Tính toán cơ cấu chính của động cơ đốt trong

Đề bài: Tính toán cơ cấu chính của động cơ đốt trong 1. Các thông số cho trước. STT n (vgph) S (mm) = r l D (mm)  44 2800 175 1 4 152 185 Trong do n:vòng quay trục khuỷu D: đường kính xilanh. S: hành trình pittong. max: gia tốc lớn nhất của biên : hệ số không đề cho phép vận tốc khâu dẫn. R: bán kính tay quay. L: chiều dài tay quay. 2. Lược đồ chung của cơ cấu tay quay con trượt. 3. Các gia trị của khâu. Trọng lượng khâu 2: G2 = 90 (KGm) x l (m) Trọng lượng khâu 3: G3 = 0,35G2 Trọng tâm khâu 2 (S2): lAS = 0,35lAB Bán kính quán tính khâu 2: 22 = 0,17. lAB2 Áp suất lớn nhất: pmax = 50 KGcm2

* Đề bài: Tính toán cơ cấu chính của động cơ đốt trong

1 Các thông số cho trước.

STT

n(vg/ph)

S(mm)

λ= r/ l

D(mm)

θmax: gia tốc lớn nhất của biên

δ: hệ số không đề cho phép vận tốc khâu dẫn

R: bán kính tay quay

L: chiều dài tay quay

2 Lược đồ chung của cơ cấu tay quay con trượt

B

A

O 1

2 3

PHẦN I : PHÂN TÍCH CẤU TRÚC

1.Tính bậc tự do, xếp loại cơ cấu:

Công thức tính bậc tự do của cơ cấu phẳng

W = 3n- 2p5- p4+ r +rth- wth

Trong đó:

• n _ số khâu động Trong động cơ đốt trong hai kì thì thực chất

áp lực của khí đốt cháy sinh công đẩy pít tông (khâu 3) trượtthông qua tay biên (khâu 2) Khiến trục khuỷu (tay quay- khâu1) quay, cơ cấu có ba khâu động nên n = 3

• P5 _ Số khớp loại 5

Khâu 1 nối với giá bằmg khớp quay

Khâu 2 nối với khâu 1 bằng khớp quay

Khâu 2 nối với khâu 3 bằng khớp quay

Khâu 3 nối với giá bằng khớp trượt

⇒ Cả bốn khớp đều là khớp thấp loại 5 nên có p5= 4

• p4 _ Số khớp loại 4 Cơ cấu không có khớp loại 4 nên p4= 0

• r_ Số ràng buộc trùng, r = 0

• rth_ Số ràng buộc thừa, rth = 0

• Wth _ Số bậc tự do thừa, trong tất cả các khâu khi tham giachuyển động đều làm thay đổi cấu hình của cơ cấu nên không

S: hành trình của pittông, do S = 2r nên 87,5( )

- Từ các điểm Ai làm tâm quay các cung tròn có bán kính là AB

ứng Nối các điểm Ai với Bi ta được vị trí của cơ cấu tại các góc quay

OAiBi

- Vị trí trọng tâm của khâu 2 là S2i được xác định:

AiS2i = 0,35.AB = 0,35.200 = 70 (mm)

- Nối các S2i bằng đường cong trơn ta được quỹ đạo của S2 trong chu

kì chuyển động của cơ cấu

Bài toán vị trí cơ cấu của động cơ hai kì được xác định bởi tám vịtrí của khâu dẫn sau những khoảng góc quay /4 trong một chu kìchuyển vị (một vòng quay của khâu dẫn φ = 2π) Xác định quỹ đạo củacác điểm S2 trong chu kì chuyển động của cơ cấu Ta được hoạ đồ vị trí

cơ cấu của động cơ hai kì như hình vẽ

2 Bài toán vận tốc

Ta giải bài toán vận tốc theo phương pháp vẽ hoạ đồ và vẽ tám hoạ

đồ ứng tám vị trí của cơ cấu:

Nhận xét: Cơ cấu có một bậc tự do loại 2 dạng 2

* Giải bài toán vận tốc :

Tại các điểm Ai trên chu kì chuyển động của khâu dẫn ta có vận tốccủa chúng được xác định như nhau, nhưng khi vẽ trên hoạ đồ chúng đượcxác định bởi các điểm Ai tương ứng

Giải phương trình véc tơ

VA1 có:

- VA1= ω1.lOA = 293,07.87,5= 25644(mm/s)=25,644(m/s)

- Phương vuông góc với OA

- Chiều theo ω1, quay cùng chiều kim đồng hồ

V : Biết phương của nó vuông góc với AB

Tại khâu 3: Do khâu 3 chuyển động tịnh tiến nên VB2 =VB3

Giải phương trình (1) bằng phương pháp vẽ hoạ đồ:

- Chọn cực pi

- Chọn tỉ lệ xích 0 , 513 ( / )

50

644 ,

- Từ các điểm pi vẽ đường thẳng ∆2 // yy biểu diễn phương VB3

⇒ Giao điểm của ∆1 và ∆2 là b = b2 = b3

V 2 2

2 =

ω (s-1)

Như ở bài toán vị trí ta xác định S theo công thức AiS = 0,35.AiBi

nhưng do kích thước thực và kích thước trên hoạ đồ vận tốc tỉ lệ với nhau

(người ta đã chứng minh được kích thước thực và kích thước trên hoạ đồ

đồng dạng với nhau) Nên ta cũng có: as = 0,35 ab (mm)

Ta tìm được điểm s trên hoạ đồ vận tốc, nối pi với s ta có véc tơ pis Ta xác định

vS theo công thức sau: VS = µv pis

Dựa vào hoạ đồ vận tốc và các công thức tính ở trên ta tìm được các

đại lượng, tổng hợp thành bảng kết quả như sau:

25,644 V A (m/s) 25,644 25,644 25,644 25,644 25,644 25,644 25,644 25,644

0 V B pb(mm) 0 28,39 50 41,12 0 41,12 50 28,39

0 V B (m/s) 0 14,564 25,644 21,094 0 21,094 25,644 14,564 32,5 V S ps(mm) 32,5 40,29 50 44,12 32,5 44,12 50 40,29

16,673 V S (m/s) 16,673 20,669 25,644 22,634 16,673 22,634 25,644 20,669

50 V BA ab(mm) 50 35,98 0 36 50 36 0 35,98 25,644 V AB (m/s) 25,644 18,458 0 18,468 25,644 18,468 0 18,458

Tại A: aA2 =aA1

Xét khâu 2: aB2 =aA2 +an B2A2 +at B2A2

2

2 A B n

a có độ lớn: ω22 lAB, phương song song với AB Chiều hướng

từ B về A

2

2 A B t

a biết phương vuông góc với AB

Tại B: aB2 =aB3 Do khâu 3 chuyển động tịnh tiến nên gia tốc mọiđiểm bằng nhau và có phương song song yy

Vậy phương trình trên giải được bằng phương pháp hoạ đồ:

- Chọn cực p'

50

38 , 7515 50

= a

a

- Ta vẽ p'ai biểu diễn aA2 có p'ai = 50 (mm),

- Từ ai vẽ ain biểu diễn an B 2 A2;

a

A B n i

a n a

µ

2 2

= , có phương song song AB, có chiều hướng từ B về

A

- Từ n vẽ ∆1⊥ AB biểu diễn phương của at B 2 A2

- Từ p' vẽ ∆2 // yy biểu diễn phương của aB3

⇒ ∆1×∆2 = b = b2 = b3

⇒ at B 2 A2=ε2.lAB→

AB

A B t l

a 2 2

2 =ε

- Khâu 3 chuyển động tịnh tiến nên ε3 = 0

Như bài toán vận tốc ta cũng có : as = 0,35.ab, dựa vào hoạ đồ ta

7515,38

7515,38

7515,38

7515,38

7515,

38

7515,38

7515,38

7515,38

an

BA

(m/s2)

1878,85

1878,85

937,92

0

937,92

1878,85

7921,23

5164,58

0

5164,58

7921,23

5164,58

5321

9394,25

5321

1904,47

6341,49

4931,61

6341,49

8173,75

6341,49

4931,61

6341,49

6863,06

ε2 (s-2) 0

14755,94

22632,1

14755,94

0

14755,94

22632,1

14755,94

0

PHẦN III : PHÂN TÍCH LỰC CƠ CẤU

* Nhiệm vụ: Ta xác định các áp lực tại các khớp động (khớp A, B, O) và mô men cân bằng đặt trên khâu dẫn

I Xác định các ngoại lực tác dụng

1 Trọng lượng các khâu:

G1 = 0.

G2 = m2 g = 90lAB = 90.0,35 = 31,5 (N) → m2 = 3,15 (kg)

G3 = m3 g = 0,35G2 = 0,35.31,5 = 11,025 ( N ) → m3 =1,1025 (kg)

2 Xác định áp lực khí cháy:

Pi piD

Lực khí cháy là ngoại lực chủ yếu được coi là lực phát động chínhcủa động cơ Loại lực này thường xác định từ đồ thị công là đồ thị phụthuộc giữa áp suất trong buồng đốt theo hành trình piston , để giải bàitoán lực theo góc quay khâu dẫn ta phải xác định được áp suất tác dụnglên piston ứng với các góc quay ta đã chọn Cơ sở chuyển từ áp suất hànhtrình sang áp suất góc quay có liên hệ từ hoạ đồ vị trí cơ cấu tức là ta cóquan hệ góc quay-hành trình

* Các bước thực hiện tiến hành như sau :

4' 5'

6' 7'

Bo

- Vẽ đồ thị áp suất hành trình lấy điểm chết dưới làm mốc đặt hành

trình của piston theo góc quay đã chọn (ở bài toán vị trí ) nghiêng một

góc bất kì so với hành trình đồ thị Nối B4 với điểm chết trên , từ các Bi

vẽ các tia song song với đường nối vừa vẽ được các điểm 1 , 2, 3, 4 Từ

các điểm i vẽ các tia song song với trục tung cắt đường cong tại các điểm

i’

Từ 1 đến 4 lấy hành trình nén còn từ 4 đến

8 lấy là hành tình nổ giãn nở

Từ các Bi vẽ các tia song song với

trục hoành ta được những mức áp suất

khác nhau Ứng với các hành trình piston,

áp suất tác dụng ứng với các góc quay ϕi

p( ϕ i) = ii’.µP với ii’ (mm)

4125

p

P i = i π với D = 152 (mm) , P

i (N)

Ta có bảng kết quả sau :

- Khâu 2: Là khâu chuyển động song phẳng, lực quán tính khâu 2

bao gồm một lực Fqt2 = −m2 aS2 đặt tại trọng tâm S2 và một mô men

2 2

quán tính gọi là tâm quán tính T để lực quán tính đặt tại đó tương đương

với hệ lực Fqt2 đặt tại S2 và Mqt2

* Tìm tâm quán tính khâu 2 :

a Tâm quán tính của một khâu chuyển động quay

quanh một điểm không qua trọng tâm

ASi i

Si ASi

AKi

l m

J l

b Tâm quán tính của khâu chuyển động song phẳng

Chuyển động song phẳng được coi như là chuyển động tịnh tiến theo

cực và chuyển động quay quanh trục đi qua điểm cực Hợp lực quán

tính là hợp của lực quán tính và mômen quán tính

Ta có quan hệ gia tốc sau: aS2 =aA2 +aS2A2

Hợp lực quán tính sẽ là tổng của hai lực quán tính thành phần này

nên quy tắc xác định hợp lực quán tính như sau :

, 227

) 350 (

17 , 0

17 , 0

2 2

BS

S SK

l

l l

l m

J l

II Xác định áp lực khớp động.

1 Lập phương trình xác định các áp lực khớp động

+ Tách nhóm gồm khâu (2,3), áp lực khớp động tại các khớp chờtrở thành ngoại lực tác dụng vào nhóm

A

2

3 B

3 2 2

12 +G +F +G +F +P+N =

N  qt  qt  

→N12+Fqt2 +Q+N03 = 0

Có: Q=G3 +Fqt3 +P+G2

N03 ta đã biết phương vuông góc với phương trượt OB.

N t qt2 qt2 2 2

12

−

= (N) với G2 = 31,5 (N)

hqt2 _ đo trên hoạ đồ, là khoảng cách từ Fqt2 đến điểm B

h2 _ đo trên hoạ đồ, là khoảng cách từ G2 đến B

AB_ độ dài thanh truyền AB trên hình vẽ

+ Chọn tỉ xích µN = 300 (N/mm)

Vẽ ∆1 biểu diễn phương Nn

12 (∆1 // AB) Lấy a bất kì trên ∆1, vẽ ab

⊥ AB biểu diễn Nt12 Từ b vẽ bc biểu diễn Fqt2, từ c vẽ cd biểu diễn Q từ d

vẽ ∆2 vuông góc với yy biểu thị phương của N03, ∆2 cắt ∆1 tại e

Từ hoạ đồ đo các đoạn eb, de, ea

=>N12 = µn eb, N43 = µn de, Nn

12 = µn eaTách riêng khâu 3 :

III Xác định mô men cân bằng :

* Mô men cân bằng là mômen ngoại lực đặt lên khâu dẫn để cân

bằng với các ngoại lực khác tác dụng vào cơ cấu để động cơ làm việc ở

chế độ cân bằng Ta phải tìm tám vị trí ứng với tám vị trí khác nhau của

khâu dẫn

Xác định mômen cân bằng bằng phương pháp phân tích áp lực

khớp động:

- Vẽ vị trí khâu dẫn (có tám vị trí) chung một gốc O, có tỉ lệ xích µl

= 1,5 (mm/mm) Ta dời lực N21 về các điểm Ai tương ứng

- Từ O vẽ các đường vuông góc với các N21, xác định h21, h21 được

đo trên hình vẽ sau đó nhân với tỉ lệ xích

42300

17700

PHẦN IV: TÍNH MÔMEN QUÁN TÍNH BÁNH ĐÀ

1 Xây dựng đường cong J(ϕ)

Ta thay thế khối lượng, mômen quán tính các khâu về khâu 1:

2

1

2 3 2 1

2 2 2 1

2

2 ( ) ( ) ( )

ω ω

ω

tt

v m J

v m

0,0645

0,0487

0,0645 0,075

0,0612

0,0137

0,01

0,0057

0,01

0,0137

0,0091

0

0,0012

0,0023

0,0012 0

0,0012

0,0048

0,0032

0 0,0032

0,0048

Jtt 0,008

0,0133

0,0185

0,0144

0,008 0,0144

0,0185

0,0133

0,008

2 Xây dựng đường cong Mđ(ϕ)

Cơ cấu ta xét là một động cơ có một mômen cản đặt tại khâu dẫn coi

như không đổi, tất cả các lực khác gọi là lực động bao gồm áp lực khí

cháy , trọng lượng các khâu được thay thế bằng một mômen động đặt tại

khâu dẫn có trị số xác định theo góc quay theo cách xác định mômen thay

thế:

cos( , ) cos( , ) cos( 2, 2)

1

2 2 3

1

3 1

S

S B

B B

B

tt P v P v G v G v G v G v M

ω ω

0,075 0,0645

0,0487

0,0645 0,075

0,0612

3 Vẽ đồ thị Mđ(ϕ) theo số liệu trong bảng tính.

Ta lập hệ trục: Mđ thẳng đứng, ϕ nằm ngang

150

2215,8 150

Cơ sở của tích phân đồ thị là đơn giản hoá đường cong M ,nếu M

là hằng số thì Ađ là đường bậc nhất nên người ta tiến hành tích phângần đúng như sau:

Chia trục ϕ làm nhiều đoạn bằng nhau: 16 khoảng, đánh dấukhoảng chia từ 0 ,1 16

Trong mỗi đoạn này M là hằng số và là trị số trung bình của Mtrong khoảng, kết quả là ta được M là dạng bậc thang Từ các giá trịtrung bình này vẽ các tia song song trục hoành cắt trục tung tại cácđiểm i’ Lấy về phía trái của góc O điểm P cách O một khoảng H, gọi

P là cực tích phân nối P với các điểm i’

Lập hệ trục Ađ(ϕ) có trục A ≡ M ,ϕ // ϕ ở trên và giữ các khoảngchia góc ϕ như đã chia ở đồ thị M(ϕ) Bắt đầu từ O vẽ các tia O1’’//P1’, i’’(i+1)’’// P(i+1)’

µA= H.µM.µϕ= 30.44,316.0,042= 55,838 (radNm/mm)

5 Vẽ đường Ac (ϕ)

Vì MC là một hằng số nên AC là một đường bậc nhất cần hai điểm

để vẽ , điểm đầu O , điểm cuối như Ađ

6 Vẽ đường ∆E = Ađ – AC

7 Vẽ đường cong J(ϕ)

4 max 1 , 2333 10

150

0,0185 150

Tại một góc quay nào đó ta có trị số của J tương ứng trên đồ thị

J-ϕ giống tia song song trục tung và trị số ∆E tương ứng góc ϕ đã chọntrên đồ thị ∆E (ϕ) giống tia nằm ngang (là giao ∆E với J của hai đồ thị) Đường cong ∆E-J xây dựng được cũng là đường cong E-J, khác làtrục toạ độ là trục J dời xuống một khoảng E0

Với hệ trục O1 ta tính được ωmax ,ωmin theo góc ψKmax, ψKmin

Vận tốc góc này không thoả mãn điều kiện làm đều

[ ]δ ω

ω ω

tb

min max

Để máy chuyển động đều theo yêu cầu người ta phải lắp bánh đà

để :

ωmin = [ωmin ], ωmax = [ ωmax ]

Khi đó gốc toạ độ của hệ trục E’(J’) là O’ là hệ trục E-J sau khi đãlắp bánh đà

Jđ có thể tính được khi ta biết [ ψKmin ], [ ψKmax ]

[ψKmin] tính theo

[ ] [ ] 157 ( 1 0 , 01111 ) 0 , 0269

838 , 55 2

10 2333 , 1 ) 1 ( 2

2

4 2

tg

[ ] [ ] 157 ( 1 0 , 01111 ) 0 , 0275

838 , 55 2

10 2333 , 1 ) ) 1 ( 2

2

4 2

⇒ Jđ = 93333.1,2333.10-4 = 11,51 (kgm2)