ĐỀ BAI THIẾT KẾ MÔN HỌC ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Tính các giá trị liên quan đến tính độnh học nhóm Piston Vận tốc góc của động cơ ω 60... cos 2 α m/s2 Trong đó : J là gia tốc của Piston R là bán kính quay của trục khuỷu λ là tham

Kiểu động cơ MEKONG STAR 4WD-2230

Suất tiêu hao nhiên liệu ge(g/ml.h) 180

áp suất cuối hành trình nạp pa 0,08 Mpa

áp suất cuối hành trình nén pc 5,315 Mpa

áp suất cuối hành trình cháy pz 8,01 Mpa

áp suất cuối hành trình giãn nở pb 0,46 Mpa

Khối lợng nhóm thanh truyền Mtt 1,3 kg

ĐỀ BAI THIẾT KẾ MÔN HỌC ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

ĐỀ : 8

I.Tính động học nhóm Piston

Nghiên cứu quy luật chuyển động của Piston là nhiệm vụ chủ yếu của

động học Để tiện cho việc nghiên cứu, ta giả thiết trong quá trìng làm việc trục khuỷu quay với tốc độ không đổi

Tính các giá trị liên quan đến tính độnh học nhóm Piston

Vận tốc góc của động cơ ω

60

.

2 nπ

ω = Với n = 4300 (v/p) ⇒

60

4300

2 π

Bán kính quay của trục khuỷu

R=

2

S =

2

92=46 (mm) = 0,046 (m)

Tham số kết cấu Chọn λ=

4

1=0,25 Chiều dài thanh truyền

L=

λ

R =

25 , 0

046 , 0

=0,184 (m)

1 Chuyển vị của piston (P)

X =R (1−cosα)+λ4(1−cos2α)=x1+x2

Trong đó : X là chuyển vị của Piston

R là bán kính quay của truc khuỷu

λ là tham số kết cấu

α là góc quay của trục khuỷu

x1là Chuyển vị cấp I của Piston

x2là Chuyển vị cấp II của Piston

x1= R (1-cosα ) Và x2 = R

4

λ (1- cos2α )

Lập bảng tính chuyển vị của Piston

120 1.5 69 1.5 4.31 73.31

Từ Bảng giá trị ta vẽ đồ thị

Hình 1:Đồ thị chuyển vị của piston

Trục tung biểu thị độ dịch chuyển S (mm)

2 Vận tốc của Piston

V= R.ω.(sinα+

2

λ sin2α ) (m/s)

Trong đó : V là vận tốc của Piston (m/s)

R, ω,α đã biết

Bảng giá trị của biểu thức V= R.ω.(sinα +

2

λ sin2α ) (m/s)

90 1 20.71 0 0 20.71

Từ Bảng giá trị ta vẽ đợc đồ thị

Hình 2: Đồ thị vận tốc piston

Trục tung biểu thị vận tốc piston (m/s)

3 Gia tốc piston

Lấy đạo hàm của vận tốc piston ta đợc gia tốc của Piston

J= R.ω 2(cos α + λ cos 2 α) (m/s2)

Trong đó : J là gia tốc của Piston

R là bán kính quay của trục khuỷu

λ là tham số kết cấu

α là góc quay của trục khuỷu

ω là tốc độ góc trục khuỷu

Lập bảng tính giá trị của gia tốc Piston

60 0.5 4663.71 -0.5 -1165.93 3497.78

Từ Bảng giá trị ta vẽ đợc đồ thị

Hình 3: Đồ thị gia tốc piston

ChơngII

Động lực học của cơ cấu khuỷu trục thanh truyền

2.1 Giới thiệu chung

Khi động cơ làm việc, cơ cấu trục khuỷu thanh truyền nói riêng và động cơ nói chung chịu tác động của các lực khí thể,lực quán tính,trọng lực và lực

ma sát.Khi tính toán động lực học ta chỉ xét những lực có giá trị lớn là lực khí thể và lực quán tính

Mục đích của việc tính toán động lực học là xác định các lực do hợp lực của 2 loại trên tác dụng lên cơ cấu khuỷu trục thanh truyền và mô men do

chính chúng sinh ra để làm cơ sở cho việc tính toán cân bằng động cơ,tính toán sức bền các chi tiết,nghiên cứu trạng thái mài mòn và tính toán dao

động xoắn của hệ trục khuỷu giá trị của áp suất với diện tích tiết diện ngang của đỉnh piston

2.2 Xác định lực khí thể

a.Xây dựng đồ thị công

Ta có:

p a = 0 08MPa= 0 8KG/cm2 p r = 0 , 115MPa= 1 , 15KG/cm2

p c = 5 , 315MPa= 53 , 15KG/cm2 p z = 8 , 01MPa= 80 , 1KG/cm2

p b = 0 , 46MPa= 4 6KG/cm2

Thể tích làm việc của xilanh V h:

0,088 0,585.10 ( ) 0,585

4

092 , 0 14 , 3 4

3 3 2

2

=

≈

=

Dung tích buồng cháy:

0 , 02925

1 21

585 0

−

=

−

=

ε h

c

V

V [l]

Thể tích xilanh:

V a =V h +V c = 0 , 585 + 0 , 02925 = 0 , 6143 [l]

Chỉ số nén đa biến trung bình n1:

. n1

a

c p

p = ε

38 1 21

08 , 0

315 , 5 ln ln

ln

⇒

ε

a

c p

p n

Chỉ số giãn nở đa biến n2:

.( )n2

z

b p p

ε

ρ

Với ρ là tỉ số dãn nở ban đầu( chọn ρ = 1 , 7)

21

7 , 1 ln

01 , 8

46 , 0 ln ln

ln

⇒

ε

ρz

b p

p

Chọn hệ trục toạ độ p-V gốc toạ độ O,với tỷ lệ xích àV = 0 , 0031 [l/mm],

0,28[ / 2]

mm

cm KG

p = à

Để xây dựng đồ thị công đợc chính xác hơn ta lấy thêm một số điểm trung gian sau:

i I^n1 Pc/(i^n1)

(ρ/i)^n2 Pz*(ρ/i)^n2

3 4.55 11.68 0.52 41.65

Từ các dữ kiện cho trên ta dựng đợc đồ thị công của động cơ.Đây là đờng biểu diễn lý thuyết của áp suất khí thể trong xilanh theo thể tích.Nhng trên thực tế do diễn biến của quá trình cháy không hoàn toàn phù hợp với giả thiết nhiệt đẳng tích và đẳng áp khi tính toán,cũng nh do ảnh hởng của góc

mở sớm xupáp thải , đóng muộn xupáp nạp , góc đánh lửa sớm gây ra sự sai lệch giữa lý thuyết và thực tế.Do đó để đồ thị công sát thực tế hơn ta tiến hành hiệu đính đồ thị bằng phơng pháp hiệu chỉnh Brick:

p z' = p z = 80 , 1 [KG/cm2 ]

p c'' = 1 , 25p c = 1 , 25 53 , 15 = 66 , 44 [KG/cm2]

V z = ρV z' = 1 , 7V z' = 1 , 7V c = 1 , 7 0 , 02925 = 0 , 0497 [l]

p b'' = p r + 0 , 5 (p b − p r) = 1 , 15 + 0 , 5 ( 4 , 6 − 1 , 15 ) = 2 , 875 [KG/cm2 ]

0025 , 0 2

585 , 0 2

=

V

h V

V S R

à

4 2

117 2

' = λR = =

Hiệu chỉnh điểm:

c’-góc phun sớm nhiên liệu ϕs = 16 0

r’-góc xupap nạp mở sớm 0

1 = 25

ϕ

a’-góc xupap nạp đóng muộn 0

2 = 30

b’-góc xupap xả mở sớm 0

3 = 48

r’-Góc xupap xả đóng muộn 0

4 = 30

ϕ

Theo phơng pháp Brick ta khai chiếu đồ thị p-V sang đồ thị p− α nh sau: Lấy tâm O làm chuẩn ,chia vòng tròn thành 6 phần bằng nhau và đánh dấu lần lợt 1,2,3,4,5,6 nối O1,O2,O3,O4,O5,O6 rồi từ O’kẻ lần lợt các đoạn thẳng tơng ứng song song với O1, ,O6 cắt vòng tròn Brick tại các điểm tơng ứng

1’,2’,3’,4’,5’,6’ từ các điểm này dóng song song trục tung Op cắt đồ thị công tại 24 điểm Từ các giao điểm này dựng các đờng thẳng song song với trục hoành OV

Vì cacte thông với khí trời nên p kt = p− p0 do đó hệ trục p− α đợc dựng sao cho trục Oα cùng nằm trên một đờng thẳng với đờng p0 Từ các góc tơng ứng trên trục Oα kẻ các đờng song song với trục tung Op ta đợc các giao

điểm tơng ứng.Nối tất cả các điểm lại với nhau ta đợc đồ thị lực khí thể lên một diện tích đỉnh piston

2.3 Xác định lực quán tính p j

p j = −m j J p = −m j Rω 2 (cos α + λ cos 2 α ) [N/cm2 ]

Trong đó:

ω 2 cos α

p j = − j : lực quán tính của các khối lợng chuyển động tịnh

tiến cấp 1

ω 2 λ cos 2 α

p j = − j : lực quán tính của các khối lợng chuyển động tịnh tiến cấp 1

p

p j

F

m m

= : khối lợng trên chuyển động tịnh tiến trên 1 đơn vị diện

tích của đỉnh piston

m p = 1 , 5kg: khối lợng nhóm piston

m1 = 0 , 3 m tt = 0 , 3 1 , 3 = 0 , 39 (kg): khối lợng tập trung đầu nhỏ thanh truyền

4

2 , 9 4

2 2

2

cm D

284 , 5 ( / )

10 6644 , 0

39 , 0 5 ,

0 , 044 ( )

2

088 , 0

S

30

4300

= π π

sè

vßng quay lín nhÊt

B¶ng tÝnh Pj

350 0.98 0.23 10795.48 -3.07 -109.64

2.4 Tổng hợp lực khí thể và lực quán tính

pΣ = p kt + p j

]

/

[KG cm2

Dựa vào đồ thị khai triển p− α ta đo lấy đợc các giá trị của lực khí thể p kt

từ các góc quay khác nhau của trục khuỷu.Lực khí thể và lực quán tính lấy cùng tỷ xích ở trục tung

Ta có bảng giá trị của lực tổng hợp:

m)

2.5 Dựng đồ thị véc tơ phụ tải T-Z

Đồ thị vectơ phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu để xác định lực tác dụng lên chốt khuỷu ở mỗi vị trí của trục khuỷu.Ta dễ dàng xác định lực tác dụng lớn nhất và bé nhất, phạm vi chịu lực ít nhất để xác định vị trí khoan lỗ dẫn dầu bôi trơn

Lực tác dụng lên chốt khuỷu:

Q= p k2 + p tt = p k2 +T+Z

]

/

[KG cm2

Trong đó:

p k2 =const: lực quán tính li tâm của khối lợng vận động quay có phơng nằm trên tâm má khuỷu

2

p k = − r [N/cm2 ]

Trong đó: m2 =

38 , 14 8

, 9

10 44 , 66

3 , 1 72 , 0

72 ,

=

g

m tt









2

2

/

/

s m

m

m2 =0,0001438 











2

/ s m MPa

=> Pk0 = -0,0001438 0,044 450,32 =-1.28 (MPa)

Phơng pháp vẽ:

Chọn hệ trục TOZ, chiều dơng trục Z hớng vào tâm trục khuỷu, chiều dơng trục T thuận chiều quay của trục khuỷu

Chọn tỷ lệ xích 0 , 5 [ / 2]

mm

cm KG

T = à

0,4[ / 2]

mm

cm KG

Z = à

Từ bảng giá trị T-Z ta xác định toạ độ và đánh số thứ tự các điểm 1,2,3 Sau

đó nối các điểm lại ta đợc đờng cong biểu diễn đồ thị vectơ phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu Tâm của đồ thị vectơ là điểm Oc nằm trên trục dơng OZ và cách tâm O của hệ trục TOZ một đoạn bằng giá trị của lực quán tính li tâm

4 , 0

10 28 , 1

=

Z

k c

p OO

à [mm]

Dựa vào công thức tính T và Z :

β

β α cos

) sin( +

= pΣ

T [KG/cm2 ]

β

β α cos

) cos( +

= pΣ

Z [KG/cm2 ]

Ta có bảng giá trị T-Z :

90 0.253 0.61 0.61 12.20 -0.16 -4

2.6 Vẽ đồ thị Q - 

Từ đồ thị phụ tải tác dụng lên cổ biên ta lập đợc quan hệ Q - , trong

đó Q là lực tổng hợp tác dụng lên cổ biên

= + + = + Trên đồ thị thì lực tổng hợp đợc xác bằng cách: với góc quay trục khuỷu  ta xác định đợc điểm Ptt tơng ứng trên đồ thị, sau đó nối điểm Ptt với tâm cổ biên giả định D ta xác định đợc véc tơ DPtt biểu diễn tổng hợp tác dụng lên cổ biên tại thời điểm ứng với góc quay  của trục khuỷu

Sau khi xác định đợc quan hệ Q -  ta tiến hành xây dựng đợc đồ thị Q-

nh trên bản vẽ Căn cứ đồ thị Q -  ta tiến hành xác định Qtb:

Qtb = ; Trong đó Sđt = 14950 (mm2)

L = 240 (mm)

=> Qtb = 62 , 3 ( )

240

14950

mm

=

Do đó hệ số va đập:  = = 1 , 77

35 , 62

110 =

Vậy  = 1,77 <4: thoả mãn

2.7.Đồ thị mài mòn chốt khuỷu

Đồ thị mài mòn thể hiện trạng thái chịu tải của các điểm trên bề mặt chốt khuỷu Đồ thị này cũng thể hiện trạng thái hao mòn của cổ trục,đồng thời chỉ

rõ khu vực chịu tải ít nhất để khoan lỗ dầu bôi trơn theo đúng nguyên tắc

đảm bảo đa dầu vào ổ trợt ở vị trí có khe hở giữa trục và bạc lót ổ lớn nhất,

áp suất nhỏ làm dầu nhờn dễ dàng lu thông hơn,song khe hở này không phải

là yếu tố duy nhất quyết định vị trí khoan lỗ dầu mà còn phải xét thời gian duy trì liên tục khe hở đó, bởi vì vị trí có khe hở lớn nhất cha chắc dầu đã lu

động nhiều nhất do chốt khuỷu chỉ nằm ở vị trí ấy trong khoảng thời gian rất ngắn.Vì vậy để xác định chính xác vị trí khoan lỗ dầu ta dùng đồ thị mài mòn

Để vẽ đồ thị mài mòn ta căn cứ vào 3 giả thiết sau:

-Lợng mòn tỉ lệ thuận với lực tác dụng

-Lực tác dụng gây mòn bề mặt trục trên phạm vi 1200(600 về mỗi bên)

-Không xét đến điều kiện làm việc thực tế của cổ trục, cổ chốt(nh phơng pháp

gia công, bôi trơn, vật liệu chế tạo )

a-Phơng pháp vẽ

-Vẽ vòng tròn bất kì tợng trng cho vòng tròn bề mặt của chốt khuỷu và chia vòng tròn đó ra làm 24 phần bằng nhau, đánh số thứ tự 0,1,2,

-Xác định tổng QΣtác dụng lên các điểm 0,1,2, (dựa vào đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu) rồi ghi vào bảng giá trị (chú ý phạm vi tác dụng lực là

1200)

-Xác định ΣQ i bằng cách cộng tất cả các lực QΣtác dụng lên mỗi điểm.

-Chọn tỉ lệ mài mòn(tỉ lệ giữa lợng mài mòn ∆ và lực tác dụng) ]

/ [ 02 ,

cm KG

mm

a=

Từ đó xác định đợc lợng mài mòn ∆i và ghi vào bảng

∆i =aΣQ i

-Đặt lên vòng tròn đã vẽ theo phơng hớng tâm các đoạn giá trị bằng ∆i tại

các điểm i tơng ứng rồi nối các đầu mút lại ta đợc hình dạng cổ trục sau khi

đã mòn

Từ đó xác định đợc vùng mòn ít nhất để khoan lỗ dầu bôi trơn

b-Bảng giá trị

00 28

8 5 4

,,5 27

88 28

II tính toán sức bền trục khuỷu

Khi tính toán sức bền trục khuỷu ta chia trục khuỷu ra thành nhiều

đoạn,mỗi đoạn ứng với mỗi khuỷu,với các giả thiết:

Trục khuỷu là một dầm có độ cúng tuyệt đối ,

Khi tính sức bền thờng tính cho trục nào nguy hiểm nhất ,tức là khuỷu

mà trên đó tảI trọng có giá trị lớn nhất

ở đày chỉ trình bày tính toán trờng hợp khởi động :

Tính toán trờng hợp khởi động là tính toán gần đúng với giả thiết:khuỷu

trục ở vị trí ĐCT (α=0)

Bỏ qua lực quán tính (do số vòng quay khi khởi động nhỏ) và lực tác

dụng lên khuỷu có trị số lớn nhất Pmax

Do đó lực tác dụng lên khuỷu sẽ là:

Z0 =Z =pmax Fp ; T = 0

Sơ đồ tính toán trờng hợp khởi động nh hình vẽ

Các phản lực xác định theo công thức sau :

Z’ = Z

0

"

l

l

(MN)

Z” = Z - Z’ = Z.

0

"

l

l

(MN)

Z’ = Z” =

2

Z

1.Tính sức bền của chốt khuỷu :

Mô men uốn chốt khuỷu (tính đối với tiết diện giữa

các chốt bằng:

Mu =Z’.l’ (MNm)

Do đó ứng suất uốn chốt khuỷu là :

σu =

u u

u

W

l Z W

M = '.' (MN/ m2 )

Với Wu :mô đun chống uốn của tiết diện ngang của chốt khuỷu

Wu =

D

d

32

−

Với D,d là đờng kính ngoàI va trong của chốt khuỷu tính theo mét

Wu =(

17 , 0

056 , 0 17 0 32

14

Z =pmax Fp=3,204 3,14 0,072/4 =0,01232 (MN)

σu = 2.4,764.10 4

1525 , 0 , 01232 ,

0

− =1,97 (MN/ m2 )

σu < [σu] =(70-100) MN/ m2

=> Đảm bảo bền

2.Tính sức bền của má khuỷu :

ứng suất uốn má khuỷu là :

σu =

6

' '

2

hb

b Z W

M

ux

u =

(MN/ m2 )

b,h là chiều dày ,chiều rộng của má hình chữ nhật

b=0,054 (m) ;h=0,17 (m)

=> σu =

6

054 , 0 24 , 0 2

' 054 , 0 01232 ,

0

2 =3,775 (MN/ m2 )

ứng suất nén má khuỷu là

σn =

hb

Z

2 =2.0,054.0,24

01232 ,

0

=0,475 (MN/ m2 )

ứng suất tổng cộng là :σ = σ +u2 σ2n =3,8 (MN/ m2 )

σ < [σ] =(80-120) MN/ m2

=> Đảm bảo bền

3.Tính sức bền của cổ trục :

øng suÊt uèn cæ trôc khuûu lµ :

σu =

u

W

b

Z ''

(MN/ m2 )

Wu =

225 , 0

088 , 0 225 , 0 32

14 ,

σu = 2.1,09.10 3

0715 , 0 , 01232 ,

0

− = 0,4 (MN/ m2 )

σu < [σu] =(50-80) (MN/ m2)

=> §¶m b¶o bÒn