Bài giảng cấu tạo động cơ ĐT - Đại học chính quy - Chương 1,2: Động học và Động lực học của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ MƠN “CẤU TẠO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG” Sinh viên thực hiện: Vũ Thạch Bá Đồng Việt Giang Giảng viên hướng dẫn: Đỗ Văn Cường Khổng Văn Nguyên NỘI DUNG CHƯƠNG TRÌNH MÔN HỌC Chương I Chương II Chương III Chương IV Chng V Chng VI Chng VII Động học cÊu Tk- tt 1.1 Động học cấu trục khuỷu truyền giao tâm 1.1.1 Chuyển vị piston 1.1.2 Vận tốc piston 1.1.3.Gia tốc piston 1.2 Động học cấu trục khuỷu truyền lệch tâm 1.2.1 Qui luật động học piston 1.2.2 Chuyển vị, vận tốc gia tốc piston §éng häc cđa c¬ cÊu tk- tt 1.1 Động học cấu trục khuỷu truyền giao tâm 1.1.1 Chuyển vị piston Chuyển vị x tính từ điểm chết trên(ĐCT) piston tuỳ thuộc vào vị trí trục khuỷu x = AB ' = AO − ( DO − DB ' ) = (l + R ) − ( R cos α + l cos β ) (1-1) l: Chiều dài truyền R: Bán kính quay trục khuỷu α: Góc quay trục khuỷu tương ứng với β: Góc lệch đường tâm truyền đường tâm xilanh Gọi λ = R thông số kết cấu, ta viết: l x = [(l + l ) − (cosα + l cos β )]R λ λ (1-2) λ (1 − cos 2α )] (1-3) x ≈ R[(1 − cos α ) + Hình 1.1 Sơ đồ cấu trục khuỷu truyền giao tõm Động học cấu tk- tt 1.1.2 Vận tốc piston Lấy đạo hàm thời gian, ta có tốc độ dịch chuyển (vận tốc) piston: v= d x d x dα d x = = ω d t dα d t dα ω : Là tốc độ góc trục khuỷu λ v = Rω (sin α + sin 2α ) = RωB (1-4)  Tốc độ trung bình động tính theo cơng thức sau: Trong đó: vtb = S n (m / s) 30 S: Hành trình piston, S = 2R (m) n: Số vòng quay động (vg/phút) Loại động tốc độ thấp : Loại động tốc độ trung bình : Loại động tốc độ cao: vtb = 3,5 − 6,5(m / s ) vtb = 6,5 − 9(m / s ) vtb > 9(m / s ) Động học cấu tk- tt 1.1.3.Gia tốc piston Lấy đạo hàm cơng thức vận tốc thời gian ta có cơng thức tính gia tốc piston: j= dv d d d = v α = v ω dt dα d t dα (1-5) j = Rω (cos α + λ cos 2α ) Gia tốc đạt cực đại đạo hàm : dj dα = − Rω (sin α + 2λ sin 2α ) = Gia tốc đạt cực trị: jα =0 = Rω (1 + λ ) jα =1800 = − Rω (1 − λ ) jα ' = −Rω (λ + ) (1-6) Động học cấu tk- tt 1.2 Động học cấu trục khuỷu truyền lệch tâm 1.2.1 Qui luật động học piston 1.2.1.1 Vị trí điểm chết Vị trí ĐCT ĐCD xác định qua OE a = OA' + R OE a sin α = = OA' ' − R sin α1 = (1-7) Trong : a: Độ lệch tâm l: Chiều dài truyền R: Bán kính quay trục khuỷu Gọi Và a = k hệ số lệch tâm R R λ= tham số kết cấu l λk λ +1 λk sin α = λ −1 Vậy sin α1 = λk ) λ +1 λk α = arcsin(− ) λ −1 Suy α1 = arcsin( Hình 1.2 Cơ cấu trục khuỷu truyền lệch tâm (1-8) §éng häc cđa c¬ cÊu tk- tt 1.2.1.2 Hành trình piston Gọi S1 , S2 khoảng cách từ ĐCT đến A’ ĐCD đến A’’ đến trục hoành qua gốc O hành trình S piston xác địmh S = S1 − S = (l + R ) − a − (l − R ) − a 1 = R[ ( + 1) − k − ( − 1) − k λ λ (1-9) Do độ lệch tâm tương đối phải nằm phạm vi sau: k > 2R Động học cấu tk- tt 1.2.2 Chuyển vị, vận tốc gia tốc piston a Chuyển vị piston Trục khuỷu quay góc , chuyển vị piston tính từ ĐCT A’ xác định theo cơng thức sau: x = S1 − S x Trong S x = R cos α + l cos β = R(cos α + Vì vậy: cos β ) λ S1 = R[ ( + 1) − k λ 1 x = R[ ( + 1) − k − (cos α + cos β ) λ λ (1-10) Thay tất vào (1-12) sin α = λk λ +1 sin α = λk λ −1 Sau rút gọn ta có : x = R[(1 − cos α ) + λ (1 − cos 2α ) − λk sin α ] Hình 1.3 Cơ cấu trục khuỷu truyền lệch tâm (1-11) ®éng lùc häc cđa c¬ cÊu tk- tt Thay quan hệ vào (2-19) = NR( Ta có: M N = N R[ cos β + cos α ) λ sin α − k + cos α ] tgβ (2-20) M N = P∑ R (sin α − k + tgβ cos α ) MN cịn sinh mơmen lật khác, lực gây sin β M P = P∑ , a = P∑ R (sin α − ) (2-21) λ Thân máy chịu tổng mômen lật là: Ml∑ = M N + M P M l ∑ = P∑ R(sin α − k + Do Nên (sin α − k ) = M l ∑ = P∑ R ( P∑ R sin β sin β cos α + sin α ) cos β λ sin β λ Hình 2.10 Hệ lực tác dụng cấu trục khuỷu truyền lệch tâm sin β cos α + sin α ) cos β sin(α + β ) =M cos (2-22) động lực học cấu tk- tt 2.3 Hệ lực mômen tác dụng trục khuỷu động hàng xilanh 2.3.1 Góc cơng tác  Góc cơng tác góc quay trục khuỷu ứng với khoảng thời gian lần làm việc xilanh  Khi lựa chọn thứ tự làm việc xilanh cần phải ý đến vấn đề sau : • Đảm bảo phụ tải tác dụng ổ trục bé • Đảm bảo q trình nạp thải có hiệu cao • Đảm bảo kết cấu trục khuỷu có tính cơng nghệ tốt • Đảm bảo tính cơng hệ trục  Góc cơng tác khuỷu trục tính theo công thức sau: 180 0.τ δ ct = i Trong đó: (2-23) τ : Số kỳ động i: S xilanh ca ng c động lực học cÊu tk- tt 2.3.2 Lực mômen tác dụng lên trục khuỷu động hàng xilanh Trên khuỷu thứ i có lực sau tác dụng: - Lực tiếp tuyến T; Lực pháp tuyến Z; Lực quán tính quay Pk ∑M = ∑M ∑M i −1 + Mi : Mơmen khuỷu phía trứơc i −1 Mi: Tác dụng khuỷu ∑ M : Tác dụng cổ trục phía sau khuỷu i Ta phải xác định góc quay tương ứng khuỷu cách lập bảng Hình 2.11 Diễn biến hành trình cơng tác động 4kỳ, xilanh động lực học cấu tk- tt 2.4 Cân động  Nguyên nhân làm động cân Để cân hợp lực lực quán tính chuyển động tịnh tiến cấp ∑p j1 =0 ∑ M j1 = ∑p j2 ∑M =0 j2 =0 ∑p k ∑M k =0 =0  Các điều kiện để đảm bảo cân động cơ: • Trọng lượng nhóm pittơng lắp xilanh phải • Trọng lượng truyền phải nhau, trọng tâm • Dùng cân tĩnh cân động để cân trục khuỷu bánh đà • Đảm bảo tỉ số nén • Góc đánh lửa sớm, phun sớm phi ging (2-24) động lực học cấu tk- tt 2.4.1 Cân động xilanh Trong động xi lanh hình 2.1 tồn lực sau chưa cân bằng: Lực quán tính chuyển động tịnh tiến cấp 1: Pj1 = mR ω cos α Lực quán tính chuyển động tịnh tiến cấp 2: Pj2 =α mr ω cos2α Lực quán tính khối lượng chuyển động quay : PK = ω mx R =const Mômen lật MN =-M = T.R tác dụng lên thân máy theo chiều ngược với mơmen Mơnmen truyền (do quy dẫn hai khối lượng) Mt=[ mtt( I-I1)(I1 - IG)] ε tt ®éng lùc häc cđa c¬ cÊu tk- tt 2.4.1.1 Cân lực qn tính chuyển động tịnh tiến : Hình 2.12 (a) Sơ đồ động xi lanh có lắp đối tượng (b) Sơ đồ động cân Lăngxetcherơ  Trên cặp bánh lắp đối trọng có khối lượng m Lực ly tâm bánh : Pkđ = 4mđrnω2  Trong rn khoảng cách từ tâm đối trọng mđ đén tâm bánh  Dùng bánh lắp trục nên hợp lực tất phân lực P k4 nên phương thẳng đứng bằng: 4m ω r cos α Rj1= d n động lực học cấu tk- tt Khi trục khuỷu quay với vận tốc góc kl m sinh lực ly tâm : Pđ= mR2ω2  Phân lực Pđ đường tâm xi lanh: Pđ1= mR2ω2cos(1800+α ) = - mR2cosω2  Trên phương ngang xuất phân lực khác Pđ là: Pđ2= mR2ω2cos(1800+α ) = - mR2cosω2 Để cân hoàn toàn lực qn tính chuyển động tịnh tiến cấp 1, R j1 = Pj1 khối lượng mặt đặt bánh phải thảo mãn phương trình sau: 4md rn ω cos α = mRω cos α mđ = Vì vậy: mRω cos α mR = rnω cos α rn Trên cặp bánh ta găn đối trọng cho hợp lực chúng sinh phương thẳng đứng thoả mản phương trình : Pđ2= Pj2 λmRω cos 2α 4m’đr’n(2ω) cos2α= m’đ = λmR 16 r ' n ®éng lùc häc cđa c¬ cÊu tk- tt 2.4.1.2 Cân lực qn tính chuyển động quay Hình 2.13 Sơ đồ bố trí đối trọng cân lực quán tính ly tâm Pk  Quay trục khuỷu quay với vận tốc ω Pdk = mrRω2 = Pk Chiều Pdk ngược với Pk  Đối trọng mrx thường đặt bán kính rx < R thoả mãn điều kiện cân băng sau : mr R Pdk λ = Pk Do đó: mrxrx ω = mr Rω mrx= rx ®éng lùc häc cđa c¬ cÊu tk- tt 2.4.2 Cân động xilanh Hình 2.3 Sơ đồ trục khuỷu động xilanh có δ ct = 360 Kết cấu trục khuỷu loại Động xilanh bố trí theo kiểu sau đây: 2.4.2.1 Hai khuỷu có góc cơng tác Tâm chốt khuỷu nằm đường thẳng ∑ Pj1 = Pj1 = 2mRω cos α ∑ Pj = Pj = 2λmRω cos α ∑ Pk = Pk = 2mr Rω Mômen quán tính lực quán tính sinh t cõn bng động lực học cấu tk- tt 2.4.3 Hai khuỷu có góc lệch khuỷu =180º Hình 2.4 Sơ đồ trục khuỷu động xilanh có δ ct = 180 Ở góc quay ta có: lực qn tính chuyển động tịnh tiến cấp xilanh ngược chiều Vì vậy: ∑ Pj1 = P j1 + P j = ∑ Pj = Pj = 2λmRω cos 2α Do lực Pjt xilanh ngược chiều nên tạo mơmen qn tính cấp M j1 = a.m.Rω cos động lực học cấu tk- tt Trong đó: a: Là khoảng cách đường tâm xilanh Chuyển động tịnh tiến Pj2 không cân ∑ Pj = ∑ Pj = 2λmRω cos 2α  Hợp lực tác dụng mặt phẳng chứa đường tâm xilanh gây dao động phương thẳng đứng Các lực Pj2 không gây mômen nên  Hợp lực lực li tâm Pk=0 nên chúng sinh mômen: Mk= a.mr R động lực học cấu tk- tt 2.4.4 Cân động xilanh Hình 2.5 Sơ đồ trục khuỷu động kỳ xilan, thứ tự làm việc 1-3-4-2 có góc cơng tác δ CT = 180 Từ sơ đồ lực quán tính đặt đường tâm xilanh tâm chốt khuỷu ta có: ∑ Pj1 = ∑ Pj ≠ ∑ Pk = ∑Mk = ∑ M j2 = Hợp lực lực quán tính chuyển động tịnh tiến cấp theo phương trình: ∑ M j1 = ∑ Pj = λmRω [cos 2α + cos 2(α + 180 ) + cos 2(α + 180 ) + cos 2(α + 360 )] = 4λmRω cos 2α ®éng lùc häc cđa c¬ cÊu tk- tt Tổng mơmen O  Tính tổng mơmen qn tính cấp theo cách lấy mơmen thành phần lực qn tính điểm A: ∑ M j1 = mRω [c cos 2α + (c + a) cos(α + 1800 ) + (c + b + a) cos(α + 1800 ) + + (c + b + 2a) cos(α + 3600 )] = Trong a, b, c cỏc khong cỏch động lực học cấu tk- tt 2.4.5 Cân động xilanh Hình 2.6 Sơ đồ trục động kỳ, xilanh có thứ tự làm việc 1-5-3-6-2-4; góc cơng tác Ta coi động xilanh tập hợp động xilanh đặt đối xứng qua trục AA’ Biết động xilanh có: ∑ P ( 3) j = ∑ P j1 = Nên động xilanh đương nhiên có: ( 3) ∑ P ( ) j1 = ∑ P (6) j = ∑ P ( 3) k = ∑ P ( ) jk = ®éng lùc häc cđa c¬ cÊu tk- tt Động xilanh mơmen quán tính chưa cân bằng: ∑ M ( ) j1 ≠ ∑ M ( 3) j ≠ ∑M ( 3) ≠0 k Nhưng động xilanh khuỷu bố trí đối xứng nên mơmen qn tính triệt tiêu lẫn ∑M (6) j1 =0 ∑M ( 6) j2 =0 ∑M (6) k Do ta thấy tính cân động xilanh tốt =0 ... Cường Khổng Văn Ngun NỘI DUNG CHƯƠNG TRÌNH MƠN HỌC Chương I Chương II Chương III Chương IV Chương V Chng VI Chng VII Động học cấu Tk- tt 1.1 Động học cấu trục khuỷu truyền giao tâm 1.1.1 Chuyển... truyền 2.2.1 Lực quán tính 2.2.2 Lực khí thể 2.2.3 Hệ lực tác dụng cấu trục khuỷu truyền giao tâm 2.2.4 Hệ lực tác dụng cấu trục khuỷu truyền lệch tâm 2.3 Hệ lực mômen tác dụng trục khuỷu động hàng... Hệ lực tác dụng cấu trục khuỷu truyền lệch tâm sin β cos α + sin α ) cos β sin(α + β ) =M cos β ( 2-2 2) động lực học cấu tk- tt 2.3 Hệ lực mômen tác dụng trục khuỷu động hàng xilanh 2.3.1 Góc cơng