nở :
1 )Hệ số giãn nở sớm ρ : ρ = 1 Thỏa mãn điều kiện ρ < λ
2 )Hệ số giãn nở sau δ :
Ta có hệ số giãn nở sau δ được xác định theo công thức : δ = e = 10,5
3 )Chỉ số giãn nở đa biến trung bình n : n–1= \f(.Q,M β.\f(b'',2\f(8.314,+a''+.
T :là nhiêt trị tại điểm b và được xác định theo công thức :
Q :là nhiệt trị tính toán Đối với động cơ xăng Q= QD000 (kJ/kgn.l)
Giải phương trình ta được ⇔ n 2 = 1 , 234
4 )Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở T :
5 )Áp suất cuối quá trình giãn nở p : Áp suất cuối quá trình giãn nở P được xác định theo CT : p = \a\ac\vs2(n\f(P,δ = 0 , 4 4613 (MPa)
6 )Tính nhiệt độ khí thải T :
2.5 )Tính toán các thông số chu trình công tác :
1 )Áp suất chỉ thị trung bình p' : Đây là đông cơ xăng áp suất chỉ thị trung bình P' được xác định theo CT: p' i = \f(P,ε–1 [ n 2 λ −1 (1− ε n 1 2 −1 )− n 1 1 −1 ( 1− ε n 1 1 −1 ) ]
Qua tính toán thực nghiệm ta tính được p' = 1,1255 (MPa)
2 )Áp suất chỉ thị trung bình thực tế p :
Do sự khác biệt giữa tính toán và thực tế, áp suất chỉ thị trung bình được xác định Áp suất thực tế được tính theo công thức p = p' i φ, với giá trị cụ thể là p = 1,1527 x 0,95 = 1,0918 MPa.
3 )Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị g : g= \f(432.10.η.P,M.P.T = 2 93,868 (g/kW.h)
Áp suất tổn thất cơ giới P được xác định qua nhiều công thức khác nhau và thể hiện mối quan hệ tuyến tính với tốc độ trung bình của động cơ Tốc độ trung bình của động cơ là yếu tố quan trọng trong việc tính toán áp suất tổn thất này.
6 )Áp suất có ích trung bình P :
Ta có công thức xác định áp suất có ích trung bình thực tế được xác định theo CT:
Ta có trị số P tính quá trình nạp P (nạp) =0,9323 va P=0,9301 thì không có sự chênh lệch nhiều nên có thể chấp nhận được
8 )Suất tiêu hao nhiên liệu g : g= \f(g,η = 346 , 18 (g/kW.h)
10 )Kiểm nghiệm đường kính xy lanh D theo công thức :
Ta có sai số so với đề bài là :0,00 (mm)
III ) Vẽ và hiệu đính đồ thị công :
Căn cứ vào các số liệu đã tính p r , p , p , p , p ,n, n, ε ta lập bảng tính đường nén và đường giãn nở theo biến thiên của dung tích công tác V = i.V
3.1 ) Xây dựng đường cong áp suất trên đường nén :
- Phương trình đường nén đa biến :
Khi đó x là điểm bất kỳ trên đường nén thì :
P = P \f(V,V\a\ac\vs2(n\f(1, = P \a\ac\vs2(n\f(1,i = \a\ac\vs2(n\f(P,i n : Chỉ số nén đa biến trung bình n = 1,374
P : Áp suất cuối quá trình nén P = 2,276 ( MPa)
3.2 ) Xây dựng đường cong áp suất trên quá trình giãn nở :
- Phương trình của đường giãn nở đa biến :
Khi đó x là điểm bất kỳ trên đường giãn nở thì :
P V\a\ac\vs2(n = P V\a\ac\vs2(n → P = P \f(V,V\a\ac\vs2(n\f(1,
V = ρ.V Vậy P = P \f(V,ρ.V\a\ac\vs2(n\f(1, = \a\ac\vs2(n\f(V,V\a\ac\ vs2(n\f(P.ρ, = \a\ac\vs2(n\a\ac\vs2(n\f(P.ρ,i = P \f(ρ,i\a\ac\vs2(n n : Chỉ số giãn nở đa biến trung bình n = 1,234
Quá trình nén Quá trình giãn nở i i.Vc Giá trị biểu diễn
3.3 ) Chọn tỷ lệ xích phù hợp và các điểm đặc biệt :
- Vẽ đồ thị P-V theo tỷ lệ xích : μ v = ε V c −V c
3.4 ) Vẽ vòng tròn Brick đặt phía trên đồ thị công :
Ta chọn tỉ lệ xích của hành trình piton S là : μ = \f(gtt,gtbd = \f(S,gtbd = 80 270 , 5 =0,298
Thông số kết cấu động cơ là : λ = \f(R,L = \f(S,2.L = 2.320 80 , 5 =0,1258 ( mm )
Giá trị biểu diễn của OO’ trên đồ thị : gtbd = \f(gtt,μ = 12,6563 0,667 ,975 ( mm )
Ta có nửa hành trình của piton là :
Giá trị biểu diễn của R trên đồ thị : gtbd = \f(gtt,μ = 0,667 90 4,93 ( mm )
3.5 ) Lần lượt hiệu định các điểm trên đồ thị :
1 ) Hiệu đính điểm bắt đầu quá trình nạp : (điểm a)
Từ điểm O’ trên đồ thị Brick, xác định góc đóng muộn xupáp thải β, bán kính cắt đường tròn tại điểm a’ Từ a’, vẽ đường thẳng song song với trục tung cắt đường P tại điểm a Kết nối điểm r trên đường thải (giao điểm giữa đường P và trục tung) với a, ta có đường chuyển tiếp từ quá trình thải sang quá trình nạp.
Áp suất cuối quá trình nén thực tế (P’) thường bị ảnh hưởng bởi hiện tượng phun sớm ở động cơ diesel và đánh lửa sớm ở động cơ xăng Do đó, áp suất cuối lý thuyết (P) được tính toán thường được chọn làm cơ sở Theo kinh nghiệm, P’ có thể được xác định bằng một công thức cụ thể cho từng loại động cơ, đặc biệt là động cơ diesel.
Từ đó xác định được tung độ điểm c’trên đồ thị công : y c ’= 4,6203
3 ) Hiệu chỉnh điểm phun sớm : ( điểm c’’ )
TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC
I ) Vẽ đường biểu diễn các quy luật động học :
Các đường biểu diễn được vẽ trên cùng một hoành độ, tương ứng với hành trình piston S = 2R Do đó, độ thị được xác định dựa trên hoành độ tương ứng với V của độ thị công, từ điểm 1.V đến ε.V.
1.1 ) Đường biểu diễn hành trình của piston x = ƒ(α)
Ta tiến hành vẽ đường biểu diễn hành trình của piston theo trình tự sau :
1 Chọn tỉ xích góc : thường dùng tỉ lệ xích ( 0,6 ÷ 0,7 ) ( mm/độ )
2 Chọn gốc tọa độ cách gốc cách độ thị công khoảng 15 ÷ 18 cm
3 Từ tâm O’ của đồ thị Brick kẻ các bán kính ứng với 10° ,20° ,…….180°
4 Gióng các điểm đã chia trên cung Brick xuống các điểm
10° ,20°,…….180° tương ứng trên trục tung của đồ thị của x = ƒ(α) ta được các điểm xác định chuyển vị x tương ứng với các góc 10°,20°,… 180°
5 nối các điểm xác định chuyển vị x ta được đồ thị biểu diễn quan hệ x = f(α).
1.2 ) Đường biểu diễn tốc độ của piston v = f(α)
Ta tiến hành vẽ đường biểu diễn tốc độ của píton v = f(α) Theo phương pháp đồ thị vòng Tiến hành theo các bước cụ thể sau:
1.Vẻ nửa vòng tròn tâm O bán kính R ,phía dưới đồ thị x = f(α) Sát mép dưới của bản vẽ
2 Vẽ vòng tròn tâm O bán kính là Rλ/2
3 Chia nửa vòng tròn tâm O bán kính R và vòng tròn tâm O bán kính là Rλ/2 thành 18 phần theo chiều ngược nhau
Từ các điểm chia trên nửa vòng tròn có bán kính R, ta kẻ các đường song song với trục tung Những đường này sẽ giao cắt với các đường song song với trục hoành, bắt nguồn từ các điểm chia tương ứng trên bán kính Rλ/2, tạo ra các điểm a, b, c,….
Nối các điểm a, b, c để tạo thành đường cong giới hạn trị số của tốc độ piton, thể hiện bằng các đoạn thẳng song song với tung độ từ các điểm cắt của vòng tròn bán kính R với trục hoành góc α Đường cong này mô tả mối quan hệ giữa v và α, thể hiện trên tọa độ độc cực.
1.3 Đường biểu diễn gia tốc của piston j = f( x)
Ta tiến hành vẽ đường biểu diễn gia tốc của piston theo phương pháp Tôlê ta vẽ theo các bước sau :
1.Chọn tỉ lệ xích μ phù hợp trong khoảng 30 ÷ 80 (m/s mm ) Ở đây ta chọn μ = 80 (m/ s 2 mm )
2.Ta tính được các giá trị :
- Gia tốc cực đại : j max = R.ω ( 1 + λ ) =0 , 09.16 7 2 (1+0,2813 )216,0758 ( m/ s)
Vậy ta được giá trị biểu diễn j là : gtbd\a\ac\vs0( = max max \a\ac\vs0( \f(gtt,μ = 3216,0758 55 X ( mm )
Vậy ta được giá trị biểu diễn của j là : gtbd\a\ac\vs0( = \a\ac\vs0( \f(gtt,μ = 1803,944 55 3 ( mm ) -Xác định vị trí của EF :
Vậy giá trị biểu diễn EF là : gtbd = \f(gtt,μ = − 2118,1794 55 =−39 ( mm )
Từ điểm A tại vị trí điểm chết trên, xác định AC = j; từ điểm B tại vị trí điểm chết dưới, xác định BD = j Nối CD và cắt trục hoành tại điểm E, sau đó lấy EF = -3.R.λ.ω hướng về phía BD Tiến hành nối CF với BD, chia đoạn này thành 8 phần và nối các điểm 11, 22, 33, Vẽ đường bao tiếp tuyến với các điểm này để tạo ra đường cong biểu diễn mối quan hệ j = ƒ(x).
II )Tính toán động học :
2.1 )Các khối lượng chuyển động tịnh tiến :
- Khối lượng nhóm piton m = 2,37 Kg
- Khối lượng thanh truyền phân bố về tâm chốt piston
Khối lượng thanh truyền phân bố về tâm chốt piston m có thể được tra cứu trong các sổ tay kỹ thuật Ngoài ra, người dùng cũng có thể cân các chi tiết trong nhóm để thu thập số liệu hoặc tính toán gần đúng dựa trên bản vẽ.
+ ) Hoặc có thể tính theo công thức kinh nghiêm sau : Đối với động cơ ô tô ta có : m = ( 0,275 ÷ 0,285 ) m
Vậy ta xác định đươc khối lương tịnh tiến mà đề bài cho là : m = m + m = 2,37 + 1,4991 = 3,8691 (Kg)
2.2 ) Các khối lượng chuyển động quay :
Hình 2.2 : Xác định khối lượng khuỷu trục
Khối lượng chuyển động quay của một trục khuỷu bao gồm :
- Khối lượng của thanh truyền quy dẫn về tâm chốt : m = mtt - m1 = 5,26 – 3,8691 = 1,3909 (Kg)
Khối lượng của chốt trục khuỷu được tính bằng công thức m = π (d² - δ²) l, trong đó d là đường kính ngoài của chốt khuỷu (85 mm), δ là đường kính trong của chốt khuỷu (44 mm), l là chiều dài của chốt khuỷu (70 mm), và ρ là khối lượng riêng của vật liệu làm chốt khuỷu (7800 kg/mm³ = 7,8 x 10³ kg/m³) Từ các thông số này, ta có thể tính được khối lượng của chốt trục khuỷu.
Khối lượng của má khuỷu quy dẫn về tâm chốt được ký hiệu là m, và có thể tính gần đúng theo phương trình quy dẫn: m = f(m.r, R) Trong đó, r là bán kính trọng tâm của má khuỷu, được xác định là 60.
R :bán kính quay của khuỷu : R = S /2= 180/2 (mm)
Lực quán tính chuyển động tịnh tiến :
Với thông số kết cấu λ ta co bảng tính P : α radians
2.4 ) Vẽ đường biểu diễn lực quán tính :
Ta thực hiện vẽ đường biểu diễn lực quán tính theo phương pháp Tolê, trong đó hoành độ được đặt trùng với đường p trên đồ thị công Đồng thời, vẽ đường –p = ƒ(x) sao cho cùng chiều với j = ƒ(x).
Ta tiến hành theo bước sau :
1 ) Chọn tỷ lệ xích để của p là μ (cùng tỉ lệ xích với áp suất p ) (MPa/mm), tỉ lệ xích μ cùng tỉ lệ xích với hoành độ của j = ƒ(x)
Lực quán tính p được đo bằng đơn vị MPa, tương đương với đơn vị áp suất, vì nó được tính dựa trên thành phần lực trên một đơn vị diện tích của đỉnh piston Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc áp dụng lực khí thể và lực quán tính trong các công việc sau này.
2 ) Ta tính được các giá trị :
- Lực quán tính chuyển động tịnh tiến cực đại :
Vậy ta được giá trị biểu diễn P là : gtbd\a\ac\vs0( = \a\ac\vs0( \f(gtt,μ = 0,0227435 1,274 =¿ 56 ( mm )
-Lực quán tính chuyển động tịnh tiến cực tiểu :
Vậy ta được giá trị biểu diễn P là : gtbd\a\ac\vs0( = \a\ac\vs0( \f(gtt,μ = 0,02296 0,737 = 32 ( mm )
-Ta xác định giá trị E’F’ là :
0,00664 = 0,8357 ( Mpa )Vậy ta được giá trị biểu diễn của E’F’ là : gtbd = \a\ac\vs0( \f(gtt,μ = 0,0227435 0,8357 = 36,7 ( mm )
Từ điểm A tương ứng với điểm chết trên, xác định A’C’ = P; từ điểm B tương ứng với điểm chết dưới, xác định B’D’ = P Kết nối C’D’ cắt trục hoành tại E’, sau đó lấy E’F’ hướng về phía B’D’ Tiếp theo, nối C’F’ và F’D’, chia các đoạn này thành 8 phần, nối các điểm 11, 22, 33…
Vẽ đường bao trong tiếp tuyến với 11, 22, 33…Ta đuợc đường cong biểu diễn quan hệ –P = ƒ(x)
Chúng ta sẽ vẽ đường biểu diễn quan hệ v = ƒ(x) dựa trên hai đồ thị: x = ƒ(x) và v = ƒ(x), áp dụng phương pháp đồ thị vòng Quy trình này sẽ được thực hiện theo các bước cụ thể trong đồ thị đã cho.
Từ tâm của các điểm đã được chia độ trên cung đồ thị Brick, ta tiến hành vẽ các đường song song với trục tung tương ứng với các giá trị góc quay α từ 10° đến 180°.
Đặt các giá trị của vận tốc v (đoạn thăng biểu thị giá trị của v có một đầu mút thuộc đồ thị v = ƒ(x) và một đầu thuộc nữa vòng tròn tâm O, bán kính R trên đồ thị) trên các tia song song với các trục tung, xuất phát từ các góc tương ứng trên đồ thị Sau đó, gióng xuống hệ trục tọa độ của đồ thị v = ƒ(x).
3 ) Nối các điểm trên đồ thị ta được đường biểu diễn quan hệ v = ƒ(x)
Chú ý : nếu vẽ đúng điểm v sẽ ứng với j = 0
Để thuận tiện cho việc tính toán sau này, chúng ta tiến hành khai triển đồ thị công P–V thành đồ thị p = ƒ(α) Quá trình khai triển đồ thị công sẽ được thực hiện theo một trình tự cụ thể.
1 ) Chọn tỷ lệ xích μ = 2°/ 1mm Như vậy toàn bộ chu trình 720° sẽ ứng với
360 mm Đặt hoành độ α này cùng trên đường đậm biểu diễn P và cách điểm chết dưới của đồ thị công khoảng 4÷5 cm
2 ) Chọn tỷ lệ xích μ đúng bằng tỷ lệ xích μ khi vẽ đồ thị công
3 ) Từ các điểm chia trên đồ thị Brick ta xác định trị số cua P tương ứng với các góc α rồi đặt các giá trị này trêb đồ thị P–α
Chú ý : + ) Cần xác định điểm p Theo kinh nghiệm , điểm này thường xuất hiện ở 372° ÷ 375°.
+ ) Khi khai triển cần cận thận 1 đoạn có độ dốc tăng trưởng và đột biến lớn của p từ 330° ÷ 400° ,nên lấy thêm điểm ở đoạn này để vẽ được chính xác
4 ) Nối các điểm xác định theo 1 đường cong trơn ta thu được đồ thị biểu diễn quan hệ P = ƒ(α) p kt p 0
Hình 2.3 Dạng đồ thị của p kt = f ( α )
Đồ thị P = ƒ(x) thể hiện tính năng tốc độ của động cơ, cho phép kiểm tra hiệu suất hoạt động Khi động cơ vận hành ở tốc độ cao, đồ thị thường cắt đường nén, trong khi ở tốc độ thấp, hiện tượng này ít xảy ra Đồ thị P cũng giúp xác định giá trị P = P + P một cách dễ dàng, vì khoảng cách giữa đường nạp P và đường biểu diễn P cho các quá trình nạp, nén, cháy, giãn nở và thải của động cơ chính là giá trị của đường P.
TÍNH NGHIỆM BỀN CÁC CHI TIẾT CHÍNH
I )Tính nghiệm bền trục khuỷu :
Trục khuỷu được coi là một dầm siêu tĩnh, chịu lực phức tạp Để đơn giản hóa quá trình phân tích và kiểm nghiệm, chúng ta chia trục khuỷu thành nhiều đoạn, với mỗi đoạn được xem như một dầm tĩnh định ứng theo sơ đồ tính toán như đã được giới thiệu trong hình.
Ký hiệu trên sơ đồ như sau :
T va Z lần lượt là lực tiếp tuyến và lực pháp tuyến tác dụng lên chốt khuỷu
P r 1: Lực quán tính ly tâm của má khuỷu
C 1: Lực quán tính ly tâm của chốt khuỷu
C 2: Lực quán tính ly tâm của m 2
P r 2: Lực quán tính ly tâm của đối trọng.
T’, T’’, Z’, Z’’ : là các phản lực do T và Z sinh ra khi tác dụng lên trục làm việc
M ' k , M ' ' k : Momen xoắn tác dụng lên cổ trục bên trái và bên phải.
Người ta giả thiết rằng ứng suất lớn nhất tác dụng lên khuỷu nguy hiểm nhất có thể xảy ra trong các trường hợp sau:
1 Trường hợp chịu lực P zmax khi khởi động.
2 Trường hợp chịu lực Z maxkhi làm việc
3 Trường hợp chịu lực T maxkhi làm việc
4 Trường hợp chịu lực ∑ T max
Khi vận hành động cơ, lực tác dụng trong trường hợp (1) luôn lớn hơn trong trường hợp (2) Tương tự, lực tác dụng lên cổ khuỷu ở trường hợp (3) cũng lớn hơn ở trường hợp (4) Do đó, chỉ cần xem xét hai trường hợp 1 và 3 là đủ.
Trong trường hợp chịu lực (P zmax), động cơ diesel đang ở giai đoạn khởi động Tại thời điểm này, trục khuỷu nằm ở vị trí điểm chết trên (ĐCT), dẫn đến các thông số như α = 0, T = 0, n = 0, P1 = 0 và Pr = 0.
Z ’= Z’’= Z 2 = 0 , 2 03 = 0,015 ( MN ) a )Tính nghiệm bền chốt khuỷu và momen uốn chốt khuỷu :
→ Ứng suất uốn chốt khuỷu là : δ u = M u
W u : mođun chống uốn của tiết diện ngang chốt : Đối với chốt rỗng: W u = π
0,058 )= 1,738.1 0 −5 ( m 3 ) Trong đó : d ch , δ ch : Đường kính ngoài và trong của chốt khuỷu δ u = M u
1,738.10 −5 = 52 ,21 ( MN ) b )Tính nghiệm bền của má khuỷu :
Lực pháp tuyến Z gây uốn và nén má khuỷu tại tiết diện (A-A)
* )Ứng suất uốn má khuỷu : b’= 25.10 −3
2 =0,0355 ( mm ) a Ứng suất uốn má khuỷu : σ u = M u
W u = Z ' b ' h b 2 /6 (MN/m 2 ) Trong đó: b ’ =0,0355(m) -khoảng cách từ tâm trục khuỷu đến tâm má khuỷu h2.10 -3 (m) -chiều rộng của má khuỷu b%.10 -3 (m) -chiều dày của má khuỷu
Giới hạn bền cho phéo của má khuỷu < [ σ u ]0 ÷ 180 (MN/m 2 )
Vật liệu làm má khuỷu là quá bền b, Ứng suất nén má khuỷu : σ n = Z
→ Tổng ứng suất tác dụng lên má khuỷu là: σ ∑ ❑ = σ u +σ n (MN/m 2 ). σ Σ = 41 , 9 + 4 , 91 = 47 ( MN/m2).
Giới hạn bền cho phép của má khuỷu [ σ Σ ]0÷180 (MN/m2)
Vật liệu làm má khuỷu quá bền
2 ) Trường hợp chịu lực ( T max )
Vị trí tính toán của khuỷu trục xét nguy hiểm nhất lệch so với ĐCT một góc α= αTmax.
Lúc này n≠ 0; T= Tmax các lực quán tính khác đều tồn tại Cần căn cứ vào đồ thị
T= f( α) để tính giá trị của lực tiếp tuyến và các góc tương ứng.
Tương ứng ta có T = 2.95 ( MN/ m 2 ) , lực tiếp tuyến ở các góc cần tính được kê trong bảng dưới : α 390 570 210 30
Ta lập bảng để tìm khuỷu nguy hiểm :
1)Tính nghiệm bền chốt khuỷu. Ứng suất uốn trong mặt phẳng khuỷu trục: σ u x = M u x
Trong đó : c - khoảng cách từ trọng tâm đối trọng đến đường tâm xy lanh, nếu khuỷu hoàn toàn đối xứng thì : l ch
4 , 75 a - Khoảng cách từ tâm phần không bằng của má khuỷu đến đường tâm xylanh.
P r1- Lực quán tính quay của má khuỷu
P r2-Lực quán tính quay của đối trọng
1,738.10 −5 R,2 ( MN / m 2 ) Ứng suất uốn trong mặt phẳng thẳng góc với mặt phẳng khuỷu trục: σ u y = M u y
Ứng suất tổng cộng tác dụng lên chốt khuỷu được tính bằng công thức σ u = √ ( σ u x ) 2 + ( σ u y ) 2, với σ u x = 52,2 MN/m² và σ u y = 81,5 MN/m², cho kết quả là 8 MN/m² Ứng suất xoắn chốt khuỷu được xác định qua công thức τ x = M k / W k, trong đó M k là mô men xoắn và W k là mô men quán tính Tính toán này cần xem xét tổng hợp các lực tác động và đặc tính của chốt khuỷu để đảm bảo hiệu suất và độ bền của hệ thống.
2.1,738.1 0 −5 5 ( MN / m 2 ) Ứng suất tổng cộng khi chịu xoắn chốt khuỷu: σ Σ = √ ( σ u ) 2 + 4 ( τ x ) 2 =¿ √ 96 , 8 2 + 4.35 2 9 ( MN / m 2 )
2 Tính nghiệm bền cổ trục.
Chúng ta chỉ cần tính toán cho cổ trục bên phải, vì cổ này thường phải chịu lực lớn hơn so với cổ trục bên trái Ứng suất do lực pháp tuyến Z” gây ra được tính bằng công thức: σ u x = M u x.
1 , 91.1 0 −5 ' ,8 ( MN / m 2 ) Ứng suất uốn do lực tiếp tuyến T” gây ra: σ u y = M u y
1 , 91.1 0 −5 ( MN/m 2 ) Ứng suất uốn tổng cộng :
( MN/m 2 ) Ứng suất xoắn chốt khuỷu: τ x = M k }} over {{W} rsub {k}} = {left (Σ {T} rsub {i-1} +T right ) {R} rsub {cokh}} over {{W} rsub {k}} = {{T} rsub {max} {R} rsub {cokh}} over {2 {W} rsub {x} ¿ ¿
2.1, 91.1 0 −5 9 ( MN/m 2 ) Ứng suất xoắn tổng cộng khi chịu uốn và chịu xoắn. σ Σ = √ ( σ u ) 2 + 4 ( τ x ) 2 =¿ √ 91 , 3 2 + 4.3 9 2 = 120 ( MN/m 2 )
3 Tính kiểm nghiệm bền má khuỷu.
Ta chỉ cần tính nghiệm bền má bên phải vì ma này thường chịu lực lớn hơn. Ứng suất do lực pháp tuyến Z” gây ra: σ uZ =
1,91.10 −5 3 ( MN/m 2 ) Ứng suất uốn do lực tiếp tuyến T” gây ra: σ uT =T r} over {{h {b} ^ {2}} over {6}} ¿ 1,046.64 1 0 −3
1 , 91.10 −5 0 ( MN/m 2 ) Ứng suất uốn do momen xoắn Mk ” gây ra: σ uM = M } over {{h {b} ^ {2}} over {6}} = {{T} rsub {max} {R} rsub {ch}} over {{h {b} ^ {2}} over {6}} = {1,046.29.1 {0} ^ {-3}} over {1,27.1 {0} ^ {-5}} ¿
( MN/m 2 ) Ứng suất xoắn má khuỷu do lực tiếp tuyến T” gây ra: τ x = M k
Momen chống xoắn của tiết diện má hình chữ nhật được xác định tại các điểm I và II với công thức τ xmax = T b g1 h b2 (MN/m²) Tại các điểm III và IV, giá trị τ 2 xmaxxmin (MN/m²) được tính toán Các hệ số g1 và g2 có sự phụ thuộc vào tỉ số h/b, như đã được minh họa trong hình dưới.
Từ trên hình vẽ ta có : g 1= 0,29 , g 2=0,75
0,29.0,122 0,025 2 A ( MN/m 2 ) τ 2 xmaxxmin =0,75.41 = 30,8 ( MN/m 2 ) Ứng suất nén má khuỷu do lực phương pháp tuyến: σ n =Z - {P} rsub {r2}} over {hb} = {1,046-0,116} over {0,122.0,025} ¿ ( MN/ m 2 )
Khi lập bảng để tính ứng suất tổng trên các điểm của má khuỷu, ta quy ước ứng suất kéo mang dấu “+” , ứng suất nén mang dấu “-“.
Dựa vào bảng tính ứng suất, tổng ứng suất tại các điểm 1, 2, 3, 4 được tính bằng tổng Σσi theo cột dọc Cụ thể, tổng ứng suất tại điểm I và II được xác định bằng công thức σ ΣI, II = √(Σσ I, II)² + 4τ², với giá trị xmax = √(10¹² + 4·4¹²) (MN/m²) Tương tự, tổng ứng suất tại điểm III và IV cũng được tính toán theo cách tương tự.
√ 10 1 2 + 4.30 , 8 2 8 ( MN/ m 2 ) Ứng suất cho phép của trục khuỷu giới thiệu trên bảng sau :