Giáo trình động cơ đốt trong 2 - Chương 6 pot

Tính toán tiết diện lưu thông của xupap dựa vào giả thiết lưu động ổn định của dòng khi đi qua họng đế xupap.. Căn cứ vào điều kiện lưu động ổn định và liên tục của dòng khí, ta có: Tron

Chương 6 – Tính sức bền các chi tiết của cơ cấu phân phối khí

Chương 6

TÍNH TOÁN SỨC BỀN CÁC CHI TIẾT CỦA CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ

I XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CHỦ YẾU CỦA CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ

I.1 Xác định kích thước của tiết điện lưu thông

Tiết diện lưu thông của xupap ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của quá trình nạp và thải trong động cơ bốn kỳ Vì vậy khi thiết kế, cần cố gắng tăng đường kính xupap trong phạm vi đường kính xylanh đã định Diện tích mặt nấm xupap của các động cơ ngày nay chiếm khoảng 25 ÷ 40% diện tích đỉnh piston Chỉ khi dùng nhiều xupap (bốn xupap) diện tích lưu thông mới có thể đạt đến 40% diện tích đỉnh piston Diện tích mặt nấm của xupap nạp thường lớn hơn diện tích mặt nấm của xupap thải khoảng 10 ÷ 20% và thường bằng 15 ÷ 20% diện tích đỉnh piston

Tính toán tiết diện lưu thông của xupap dựa vào giả thiết lưu động ổn định của dòng khi đi qua họng đế xupap Coi dòng khi nạp (hoặc thải) có tốc độ bình quân và tốc độ của piston không đổi Căn cứ vào điều kiện lưu động ổn định và liên tục của dòng khí, ta có:

Trong đó: vk – tốc độ trung bình của dòng khí qua họng đế xupap (m/s)

fk – tiết diện lưu thông của họng đế xupap (cm2)

4

d.f

2 h k





dh – đường kính họng xupap (hình 6.1a)

i – số xupap trên một xylanh

h và p – mật độ của dòng khí ở họng xupap và trong xylanh (h = p)

vp – tốc độ trung bình của piston (m/s)

30

n.S

vp 

Fp – diện tích đỉnh piston (cm2)

4

D.F

2 p

p p k

d.i

D.vf.i

F.v

Đối với động cơ ngày nay, tốc độ lưu động của dòng khí nạp khi động cơ làm việc toàn tải nằm trong phạm vi sau:

- Động cơ ôtô và máy kéo: vkn = 40 ÷ 115 (m/s)

- Động cơ tàu thủy và tĩnh tại: vkn = 30 ÷ 80 (m/s)

- Động cơ máy bay: vkn = 100 ÷ 125 (m/s)

Tốc độ dòng khí càng cao, tổn thất càng lớn, hơn nữa độ mở xupap còn chịu ảnh hưởng của nhiều nhân tố khác như : điều kiện bố trí chung, quán tính của cơ cấu dẫn động xupap, Vì vậy nên cố gắng chọn tốc độ vkn nhỏ Tuy nhiên, đối với động cơ xăng, do yêu cầu của việc hình thành hỗn hợp nên tốc độ dòng khí nạp không thể bé hơn 40m/s Nếu vkn < 40m/s, quá trình bốc hơi của xăng và quá trình hòa trộn hơi xăng với không khí trở nên xấu đi

Tốc độ trung bình của dòng khí thải thường lớn hơn của dòng khí nạp khoảng 20 ÷ 50% Do đó xupap thải có thể làm nhỏ hơn xupap nạp và vì vậy mặt nấm của xupap thải có độ cứng vững lớn, khó biến dạng và diện tích chịu nhiệt nhỏ hơn

Từ hình 6.1a và b, có thể xác định được tiết diện lưu thông fkl

 h 1

2

'h

dh d1 = dh + 2e

Ngoài ra, tiết diện lưu thông của xupap còn phụ thuộc vào hành trình của xupap (h) Hành trình của xupap càng lớn thì tiết diện lưu thông càng lớn Tuy vậy hành trình bị hạn chế bởi tiết diện của họng đế xupap, tiết diện lưu thông không thể lớn hơn tiết diện họng đế xupap

Từ đó suy ra (khi  = 00)

4

dhd

2 h h

Trong động cơ ngày nay, hành trình xupap thường nằm trong phạm vi: h = (0,18  0,3).dh

Từ hình 6.1c ta thấy rằng  càng nhỏ, dòng khí lưu thông càng khó (dòng khí nạp vào xylanh

bị gấp khúc), vì vậy tổn thất lưu động lớn mà xupap khó đóng kín (trường hợp  = 0o

không có mặt côn trên nấm xupap) Vì vậy, đối với xupap nạp, thường dùng góc  = 300 và  = 45o còn đối với xupap thải thường chỉ dùng góc  = 450

Kiểm tra tiết diện lưu thông thực fkl có thể dùng các công thức:

kl

p p kl

f.i

F.v

Khi thiết kế, nên khống chế tốc độ lưu động của dòng khí qua tiết diện lưu thông fk nằm trong phạm vi vkl ≤ (70  90m/s)

I.2 Chọn dạng cam

Khi chọn dạng cam, cần phải xét các điểm sau:

- Dạng cam phải đảm bảo cơ cấu phối khí có trị số “thời gian – tiết diện” lớn nhất, nghĩa là khả năng lưu thông dòng khí lớn nhất Vì vậy yêu cầu cam phải mở xupap thật nhanh, giữ cho xupap ở vị trí lớn nhất thật lâu và khi đóng thật nhanh xupap

- Dạng cam phải thích hợp để giai đoạn mở và đóng xupap có gia tốc và vận tốc nhỏ nhất

Do đó cơ cấu phân phối khí làm việc êm, ít va đập và hao mòn

- Dạng cam phải đơn giản, dễ chế tạo

Trên cơ sở đảm bảo ba yêu cầu trên, động cơ đốt trong ngày nay thường dùng hai loại cam là cam lồi và cam tiếp tuyến Dạng cam lõm tuy có ưu điểm là tốc độ mở đóng xupap rất nhỏ, mở đóng nhanh nhưng không được dùng vì chủ yếu là do gia công mặt lõm rất khó

Thiết kế dạng cam có hai phương pháp:

I.2.1 Lựa chọn quy luật chuyển động của cam (chủ yếu là quy luật gia tốc)

Lựa chọn quy luật chuyển động (gia tốc) của cam, sau đó lấy tích phân hai lần để tìm quy luật của độ nâng supap biến thiên theo góc quay trục cam

Phương pháp này có ưu điểm là có thể thực hiện bất kỳ quy luật chuyển động nào ta cho là tốt nhất, nghĩa là các quy luật chuyển động có gia tốc khi mở, đóng xupap nhỏ nhất

Nhược điểm cơ bản của phương pháp này là dạng cam ứng với quy luật lý tưởng trên rất khó gia công vì mặt cam có dạng đường cong rất phức tạp Tuy vậy, ngày nay khi thiết kế các loại động

cơ cao tốc, người ta vẫn thường thiết kế dạng cam theo phương pháp này

I.2.2 Định sẵn dạng cam

Mặt cam được định dạng sẵn là tập hợp của những cung tròn, cung parabôn, để dễ gia công Sau đó căn cứ vào quy luật nâng đã định, đạo hàm hai lần đối với góc quay của trục cam để tìm quy luật gia tốc rồi kiểm tra xem có phù hợp với yêu cầu về gia tốc của cơ cấu phân phối khí hay không Phương pháp thứ hai này có ưu điểm là đảm bảo tính công nghệ khi gia công trục cam được thuận lợi Vì vậy tuyệt đại bộ phận động cơ đốt trong tốc độ thấp và trung bình đều dùng cam định hình theo phương pháp thiết kế thứ hai

Lựa chọn dạng cam theo phương pháp này thường dùng các đường cong của nhiều cung tròn, cung tròn phối hợp với cung parabôn hoặc cung tròn phối hợp với đường thẳng Dạng cam dùng cung tròn hoặc parabôn được gọi là cam lồi, dạng cam dùng cung tròn nối với đường thẳng được gọi là cam tiếp tuyến

Hình 6.2 giới thiệu quy luật nâng hạ h = f (k) và quy luật gia tốc j = f(k) của ba loại cam lồi cung tròn, cam lồi cung parabôn và cam tiếp tuyến

Từ hình 6.2b, có thể thấy rằng cam lồi cung tròn có trị số “thời gian – tiết diện” lớn nhất Tuy nhiên loại này lại có gia tốc dương lớn nhất, Do đó khi làm việc, cơ cấu phân phối khí va đập rất mạnh trong giai đoạn đóng mở xupap nên lực quán tính tác dụng lên mặt cam có trị số rất lớn Trị số cho phép của gia tốc dương phụ thuộc vào độ cứng của bề mặt tiếp xúc của cam với con đội, của con đội với xupap (hoặc đũa đẩy), độ cứng vững của trục cam và khả năng chịu tải của ổ trục cam Trị số của gia tốc âm, phụ thuộc vào khả năng làm việc của lò xo Để giảm kích thước của lò xo và giảm phụ tải tác dụng lên lò xo, thường phải khống chế trị số tuyệt đối của gia tốc âm ở phạm vi nhỏ nhất

J (m/s2)

k

Cung tròn Cung parabôn Tiếp tuyến

Góc quay của trục cam k

Hình 6.2 So sánh cam lồi và cam tiếp tuyến

Cam tiếp tuyến có trị số “thời gian – tiết diện” nhỏ nhất (hình 6.2) gia tốc khi mở và khi đóng xupap cũng nhỏ nhất nhưng gia tốc âm thì lại có trị số tuyệt đối lớn nhất Vì vậy cam tiếp tuyến chỉ sử dụng khi yêu cầu cao về giảm va đập (cơ cấu phân phối khí làm việc êm) Nhưng do gia tốc âm lớn nên lò xo xupap chịu tải lớn Để giảm tải trọng tác dụng lên lò xo, khối lượng của cơ cấu dẫn động xupap phải nhỏ Vì vậy cam tiếp tuyến thường dùng trong cơ cấu phân phối khí xupap đặt

Cam lồi cung parabôn có các thông số nằm trong phạm vi giới hạn bởi các thông số của hai loại cam trên Do tính công nghệ của cam parabôn kém nên loại cam này ít được sử dụng

I.3 Trị số tiết diện thời gian của xupap

Khi đường kính và gốc côn của

nấm xupap đã xác định, tiết diện lưu

thông tức thời của xupap quyết định bởi

quy luật động học của cam phân phối

khí và pha phân phối khí

Lựa chọn pha phân phối khí hợp

lý có thể làm cho trị số tiết diện lưu

thông trung bình fktb đạt trị số lớn nhất

Xác định trị số fktb bằng đồ thị biểu diễn

trị số thời gian tiết diện như hình 6.3

Tốc độ trung bình tính toán của dòng

khí trong suốt quá trình nạp (hoặc thải)

xác định theo công thức sau:

1

t

t kl

1 2 p p t

t kl

h '

k

dtfi

ttFvdtfi

V

Trong đó: Vh – dung tích công tác của xylanh

2 1

t

t

kldt

f – trị số “thời gian – tiết diện” (phần gạch nghiêng bên trái trên hình 6.3)

t1 và t2 – thời gian bắt đầu và kết thúc quá trình nạp (hoặc thải)

Khi tính toán thời gian tiết diện, thường bỏ qua giai đoạn mở sớm và đóng muộn (phần diện tích ứng với góc mở sớm 1 và góc đóng muộn 2) nên có thể coi thời gian t1 và t2 ứng với góc k1 và

k2 do đó:



 2 

1 2

1

dfdt

2

1

dff

F.v

Khi thiết kế, cần đảm bảo sao cho: ' k

Bảng 6 – 1 Trị số pha phân phối khí của các loại động cơ

(tính theo góc quay của trục khuỷu)

trước ĐCT

Đóng muộn sau ĐCD

Mở sớm trước ĐCD

Đóng muộn sau ĐCT

-Động cơ cường hóa có công

suất lớn, khối lượng nhỏ 10 ÷ 75 30 ÷ 70 40 ÷ 80 15 ÷ 50

I.4 Tốc độ va đập của xupap

Trong quá trình làm việc, để đảm bảo xupap đóng kín trên đế xupap, trong cơ cấu dẫn động xupap phải có khe hở nhiệt Nhưng có khe hở này, cơ cấu dẫn động của xupap phát sinh hiện tượng

va đập khi mở và đóng xupap khiến các mặt tiếp xúc nhất là mặt nấm xupap và đế xupap bị mòn rất nhanh

Kết quả nghiên cứu về mài mòn của đế xupap chứng thấy rằng tốc độ va đập của xupap trên đế xupap có ảnh hưởng rất lớn tới độ mòn của đế Độ mòn của đế phụ thuộc rất ít vào chiều rộng của mặt tiếp xúc nhưng chịu ảnh hưởng rất nhiều của vật liệu làm đế xupap và nhiệt độ của đế xupap (khi tăng tốc độ va đập từ 0,36 m/s lên 0,72 m/s độ mòn của đế xupap tăng lên tám lần)

Theo thực nghiệm, tốc độ va đập cho phép của xupap cần lựa chọn trong phạm vi sau:

- Đối với đế xupap bằng gang xám: va = 0,3  0,4 m/s

- Đối với đế xupap bằng đồng thanh : va = 0,4  0,5 m/s

- Đối với đế xupap bằng thép cacbon : va = 0,5  0,6 m/s

- Đối với đế xupap bằng thép hợp kim chịu nhiệt:va = 0,7  0,8 m/s

Tốc độ va đập của xupap khi dùng con đội hình nấm có thể xác định bằng công thức sau:

Trong đó: a – góc giảm va đập

 – khe hở nhiệt của xupap

Thay vào (6-13) vào (6-12), ta có:

2 k

k

R21R

k 1

cos

cos2RRj

k

Rj,

1

B

/2 R1

Hình 6.4 Dạng cam điển hình và quy luật động học trong

vùng cung chuyển tiếp

Trị số của khe hở nhiệt  của các loại động cơ đốt trong thường nằm trong phạm vi 0,2  0,4

mm (trị số này thường thay đổi trong quá trình động cơ làm việc) Từ hình 6.4a, ta thấy điểm B là điểm con đội đã bắt đầu nâng lên, nhưng đến A con đội mới đẩy xupap mở ra Cung chuyển tiếp từ A đến B có thể dùng cung Acsimét, cung parabôn hoặc cung tròn đơn giản

Quy luật động học con đội trong vùng cung chuyển tiếp này giới thiệu trên hình 6.4b, c tốc độ trong vùng cung chuyển tiếp này thường không vượt quá 0,1  0,15 m/s

Đối với loại động cơ dùng cơ cấu phân phối khí xupap đặt, khe hở nhiệt khi máy lạnh lớn hơn khe hở nhiệt khi máy nóng vì độ giản nở của xupap khi chịu nhiệt vượt quá độ giản nở của thân máy Đối với loại động cơ dùng cơ cấu phân phối khí xupap treo, cam trực tiếp dẫn động xupap, khe hở nhiệt khi máy lạnh cũng lớn hơn khe hở nhiệt khi máy nóng Nhưng đối với loại động cơ dùng cơ cấu xupap treo, trục trục cam dẫn động xupap qua cơ cấu trung gian (con đội, đũa đẩy, ) khe hở nhiệt khi máy lạnh lại nhỏ hơn khe hở nhiệt khi máy nóng Đó là do độ giản nở của xupap không lớn bằng độ giản nở tổng cộng của thân máy, nắp xylanh và trụ đòn bẩy

I.5 Gia tốc của xupap

Gia tốc dương của xupap càng lớn, hiện tượng va đập trong cơ cấu phân phối khí càng mạnh Trị số tuyệt đối của gia tốc âm càng lớn, lò xo xupap chịu tải càng nhiều Vì vậy khi thiết kế cam cần đảm bảo trị số gia tốc nằm trong giới hạn thống kê trong bảng 6.2

Bảng 6.2 Trị số cho phép của gia tốc dương và gia tốc âm

Kiểu động cơ (+) j, (m/s2) (-) j, (m/s2)

- Động cơ tĩnh tại và tàu thủy 100  1500 50  700

- Động cơ cao tốc, cường hóa, khối lượng nhỏ 1500  2800 700  1000

Trị số của gia tốc liên quan rất nhiều đến hệ số hình dạng  :

Trục hoành trên hình 6.5 biểu thị góc quay k của trục cam, do đó có thể dùng quan hệ thời gian với tốc độ k = kt để thay thế (k là tốc độ góc của trục cam)

Như thế, diện tích bao bởi đường cong tốc độ và trục hoành sẽ bằng hành trình nâng cực đại của xupap (cơ cấu xupap đặt) Ta có:

hvdt2

1tv2

1

k 2

h2v

2 k

thay

2 





2 k 1

2

h2j

2 k

21

h2j

II ĐỘNG HỌC CỦA CON ĐỘI

II.1 Cam tiếp tuyến và động học của con đội con lăn

II.1.1 Dựng hình cam tiếp tuyến (hình 6.6)

- Căn cứ vào các thông số của động cơ (n, S/D, loại động cơ, số kỳ, ) để lựa chọn pha phân phối khí Từ đó xác định góc làm việc của cam (góc ) Đối với cam nạp (tính theo góc quay của trục cam):

1 và 2 – góc mở sớm và đóng muộn của xupap thải

k

Hình 6.5 Đường cong biểu diễn hành trình vận

tốc và gia tốc của cam có gia tốc bằng hằng số

- Căn cứ vào điều kiện bố trí chung để xác định bán kính

Trong đó: dc – đường kính trục cam (mm)

- Vẽ vòng tròn bán kính R1 và dựng tọa độ thẳng góc qua

tâm 0 (hình 6.6) Sau đó xác định bán kính OA và OB

làm thành với tung độ góc /2

- Dựng tiếp tuyến AE và BE tiếp tuyến với vòng tròn R1

tại A và B

- Căn cứ vào độ nâng con đội h (độ nâng lớn nhất) để

xác định điểm C, h = FC

- Vẽ cung tròn bán kính r tiếp tuyến với AE và BE đi qua

điểm C Từ hình 6.6 có thể xác định cung đỉnh cam Cụ

do đó:

2cos

rR

Rrh2cos

rR

11rh2cos

11

R1

từ đó rút ra:

2cos12coshR

2cos

11

hR

II.1.2 Động học của con đội con lăn

Do mặt cam tiếp tuyến gồm hai phần: phần mặt phẳng AA’ tiếp tuyến với hai mặt trụ R1 và r và phần mặt trụ r, vì vậy động học của con đội con lăn khi con lăn lăn trên hai phần mặt ấy cũng khác nhau Nhưng trong từng giai đoạn, quy luật động học không đổi

Giai đoạn thứ nhất tính từ khi cam bắt đầu nâng con đội (điểm A trên hình 6.7) khi con lăn lăn hết phần mặt tiếp tuyến (điểm A’) Góc quay của trục cam tương ứng từ  = 0 đến  = max

Hình 6.6 Cam tiếp tuyến

K

E

C

Giai đoạn thứ hai bắt đầu từ A’ đến C trên phần mặt trụ r (hình 6.7) Góc quay của trục cam ứng với giai đoạn này là  = max đến  = 0 Trong đó max = max

a) Động học của con đội con lăn trong giai đoạn I

- Chuyển vị của con đội con lăn

Từ hình 6.7a ta thấy khi con lăn lăn đến một vị trí bất kỳ nào trên mặt phẳng tiếp tuyến AA’ (cam quay đi một góc ) ta đều tính được chuyển vị của con đội theo quan hệ sau đây:

1 1

cos

RRRROOab

Trong đó: R – bán kính của con lăn

- Tốc độ của con đội con lăn

Đạo hàm hai vế của phương trình (6-24) đối với thời gian, ta có công thức tính con đội con lăn:

dt

d.d

dhdt

R

- Gia tốc của con đội con lăn

Đạo hàm hai vế của phương trình (6-25) đối với thời gian ta có công thức tính gia tốc của con đội con lăn như sau

k 1

cos

sin1RRdt

d.d

dvdt

dv

do đó:        2 

2 2

k 1

cos

cos2R

R

Trong đó: k – tốc độ góc của trục cam, (1/s)

Thay các trị số từ  = 0 đến max ta có đường biểu diễn gia tốc như trên hình 6.2

Góc max có thể xác định theo quan hệ lượng giác trên hình 6.7b

2 max

RR2sinDEO

EOtg

b) Động học của con đội con lăn trong giai đoạn II

- Chuyển vị của con đội con lăn

Từ hình 6.9, ta thấy khi con lăn lăn đến một vị trí bất kỳ nào trên cung A’C ứng với góc , chuyển vị của con đội con lăn đều có tính theo công thức sau:

RRcosDsin

Dr

- Tốc độ của con đội con lăn

Lấy đạo hàm hai vế của phương trình (6-29) đối với thời gian, ta có công thức tính tốc độ của con đội con lăn

R

cossinDdt

dhv

2 2

2 k

2sinDsin

C

R1

D