Giáo trình động cơ đốt trong 2 - Chương 5 pptx

Chương 5 – Tính sức bền của các chi tiết trong nhóm thân máy và nắp xylanh 123 pdfMachine by Broadgun Software - a great PDF writer! - a great PDF creator! - http://www.pdfmachine.com http://www.broadgun.com Chương 5 – Tính sức bền của các chi tiết trong nhóm thân máy và nắp xylanh 124 Chương 5 TÍNH SỨC BỀN CỦA CÁC CHI TIẾT TRONG NHÓM THÂN MÁY VÀ NẮP XYLANH Do kết cấu của thân máy và nắp xylanh phức tạp nên việc xác đònh lực phân bố trên một tiết diện bất kỳ rất khó khăn. Trong thực tế, khi thiết kế chiều dày của thân máy hoặc nắp xylanh, trước tiên thường xét đến tính công nghệ trong gia công chế tạo. Nếu đảm bảo chiều dày này thì thân máy và nắp xylanh thường đủ bền. Các phép tính về sức bền đối với thân máy và nắp xylanh đều chỉ là gần đúng. I. TÍNH SỨC BỀN CỦA LÓT XYLANH I.1. Xác đònh chiều dày của xylanh và lót xylanh Chiều dày của xylanh hoặc lót xylanh có thể xác đònh qua công thức sau:     2 Dp L 2 DLp zz k , (MN/m 2 ) (5-1) Trong đó: D – đường kính xylanh (m). L – chiều dài tính toán khi lót xylanh chòu lực P z .  – chiều dày của thành xylanh (m). p z – áp suất lớn nhất trong quá trình cháy (MN/m 2 ). Ứng suất cho phép của xylanh hoặc lót xylanh nằm trong phạm vi sau:   8060 k    800600m/MN 2    2 cm/kG Nếu thân máy đúc liền với nhiều xylanh thì ứng suất cho phép nên chọn thấp hơn:   6040 k    600400m/MN 2    2 cm/kG Sở dó chọn trò số thấp hơn là vì ứng suất nhiệt trong loại thân máy này rất lớn. Đối với loại xylanh hoặc lót xylanh bằng thép.   200 k    2000m/MN 2    2 cm/kG Công thức (5-1) thường dùng tính sức bền của loại lót xylanh khô. Đối với loại lót xylanh ướt, thành xylanh tương đối dày, xem áp suất p z phân bố đồng đều nên thường tính sức bền theo sau: - Ứng suất kéo tác dụng trên phương tiếp tuyến ở mặc trong có trò số lớn nhất: z 22 1 22 1 maxkx p DD DD    ,   2 m/MN (5-2) - Ứng suất kéo hướng tiếp tuyến ở mặt ngoài: z 22 1 2 minkx p DD D2   ,   2 m/MN (5-3) - Ứng suất kéo hướng kính ở mặt trong: zmaxky p ,   2 m/MN (5-4) Chương 5 – Tính sức bền của các chi tiết trong nhóm thân máy và nắp xylanh 125 - Ứng suất kéo hướng kính ở mặt ngoài: 0 minky  ,   2 m/MN (5-5) Đối với loại lót xylanh bằng gang hợp kim:   6040 k    600400m/MN 2    2 cm/kG - Nếu xét đến trạng thái nhiệt, ứng suất nhiệt ở mặt trong của lót xylanh (ứng suất nén) xác đònh theo công thức sau: D D 1 D D 21 )1(3 )tt(E. 1 1 nt tn       ,   2 m/MN (5-6) - Ứng suất nhiệt trên mặt ngoài của lót xylanh (ứng suất kéo): D D 1 D D 2 )1(3 )tt(E. 1 1 nt tk       ,   2 m/MN (5-7) Nếu D D 1  1,1 – ứng suất nhiệt có thể tính theo công thức sau: )1(3 ) t t ( E . nt t     ,   2 m/MN (5-8) Trong đó:  – hệ số giãn nở chiều dài.  Đối với gang hợp kim:  = 10,5.10 -6 (1/độ)  Đối với thép  = 11.10 -6 (1/độ)  Hình 5.1. Sơ đồ tính sức bền của lót xylanh.  l 1 l II II D f I I D 2 D 3 D tb D D 1 h a l 2 L b P g P g P g P H P T N max Chương 5 – Tính sức bền của các chi tiết trong nhóm thân máy và nắp xylanh 126 E – môđun đàn hồi của vật liệu, (MN/m 2 ) t t ; t n – chênh lệch của nhiệt độ mặt trong và mặt ngoài lót xylanh, (khoảng 30 o ).  – hệ số Poátxông. Trong thực tế, ứng suất kéo tổng cộng trên mặt ngoài thường lớn hơn mặt trong. Vì vậy thường chỉ cần tính ứng suất ở mặt ngoài: tkminkx   Ứng suất tổng cho phép đối với gang hợp kim   2 m/MN80  ; đối với các loại vật liệu khác ứng suất cho phép thường bằng khoảng 1/5 giới hạn bền chống kéo. Hình (5.2) giới thiệu quan hệ của ứng suất tổng đối với chiều dày của lót xylanh có đường kính D = 400mm. Từ đồ thò, ta thấy khi lót xylanh có chiều dày 30mm, ứng suất tổng nhỏ nhất. I.2. Tính sức bền của vai lót xylanh Khi siết gioăng nắp xylanh, vai lót xylanh chòu lực nén P g . Trò số của lực nén P g thường nằm trong phạm vi: 2 fzg Dp)6,12,1(P  , (MN) Trong đó: D f – đường kính trung bình của mặt vành bao kín (m). I.2.1. Ứng suất trên tiết diện I–I Dời lực P g về trọng tâm của tiết diện I–I rồi phân P g thành hai lực P T và P H . Khi dời lực P g , moment (P g .l) tác dụng uốn vai lót xylanh. Ứng suất kéo do lực P H gây ra tại tiết diện I–I bằng: hD. P m H k   ,   2 m/MN (5-9) - Ứng suất cắt tiết diện I–I: hD P m T c   ,   2 m/MN (5-10) - Ứng suất uốn tiết diện I–I : 6 hD. l.P W l.P 2 m g u g u   ,   2 m/MN (5-11) Trong đó: D m – đường kính tính toán của tiết diện I–I (xem sơ đồ trên hình 5.1 ). h – chiều rộng của tiết diện I–I. Ứng suất tổng cộng xác đònh theo công thức sau: 2 c 2 uk 4)(   ,   2 m/MN (5-12) Đối với lót xylanh bằng gang hợp kim ứng suất tổng cho phép:   8040   ,   2 m/MN Hình 5.2. Quan hệ của ứng suất tổng với chiều dày của lót xylanh  , (MN/m 2 )  , (cm 2 ) 0 2 4 6 8 10 12 14 50 100  k  T   Chương 5 – Tính sức bền của các chi tiết trong nhóm thân máy và nắp xylanh 127 I.2.2. Ứng suất trên tiết diện II–II Trên tiết diện II–II chỉ cần tính ứng suất cắt do lực P g gây ra. aD. P II g c   ,   2 m/MN (5-13) Trong đó: D II – đường kính của vành mặt trụ II – II (m). a – chiều cao của vành mặt trụ II – II (m). Ứng suất cắt cho phép:   40 c  ,   2 m/MN I.2.3. Ứng suất nén do lực nén P g gây ra bD. P f g n   , (5-14) Trong đó: b – chiều rộng của rãnh bao kín. Nếu vai lót xylanh không có rãnh bao kín thì b bằng chiều rộng của phần vai lót xylanh tiếp xúc với gioăng nắp xylanh. - Nếu gioăng nắp xylanh là loại gioăng mềm:   2015 n    200150m/MN 2    2 cm/kG - Nếu gioăng nắp xylanh là loại gioăng bằng đồng:   40 n    400m/MN 2    2 cm/kG - Nếu gioăng nắp xylanh là loại gioăng bằng thép:   100 n    1000m/MN 2    2 cm/kG Ứng suất nén trên mặt tựa phía dưới vai lót xylanh tính theo công thức: )DD( P 4 2 3 2 2 g n   ,   2 m/MN (5-15) Ứng suất cho phép đối với lót xylanh bằng gang hợp kim nằm trong phạm vi :   10080 n    1000800m/MN 2    2 cm/kG II.2.4. Ứng suất uốn do lực ngang N gây ra )DD(L1,0 D.l.l.N W M 44 1 121max u u u   ,   2 m/MN (5-16) - Độ biến dạng khi chòu uốn xác đònh theo công thức sau: E . J . L 3 ll.N f 2 2 2 1max  , (m) (5-17) Trong đó: L – khoảng cách giữa hai điểm tựa của lót xylanh. l 1 ; l 2 – khoảng cách từ điểm tựa phía trên và phía dưới tới vò trí xuất hiện lực ngang lớn nhất N max . J – moment quán tính của tiết diện vành khăn có chiều rộng là 2 DD 1  Chương 5 – Tính sức bền của các chi tiết trong nhóm thân máy và nắp xylanh 128 - Ứng suất uốn cho phép nằm trong phạm vi:   20 u    200m/MN 2    2 cm/kG - Độ biến dạng tương đối: )cm/mm(,002.0 L f  (5-18) I.3. Tính sức bền của mặt bích lắp xylanh Nếu thân máy thuộc loại xylanh chòu lực như hình 5.3, cần phải tính ứng suất kéo đối với tiết diện ngang xylanh. Ứng suất cho phép khi xylanh chòu kéo cũng giống như ứng suất cho phép trong trường hợp tính sức bền của lót xylanh theo công thức (5-1). - Ứng suất kéo tác dụng trên tiết diện ngang xylanh xác đònh theo công thức sau: )DD( Dp 22 1 2 z k   ,   2 m/MN (5-19) Đối với mặt bích lắp xylanh, cần kiểm nghiệm sức bền ở hai tiết diện x–x và y–y (hình 5.3). Tiết diện x–x chòu tác dụng của lực khí thể và moment uốn (N max .h). - Ứng suất uốn:            1 44 1 max u u u D DD 32 hN W M ,   2 m/MN (5-20) - Ứng suất tổng cộng: ku   ,   2 m/MN - Ứng suất tổng cộng cho phép đối với xylanh bằng gang hợp kim:   100    1000m/MN 2    2 cm/kG Hình 5.3 . Sơ đồ tính sức bền của mặt bích lắp xylanh D 1 h x N max D y l y Y Y D D tb a l y Y Y Chương 5 – Tính sức bền của các chi tiết trong nhóm thân máy và nắp xylanh 129 Tiết diện Y–Y chòu uốn. - Ứng suất uốn tính theo công thức sau: 2 1y yz u u u hD. l.P6 W M   ,   2 m/MN (5-21) Nếu chỉ dùng 4 bulông để lắp ghép, mặt bích thường có dạng hình vuông. Ứng suất uốn mặt bích tính theo công thức sau: 2 1 yz u u u h.a.i l.P6 W M  ,   2 m/MN (5-22) Ứng suất uốn cho phép: - Đối với xylanh bằng gang hợp kim:   40 u    400m/MN 2    2 cm/kG - Đối với xylanh bằng thép:   120 u    1200m/MN 2    2 cm/kG II. TÍNH SỨC BỀN CỦA BULÔNG LẮP GHÉP XYLANH Các bulông lắp ghép này chòu lực khí thể. Ứng suất kéo bulông xác đònh theo công thức sau:   f . i GFp.k z k   ,   2 m/MN (5-23) Trong đó: k – hệ số siết chặt bulông, k = 1,35 ÷ 1,8. G – trọng lượng của thân máy và nắp xylanh (MN). i – số bulông (hoặc gujông) F – diện tích đỉnh bulông (m 2 ). f – tiết diện bé nhất của phần ren trên bulông (hoặc gujông) (m 2 ). Ứng suất cho phép: - Đối với bulông (hoặc gujông) bằng thép cacbon:   60 k    600m/MN 2    2 cm/kG - Đối với bulông (hoặc gujông) bằng thép hợp kim   80 k    800m/MN 2    2 cm/kG III. TÍNH SỨC BỀN CỦA NẮP XYLANH Ứng suất trong nắp xylanh là do nắp xylanh chòu lực khí thể, lực siết bulông và do trạng thái nhiệt không đồng đều của nắp xylanh sinh ra. Sơ đồ tính toán trên hình 5.4, coi nắp xylanh như một nắp tròn đặt tự do trên gối tựa hình trụ có đường kính D f . Áp suất khí thể p z phân bố đều trên diện tích có đường kính D, còn áp suất p bd do lực siết ban đầu P bđ sinh ra phân bố trên đường tròn có đường kính D f . Tiết diện tính toán thường chọn tiết diện đi qua đường tâm xupap (tiết diện này thường có diện tích nhỏ nhất, tiết diện x – x trên hình 5.4). Chương 5 – Tính sức bền của các chi tiết trong nhóm thân máy và nắp xylanh 130 Để thuận tiện trong tính toán, ta xem lực khí thể tập trung tại trọng tâm của nửa diện tích có đường kính D f (cách trục x – x một khoảng z = 3 2 .  f D , lực tập trung bằng z 2 fz p 8 D 2 P   và lực siết chặt bulông tập trung trên trọng tâm của nửa cung tròn có đường kính D g và D f (cách trục x – x và trục y – y một khoảng   g D x và   f D y ). Các lực này có trò số bằng 2 P bd và 2 P f . Khi động cơ không làm việc (P z = 0), nắp xylanh (loại nắp tròn) chòu mômen sau:     ff g bd ' u D . 2 P D . 2 P M , (MNm) (5-24) Do P bđ = P f nên:   fg bd ' u DD. 2 P M    , (MNm) (5-25) Khi động cơ làm việc (P z  0) nắp xylanh chòu mômen uốn:        fzff g z u D . 3 2 . 2 PD . 2 P D . 2 P M , (MNm) (5-26) Nắp xylanh vuông như hình 5.5b, khi động cơ không làm việc, mômen uốn nắp xylanh bằng:          x D 2 L 2 P 2 DP 4 LP M fbdffbd " u , (MNm) (5-27) Khi động cơ làm việc mômen uốn bằng:     fzffbd " u D . 3 2 . 2 P 2 DP 4 LP M , (MNm) (5-28) Hình 5. 4 . Sơ đồ tính toán sức bền nắp xylanh.   g D x   f D . 3 2 z   f D y D g D f 2 P f 2 P f 2 P bd 2 P bd i i x x l 1 l 2 L a) b ) l 1 l 2 Chương 5 – Tính sức bền của các chi tiết trong nhóm thân máy và nắp xylanh 131 - Ứng suất uốn nắp xylanh theo trục x – x: u u u W M  Do kết cấu của nắp xylanh rất phức tạp nên tính W u của tiết diện cũng khó chính xác. Vì vậy ứng suất ở mặt nóng và mặt nguội của nắp xylanh chẳng những khác nhau về dấu mà còn khác nhau cả về trò số. - Ứng suất kéo ở mặt nguội bằng: 1 1u 1u u 1k J lM W M  , (MN/m 2 ) (5-29) - Ứng suất nén ở mặt nóng bằng: 2 2u 2k u 2k J lM W M  , (MN/m 2 ) (5-30) Trong đó : J i – mômen quán tính của tiết diện tính toán đối với trục i – i đi qua trọng tâm của tiết diện (m 4 ) l 1 và l 2 – khoảng cách xa nhất của lớp kim loại trên mặt nguội và mặt nóng đối với trục i – i (m). Trò số cho phép của ứng suất nằm trong phạm vi sau:  Đối với nắp xylanh bằng gang: [  k ]= 50 (MN/m 2 )  Đối với nắp xylanh bằng thép: [  k ]= 80 (MN/m 2 )  Đối với nắp xylanh bằng hợp kim nhôm: [  k ]= 35 (MN/m 2 ) Do mặt nóng của nắp xylanh chòu ứng suất tương đối lớn, hơn nữa khi chòu nhiệt, sức bền cơ học của nó bò giảm sút vì vậy khi thiết kế cố gắng hạ thấp trục i–i để giảm ứng suất cho mặt nóng. - Ứng suất nhiệt của mặt nóng xác đònh theo công thức sau:        12 ttE. 1n t , (MN/m 2 ) (5-31) Trong đó: (t n – t 1 ) – nhiệt độ chênh lệch của phía tiếp xúc với khí cháy và phía tiếp xúc với nước làm mát của mặt nóng. - Ứng suất tổng: t2k   , (MN/m 2 ) (5-32) Trò số cho phép của ứng suất tổng nằm trong phạm vi sau:  Đối với nắp xylanh bằng gang: [   ]= 150 MN/m 2 .  Đối với nắp xylanh bằng thép: [   ]= 250 MN/m 2 .  Đối với nắp xylanh bằng hợp kim nhôm: [   ]= 1000 MN/m 2 . . ở mặc trong có trò số lớn nhất: z 22 1 22 1 maxkx p DD DD    ,   2 m/MN (5 -2 ) - Ứng suất kéo hướng tiếp tuyến ở mặt ngoài: z 22 1 2 minkx p DD D2   ,   2 m/MN ( 5- 3 ) - Ứng.   fg bd ' u DD. 2 P M    , (MNm) (5 -2 5 ) Khi động cơ làm việc (P z  0) nắp xylanh chòu mômen uốn:        fzff g z u D . 3 2 . 2 PD . 2 P D . 2 P M , (MNm) (5 -2 6 ) Nắp xylanh. về trò số. - Ứng suất kéo ở mặt nguội bằng: 1 1u 1u u 1k J lM W M  , (MN/m 2 ) (5 -2 9 ) - Ứng suất nén ở mặt nóng bằng: 2 2u 2k u 2k J lM W M  , (MN/m 2 ) ( 5- 3 0) Trong đó : J i