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

Hệ lực tỏc dụng trờn cơ cấu trục khuỷu thanh truyền giao tõm.. Khối lượng của cỏc chi tiết mỏy của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền đựơc chia làm 2 loại :  Khối lượng chuyển động tịnh tiế

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

Khổng Văn Nguyên

Chương VII

NỘI DUNG CHƯƠNG TRÌNH MÔN HỌC

Chương VI Chương V Chương IV

Chương II Chương III Chương I

§éng häc cña c¬ cÊu Tk- tt

1.1 Động học của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền giao tâm.

1.1.1 Chuyển vị của piston

1.1.2 Vận tốc của piston.

1.1.3.Gia tốc của piston.

1.2 Động học của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền lệch tâm.

1.2.1 Qui luật động học của piston

1.2.2 Chuyển vị, vận tốc và gia tốc của piston.

1.1.1 Chuyển vị của piston

Hình 1.1 Sơ đồ cơ cấu trục khuỷu

thanh truyền giao tâm.

Chuyển vị x tính từ điểm chết trên(ĐCT) của piston

tuỳ thuộc vào vị trí của trục khuỷu

) ' (

AB

) cos cos

( ) (l  R  R  l 



R: Bán kính quay của trục khuỷu

α: Góc quay của trục khuỷu tương ứng với

β: Góc lệch giữa đường tâm thanh truyền và

đường tâm xilanh

l: Chiều dài của thanh truyền

1.1 Động học của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền giao tâm

§éng häc cña c¬ cÊu tk- tt

Gọi là thông số kết cấu, ta có thể viết: R l

R l

l l

R

x

(1-1)

(1-2)(1-3)

d d

d d

d

t

x t

v      sin2)  

2(sin

§éng häc cña c¬ cÊu tk- tt §éng häc cña c¬ cÊu tk- tt



)/

(30

s m n S

v tb 

) / ( 5 , 6 5 ,

Loại động cơ tốc độ trung bình : v tb 6,5 9(m/s)

Loại động cơ tốc độ cao: v tb 9(m/s)

(1-4)

1.1.3.Gia tốc của piston.

Lấy đạo hàm của công thức vận tốc đối với thời gian ta có công thức tính gia tốc của piston:

d d

d d

d

t

v t

1 (

2 '

a OA

Trong đó : a: Độ lệch tâm

l: Chiều dài thanh truyền

R: Bán kính quay của trục khuỷu

1.2.1.2 Hành trình của piston

Gọi S1 , S2 là khoảng cách từ ĐCT đến A’ và ĐCD đến A’’ đến trục hoành qua gốc O thì hành trình S của piston có thể xác địmh

2 2

2 2

2

1 S (l R) a (l R) a S

2 2 2

2 (1 1 ) )

1

1 (

1.2.2 Chuyển vị, vận tốc và gia tốc của piston.

a Chuyển vị của piston

Hình 1.3 Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền lệch tâm

Trục khuỷu quay đi một góc , chuyển vị của piston

tính từ ĐCT A’ có thể xác định theo công thức sau:

x

S S

Trong đó

) cos

1 (cos

2 cos 1

( 4 ) cos 1

[(    k 

R

b Vận tốc của piston

Lấy đạo hàm 2 vế phương trình (1-11) đối với thời gian t

)cos2

sin2

d d

d d

d v

t

x t

§éng häc cña c¬ cÊu tk- tt §éng häc cña c¬ cÊu tk- tt

c Gia tốc của piston.

Lấy đạo hàm 2 vế của phương trình (1-12) đối với thời gian

)sin2

cos(cos

d d

d d

d j

t

v t

động lực học của cơ cấu tk- tt

2.1 Khối lượng của cỏc chi tiết chuyển động

2.1.1 Khối lượng của nhúm piston

2.1.2 Khối lượng của thanh truyền

2.1.3 Khối lượng của trục khuỷu

2.2 Lực và mụmen tỏc dụng lờn cơ cấu trục khuỷu thanh truyền

2.2.1 Lực quỏn tớnh

2.2.2 Lực khớ thể

2.2.3 Hệ lực tỏc dụng trờn cơ cấu trục khuỷu thanh truyền giao tõm

2.2.4 Hệ lực tỏc dụng trờn cơ cấu trục khuỷu thanh truyền lệch tõm

2.3 Hệ lực và mụmen tỏc dụng trờn trục khuỷu của động cơ một hàng xilanh.2.4 Cõn bằng động cơ

2.4.5 Cõn bằng động cơ 6 xilanh

2.4.4 Cõn bằng động cơ 4 xilanh

2.4.3 Hai khuỷu cú gúc lệch khuỷu =180º

2.4.2 Cõn bằng động cơ 2 xilanh

2.4.1 Cõn bằng động cơ 1 xilanh

2.1 Khối lượng của cỏc chi tiết chuyển động.

Khối lượng của cỏc chi tiết mỏy của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền đựơc chia làm 2 loại :

 Khối lượng chuyển động tịnh tiến

 Khối lượng chuyển động quay

động lực học của cơ cấu tk- tt

2.1.1 Khối lượng của nhúm piston.

Khối lượng của nhúm piston bao gồm khối lượng của piston, xộc măng, cần guốc

mnp = mp + mx + mc + mg + …… (kg)

Khối lượng nhúm piston là khối lượng chuyển động tịnh tiến

2.1.2 Khối lượng của thanh truyền.

Cỏc phương ỏn qui dẫn khối lượng của thanh truyền giới thiệu trờn

Hỡnh 2.1 Cỏc phương ỏn qui dẫn khối lượng của thanh truyền

động lực học của cơ cấu tk- tt

 Phương ỏn (a) thay thế khối lượng thanh truyền bằng hệ tương đương một khối lượng tập trung ở trọng tõm G Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền sẽ chịu tỏc dụng của một khối lượng chuyển động tịnh tiến:

m1 = mtt ( ) đặt tại tõm đầu nhỏ

 Phương án (b) thay thế thanh truyền bằng hệ tương đương hai khối lượng tập trung

ở tâm đầu nhỏ và tâm đầu to

Phương án chỉ thoả mãn 2 điều kiện:

mA.l1 – mB.(l – l1)= 0

Từ đó rút ra:

(2-1) )

( 1

l

l l m

m A  tt Mômen quán tính của hệ thay thế:

G tt

tt tt

l

l m

l l

l l m

Mômen thanh truyền của hệ thay thế thường có trị số

Mt = IG.…

(2-2)

 Phương án (d) phân bố thnah truyền thành 3 khối lượng để thoả mãn điều kiện động năng và thế năng không đổi.

Nghĩa là : mA  mB  mG  mtt

0)( 1

1  m l  l 

l

G B

2.1.3 Khối lượng của trục khuỷu.

Để xác định khối lượng của trục khuỷu, ta chia trục khuỷu thành các phần như trên hình vẽ

Hình 2.2 Xác định khối lượng

của trục khuỷu

Trong đó mok: Phần khối lượng chuyển động quay theo bán kính R

mm: Phần khối lượng chuyển động theo bán kính

Đem mm qui dẫn về tâm chốt trục khuỷu bằng khối lượng mmr thì :

2.2.Lực và mômen tác dụng lên cơ cấu trục khuỷu thanh truyền.

Trong quá trình làm việc, cơ cấu trục khuỷu thanh truyền chịu tác dụng của các lực sau:

 Lực quán tính của các chi tiết chuyển động

 Lực của môi chất khí bị nén và khí cháy giãn nở tác dụng trên đỉnh piston (lực khí thể)

2

1       

j P P

P  

Hỡnh 2.3 Vũng xột dấu của lựcquỏn tớnh cấp 1 và cấp 2

Lực quỏn tớnh chuyển động quay:

const R

m

Pk   r 2  (2-8)

động lực học của cơ cấu tk- tt

2.2.2 Lực khí thể.

Lực khí thể của động cơ 4 kỳ biến thiên theo góc quay của trục khuỷu

Hình 2.4 Biến thiên của lực khí thể theo góc của động cơ 4 kỳ.Đường po trên hình vẽ biểu thị áp suất khí trời tính theo áp suất tương đối

P là áp suất trong xilanh của động cơ

2.2.3 Hệ lực tác dụng trên cơ cấu trục khuỷu thanh truyền giao tâm.

Hình 2.5 Hệ lực tác dụng trên cơ cấu trục khuỷu thanh truyền giao tâm

Lực tác dụng trên chốt piston là hợp lực của lực quán

tính và lực khí thể:

j

kt P P

P   (MN) (2-9) Lực tác dụng trên chốt piston và đẩy thanh truyền.

P

Phân lực thành 2 phân lực P

tt

P N

P  

Ptt: Lực tác dụng theo đường tâm thanh truyền

N: Lực tác dụng trên phương thẳng góc với đường

Hỡnh 2.6 Hệ lực tỏc dụng trờn cơ cấu trục

khuỷu thanh truyền giao tõm

Phõn Ptt thành 2 phõn lực lực tiếp tuyến T và

lực phỏp tuyến Z tỏc dụng trờn tõm chốt khuỷu

) sin(   

)

sin( 

) cos(   

M

Pk  r 2 

Lực tiếp tuyến T tạo ra mụmen:

R T

động lực học của cơ cấu tk- tt

Hình 2.7 Hệ lực tác dụng trên cơ cấu trục

khuỷu thanh truyền giao tâm

Lực ngang N tạo thành mômen lật:

)coscos

(.A N l  R 

N

)coscos

cos

) sin(





Trong đó

A: Khoảng cách từ lực N đến tâm trục khuỷu

MN: Mômen ngược chiều với M

MC: Mômen cản



o

C J M

2.2.4 Hệ lực tác dụng trên cơ cấu trục khuỷu thanh truyền lệch tâm.

Hình 2.8 Hệ lực tác dụng trên cơ cấu trục

khuỷu thanh truyền lệch tâm

Từ hệ lực trên hình 1.9 ta cũng có :

j

kt P P

P tt  



tg P

Hỡnh 2.9 Hệ lực tỏc dụng trờn cơ cấu trục khuỷu

thanh truyền lệch tõm

Và





cos

)

cos( 

PZ

2

2 (sin ) 1

) (sin

) sin

(cos

k

k P

2 cos 2 (cos    k 

P

Mụmen lật : M N N.A

)cos



động lực học của cơ cấu tk- tt

Hình 2.10 Hệ lực tác dụng trên cơ cấu trục khuỷu thanh truyền lệch tâm

Thay quan hệ trên vào (2-19)

] cos

sin [

N

) cos

R P

P N

M   

)

sin sin

cos cos

sin (sin

2.3 Hệ lực và mômen tác dụng trên trục khuỷu của động cơ một hàng xilanh 2.3.1 Góc công tác

 Góc công tác là góc quay của trục khuỷu ứng với khoảng thời gian giữa 2 lần làm việc kế tiếp nhau của 2 xilanh

 Khi lựa chọn thứ tự làm việc của các xilanh cần phải chú ý đến các vấn đề sau:

• Đảm bảo các phụ tải tác dụng trên các ổ trục bé nhất.

• Đảm bảo quá trình nạp thải có hiệu quả cao nhất.

• Đảm bảo kết cấu của trục khuỷu có tính công nghệ tốt nhất.

• Đảm bảo tính công bằng của hệ trục

 Góc công tác của các khuỷu trục được tính theo công thức sau:

2.3.2 Lực và mụmen tỏc dụng lờn trục khuỷu của động cơ một hàng xilanh.

Trờn khuỷu thứ i cú cỏc lực sau đõy tỏc dụng:

- Lực tiếp tuyến T; Lực phỏp tuyến Z; Lực quỏn tớnh quay Pk

M1 M i1 M i

M i 1: Mụmen của cỏc khuỷu phớa trứơc

Mi: Tỏc dụng trờn khuỷu này.

M i: Tỏc dụng trờn cổ trục phớa sau của khuỷu

Hỡnh 2.11 Diễn biến của cỏc hành trỡnh cụng tỏc trong động cơ 4kỳ, 6 xilanh

Ta phải xỏc định gúc quay tương ứng của cỏc khuỷu bằng cỏch lập bảng

động lực học của cơ cấu tk- tt

động lực học của cơ cấu tk- tt

2.4 Cõn bằng động cơ.

 Nguyờn nhõn làm động cơ mất cõn bằng

Để cõn bằng thỡ hợp lực của lực quỏn tớnh chuyển động tịnh tiến cỏc cấp đều bằng 0

 Cỏc điều kiện để đảm bảo cõn bằng động cơ:

• Trọng lượng của cỏc nhúm pittụng lắp trờn xilanh phải bằng nhau

• Trọng lượng cỏc thanh truyền phải bằng nhau, trọng tõm như nhau.

• Dựng cõn bằng tĩnh và cõn bằng động để cõn bằng trục khuỷu bỏnh đà.

• Đảm bảo tỉ số nộn đều nhau.

• Gúc đỏnh lửa sớm, phun sớm phải giống nhau

động lực học cơ cấu tk- tt

2





2.4.1 Cõn bằng động cơ 1 xilanh.

1 Trong động cơ 1 xi lanh trờn hỡnh 2.1 tồn tại cỏc lực sau đõy chưa được cõn bằng:

2 Lực quỏn tớnh chuyển động tịnh tiến cấp 1:

2.4.1.1 Cõn bằng lực quỏn tớnh chuyển động tịnh tiến :

Hỡnh 2.12 (a) Sơ đồ động cơ một xi lanh cú lắp đối tượng

Pkđ = 4mđrnω2

(b) Sơ đồ động cơ cõn bằng Lăngxetcherơ

 Trờn cỏc cặp bỏnh răng 3 và 4 đều lắp đối trọng cú khối lượng là m4 Lực ly tõm trờn mỗi bỏnh răng bằng :

 Trong đú rn là khoảng cỏch từ tõm đối trọng mđ độn tõm bỏnh răng

 Dựng 4 bỏnh răng lắp trờn trục 5 và 6 nờn hợp lực của tất cả cỏc phõn lực của Pk4 nờn phương thẳng đứng bằng: 4 2 cos

n

d r m

Rj1=

động lực học của cơ cấu tk- tt

 Khi trục khuỷu quay với vận tốc gúc kl m sẽ sinh ra lực ly tõm :

 Phõn lực của Pđ trờn đường tõm xi lanh: Pđ1= mR2ω2cos(1800+α ) = - mR2cosω2

mR n

r

mR

4 cos

2 4

Trờn cặp bỏnh răng 7 và 8 này ta cũng găn đối trọng sao cho hợp lực của chỳng sinh

ra trờn phương thẳng đứng thoả mản phương trỡnh :

m’đ =

n r

mR

' 16



4 Pđ2= Pj24m’đr’n(2ω)2cos2α= mR2 cos 2 4m’đr’n(2ω)2cos2α= mR2 cos 2 

động lực học của cơ cấu tk- tt

2.4.1.2 Cõn bằng lực quỏn tớnh chuyển động quay.

Hỡnh 2.13 Sơ đồ bố trớ đối trọng cõn bằng lực quỏn tớnh ly tõm Pk

 Quay trục khuỷu quay với vận tốc ω

Pdk = mrR2 P k Chiều của Pdk ngược với Pk

 Đối trọng mrx thường đặt ở một bỏn kớnh rx < R thoả món điều kiện cõn băng sau đõy :

R m

động lực học của cơ cấu tk- tt

2.4.2 Cõn bằng động cơ 2 xilanh.

Hỡnh 2.3 Sơ đồ trục khuỷu của động cơ 2 xilanh cú ct 3600Kết cấu của trục khuỷu của loại Động cơ 2 xilanh bố trớ theo 2 kiểu sau đõy:

2.4.2.1 Hai khuỷu cú gúc cụng tỏc Tõm của 2 chốt khuỷu cựng nằm trờn 1 đường thẳng

2P m R

Mụmen quỏn tớnh do cỏc lực quỏn tớnh sinh ra đều tự cõn bằng

động lực học của cơ cấu tk- tt

2.4.3 Hai khuỷu cú gúc lệch khuỷu =180º

Hỡnh 2.4 Sơ đồ trục khuỷu của động cơ 2 xilanh cú ct  1800

Ở bất kỡ gúc quay nào ta đều cú: lực quỏn tớnh chuyển động tịnh tiến cấp 1 của 2 xilanh luụn ngược chiều nhau

Vỡ vậy: P j1 P1j1  P2j2 0





 cos 2 2

1 a m R

M j 

động lực học của cơ cấu tk- tt

2.4.4 Cân bằng động cơ 4 xilanh.

Hình 2.5 Sơ đồ trục khuỷu của động cơ 4 kỳ 4 xilan, thứ tự

 Tổng cỏc mụmen đều bằng O

0 )]

360 cos(

) 2 (

) 180 cos(

) (

) 180 cos(

) (

2 cos [

0

0 0

2 1

c

a b c a

c c

mR

M j

Trong đú a, b, c là cỏc khoảng cỏch

 Tớnh tổng mụmen quỏn tớnh cấp 1 theo cỏch lấy mụmen của từng

thành phần lực quỏn tớnh đối với điểm A:

động lực học của cơ cấu tk- tt

2.4.5 Cân bằng động cơ 6 xilanh.

Ta có thể coi động cơ 6 xilanh là tập hợp của 2 động cơ 3 xilanh đặt đối xứng nhau qua trục AA’

Hình 2.6 Sơ đồ trục của động cơ 4 kỳ, 6 xilanh có thứ tự làm

việc 1-5-3-6-2-4; góc công tác

01 ) 6 (

Động cơ 3 xilanh các mômen quán tính đều chưa được cân bằng: