Đề tài đặc điểm kết cấu và tính toán sức bền nhóm piston thanh truyền động cơ zil 130 (word) + bản vẽ

XâY DựNG Đồ THị VECTơ PHụ TảI TáC DụNG TRêN ĐầU TO THANH TRUYềN.. XâY DựNG Đồ THị VECTơ PHụ TảI TáC DụNG TRêN CHốT KHUỷU.. Đồ thị véctơ phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu dùng để xác định

LờI NóI ĐầU

Sau khi được học 2 môn chính của ngành động cơ đốt trong (Nguyên lý động cơ đốt

trong, Kết cấu và tính toán động cơ đốt trong ) cùng một số môn cơ sơ khác (sức bền vật liệu,

cơ lý thuyết, vật liệu học, ), sinh viên được giao làm đồ án môn học kết cấu và tính toán

động cơ đốt trong Đây là một phần quan trọng trong nội dung học tập của sinh viên, nhằm

tạo điều kiện cho sinh viên tổng hợp, vận dụng các kiến thức đã học để giải quyết một vấn đề

cụ thể của ngành

Trong đồ án này, em được giao nhiệm vụ tính toán và thiết kế của động cơ Zil130

Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã cố gắng tìm tòi, nghiên cứu các tài liệu, làm

việc một cách nghiêm túc với mong muốn hoàn thành đồ án tốt nhất Tuy nhiên, vì bản thân

còn ít kinh nghiệm cho nên việc hoàn thành đồ án lần này không thể không có thiếu sót

Cuối cùng, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy, cô đã tận tình truyền đạt lại

những kiến thức quý báu cho em Đặc biệt, em xin gởi lời cảm ơn đến thầy PGS.TS Trần

Văn Nam đã quan tâm cung cấp các tài liệu, nhiệt tình hướng dẫn trong quá trình làm đồ án

Em vô cùng mong muốn nhận được sự xem xét và chỉ dẫn của thầy

Sinh viên

Đặng Thế Anh

MụC LụC

LờI NóI ĐầU 1

1.PHươNG PHáP XâY DựNG CáC Đồ THị TRONG BảN Vẽ

Đồ THị ĐộNG HọC Và ĐộNG LựC HọC 3

1.1.XâY DựNG Đồ THị CôNG 3

1.1.1 Xây dựng đường cong áp suất trên đường nén 3

1.1.2 Xây dựng đường cong áp suất trên đường giãn nở 4

1.1.3 Lập bảng tĩnhây dựng đường cong áp suất

1.1.4 Xác định các điểm đặc biệt và hiệu chỉnh đồ thị công 5

1.2 XâY DựNG Đồ THị CHUYểN Vị PISTON BằNG PHươNG PHáP Đồ THị BRICK 8

1.3 XâY DựNG Đồ THị VậN TốC 10

1.4 XâY DựNG Đồ THị GIA TốC THEO PHươNG PHáP TôLê 12

1.5 XâY DựNG Đồ THị LựC QUáN TíNH, LựC KHí THể, HợP LựC P1 14

1.5.1 Đồ thị lực quán tính 14

1.5.2 Đồ thị lực khí thể 15

1.5.3 Đồ thị hợp lực P1 15

1.6 XâY DựNG Đồ THị LựC TIếP TUYếN T, LựC PHáP TUYếN Z, LựC NGANG N 16

1.7 XâY DựNG Đồ THị VECTơ PHụ TảI TáC DụNG LêN CHốT KHUỷU 21

1.8 TRIểN KHAI Đồ THị PHụ TảI ở TOạ Độ CựC THàNH Đồ THị Q-a 23

1.9 XâY DựNG Đồ THị VECTơ PHụ TảI TáC DụNG TRêN ĐầU TO THANH TRUYềN 26

1.10 XâY DựNG Đồ THị MàI MòN CHốT KHUỷU 30

2 ĐặC ĐIểM KếT CấU Và TíNH TOáN SứC BềN NHóM PISTON THANH TRUYềN ĐộNG Cơ ZIL-130 31

2.1 NHóM PISTON 31

2.1.1 Piston 31

2.1.2 Chốt piston 39

2.1.3 Xécmăng 44

2.2 NHóM THANH TRUYềN 50

2.2.1 Thanh truyền 50

2.2.2 Bulông thanh truyền 66

2.2.3.Bạc lót đầu to thanh truyền 68

TàI LIệU THAM KHảO 98

1.PHươNG PHáP XâY DựNG CáC Đồ THị TRONG BảN Vẽ Đồ THị ĐộNG HọC Và ĐộNG LựC HọC:

1.1 XâY DựNG Đồ THị CôNG: 1.1.1 Xây dựng đường cong áp suất trên đường nén. Ta có: phương trình đường nén đa biến: p.Vn1 = conts, do đó nếu gọi x là điểm bất kỳ trên đường nén thì: 1 n1 nx nx n c c V p V p  Từ đó rút ra : 1

1

c nx c nx

V V p p















Đặt:

c

nx

V V

i 

Khi đó, áp suất tại điểm bất kỳ x:

1

n

c nx i

c p

p   - áp suất cuối quá trình nén

Trong đó:

pa - áp suất đầu quá trình nén

- Động cơ không tăng áp: pa = (0,8 ữ 0,9)pk

n1- chỉ số nén đa biến trung bình

- Động cơ xăng buồng cháy thống nhất: n1 = (1,341,38)

Chọn n1 = 1,35

 pc = 0,085.6,51,35 = 1,064 [MN/m2]

1.1.2 Xây dựng đường cong áp suất trên đường giãn nở.

Phương trình của đường giãn nở đa biến là: p V n const

 2 , do đó nếu gọi x là điểm bất

kỳ trên đường giãn nở thì:

2 n2

gnx gnx

n z

V V p p

n2- chỉ số giãn nở đa biến

- Đối với động cơ xăng: n2 = (1,231,34)

Chọn n2 = 1,25

V

V c

i p

Vx i

in1 1/in1 pc.(1/in1) in2 1/in2 pz.n2.(1/in2)

V

V Trong đó:

Vh- thể tích công tác:

95 807012 , 3

4

104 4

= 0,807 [l]

Khi đó:

1467 , 0 1 5 , 6

807 , 0

pr- áp suất khí sót, phụ thuộc vào loại động cơ

Tốc độ trung bình của piston:

11 , 08

30

3500 095 , 0 30

Vì động cơ không tăng áp, có lắp bình tiêu âm trên đường thải nên thay p0 ở trên bằng áp suất trên đường thải pth,với [1]: pth =(1,02ữ1,04).p0

- Mở sớm b’(670), đóng muộn r’’ (470) xupáp thải

- Mở sớm r’ (310), đóng muộn a’ (830) xupáp nạp

Hiệu chỉnh đồ thị công :

Động cơ Diesel lấy áp suất cực đại bằng pz

Xác định các điểm trung gian:

- Trên đoạn cy lấy điểm c’’ với c’’c = 1/3 cy

- Trên đoạn ba lấy điểm b’’ với bb’’ = 1/2 ba

Nối các điểm c’c’’ và đường giãn nở thành đường cong liên tục tại ĐCT và ĐCD

và tiếp xúc với đường thải, ta sẽ nhận được đồ thị công đã hiệu chỉnh

Hình 1.1 Đồ thị công

1.2.XâY DựNG Đồ THị CHUYểN Vị PISTON BằNG PHươNG PHáP Đồ THị BRICK:

5 , 47

24 , 0 5 , 47





[mm]

Muốn xâc định chuyển vị của piston ứng với góc quay trục khuỷu lă a ta lăm như sau:

từ O’ kẻ đoạn O’M song song với đường tđm mâ khuỷu OB như hình 1.1 Hạ MC thẳng góc với AD Theo Brick đoạn AC = x

Thật vậy, ta có thể chứng minh điều năy rất dễ dăng

2

'  

Thay quan hệ trín văo công thức tính AC, sau khi chỉnh lý ta có :

ACR  Cos   Cos  R  Cos.1  Cos2  x

4 1

1

2 1

GVHD: PGS.TS Trần Văn Nam

 0 , 7197 263 , 78

30

3500

c b

6'

4

1'

0' 7'

3'

5' 2'

7 g

5

6

e 4'

R2

V=f( 

h

B 8

R = R1. = 47,5.366,52 = 17409,7 [mm/s]

Giá trị biểu diễn của R1 là : 66

78 , 263

7 , 17409

1

v

R R

Vẽ vòng tròn tâm O có bán kính R2:

164 , 2089 2

52 , 366 24 , 0 5 , 47 2

.

Giá trị biểu diễn của R2 là:

92 , 7 78 , 263

164 , 2089

2

v

R R

Chia nữa vòng tròn R1 và vòng tròn R2 thành n phần đánh số 1, 2, 3, , n và 1’, 2’, 3’, , n’ theo chiều như hình 1.2 (n = 18)

Từ các điểm 0, 1, 2, 3, kẻ các đường thẳng góc với AB kẻ từ 0, 1’, 2’, 3’, tại các điểm O, a, b, c, Nối O, a, b, c, bằng đường cong ta được đường biểu diễn trị số vận tốc Các đoạn thẳng a1, b2, c3, nằm giữa đường cong O, a, b, c với nữa đường tròn R1

biểu diễn trị số của vận tốc ở các góc  tương ứng; điều đó có thể chứng minh dễ dàng

.

2 2 '

bb

V a

Hình 1.4 Đồ thị xác định vận tốc của piston

Từ A dựng đoạn thẳng AC thể hiện jmax

Giá trị biểu diễn của jmax là:

84 , 81 274 , 96682

023 , 7912444



j

j AC

Từ B dựng đoạn thẳng BD thể hiện jmin

Giá trị biểu diễn của jmin là:

465 , 4849562



j

j BD

366 , 4594322

Hình 1.7 Đồ thị gia tốc

1.5 XâY DựNG Đồ THị LựC QUáN TíNH P j , LựC KHí THể P kh , LựC TổNG P 1 :

1.5.1 Đồ thị lực quán tính P j

Cách xây dựng hoàn toàn giống đồ thị gia tốc, ta chỉ thay các giá trị Jmax, Jmin và

-3R2 bằng các giá trị Pmax, Pmin, -3R2.m

ở đây:

m- khối lượng chuyển động tịnh tiến của cơ cấu khuỷu trục thanh truyền [2]:

m = mnp + m1

Trong đó:

m1- khối lượng tập trung tại đầu nhỏ thanh truyền

m1 có thể xác định sơ bộ theo công thức kinh nghiệm sau đây [2]:

F

j m

A C

4

2

3

4' 3'

10 023 , 7912444

45 , 2

10 465 , 4849562

45 , 2

6

9 min

Từ A dựng đoạn thẳng AC thể hiện (-Pjmax)

Giá trị biểu diễn của (-Pjmax) là:

73 , 103 022 , 0

282 , 2

Từ B dựng đoạn thẳng BD thể hiện (-Pjmin)

Giá trị biểu diễn của (-Pjmin) là:

6 , 63 022 , 0

399 , 1

10 52 , 366 5 , 47 24 , 0 3 45 , 2

3

6

9 2 2

R m

325 , 1

N

lPk

Từ các góc 0, 100, 200, 300, , 1800 tương ứng với kỳ nạp của động cơ

1900, 2000, 2100, , 3600 tương ứng với kỳ nén của động cơ

3700, 3800, 3900, , 5400 tương ứng với kỳ cháy - giãn nở của động cơ

5500, 5600, 5700, , 7200 tương ứng với kỳ thải của động cơ

trên đồ thị Brick ta gióng các đoạn thẳng song song với trục p của đồ thị công sẽ cắt đường biểu diễn đồ thị công tương ứng các kỳ nạp, nén, cháy - giãn nở, thải của động cơ và lần lượt

đo các giá trị được tính từ điểm cắt đó đến đường thẳng song song với trục V và có tung độ bằng p0, ta đặt sang bên phải bản vẽ các giá trị vừa đo ta sẽ được các điểm tương ứng các góc

00, 100, 200, 300, , 7100, 7200 và lần lượt nối các điểm đó ta sẽ được đồ thị lực khí thể Pkt cầnbiểu diễn

Hình 1.10 Hệ lực tác dụng trên cơ cấu khuỷu trục thanh truyền giao tâm

Trong đó: ptt -lực tác dụng trên đường tâm thanh truyền

N- lực ngang tác dụng trên phương thẳng góc với đường tâm xy lanh

Từ quan hệ lượng giác ta có thể xác định được trị số của ptt và N

p

Z  tt   1.  Lập bảng tính T, N, Z tương ứng với các góc quay trục khuỷu  = 00, 100, 200, , 7200 và  = arcsin(.sin) Chọn tỷ lệ xích T = Z =N =0,0312 [MN/m2.mm],  = 2 [âäü/mm]

Sử dụng các công thức (1.7), (1.8), (1.9), ta tính được các giá trị T, Z, N ứng với các góc a

(rad)



(âäü)

P1(mm)

=100,  = 200, ,  = 7200 Trị số của T, Z, N như đã lập Bảng 1.2 được tính theo công thức

đã chứng minh ở trên, ta sẽ được các điểm 0, 1, 2, 3, , 72 Dùng đường cong nối các điểm

ấy lại, ta có đồ thị lực T, Z, N cần xây dựng



 Góc lệch giữa 2 hàng xylanh :   90 0

Lập bảng xác định các giá trị Ti theo góc quay trục khuỷa và Tổng T cho 1 chu kỳ, các chu kỳ khác tuần hoàn.

2 2

1.7 XâY DựNG Đồ THị VECTơ PHụ TảI TáC DụNG TRêN CHốT KHUỷU.

Đồ thị véctơ phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu dùng để xác định lực tác dụng trên chốt khuỷu ở mỗi vị trí của trục khuỷu Sau khi có đồ thị này ta có thể tìm trị số trung bình của phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu cũng như có thể tìm được dể dàng lực lớn nhất và lực bé nhất Dùng đồ thị phụ tải ta có thể xác định khu vực chịu lực ít nhất để xác định vị trí khoan

lỗ dẫn dầu bôi trơn và để xác định phụ tải khi tính sức bền trục

Cách xây dựng được tiến hành như sau :

- Vẽ tọa độ T -Z gốc tọa độ O1 chiều âm dương như hình 1.6

- Tính lực quán tính của khối lượng chuyển động quay của thanh truyền (tính trên đơn vị diện tích piston) :

87 , 8494

10 10 68 , 11166755

6

6 3 0

314 , 1

0

p

k k

p p

Vẽ từ O1 xuống phía dưới một véctơ -pk0 và có giá trị biểu diễn pk0 = 59,93[mm] Véctơ này nằm trên trục Z, gốc của véctơ là O Điểm O là tâm chốt khuỷu

Trên tọa độ T -Z xác định các trị số của T và Z ở các góc độ  = 00,  = 100,  = 200, 

= 300, ,  = 7200, trị số T và Z đã được lập ở Bảng 1.2, tính theo công thức như đã chứng

minh ở phần 1.6, ta sẽ được các điểm 0, 1, 2, , 72 Dùng đường cong nối các điểm ấy lại, ta

có được đồ thị véctơ phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu

Nếu ta nối O với bất kỳ điểm nào trên hình vẽ (ví dụ nối với điểm  = 3700 chẳng hạn),

ta sẽ có được véctơ biểu diễn phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu khi góc quay của trục khuỷu là

 = 3700

Tìm điểm tác dụng của véctơ chỉ cần kéo dài véctơ về phía gốc cho đến khi gặp vòng tròntượng trưng bề mặt chốt khuỷu tại điểm b Rất dễ thấy rằng véctơ Q là hợp lực của các lực tác dụng trên chốt khuỷu:

tt k

p

Q 0   0

Hình 1.13 Đồ thị véctơ phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu.

1.8 TRIểN KHAI Đồ THị PHụ TảI ở TọA Độ CựC THàNH Đồ THị Q-a.

Chọn tỷ lệ xích Q = 0,0022[MN/m2.mm] và  = 2 (âäü/mm)

Lập bảng xác định giá trị của Q theo  bằng cách đo các khoảng cách từ tâm O đến các điểm i: 1 =100, 2 = 200, 3= 300, , 72 = 7200 trên đồ thị véctơ phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu

Xác định trị số trung bình của phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu Qtb

Q tb Q 99 , 794mm

73

95 , 7284

1.9 XâY DựNG Đồ THị VECTơ PHụ TảI TáC DụNG TRêN ĐầU TO THANH

TRUYềN

Sau khi đã vẽ được đồ thị phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu, ta căn cứ vào đấy để vẽ đồ thị phụ tải của ổ trượt ở đầu to thanh truyền Cách vẽ như sau :

Vẽ dạng đầu to thanh truyền lên một tờ giấy bóng, tâm của đầu to thanh truyền là O

Vẽ một vòng tròn bất kỳ, tâm O Giao điểm của đường tâm phần thân thanh truyền với vòng tâm O là điểm 00

Từ điểm 00, ghi trên vòng tròn các điểm 1, 2, 3, , 72 theo chiều quay trục khuỷu và tương ứng với các góc 100 + 100, 200 + 200, 300 + 300, , 7200 + 7200

Đem tờ giấy bóng này đặt chồng lên đồ thị phụ tải của chốt khuỷu sao cho tâm O trùng với tâm O của đồ thị phụ tải chốt khuỷu Lần lượt xoay tờ giấy bóng cho các điểm 0, 1, 2,

3, , 72 trùng với trục (+Z) của đồ thị phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu Đồng thời đánh dấu các điểm đầu mút của các véctơ Q0, Q1, Q2, , Q72 của đồ thị phụ tải chốt khuỷu hiện trên

Nối các điểm 0, 1, 2, 3, , 72 lại bằng một đường cong, ta có đồ thị phụ tải tác dụng trên đầu to thanh truyền như trên hình 1.15.

Hình 1.7 Đồ thị véctơ phụ tải tác dụng đầu to thanh truyền.

1.10 XâY DựNG Đồ THị MàI MịN CHốT KHUỷU.

Đồ thị mài mịn của chốt khuỷu ( hoặc cổ trục khuỷu ) thể hiện trạng thái chịu tải của các điểm trên bề mặt trục Đồ thị này cũng thể hiện trạng thái hao mịn lý thuyết của trục, đồng thời chỉ rõ khu vực chịu tải ít để khoan lỗ dầu theo đúng nguyên tắc đảm bảo đưa dầu nhờn vào ổ trượt ở vị trí cĩ khe hở giữa trục và bạc lĩt của ổ lớn nhất Aùp suất bé làm cho dầu nhờn lưu động dễ dàng

Sở dĩ gọi là mài mịn lý thuyết vì khi vẽ ta dùng các giả thuyết sau đây :

+ Phụ tải tác dụng lên chốt là phụ tải ổn định ứng với cơng suất Ne và tốc độ n định mức

+ Lực tác dụng cĩ ảnh hưởng đều trong miền 1200

+ Độ mịn tỷ lệ thuận với phụ tải

+ Khơng xét đến các điều kiện về cơng nghệ, sử dụng và lắp ghép

Vẽ đồ thị mài mịn chốt khuỷu tiến hành theo các bước sau :

+ Vẽ vịng trịn bất kỳ tượng trưng cho vịng trịn chốt khuỷu, rồi chia vịng trịn trên thành 24 phần bằng nhau

+ Tính hợp lực Q của các lực tác dụng trên các điểm 0, 1, 2, , 23 rồi ghi trị số của các

lực ấy trong phạm vi tác dụng trên Bảng 1.5.

+ Cộng trị số của Q Chọn tỷ lệ xích Q = 2[MN/m2.mm], dùng tỷ lệ xích vừa chọn đặtcác đoạn thẳng đại biểu cho Q ở các điểm 0, 1, 2, 3, , 23 lên vịng trịn đã vẽ, dùng đường cong nối các điểm đầu mút của các đoạn ấy lại ta sẽ cĩ đồ thị mài mịn chốt khuỷu

Hình 1.16 Đồ thị mài mịn chốt khuỷu

2.ĐặC ĐIểM KếT CấU Và TíNH TOáN SứC BềN NHóM PISTON THANH TRUYềN ĐộNG Cơ ZIL-130.

2.1 NHóM PISTON

Nhóm piston gồm có piston, chốt piston, vòng hãm chốt piston, xécmăng khí, xécmăng

dầu

Trong quá trình làm việc của động cơ, nhóm piston có nhiệm vụ chính sau :

+ Bảo đảm bao kín buồng cháy, giữ không cho khí cháy lọt xuống cácte và ngăn không

cho dầu nhờn từ hộp trục khuỷu sục lên buồng cháy

+ Tiếp nhận lực khí thể thông qua thanh truyền, truyền xuống trục khuỷu làm quay trụckhuỷu trong quá trình cháy và giãn nở ; nén khí trong quá trình nén ; đẩy khí ra khỏi xylanhtrong quá trình thải và hút khí nạp mới vào buồng cháy trong quá trình nạp

2.1.1 Piston.

2.1.1.1 Điều kiện làm việc và vật liệu chế tạo piston.

a. Điều kiện làm việc.

Trong quá trình làm việc của động cơ, piston chịu lực rất lớn, nhiệt độ rất cao và ma sátmài mòn lớn Lực tác dụng và nhiệt độ cao do lực khí thể, lực quán tính sinh ra gây nên ứngsuất cơ học và ứng suất nhiệt, còn mài mòn là do thiếu dầu bôi trơn, ăn mòn hoá học dopiston tiếp xúc với sản vật cháy

+ Tải trọng cơ học: trong quá trình cháy, hỗn hợp khí cháy sinh ra áp suất rất lớn trongbuồng cháy, trong các chu trình công tác của động cơ, áp suất khí thể tác dụng lên đỉnhpiston có trị số thay đổi rất nhiều, do đó lực khí thể có tính va đập lớn, và do số vòng quaycủa động cơ cao nên lực quán tính tác dụng lên piston cũng rất lớn

+ Tải trọng nhiệt: trong quá trình cháy, piston tiếp xúc với khí cháy có nhiệt độ cao(1800  2300)oK nên nhiệt độ của piston, nhất là nhiệt độ của phần đỉnh piston và xécmăngkhí thứ nhất cũng rất cao (500  800)oK , nhiệt độ của piston cao gây ra các tác hại:

 Gây ra ứng suất nhiệt lớn làm rạn nứt piston;

 Gây biến dạng lớn, có thể làm bó kẹt piston trong xylanh, tăng ma sát giữapiston và xylanh;

 Làm giảm sức bền ,tuổi thọ piston;

 Làm giảm hệ số nạp, ảnh hưởng đến công suất động cơ;

 Làm dầu nhờn chóng bị phân huỷ;

+ Ma sát và ăn mòn hoá học: trong quá trình làm việc piston chịu ma sát lớn do thiếu dầubôi trơn, do lực ngang N ép piston vào xylanh ngoài ra do lực khí thể, lực quán tính và nhiệt

độ cao làm piston bị biến dạng làm tăng ma sát Do piston luôn tiếp xúc với sản vật cháy ởnhiệt độ cao nên bị sản vật cháy ăn mòn

Do các điều kiện làm việc của piston như trên nên khi chế tạo piston phải đảm bảo cácyêu cầu sau:

 Dạng đỉnh piston tạo thành buồng cháy tốt nhất;

 Tản nhiệt tốt, giảm ứng suất nhiệt;

 Trọng lượng nhỏ để giảm lực quán tính;

 Đủ bền, đủ độ cứng vững để tránh biến dạng quá lớn, chịu mài mòn tốt;

 Đảm bảo bao kín buồng cháy để công suất của động cơ không bị giảm sút,không cháy piston và ít hao dầu nhờn;

b Vật liệu chế tạo piston.

Để đảm bảo các điều kiện làm việc của piston như trên, nên vật liệu chế tạo piston phảiđảm bảo các yêu cầu sau:

+ Có sức bền lớn ở nhiệt độ cao và tải trọng thay đổi;

số ma sát của hợp kim nhôm với gang nhỏ nên tổn thất ma sát giữa xylanh và piston ít, tínhcông nghệ của hợp kim nhôm tốt Ngoài ra, do hệ số truyền nhiệt từ khí cháy đến pison của