Giáo trình động cơ đốt trong 2 - Chương 1 docx

Động học của cơ cấu piston – khuỷu trục – thanh truyền giao tâm .... Khảo sát quy luật động học của piston bằng phương pháp đồ thị.... Động học của cơ cấu piston – khuỷu trục – thanh tru

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC _ oo0oo _

BỘ MÔN ĐỘNG CƠ

(ĐẠI HỌC, KHỐI K)

Người biên soạn: Th.S NGUYỄN VĂN TRẠNG

Tháng 06/2006

Trang 2

Mục lục

MỤC LỤC Chương 1 ĐỘNG HỌC CỦA CƠ CẤU PISTON – KHUỶU TRỤC – THANH TRUYỀN

I Động học của cơ cấu piston – khuỷu trục – thanh truyền giao tâm 6

I.1 Quy luật động học của piston (chuyển vị, vận tốc và gia tốc của piston) 6

I.2 Khảo sát quy luật động học của piston bằng phương pháp đồ thị 9

I.3 Quy luật động học của thanh truyền 12

II Động học của cơ cấu piston – khuỷu trục – thanh truyền lệch tâm 13

II.1 Mục đích của việc dùng cơ cấu piston – khuỷu trục – thanh truyền lệch tâm 13

II.2 Quy luật động học của cơ cấu piston 13

II.3 Quy luật động học của thanh truyền trong cơ cấu piston – khuỷu trục – thanh truyền lệch tâm 16

Chương 2 ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CƠ CẤU PISTON – KHUỶU TRỤC – THANH TRUYỀN I Khái niệm 18

II Khối lượng của các chi tiết chuyển động 18

II.1 Khối lượng của nhóm piston 18

II.2 Khối lượng của nhóm thanh truyền 18

II.3 Khối lượng của khuỷu trục 21

II.4 Khối lượng các chi tiết chuyển động tịnh tiến 22

II.5 Khối lượng các chi tiết chuyển động quay 22

III Hợp lực và mômen tác dụng lên cơ cấu piston  khuỷu trục  thanh truyền 23

III.1 Lực khí thể và lực quán tính 23

III.2 Hợp lực và mômen tác dụng lên cơ cấu piston – khuỷu trục  thanh truyền giao tâm 26 III.3 Hợp lực và mômen tác dụng lên cơ cấu piston – khuỷu trục – thanh truyền lệch tâm 28 III.4 Hợp lực và mômen tác dụng trên trục khuỷu của động cơ một hàng xylanh 29

IV Đồ thị véctơ phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu 32

V Đồ thị véctơ phụ tải tác dụng lên đầu to thanh truyền 34

VI Đồ thị véctơ phụ tải tác dụng trên cổ trục khuỷu và bạc lót ổ trục của động cơ nhiều hàng xylanh 35

VII Đồ thị mài mòn chốt khuỷu 38

Chương 3 CÂN BẰNG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG I Những nguyên nhân khiến cho đôïng cơ mất cân bằng 42

II Điều kiện cân bằng cơ cấu 42

III Cân bằng động cơ một hàng xylanh 44

III.1 Cân bằng động cơ một xylanh 44

Trang 3

Mục lục

III.3 Cân bằng động cơ ba xylanh 49

III.4 Cân bằng động cơ bốn xylanh 51

III.5 Cân bằng động cơ sáu xylanh 53

IV Cân bằng động cơ chữ V 54

IV.1 Cân bằng động cơ 2 xylanh ( < 90o và  = 90o ) 54

IV.2 Cân bằng động cơ chữ V 6 xylanh ( = 90o) 59

IV.3 Cân bằng động cơ chữ V 8 xylanh ( = 90o) 61

IV Cân bằng động cơ chữ V 64

V.1 Động cơ hai kỳ, 3 xylanh 64

VI Độ không đồng đều của mômen động cơ và phương pháp xác định mômen bánh đà 67

VII Dao động trục khuỷu và biện pháp khắc phục 72

VII.1 Dao động trục khuỷu 72

VI.2 Tác hại của dao động xoắn 75

VI.3 Biện pháp khắc phục (nguyên lý giảm dao động) 75

Chương 4 TÍNH TOÁN SỨC BỀN CỦA NHÓM PISTON – NHÓM THANH TRUYỀN – TRỤC KHUỶU VÀ BÁNH ĐÀ I Tính toán sức bền của nhóm piston 81

I.1 Tính toán sức bền của piston 81

I.2 Tính toán sức bền của chốt piston 86

I.3 Tính toán sức bền của xécmăng 89

II Tính toán sức bền của nhóm thanh truyền 95

II.1 Tính sức bền của đầu nhỏ thanh truyền 95

II.2 Tính sức bền của thân thanh truyền 102

II.3 Tính sức bền của đầu to thanh truyền 105

II.4 Tính sức bền của bulông thanh truyền 107

III Tính toán sức bền của trục khuỷu 109

III.1 Phương pháp tính sức bền theo cách phân đoạn 109

III.2 Phương pháp tính sức bền của trục khuỷu khi xét đến ảnh hưởng của phụ tải động 117

IV Tính toán sức bền và xác định kích thước của bánh đà 120

IV.1 Xác định mômen bánh đà và kích thước cơ bản của bánh đà 120

IV.2 Tính sức bền của bánh đà 121

Chương 5 TÍNH SỨC BỀN CỦA CÁC CHI TIẾT TRONG NHÓM THÂN MÁY VÀ NẮP XYLANH I Tính sức bền của lót xylanh 124

Trang 4

Mục lục

I.1 Xác định chiều dày của xylanh và lót xylanh 124

I.2 Tính sức bền của vai lót xylanh 126

I.3 Tính sức bền của mặt bích lắp xylanh 128

II Tính sức bền của bulông lắp ghép xylanh 129

III Tính sức bền của nắp xylanh 129

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 133

I.1 Xác định kích thước của tiết điện lưu thông 133

I.2 Chọn dạng cam 135

I.3 Trị số tiết diện thời gian của xupap 137

I.4 Tốc độ va đập của xupap 138

I.5 Gia tốc của xupap 140

II Động học của con đội 141

II.1 Cam tiếp tuyến và động học của con đội con lăn 141

II.2 Cam lồi và động học của con đội hình nấm 145

III Quy dẫn khối lượng của các chi tiết trong cơ cấu phân phối khí 148

IV Tính toán sức bền của trục cam 148

IV.1 Ứng suất uốn 149

IV.2 Ứng suất xoắn 150

IV.3 Độ võng cho phép 151

IV.4 Ứng suất tiếp xúc trên mặt cam 151

V Tính sức bền của con đội 152

VI Tính sức bền của xupap 153

Chương 7 TÍNH TOÁN SỨC BỀN CÁC CHI TIẾT CỦA HỆ THỐNG BÔI TRƠN I Yêu cầu trong tính toán hệ thống bôi trơn 156

I.1 Nhiệt độ của dầu bôi trơn 156

I.2 Lưu lượng dầu bôi trơn 156

II Xác định kích thước và công suất dẫn động bơm 158

II.1 Xác định kích thước bơm 158

II.2 Công suất dẫn động của bơm 158

III Tính toán lọc dầu 158

III.1 Tính toán bầu lọc thấm 158

III.2 Tính toán bầu lọc ly tâm 160

IV Tính két làm mát dầu 161

Chương 8 TÍNH TOÁN SỨC BỀN CÁC CHI TIẾT CỦA HỆ THỐNG LÀM MÁT

Trang 5

Mục lục

I Yêu cầu trong tính toán hệ thống làm mát 164

I.1 Nhiệt độ nước làm mát 164

I.2 Lưu lượng nước làm mát 164

I.3 Lý thuyết về bơm ly tâm 165

I.4 Xác định công suất và kích thước của bơm 165

II Tính toán hệ thống làm mát bằng nước 168

II.1 Tính toán lưu lượng nước tuần hoàn 168

II.2 Tính toán két nước 169

III Tính và chọn công suất quạt cho hệ thống làm mát bằng không khí 171

Chương 9 TÍNH TOÁN HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ XĂNG I Tính hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ xăng kiểu chế hoà khí 174

I.1 Đặc tính lý tưởng của bộ chế hoà khí 174

I.2 Xác định kích thước ống khuếch tán, đường kính buồng hỗn hợp 176

I.3 Xác định đường kính gic-lơ chính 179

II Tính toán hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ phun xăng 181

II.1 Tính toán lượng nhiên liệu phun 181

II.2 Tính toán thời gian phun 182

Chương 10 TÍNH TOÁN HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU ĐỘNG CƠ DIESEL I Đặc tính của bơm cao áp 184

II Đặc tính của vòi phun nhiên liệu 185

II.1 Loại vòi phun hở 185

II.2 Loại vòi phun kín có kim 186

II.3 Loại vòi phun kín có chốt 187

III Tính toán các chi tiết cơ bản của hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ Diesel 188

III.1 Xác định những kích thước chính của bơm cao áp 188

III.2 Xác định những thông số cơ bản của vòi phun 192

Trang 6

Chương 1 – Động học của cơ cấu piston – khuỷu trục – thanh truyền

pdfMachine by Broadgun Software - a great PDF writer! - a great PDF creator! - http://www.pdfmachine.com http://www.broadgun.com

Trang 7

Chương 1

ĐỘNG HỌC CỦA CƠ CẤU PISTON – KHUỶU TRỤC – THANH TRUYỀN

Các loại động cơ đốt trong ngày nay thường có số vòng quay rất lớn, do đó trong quá trình làm việc các cơ cấu chịu lực quán tính rất lớn, có khi vượt xa trị số của lực khí thể Lực quán tính tác dụng lên cơ cấu khuỷu trục – thanh truyền gây nên ứng suất lớn, đôi khi làm hư hỏng các chi tiết máy, ngoài ra, lực quán tính còn tác dụng lên các chi tiết trong cơ cấu khuỷu trục – thanh truyền phát sinh dao động

Tính toán động học và động lực học của cơ cấu piston – khuỷu trục – thanh truyền – bánh đà nhằm xác định các lực do hợp lực của lực quán tính và lực khí thể tác dụng lên các chi tiết ở mỗi vị trí của trục khuỷu nhằm phục vụ cho việc tính toán sức bền, nghiên cứu trạng thái mài mòn, tính cân bằng động cơ, v.v

I ĐỘNG HỌC CỦA CƠ CẤU PISTON – KHUỶU TRỤC – THANH TRUYỀN GIAO TÂM I.1 Quy luật động học của piston (chuyển vị, vận tốc và gia tốc của piston)

Nghiên cứu quy luật chuyển động của piston là nhiệm vụ chủ yếu của động học Để thuận tiện trong việc khảo sát, ta đặt giả thiết trong quá trình làm việc, vận tốc góc của trục khuỷu là một hằng số ( = const)

I.1.1 Chuyển vị của piston

Trên (hình 1.1) giới thiệu cơ cấu piston – khuỷu trục – thanh truyền giao tâm Trong cơ cấu này, đường tâm xylanh và đường tâm trục khuỷu trực giao Chuyển vị x tính từ điểm chết trên (ĐCT) của piston tùy thuộc vào vị trí của trục khuỷu (trị số của x thay đổi tùy vào trị số của góc quay trục khuỷu )

Từ hình vẽ ta có:

x = AB’ = AO – (DO + DB’)

= (l + R) – (Rcos + lcos) Trong đó:

x – chuyển vị của piston tính từ ĐCT theo góc quay trục khuỷu 

l – chiều dài của thanh truyền, được tính bằng khoảng cách từ tâm đầu nhỏ (điểm B’) đến tâm đầu to (điểm C)

R – bán kính quay của trục khuỷu

 – góc quay của trục khuỷu tương ứng với

x tính từ ĐCT

 – góc lệch giữa đường tâm thanh truyền và đường tâm xylanh ứng với 

Gọi

l

R



 là thông số kết cấu ( = 0,25  0,29), từ trên ta có:

ĐCT

ĐCD

x

S

A B'

B

O

C

D á

â

l

R

Hình 1.1 Sơ đồ cơ cấu piston – khuỷu trục – thanh truyền giao tâm

ĐCD ĐCT

Trang 8

R A R cos

1 cos

1 1

x         (1-1)

































 1 1 cos 1 cos A

Bảng phạm vi thông số kết cấu của các loại động cơ được cho trong bảng bên dưới:

Tĩnh tại 3,80  9,30 0,93  2,25 41 

5

1

0,011  0,017 0,80  1,70 Tàu thuỷ 4,0  14 0,93  2,25 31,7  51 0,011  0,017 0,80  1,70 Máy kéo 5,0  7,5 1,2  1,43 31,5  41,5 0,003  0,007 0,80  1,70

Ô tô 7,5  20 0,83  1,70 21,9  41,2 0,001  0,006 0,90  2,20 Máy bay 6,7  15 0,80  1,50 31,1  41,3 0,001  0,003 0,90  2,20 Trong đó: mj – khối lượng của các chi tiết chuyển động tịnh tiến

Pjmax – lực quán tính chuyển động tịnh tiến cực đại

Vt b – vận tốc trung bình của piston

S/D – tỷ số của hành trình piston và đường kính xylanh

I.1.2 Vận tốc của piston

Đạo hàm công thức (1-1) theo thời gian, ta có công thức để tính vận tốc piston:













dt

dâ sinâ ë

1 dt

dá siná R dt

dx

Từ quan hệ: sin  .sin, ta rút ra:

dt

d cos dt

d

Do đó:

dt

d cos

cos dt









 Gọi tốc độ góc của trục khuỷu là  và bỏ qua sự thay đổi về tốc độ góc ta có:

const dt

d









Vì vậy:













cos

cos dt

d

(1-1b) Thay (1-1b) vào (1-1a) rồi rút gọn ta có:

 









 R sin

Trang 9

I.1.3 Gia tốc của piston

Đạo hàm công thức (1-2) theo thời gian, ta có công thức để tính gia tốc của piston:

dt

d cos

cos R sin tg R cos R dt

dv

















































cos

cos sin

tg cos R

















 







cos

cos cos

) cos(

Các công thức (1-1), (1-2) và (1-3) là các công thức chính xác dùng để tính chuyển vị, vận tốc và gia tốc của piston

Để thuận tiện hơn trong việc tính toán, trên thực tế quy luật động học của piston có thể xác định ở dạng công thức gần đúng

Trong tam giác OCB’ theo quan hệ lượng giác ta có:

CD = l.sin = R.sin

l

R

 =  =



sin sin

và: cos =  2

sin 1

Do đó: cos =  2  2

sin

1 2 2

sin

Triển khai vế phải của đẳng thức trên theo nhị thức Newton ta có:

3!

x a 2)

1)(n n(n 2!

x a 1)

n(n 1!

x a









1 2 2 sin

1  

! 3

) sin ( 1 )

2 2

1 ).(

1 2

1 (

2

1

! 2

) sin ( 1 )

1 2

1 (

2

1

! 1

) sin ( 1 2

1

3 2 2 ) 3 2

1 ( 2

2 2 ) 2 2

1 ( 1

2 2 ) 1 2

1 ( 2

1





















16

1 sin

8

1 sin

2

1

1 2 2   4 4   6 6  

Bỏ qua các số hạng vô cùng bé luỹ thừa 4 trở lên rồi thay trị số của cos =  2.sin2 

2

1 1

vào biểu thức chuyển đổi vận tốc và gia tốc, ta được:

x = R





































 1 cos 1 cos



















 





























2

sin 1 cos 1

1

2 2

= R.   .sin2 

2 cos

1 , do sin2 =

2

2 cos

1  nên suy ra:



      

4 cos 1 R

Trang 10

Lấy đạo hàm công thức (1-4) theo thời gian ta được tốc độ piston: v = ù

dá

dx dt

dá

dx dt

dx



Nên: v = R 









    sin2

2

Khi thiết kế, người ta thường chú ý đến vận tốc trung bình của piston qua công thức sau:

Vtb =

30

n S

( m/s) Trong đó: S – hành trình piston (m) S = 2.R

n – số vòng quay động cơ (v/ph)

Người ta thường căn cứ vào tốc độ trung bình của piston để phân loại động cơ

 Động cơ có tốc độ thấp: Vtb < 6 (m/s)

 Động cơ có tốc độ trung bình: 6 (m/s) < Vtb < 9 (m/s)

 Động cơ có tốc độ cao: Vtb > 9 m/s

Lấy đạo hàm công thức (1-5) theo thời gian, ta có công thức tính gia tốc của piston:

J =











d

dv dt

d d

dv dt dv

 J = R2.(cos + .cos2) (1-6) Chiều của gia tốc quy định: chiều gia tốc hướng tâm O là chiều dương, ngược lại là chiều âm

I.2 Khảo sát quy luật động học của piston bằng phương pháp đồ thị

Trong quá trình tính toán thiết kế, đôi khi người ta dùng phương pháp đồ thị để giải các hàm số lại thuận tiện hơn khi dùng phương pháp giải tích Dưới đây giới thiệu một số phương pháp đồ thị thường dùng để nghiên cứu quy luật động học của piston

I.2.1 Tìm chuyển vị bằng phương pháp đồ thị

Tìm chuyển vị của piston có thể dùng nhiều phương pháp khác nhau của nhiều tác giả Tuy nhiên, trong số đó chỉ có phương pháp đồ thị của giáo sư Brich là tốt nhất Nó xác lập quan hệ thuận nghịch giữa chuyển vị x của piston với góc quay  của trục khuỷu một cách thuận lợi, nhanh chóng và khá chính xác

Phương pháp đồ thị của Brich tiến hành như sau:

- Vẽ vòng tròn tâm O, bán kính R (bằng bán kính quay của trục khuỷu) Do đó AD = 2R Điểm A ứng với góc quay  = 0 (vị trí của điểm chết trên) và điểm D ứng với khi góc quay  = 180 (vị trí của điểm chết dưới)

- Từ O lấy đoạn OO’ dịch về phía ĐCD như (hình 1.2), với OO’ =

2

R



Trong đó:   thông số kết cấu  =

l

R

l – chiều dài của thanh truyền

Trang 11

- Từ O’ kẻ đoạn O’M song song với đường tâm má khuỷu OB như trên (hình 1.3) Hạ MC thẳng góc với AD Theo Brich đoạn AC = x

Thật vậy, ta có thể chứng minh điều đó rất dễ dàng

Từ hình vẽ ta có:

2

R cos

' MO R ) ' OO ' CO ( AO OC AO

Trong đó: MO’ = R +  cos

2 R

Thay quan hệ trên vào công thức tính AC, ta có:



     

cos 1 2 ) cos 1 ( R



     

2 ) cos 1 (

2

2 cos 1 cos2     , nên suy ra:

x =      1cos2

4 ) cos 1 ( R

Hình phía bên phải của hình 1.2 giới thiệu cách khai triển đồ thị x = f(x) trên toạ độ   x

I.2.2 Tìm vận tốc bằng phương pháp đồ thị

Để xác định vận tốc của piston có thể dùng phương pháp đồ thị vòng tròn sau đây:

- Sau khi chọn tỷ lệ thích hợp, vẽ vòng tròng tâm O có bán kính R2 =

2

.R và đồng tâm với nửa đường tròn có bán kính R1 = R Chia nửa đường tròn R1 và vòng tròn R2 thành n phần đánh số 1, 2, 3, , n và 1’, 2’, 3’, , n’ theo chiều như trên hình vẽ (n = 8)

- Từ các điểm 0, 1, 2, 3, kẻ các đường thẳng góc với AB cắt các đường song song với AB kẻ từ 0, 1’, 2’, 3’, n’ tại các điểm 0, a, b, c, Nối 0, a, b, c, bằng đường cong ta được đường biểu diễn trị số tốc độ

Hình 1.2 Phương pháp đồ thị Brich và cách triển khai trên toạ độ  x

R/2

xm

ĐCT

ĐCD

A

D

B

M

R

O O’

