đồ-án-tính-toán-piston

Khoa Cơ Khí Động Lực – Trường ĐHSPKT Hưng Yên NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… Hưng Yên,ngày 17 tháng 11 năm 2014 Giáo viên hướng dẫn Bùi Hà Trung Đồ Án Môn Học Khoa Cơ Khí Động Lực – Trường ĐHSPKT Hưng Yên Mục lục I.Mô tả chung piston…………………………………………… …4 1.1.Piston…………………………………………………………………………… 1.1.1.Nhiệm vụ…………………………………………………………………………………… 1.1.2.Điều kiện làm việc……………………………………………………………………… …4 1.1.3.Vật liệu chế tạo piston…………………………………………………….……………… 1.1.4.Kết cấu piston…………………………………………………………… 1.2.Chốt piston…………………………………………………………………………………… 1.2.1.Nhiệm vụ………………………………………………………………………………… ….8 1.2.2.Điều kiện làm việc………………………………………………………………………… 1.2.3.Vật liệu chế tạo……………………………………………………………………….….… 1.2.4.Kết cấu kiểu lắp ghép chốt piston………………………………………… …… 1.3.Xéc măng………………………………………………………….…………………….… 10 1.3.1.Nhiệm vụ……………………………………………………………………………….… 10 1.3.2.Điều kiện làm việc xéc măng…………………………………………………….… 10 1.3.3.Vật liệu công nghệ chế tạo phôi xéc măng……………………………………… 10 1.3.4.Kết cấu xéc măng…………………………………………………………………… 11 II.Xác định thông số cần thiết ………………………………… .13 2.1.Thông số ban đầu,thông số chọn piston…………………………………………… 13 2.1.1.Các thông số ban đầu…………………………………………… 13 Đồ Án Môn Học Khoa Cơ Khí Động Lực – Trường ĐHSPKT Hưng Yên 2.1.2.Xác định kích thước piston,chốt piston.xéc măng 15 2.1.3.Các thông số chọn piston,chốt xéc măng………………………… 17 ІІІ.Tính toán kiểm nghiệm bền piston………………………………………….18 3.1.Tính toán kiểm tra bền cho piston……………………………………………………… 18 3.1.1.Tính sức bền đỉnh piston………………………………………………………………… 18 3.1.2.Tính sức bền đầu piston…………………………………………………………… … 20 3.1.3.Tính sức bền thân piston………………………………………………………….……….22 3.1.4.Tính sức bền bệ chốt……………………………………………………………………….23 3.1.5.Tính khe hở piston xylanh…………………………….………………….… … 23 Đồ Án Môn Học Khoa Cơ Khí Động Lực – Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ Án Môn Học Khoa Cơ Khí Động Lực – Trường ĐHSPKT Hưng Yên LỜI NÓI ĐẦU Động đốt ngày phát triển mạnh giữ vai trò quan trọng kinh tế quốc dân nông nghiệp, giao thông vận tải đường bộ, đường sắt, đường biển, đường hàng không nhiều ngành công nghiệp khác Từ mở cửa, hội nhập phát triển kinh tế đất nước đạt nhiều thành tựu khoa học kỹ thuật mặt đời sống xã hội nói chung.Một thành tựu trình công nghiệp hoá đại hoá Để xây dựng thành công trình CNH-HĐH đòi hỏi phải xây dựng khoa học kỹ thuật công nghệ tương ứng.Ngành công nghiệp Ôtô ngành phục vụ hiệu cho trình CNH-HĐH Ngành công nghiệp Ôtô ngành mới,nhưng diễn sôi động quốc gia khác giới.Nhận thức đắn tầm quan trọng ngành công nghiệp Đảng Nhà nước ta có sách phù hợp thúc đẩy phát triển ngành công nghiệp Ôtô nước,từng bước phát triển tiến tới sản xuất Ôtô nước ta mà nhập Môn “Thiết kế Tính toán Ôtô”là môn học đóng vai trò quan trọng việc thiết lập sở khoa học để thiêt kế kiểm nghiệm bền chi tiết, cấu,hệ thống cấu thành nên Ôtô Môn học tảng ngành kỹ thuật Ôtô đòi hỏi phải xây dựng từ bước Xuất phát từ điều kiện trên,em nhà trường khoa giao cho đề tài: “Tính toán kiểm nghiệm bền cho piston” Trong trình thực đề tài, bảo tận tình thầy cô khoa, đặc biệt thầy Bùi Hà Trung, với cố gắng thân đến em hoàn thành đề tài Do điều kiện thời gian hạn chế trình độ thân,thêm vào vấn đề nghiên cứu mẻ nên đề tài không tránh khỏi sai sót Vì em mong nhận đóng góp, bổ sung Thầy - Cô giáo khoa bạn đồng nghiệp để đề tài hoàn thiện Em chân thành cảm ơn! Đồ Án Môn Học Khoa Cơ Khí Động Lực – Trường ĐHSPKT Hưng Yên PHẦN I : MÔ TẢ KHÁI QUÁT CHUNG VỀ NHÓM PISTON 1.1 Piston 1.1.1 Nhiệm vụ: Piston chi tiết máy quan trọng thuộc cấu trục khuỷu – truyền động đốt trong, có nhiệm vụ : - Cùng với nắp máy, xylanh bao kín tạo thành buồng cháy - Truyền lực khí thể cho truyền nhận lực từ truyền để nén hỗn hợp khí- nhiên liệu - Ngoài môt số động hai kỳ, píston có nhiệm vụ đóng mở cửa nạp thải cấu phối khí 1.1.2 Điều kiện làm việc Do điều kiện làm việc piston khắc nghiệt, cụ thể là: a Tải trọng học lớn có chu kỳ - Áp suất lớn, đến 120 kg/cm2 - Lực quán tính lớn, đặc biệt động cao tốc b Tải trọng nhiệt Do tiếp xúc trực tiếp với khí cháy có nhiệt độ (khoảng 2200 – 2800oK) nên nhiệt độ phần đỉnh piston đến khoảng (500 – 800)oK Do nhiệt độ cao, piston bị giảm sức bền, bó kẹt, nứt, làm giảm hệ số nạp, gây kích nổ…., làm đầu nhờn chóng bị phân huỷ c Ma sát ăn mòn hoá học Do lực ngang N nên pitston xylanh có ma sát lớn Điều kiện bôi trơn khó khăn, thông thường vung té nên khó bảo đảm bôi trơn hoàn hảo Mặt khác thường xuyên tiếp xúc trực tiếp với sản vật cháy có chất ăn mòn axít nên piston chịu ăn mòn hóa học 1.1.3 Vật liệu chế tạo piston Vật liệu chế tạo piston phải đảm bảo cho piston làm việc ổn định lâu dài điều kiện làm việc khắc nghiệt nêu Trong thực tế số vật liệu sau dùng để chế tạo piston - Gang : Thường dùng gang xám, gang dẻo, gang cầu Gang có sức bền nhiệt bền học cao, hệ số giãn dài nhỏ nên khó bị bó kẹt, dễ chế tạo rẻ Tuy nhiên gang Đồ Án Môn Học Khoa Cơ Khí Động Lực – Trường ĐHSPKT Hưng Yên nặng nên lực quán tính piston lớn gang dùng động tốc độ thấp Mặt khác hệ số dẫn nhiệt gang nhỏ nên nhiệt độ đỉnh piston cao - Hợp kim nhôm: hợp kim nhôm có nhiều ưu điểm nhẹ, hệ số dẫn nhiệt lớn, hệ số ma sát với gang nhỏ, dễ đúc, dễ gia công nên dùng phổ biến để chế tạo piston Tuy nhiên hợp kim nhôm có hệ số giãn nở dài lớn nên khe hở piston xylanh phải lớn để tránh bó kẹt Do lọt khí nhiều từ buồng cháy xuống hộp trục khuỷu động, khó khởi động có tiếng gõ piston đổi chiều Ở nhiệt độ cao sức bền piston giảm nhiều Ví dụ nhiệt độ tăng từ 288 o K lên 623 o K sức bền hợp kim nhôm giảm 65% đến 70 % sức bền gang giảm 18% đến 20% Mặt khác piston làm hợp kim nhôm chịu mòn đắt 1.1.4 Kết cấu pitston Hình 1.1: Sơ đồ kết cấu piston a Đỉnh piston: Là phần piston, với xylanh nắp xylanh tạo thành buồng cháy Các dạng đỉnh piston động xăng động điêzel thường dùng giới thiệu hình 1.2 Có thể chia dạng đỉnh thành loại lớn: đỉnh bằng, đỉnh lồi đỉnh lõm Đồ Án Môn Học Khoa Cơ Khí Động Lực – Trường ĐHSPKT Hưng Yên a b c d e f g h i Hình 2: Các dạng đỉnh pitston - Đỉnh (hình 1.2.a) loại phổ biến Nó có diện tích chịu nhiệt bé nhất, kết cấu đơn giản, dễ chế tạo Loại đỉnh hay dùng cho piston động xăng có tỷ số nén thấp động điêzel có buồng cháy dự bị xoáy lốc - Đỉnh lồi (hình 1.2.b) Có độ cứng vững cao, không cần gân tăng bền đỉnh nên trọng lượng piston nhỏ diện tích chịu nhiệt lớn nên nhiệt độ đỉnh thường cao đỉnh Loại đỉnh lồi thường dùng cho động xăng có buồng cháy chỏm cầu, xu páp treo (như động Craysow, plinut…) động xăng hai kỳ công suất nhỏ PD-10, Solex… - Đỉnh lõm (hình 1.2.c), tạo xoáy lốc nhẹ, tạo thuận lợi cho trình hình thành khí hỗn hợp Tuy nhiên sức bền diện tích chịu nhiệt lớn so với đỉnh Loại đỉnh dùng cho động xăng động diesel - Đỉnh chứa buồng cháy loại đỉnh thường gặp động diesel Đối với động diesel có buồng cháy đỉnh piston , kết cấu buồng cháy phải thoả mãn điều kiện sau tùy trường hợp cụ thể: + Phải phù hợp với hình dạng buồng cháy hướng chùm tia nhiên liệu để tổ chức tạo thành hỗn hơp tốt nhất.(hình 1.2 e) + Phải tận dụng xoáy lốc không khí trình nén, hình (1.2 c,f):buồng cháy omega;hình (1.2g) buồng cháy đenta; hình (1.2 h) buồng cháy MAN b Đầu piston Đồ Án Môn Học Khoa Cơ Khí Động Lực – Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đường kính đầu piston thường nhỏ đường kính thân thân piston phần dẫn hướng piston Kết cấu đầu piston phải bảo đảm yêu cầu sau: -Bao kín tốt cho buồng cháy nhằm ngăn khí cháy lọt xuống cácte dầu dầu bôi trơn từ te sục lên buồng cháy Thông thường người ta dùng xécmăng để bao kín Có hai loại xécmăng xécmăng khí để bao kín buồng cháy xécmăng dầu để ngăn dầu sục lên buồng cháy Số xécmăng tuỳ thuộc vào loại động cơ: - Động xăng : – xécmăng khí, – xécmăng dầu - Động diesel cao tốc : – xécmăng khí, – xécmăng dầu - Động diesel tốc độ thấp : – xécmăng khí, – xécmăng dầu - Tản nhiệt tốt cho xécmăng phần lớn nhiệt piston truyền qua xécmăng cho xylanh đến môi chất làm mát Để tản nhiệt tốt cho piston thường dùng kết cấu đầu piston sau: - Phần chuyển tiếp đỉnh đầu có bán kính R lớn - Dùng gân tản nhiệt đỉnh piston - Tạo rãnh ngăn nhiệt đầu piston để giảm nhiệt lượng truyền cho xécmăng thứ - Làm mát đỉnh piston ab Hình 1.3:Rãnh ngăn nhiệt phần dầu piston - Vấn đề sức bền: Tăng bền cho phần đầu piston chủ yếu gân đỉnh gân nối liền với bệ chốt, cần phải lựa chọn kiểu gân hợp lý để dễ thao tác đúc piston c Thân piston Tác dụng thân piston dẫn hướng cho piston chuyển động tịnh tiến theo phương đường tâm xylanh chịu lực ngang N Khi thiết kế phần thân piston thường phải giải vấn đề sau: - Chiều dài thân piston Đồ Án Môn Học Khoa Cơ Khí Động Lực – Trường ĐHSPKT Hưng Yên - Chiều dài thân piston định điều kiện áp suất tiếp xúc, lực ngang N gây ra, phải nhỏ áp suất tiếp xúc cho phép - Vị trí lỗ bệ chốt - Vị trí tâm chốt bố trí cho piston xylanh mòn đều, đồng thời giảm va đập gõ piston đổi chiều Một số động có tâm chốt lệch với tâm xylanh giá trị phía cho lự ngang Nmax giảm để hai bên chịu lực N piston xylanh mòn Trạng thái biến dạng piston giới thiệu hình 1.4 a b c Hình 1.4: Trạng thái biến dạng chốt piston -Hình 1.4.a trạng thái biến dạng thân piston chịu nhiệt độ cao Do kim loại tập trung phần bệ chốt nên chịu nhiệt thân piston giãn nở theo đường tâm chốt -Hình1 4.b trạng thái biến dạng thân piston piston chịu lực khí thể Áp suất khí thể uốn cong đỉnh làm thân bị biến dạng theo phương đường tâm chốt -Hình1 4.c trạng thái biến dạng piston thân chịu tác động lực ngang N Chiều biến dạng trùng với phương đường tâm chốt Để khắc phục tình trạng bó piston người ta thường dùng biện pháp thiết kế sau: - Chế tạo thân piston có dạng ô van, trục ngắn trùng với phương đường tâm chốt - Tiện vát đúc lõm hai đầu bệ chốt để lại cung khoảng 900 -100 để chịu lực mà không ảnh hưởng nhiều đến phân bố lực - Xẻ rãnh chữ T, chữ U ngược rãnh ngang rãnh xéc măng dầu - Đúc gắn miếng hợp kim inva vào vùng bệ chốt để hạn chế giãn nở vùng bệ chốt Do trạng thái nhiệt piston giảm dần từ phía đỉnh xuống đến chân piston nên khe hở piston xylanh giảm dần d Chân piston 10 Đồ Án Môn Học 10 Khoa Cơ Khí Động Lực – Trường ĐHSPKT Hưng Yên =V .2,5.=0,5025 (kg ) FI − I Tính diện tích tiết diện I-I Áp dụng công thức : ((m ) - Tính gia tốc lớn piston Áp dụng công thức : J = Rω ( cos α + λ cos 2α ) Trong đó: thông số kết cấu, λ =R/l=0,057/0,28= 0,203 λ -R bán kính quay trục khuỷu (mm), R =57,5 (mm) ω vận tốc góc piston (rad/s) xác định theo công thức Từ biểu thức tính gia tốc J J ta nhận thấy đạt giá trị cực đại α = ⇒ cos α = Khi ta có: J max = R.ω (1 + λ ) 30 Đồ Án Môn Học 30 Khoa Cơ Khí Động Lực – Trường ĐHSPKT Hưng Yên (1+0,203)=4741,03 (m / s ) (N/m2) = 0,671089 (MN/m2) Nhận xét thấy )đầu piston thỏa mãn sức bền kéo - Ứng suất nén: Ứng suất nén tiết diện I-I xác định theo công thức: Thay số ta Đối với piston làm gang ta có =40 () đầu piston thỏa mãn điều kiện chịu nén 31 Đồ Án Môn Học 31 Khoa Cơ Khí Động Lực – Trường ĐHSPKT Hưng Yên 3.1.3 Tính sức bền thân piston Để kiểm tra xem thân piston có đảm bảo bền không ta cần phải tính áp suất nén thân piston lên vách xylanh sau so sánh với áp suất nén cho phép Áp dụng công thức sau : K th = N max , ( MN / m ) D.l th K th Trong đó: áp suất tác dụng lên vách xylanh lth dài thân piston chiều +3.0,003+3.0,003(m) N max lực ngang cực đại tính theo công thức kinh nghiệm Chọn Trong : P∑ = Pkt + p j Pkt Pkt lực khí thể 0,103 =Pz = (MN) pj =(m1+mnp)j m1 khối lượng truyền quy dẫn đầu nhỏ m1= 0,35.mtt= 0,35.3,5= 1,225 (kg) (kg) 32 Đồ Án Môn Học 32 Khoa Cơ Khí Động Lực – Trường ĐHSPKT Hưng Yên pj Vậy + 3,5).4741,03 = 17660,33 Do =(1,225 (N) (N) (N) = 10-3 (MN) (MN/m2) K th Nhận xét thấy < [ K th ] =0,6 – 1,2 (MN/m ) Vậy thân piston đảm bảo bền 3.1.4 Tính sức bền bệ chốt piston Đối với bệ chốt piston ta cần tính áp suất nén để kiểm tra xem có đảm bảo điều kiện bôi trơn không Áp suất nén bệ chốt piston xác định theo công thức: Kb = Pz 2.d ch l1 (MN/m2) d ch Trong đó: - đường kính chốt piston , d ch = (0,3÷0,45)D (m) Ta có d ch = (0,04 ÷ 0,06) chọn bệ chốt tiếp xúc với chốt: d ch l1 = 0,04 mm chiều dài 33 Đồ Án Môn Học 33 Khoa Cơ Khí Động Lực – Trường ĐHSPKT Hưng Yên l1 = l cp = d 0,123 = = 0,041 3 (m) (MN/m2) Đối với chốt lắp tự do, piston làm gang ta có [ K b ] = 35 ( MN / m ) Nhận xét thấy Kb < [ Kb ] ⇒ bệ chốt piston đảm bảo bền 3.1.5 Tính khe hở piston xylanh Nói chung khe hở liên quan nhiều đến khả truyền dẫn nhiệt qua vách xylanh Nếu coi nhiệt độ trung bình xylanh 100 C khe hở lắp ráp piston phải lựa chọn cho đỉnh piston không vượt 4000 C đông diezel Khe hở nóng piston trạng thái làm việc xác định theo công thức kinh nghiệm sau đây: ∆ ′ = λ ′.D Khe hở piston tiêu chuẩn phải nhỏ 0,35 (mm) Trong : λ′ khe hở tương đối piston 34 Đồ Án Môn Học 34 Khoa Cơ Khí Động Lực – Trường ĐHSPKT Hưng Yên + Khe hở piston xylanh phần đỉnh piston λđ′ = 0,002 ÷ 0,0025 (mm) λđ′ = 0,0023 Chọn (mm) ∆ ′đ = λ đ′ D = 0,0023.0,135 = 3,105.10 −4 (mm) + Khe hở piston xylanh phần thân piston λth′ = 0,001 ÷ 0,0015 (mm) λth′ = 0,001 Chọn (mm) ∆ ′th = λth′ D = 0,0013.0,135 = 1,755.10 −4 (mm) Vậy khe hở piston nằm phạm vi cho phép nên đảm bảo 35 Đồ Án Môn Học 35 Khoa Cơ Khí Động Lực – Trường ĐHSPKT Hưng Yên 3.2 Tính kiểm nghiệm chốt piston Chốt piston làm việc trạng thái chịu uốn, chịu cắt, chịu va đập biến dạng Trạng thái chịu lực chốt theo sơ đồ hình 3.2.1 Ứng suất uốn Nếu coi chốt piston dầm đặt tự hai gối đỡ, lực tác dụng phân bố theo hình 1.4 Khi chịu lực khí thể, chốt bị uốn lớn tiết diện chốt Mômen uốn chốt xác định theo công thức Mô dun chống uốn tiết diện chốt piston bằng: 0,1dcp3(1-α4) (m3) Trong đó: l - Khoảng cách hai gối đỡ m lđ - Chiều dày đầu nhỏ truyền m dcp - Đường kính chốt piston m d0 - Đường kính lỗ rỗng chốt m 36 Đồ Án Môn Học 36 Khoa Cơ Khí Động Lực – Trường ĐHSPKT Hưng Yên Nếu coi chiều dài chốt piston lcp3l1và l1lđ ứng suất uốn tính theo công thức 10-11/Trang 63 [I] 155,2928 (MN/m2 ) Với chốt piston làm vật liệu thép hợp kim có [σu]=150250 (MN/m2) Ta có σu=155,2928(MN/m2 )< [σu] Vậy chốt piston đảm bảo điều kiện bền uốn 3.2.2 Ứng suất cắt Chốt piston chịu cắt tiết diện I-I Ứng suất cắt xác định theo công thức 1015/Trang63 (I) (MN/m2) Trong Fcp tiết diện ngang chốt ,m 1,25.10-3 (m ) 41 Với chốt piston làm vật liệu thép hợp kim ta có [ c]=5060 (MN/m2 ) (MN/m2) Ta có: c= 41 MN/m2 < [ c] Vậy chốt piston đảm bảo điều kiện bền cắt 37 Đồ Án Môn Học 37 Khoa Cơ Khí Động Lực – Trường ĐHSPKT Hưng Yên 3.2.3 Áp suất tiếp xúc với đầu nhỏ truyền Áp dụng công thức 10-17/Trang 63 (I) (MN/m2) 20,42 Đối với chốt lắp tự [Kđ]=20-35MN/m2 Kđ=20,42 Vậy áp suất tiếp xúc thỏa mãn điều kiện 3.2.4 Độ biến dạng tương đối Khi chịu lực chốt rỗng,thường bị biến dạng hình ôvan.Nếu độ biến dạng lớn gây bó kẹt Độ biến dạng tiết diện ngang tính theo công thức 10-18/Trang64 (I) Trong đó: k-Hệ số hiệu đính xác định theo k=[1,5-15(-0,4)3] k=1,38 E-Môđun đàn hồi thép ; E=2.105 MN/m2 1,5 6,7829.10-6 (MN/m2) Độ biến dạng tương đối tính theoo công thức 10-19/Trang 64 [I] 38 Đồ Án Môn Học 38 Khoa Cơ Khí Động Lực – Trường ĐHSPKT Hưng Yên 3.2.5 Ứng suất biến dạng Do biến dạng thành hình ô van nên tiết diện piston sản sinh ứng suất biến dạng Trên điểm 1,2,3,4 có ứng suất lớn Ứng suất biến dạng tính theo công thức 10-20, 10-21, 10-22, 10-23/Trang 64, 65 [I] Tại điểm mặt ngoaig (=0) ứng suất kéo : Tại điểm mặt (=90) ứng suất nén : Tại điểm mặt (=0) ứng suất nén : ) Tại điểm mặt (=90) ứng suất kéo : 39 Đồ Án Môn Học 39 Khoa Cơ Khí Động Lực – Trường ĐHSPKT Hưng Yên Ta có :[σmax]= 60170 MN/m2 Theo tính toản điểm có ứng suất nén lớn điểm có ứng suất kéo lớn σmax=MN/m2 D/t=25 Chọn A/t=3,với t=6mm => A=18 mm=0,018m 3.3.1 Ứng suất uốn xéc măng trạng thái làm việc Theo công thức 10-35/Tr77 [I] ta có: (Mn/m2 ) Trong đó: Cm-hệ số phân bố áp suất không đẳng áp,Cm=1,74-1,87;chọn Cm=1,8 ξ – Hệ số điều chỉnh ξ =0,196 E-mô đun đàn hồi gang hợp kim E=1,20.120MN/m2 => =272,586 (MN/m2) σu1=272,586 MN/m2