Đồ án thiết kế động cơ đốt trong Tính toán và thiết kế nhóm Piston thanh truyền của động cơ IFE

là để tìm quy luật vận động của chúng và để xác định lực quán tính tác dụng lên các chi tiết tác dụng lên cơ cấu trục khuỷu thanh truyền dùng để tính toán cân bằng các chi tiết và tính t

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 nhóm piston thanh

truyền của động cơ IFE Đây là một nhóm chi tiết chính, không thể thiếu trong động

cơ đốt trong Nó dùng để tiếp nhận lực khí thể do khí cháy sinh ra, biến chuyển động

tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu

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 gửi lời cảm ơn đến thầy

Dương Việt Dũng 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 Nguyễn Tuấn Anh

I) PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG CÁC ĐỒ THỊ TRONG BẢN VẼ ĐỒ THỊ ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC

1 VẼ ĐỒ THỊ CƠNG:

1.1 Các thơng số cho trước:

+ Cơng suất động cơ : Ne= 85 (kW)

+ Khối lượng nhĩm piston: mnp= 0.8 (Kg)

+ Khối lượng nhĩm thanh truyền: m tt  1(kg).

+ Gĩc phun sớm:s  13 o

+ Gĩc phân phối khí: 1 6 ; 2  46 ; 3  42 ; 4  4

+ Thứ tự làm việc của động cơ: 1- 3- 4-2

1.2 Các thơng số chọn:

+ Áp suất mơi trường:P0  0 , 098 (MN /m2).

+ Chỉ số nén đa biến trung bình :n1  1 , 35

+ Chỉ số giãn nở đa biến trung bình :n2  1, 25

+ Áp suất cuối quá trình nạp : - Động cơ khơng tăng áp: pa = (0,8; 0,9)pk (MN/m2).

+ Đối với động cơ Xăng tỷ số giãn nở sớm bằng:  1

+ Aïp suất cuối quá trình giãn nở :

2 2

1,25

2 1,25

0,3524( / ).

9, 4

n z

Để vẽ đồ thị công ta cần xác định các điểm trên đường nén và đường giãn nở

1.3.1 Xây dựng đường cong áp suất trên đường nén:

Ta xác định các điểm trên đường nén với chỉ số nén đa biến n1.

Ta có phương trình đường cong nén đa biến :

V V P P

i

P

P 

1.3.2 Xây dựng đường cong áp suất trên giãn nở:

- Ta có phương trình của đường cong giãn nở đa biến :

PV n2 Const.

Gọi x là điểm bất kỳ trên đường giãn nở thì:

.

gnx gnx n

V V P P

n

n z gnx

1.3.3 Lập bảng xác định các điểm trên đường nén và đường giãn nở:

Cho i tăng từ 1    9.4 từ đó ta lập bảng xác định các điểm trên đường nén và đường giãn nỡ

1.3.4.Xác định các điểm đặc biệt:

i V x V c*i 1

c

P P i

- Theo cách chọn tỷ lệ xích như trên toạ độ của các điểm đặc biệt và trung gian là : +Điểm đặt biệt là:

r(21,3;3,6207) b(200; 5,800)

a(200; 2.75) c(21,3; 56,7859) z(21,3; 200)

- Nối tất cả các điểm trung gian của đường nén và đường giãn nở với các điểm đặc biệt ta được đồ thị công lý thuyết

là để tìm quy luật vận động của chúng và để xác định lực quán tính tác dụng lên các chi tiết tác dụng lên cơ cấu trục khuỷu thanh truyền dùng để tính toán cân bằng các chi tiết và tính toán mòn động cơ

2.1.Động học của cơ cấu khuỷu trục thanh truyền:

Cơ cấu khuỷu trục thanh truyền thuộc loại giao tâm, là cơ cấu mà đường tâm xylanh trực giao với đường tâm khuỷu trục tại 1 điểm (hình

vẽ)

Với : R : bán kính quay của trục khuỷu

l : chiều dài thanh truyền

 : vận tốc góc của trục khuỷu (rad/s)

x : độ dịch chuyển của piston tính từ ĐCT

ứng với góc quay  của khuỷu trục

 : góc lắc của thanh truyền ứng với góc 

O : giao điểm của đường tâm xylanh và

đường tâm khuỷu trục

B : giao điểm của đường tâm thanh truyền và

đường tâm chốt khuỷu

A : giao điểm của đường tâm thanh truyền và đường tâm chốt piston

2.1.1.Xác định độ dịch chuyển (x) của piston bằng phương pháp đồ thị Brích:

Chuyển vị x của piston tuỳ thuộc vào vị trí của khuỷu trục, x thay đổi theo góc quay

 của khuỷu trục

- Theo phương pháp giải tích chuyển dịch x của piston được tính theo công thức:    .1cos 2

4 cos 1

R S

AB





2





- Chọn tỉ lệ xích S sao cho

v S

Vh S



 

 * 82*0.00299

0, 47 0,5344

v

S Vh

O'

ÂCD D

cắt nữa vòng tròn Brích tương ứng tại các điểm từ 0 , 1 , 2 , , 18

- Vẽ hệ trục toạ độ vuông góc  S phía dưới nữa vòng tròn(O; R/S), trục Othẳng đứng dóng từ A xuống biểu diễn giá trị  từ  

180

0  với tỉ lệ xích:   2 /mm, trụcOSnằm ngang biểu diễn giá trị S với tỉ lệ xích: µs=0.47mm/mm)

- Từ các điểm chia 0 , 1 , 2 , , 18 trên nữa vòng tròn Brích ta dóng các đường thẳng song song với trụcO Và từ các điểm chia trên trục O ứng với các giá trị

2.1.2 Giải vận tốc v của piston bằng phương pháp đồ thị:

- Theo phương pháp giải tích ta tính gần đúng vận tốc của piston là:

26 , 0

- Chia đều nữa vòng tròn bán kính r1, và vòng tròn bán kính r2 ra 18 phần bằng nhau

Như vậy ứng với góc  ở nữa vòng tròn bán kính r1 thì ở vòng tròn bán kính r2 sẽ là



2 , 18 điểm trên nữa vòng tròn bán kính r1 mỗi điểm cách nhau 

10 và trên vòng tròn bán kính r2 mỗi điểm cách nhau là 

20 Đánh số thứ tự điểm chia trên nữa vòng tròn r1

ta đánh số từ 0,1,2, ,18 theo chiều ngược kim đồng hồ, còn trên vòng tròn bán kính

2

r ta đánh số 0’,1’,2’, 18’ theo chiều kim đồng hồ, cả hai đều xuất phát từ tia OA

- Từ các điểm chia trên 1/2 vòng tròn bán kính r1 ta dóng các đường thẳng vuông

góc với đường kính AB, và từ các điểm chia trên vòng tròn bán kính r2 ta kẻ các

đường thẳng ngang song song với AB, các đường kẻ này sẽ cắt nhau tương ứng theo

từng cặp 0-0’;1-1’; ;18-18’ tại các điểm lần lượt là 0, a, b, c, Nối các điểm này lại

bằng 1 đường cong ta được đường biểu diễn trị số tốc độ, các đoạn thẳng đứng nằm

giữa đường cong với nữa đường tròn r1 biểu diễn trị số tốc độ ở các góc  tương ứng ,

phần giới hạn của đường cong này và 1/2 vòng tròn lớn gọi là giới hạn vận tốc của pis

ton

- Vẽ hệ toạ độ vuông góc v - s trùng với hệ toạ độ trục thẳng đứng 0v trùng với

trục 0Từ các điểm chia trên đồ thị Brích, ta kẻ các đường thẳng song song với trục

0v và cắt trục 0s tại các điểm 0,1,2,3, ,18, từ các điểm này ta đặt các đoạn thẳng 00’’,

11’’, 22’’, 33’’, ,1818’’ song song với trục 0v có khoảng cách bằng khoảng cách

các đoạn tương ứng nằm giữa đường cong với nữa đường tròn bán kính r1 mà nó biểu

diển tốc độ ở các góc  tương ứng Nối các điểm 0’’,1’’,2’’, ,18’’ lại với nhau ta có

đường cong biểu diễn vận tốc piston v=f(s)

2.1.3 Giải gia tốc J bằng đồ thị Tôlê:

- Theo phương pháp giải tích lấy đạo hàm của vận tốc theo thời gian ta có công thức

để tính gia tốc của piston :

j R 2.cos    cos 2 

+ Giải gia tốc của piston bằng phương pháp đồ thị thường dùng phương pháp Tôlê

Các bước tiến hành như sau :

- Vẽ hệ trục J - s Lấy đoạn thẳng AB trên trục 0s, AB = S/S = 178,7234 (mm)

- Tại A dựng đoạn thẳng AC về phía trên AB, với:

- Nối đoạn CF và DF, ta phân chia các đoạn CF và DF thành 8 đoạn nhỏ bằng nhau

và ghi số thứ tự cùng chiều, chẳng hạn như trên đoạn CF: C,1,2,3, ,7,F ; trên đoạn FD: F,1’,2’,3’, ,7’,D’ Nối các điểm chia 11', 22', 33', Đường bao của các đoạn này là đường cong biểu diễn gia tốc của piston J  f (S).

Hình 1.4 Đồ thị Tôlê

2.2 Động lực học cơ cấu khuỷu trục thanh truyền:

Tính toán động lực học cơ cấu khuỷu trục thanh truyền nhằm mục đích xác định các lực do hợp lực của lực quán tính và lực khí thể tác dụng lên các chi tiết trong cơ cấu ở mỗi vị trí của khuỷu trục để phục vụ cho việc tính toán sức bền, nghiên cứu trạng thái mài mòn của các chi tiết máy và tính toán cân bằng động cơ

Trong quá trình làm việc của động cơ, cơ cấu khuỷu trục thanh truyền chịu tác dụng của các lực sau: Lực quán tính do các chi tiết có khối lượng chuyển động ; Lực khí thể

; trọng lực ; Lực ma sát Trừ trọng lực ra, chiều và trị số của các lực khác đều thay đổi theo vị trí của piston trong các chu kỳ công tác của động cơ Trong các lực nói trên lực

quán tính và lực khí thể có trị số lớn hơn cả, nên trong quá trình tính toán ta chỉ xét

đến hai loại lực này

2.2.1 Xác định khối lượng:

2.2.1.1 Khối lượng tham gia chuyển động thẳng:

Các chi tiết máy trong cơ cấu khuỷu trục thanh truyền tham gia vào chuyển động

tịnh tiến bao gồm các chi tiết trong nhóm piston và khối lượng của thanh truyền quy

dẩn về đầu nhỏ thanh truyền

Ta có: m' m np m1.

Trong đó: m np : khối lượng nhóm piston m pt  0,8(kg)

m1 : khối lượng thanh truyền tham gia chuyển động tịnh tiến quy dẫn

về đầu nhỏ thanh truyền

m1 = (0,275  0,35).m tt

Ta chọn : m1  0,3*m tt  0,3*1 0,3(  kg)

Vậy khối lượng các chi tiết tham gia chuyển động tịnh tiến là :

m' m npm1 0,8 0, 3 1,1(   kg)

2.2.1.2 Khối lượng các chi tiết tham gia chuyển động quay:

Khối lượng tham gia chuyển động quay trong cơ cấu khuỷu trục thanh truyền gồm

phần khối lượng nhóm thanh truyền quy dẩn về đầu to, khối lượng khuỷu trục gồm có

khối lượng chốt khuỷu và khối lượng má khuỷu quy dẩn về tâm chốtï khuỷu

m'R m2 m k

Trong đó : m2 : khối lượng chuyển động quay của thanh truyền quy dẫn

về đầu to thanh truyền

m2  0, 7 *m tt  0, 7 *1 0, 7(  kg)

m k :khối lượng của khuỷu trục

Khuỷu trục có kết cấu 2 má khuỷu như nhau

m k m ck  2m mr

Trong quá trình tính toán, thiết kế và để xây dựng các đồ thị được tiên lợi thì người

ta thường tính toán khối lượng chuyển động tịnh tiến và khối lượng chuyển động quay

của cơ cấu khuỷu trục thanh truyền thường tính trên đơn vị diện tích đỉnh piston

2.2.2.Xác định lực quán tính các chi tiết tham gia chuyển động tịnh tiến:

- Lực quán tính các chi tiết tham gia chuyển động tịnh tiến:

) 2 cos (cos

Kết hợp đồ thị Brick và đồ thị công như ta đã vẽ ở trên ta có cách vẽ như sau :

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

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

- Từ các điểm chia trên đồ thi Brick dóng các đường thẳng song song với 0p và cắt đồ thị công tại các điểm trên đường biểu diễn các quá trình nạp, nén, cháy-giản nỡ và thải Qua các giao điểm này ta kẻ các đường ngang song song với trục hoành sang hệ trục toạ độ p-

- Từ các điểm chia trên trục 0 kẻ các đường song song với trục 0p, những đường này cắt các đường dóng ngang tại các điểm ứng với các góc chia của đồ thị Brick và phù hợp với quá trình làm việc của động cơ Nối các giao điểm này lại ta có đường cong khai triển đồ thị p - với tỷ lệ xích :

N

P1 Ptt

l Pk

T Ptt

P1 Ptt N Z

Ptt O

cos 

,tg  phụ thuộc vào giá trị  , cho trong bảng phụ lục sách Kết Cấu và Tính Toán Động Cơ tập I

Sau khi lập bảng xác định các giá trị T,Z,N Ta vẽ đồ thị T,Z,N theo  trên hệ trục toạ độ vuông góc chung (T,Z,N - ) Với tỷ lệ xích :

4 180

Khuỷu trục của xylanh thứ 2 nằm ở vị trí α2 = 1800

Khuỷu trục của xylanh thứ 3 nằm ở vị trí α3 = 5400

Khuỷu trục của xylanh thứ 4 nằm ở vị trí α4= 3600

2.2.6.Đồ thị véc tơ phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu :

- Đồ thị véc tơ phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu dùng để xác định lực tác dụng lên chốt khuỷu ở mỗi vị trí của trục khuỷu Từ đồ thị này ta có thể tìm trị số trung bình của phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu cũng như có thể dễ dàng tìm được 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 dầu bôi trơn và để xác định phụ tải khi tính sức bền ở trục

- Khi vẽ đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu có thể chưa cần xét đến lực quán tính chuyển động quay của khối lượng thanh truyền m2 quy về tâm chốt khuỷu vì phương

và trị số của lực quán tính này không đổi sau khi vẽ xong ta xét

- Vẽ hệ toạ độ T - Z gốc toạ độ 0' trục 0’Z có chiều dương hướng xuống dưới

- Chọn tỉ lệ xích :µ T = µ N = µ Z = 0,029 (MN/m2.mm)

- Đặt giá trị của các cặp (T.Z) theo các góc  tương ứng lên hệ trục toạ độ T - Z Ứng với mỗi cặp giá trị (T.Z) ta có một điểm đánh dấu các điểm từ 0 , 1 , 2 ,  72 ứng với các góc  từ  

S

m MN

Với tỷ lệ xích Z ta dời gốc toạ độ 0’ xuống 0 một đoạn 0’0

0 '0 1, 5274 52, 67( )

0, 029

Ro z

P

mm



+ Đặt lực P R0về phía dưới tâm 0’ ta có tâm 0 đây là tâm chốt khuỷu

- Từ tâm O vẽ vòng tròn tượng trưng chốt khuỷu

+ Xác định giá trị, phương chiều và điểm đặt lực

Giá trị của lực là độ dài véctơ tính từ gốc 0 đến vị trí bất kì mà ta cần

Chiều của lực hướng từ tâm 0 ra ngoài

Điểm đặt của lực là giao của phương kéo dài về phía 0 của véctơ lực và đường tròn tượng trưng cho chốt khuỷu

Q : là hợp lực của các lực tác dụng lên chốt khuỷu

- Khai triển đồ thị phụ tải ở toạ độ độc cực trên thành đồ thị Q - rồi tính phụ tải trung bình Q tb

0 Với P tt T Z và trị số của P tt được lấy ở đồ thị véctơ phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu Nối các đầu nút véctơ lại ta sẽ có đường cong biểu diển đồ thị khai triển Q f( )

c c

2.2.8.Đồ thị phụ tải tác dụng lên đầu to thanh truyền:

Dựa trên nguyên lý lực và phản lực tác dụng tại một điểm bất kỳ trên chốt khuỷu và đầu to thanh truyền và xét đến sự chuyển động tương đối giữa chúng ta có thể xây dựng được đồ thị phụ tải tác dụng lên trục khuỷu Sau khi vẽ được đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu ta căn cứ vào đó để vẽ đồ thị phụ tải của ổ trượt ở đầu to thanh truyền

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 tờ giấy bóng bằng các điểm 0, 1, 2, 3, , 72

Nối lần lượt các điểm vừa đánh dấu trên tờ giấy bóng theo đúng thứ tự ta được đồ thị phụ tải tác dụng lên đầu to thanh truyền

- Xác định giá trị phương chiều và điểm đặt lực :

+ Giá trị là độ dài của véctơ tính từ tâm O đến bất kỳ vị trí nào ta cần xác định trên

đồ thị

+ Chiều của lực từ tâm O đi ra

+ Điểm đặt là giao điểm của véctơ và vòng tròn tượng trưng cho đầu to thanh truyền