GIÁO TRÌNH CẤU TẠO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

GIÁO TRÌNH, CẤU TẠO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

chơng I.

Động học, động lực học của cơ cấu trục khuỷu

thanh truyền.

1.1 động học của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền giao tâm.

Trong động cơ đốt trong kiểu piston, thờng dùng hai loại cơ cấu trục khuỷu thanhtruyền loại giao tâm là loại đờng tâm chốt piston nằm trên mặt phẳng chứa đờng tâmxylanh và tâm trục khuỷu ; loại lệch tâm là loại đờng tâm chốt piston không nằm trên mặtphẳng chứa đờng tâm xylanh ( loại lệch tâm chốt) hoặc mặt phẳng chứa đờng tâm xylanhkhông chứa đờng tâm trục khuỷu ( loại lệch tâm xylanh)

1.1.1.Qui luật động học của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền giao tâm.

Nghiên cứu qui luật chuyển động tịnh tiến của piston là nhiệm vụ chủ yếu của độnghọc để tiện việc nghiên cứu, ta giả thiết trong quá trình làm việc, trục khuỷu quay vớimột tốc độ góc không đổi.

1 Chuyển vị của piston

Hình 1.1 giới thiệu sơ đồ của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền giao tâm Từ hình 1.1

ta thấy chuyển vị x tính từ điểm chết trên (ĐCT) của piston tuỳ thuộc vào vị trí của trụckhuỷu ( trị số của x thay đổi theo góc quay  của trục khuỷu ) Từ hình vẽ ta có:

R là bán kính quay của trục khuỷu

 là góc quay của trục khuỷu tơng ứng với x tính từ điểm gốc trên (ĐGT)

 là góc lệch giữa đờng tâm thanh truyền và đờng tâm xylanh

Đây là dạng công thức chính xác của chuyển vị piston Để tính toán trị số gần đúng của x,

ta có thể dùng công thức gần đúng Từ tam giác OCB’, ta có:

2 sin ( 1 sin ) 1

Khai triển vế phải của đẳng thức trên theo nhị

thức niutơn ta có :

sin 16

1 sin

8

1 sin

Bỏ các số hạng luỹ thừa bậc 4 trở lên rồi thay trị

số gần đúng của cos vào phơng trình (1-1),

sau khi rút gọn ta có công thức gần đúng sau

đây:

)]

2 cos 1 ( 4 ) cos

trong bảng thống kê ở phần phụ lục

(Kết cấu và tính toán động cơ đốt

d d

d d

d

t

x t

vRB

Trong đó :

sin 2 )

2 (sin   

.

s m n S

Loại động cơ tốc độ trung bình : v tb  6 , 5  9 (m/s)

Loại động cơ tốc độ cao: v tb  9 (m/s)

3.Gia tốc của piston.

Lấy đạo hàm của công thức (1-3) đối với thời gian ta có công thức tính gia tốc củapiston:

d d

d d

d

t

v t

d j

Tức là : (sin   2  sin 2  )  sin   4  sin  cos   sin  ( 1  4  cos  )  0

Từ phơng trình trên ta có :

0 sin   khi   0 và   180 0

0 cos 4

4

1 arccos(

1 ( )

8

1 (

2 2

2 2

a

b

α'º 180º

Hình 1.2 quan hệ của hàm số j  f( ) khi   1 / 4 và   1 / 4

4 Qui luật động học của thanh truyền.

Chuyển động của thanh truyền cơ cấu trục khuỷu thanh truyền là chuyển động songphẳng : đầu nhỏ chuyển động tịnh tiến, đầu to chuyển động quay Chuyển động của thanhtruyền biến thiên theo quan hệ sau:

) sin arcsin(  

  (1- 7)Góc lệch này đạt trị số cực đại khi   90 0 và   270 0 Lúc đó max  arcsin 

Lấy đạo hàm 2 vế của công thức (1-7) đối với thời gian ta có công thức tính vận tốcgóc của thanh truyền:

d d

d d

d

t t

Trong đó  là vận tốc góc của trục khuỷu

Do sin    sin  nên đạo hàm 2 vế của đẳng thức ta có:

Thay quan hệ trên vào (1-8) ta có :

Đạo hàm 2 vế công thức (1-9) đối với thời gian ta có công thức tính gia tốc góc củathanh truyền:

d d

d d

t

tt t

(

sin )

1 (

1.2 động học của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền lệch tâm.

1.2.1 Qui luật động học của piston của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền lệch tâm.

Trong một số động cơ đốt trong, nhất là các động cơ cao tốc, hành trình ngắn, ngời

ta thờng dùng cơ cấu trục khuỷu thanh truyền lệch tâm để nhằm đạt 2 mục đích sau:

- Giảm lực ngang N tác dụng lên xylanh do đó giảm đợc độ va đập, giảm mài mònpiston, xéc măng và xylanh

- Tăng đựơc dung tích công tác của xylanh trong khi vẫn giữ nguyên đờng kính D vàbán kính quay R của trục khuỷu

Sơ đồ cơ cấu trục khuỷu thanh truyền lệch tâm giới thiệu trên hình 1.3 Độ lệch tâmluôn luôn lệch theo chiều quay(nằm về phía phải đờng tâm xylanh) do đó cơ cấu này cónhiều điểm khác biệt về động học so với cơ cấu giao tâm

1 Vị trí điểm chết.

Nh trên hình 1.3 ta thấy khi piston lên đến điểm chết trên A’ thì tâm chốt khuỷu Btrùng với A1, lệch với đờng tâm xylanh một góc 1 Khi chốt piston xuống đến điểmchết dới A’’ thì tâm chốt khuỷu trùng với A2 và lệch với đờng tâm xylanh một góc 2

Do (2-1)>1800 nên ta dễ dàng rút ra kết luận là quá trình nạp lý thuyết của cơ cấutrục khuỷu thanh truyền lệch tâm đợc kéo dài

Vị trí của ĐCT và ĐCD xác định dễ dàng qua

1

 và 2 Từ tam giác A’OE và A’’OE ta rút

ra :

R l

a OA

a OA

R là bán kính quay của trục khuỷu.

2 2

1 S (l R) a (l R) a S

Thực vậy để vế thứ 2 tồn tại, phải đảm bảo điều kiện dới đây:

3 Chuyển vị, vận tốc và gia tốc của piston.

a Chuyển vị của piston

Từ hình 1.3 ta thấy khi trục khuỷu quay đi một góc  , chuyển vị của piston tính từ

ĐCT A’ có thể xác định theo công thức sau:

x

S S

x 1 Trong đó

Hình 1.3 Cơ cấu trục khuỷu

thanh truyền lệch tâm

) cos

1 (cos cos

1 1 (

Do: cos  1  sin 2   1   2 (sin   k) 2

Nên nếu khai triển cos  theo dạng cấp số, rồi loại bỏ các số hạng có số mũ cao ta có:

2 / 1 2

2 (sin ) ] 1

[(

cos       k

2 2 2

2 2

2

1 sin sin

Nên : 2 2 2 2 2

2

1 sin 2

cos 4

1 4

1 1 cos          k    k

=    cos 2   sin 

4

1 ) 2

1 4

1 1 (  2  2k2  2  2k

Thay tất cả vào (1-12) sau khi rút gọn ta có :

2 cos 1 ( 4 ) cos 1

sin 2 (sin    







k R

d

d d

d d

d v

t

x t

c Gia tốc của piston.

Lấy đạo hàm 2 vế của phơng trình (1-18) đối với thời gian ta có công thức tính giatốc piston:

) sin 2

cos (cos

d

d d

d d

d j

t

v t

2

1 4

1 1 ( )

1 1

(

R

) (sin sin      k (1-20)

Do đó chuyển vị góc của thanh truyền của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền lệch tâm đợcxác định dễ dàng theo công thức trên:

d d

d d

t

tt t

) 1 (

) 1 (

1.3 động lực học của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền

1.3.1 Khối lợng của các chi tiết chuyển động.

Khối lợng của các chi tiết máy của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền đựơc chia làm 2loại :

+ khối lợng chuyển động tịnh tiến

+ khối lợng chuyển động quay

Dới đây lần lợt xét khối lợng của các mhóm chi tiết trong cơ cấu trục khuỷu thanh truyền

1 Khối lợng của nhóm piston.

Khối lợng của nhóm piston bao gồm khối lợng của piston, xéc măng, cần guốctrợt, guốc trợt…

mnp = mp + mx + mc + mg + …… (kg)

Khối lợng nhóm piston là khối lợng chuyển động tịnh tiến

2 Khối lợng của thanh truyền.

Do thanh truyền chuyển động song phẳng : đầu nhỏ chuyển động tịnh tiến, đầu tochuyển động quay nên khi xét khối lợng của thanh truyền phải qui dẫn về 2 tâm: tâm đầunhỏ và tâm đầu to

Nói chung khi thay thế thanh truyền thực bằng các khối lợng tơng đơng, bao giờ tacũng phải đảm bảo điều kiện bảo toàn của động năng và thế năng Các phơng án qui dẫnkhối lợng của thanh truyền giới thiệu trên hình 1.4

A

G l

l 1

B B

B B

K

Hình 1.4 Các phơng án qui dẫn khối lợng của thanh truyền

Phơng án (a) thay thế khối lợng thanh truyền bằng hệ tơng đơng một khối lợng tậptrung ở trọng tâm G Khi thay thế theo phơng án này, khối lợng mtt vẫn chuyển động songphẳng, vì vậy qua tính toán ta thấy rằng nếu thay thế thanh truyền thực bằng hệ tơng đơngmột khối lợng thì cơ cấu trục khuỷu thanh truyền sẽ chịu tác dụng của một khối lợngchuyển động tịnh tiến:

đặt tại tâm đầu to

Ngoài ra cơ cấu còn chịu một mômen:

Mc =mtt tt.l1( l – l1 )

Mômen Mc đợc gọi là mômen thanh truyền

Phơng án (b) thay thế thanh truyền bằng hệ tơng đơng hai khối lợng tập trung ởtâm đầu nhỏ và tâm đầu to Phơng án này tuy ý nghĩa vật lý rất rõ ràng nhng không thoảmãn đợc điều kiện động năng không đổi Cụ thể là phơng án chỉ thoả mãn 2 điều kiện:

m A  tt  (1-25)

Mômen quán tính của hệ thay thế:

G tt

tt tt

l

l m l l

l l m

Khối lợng phân bố càng xa trọng tâm thì IO càng lớn hơn IG – mômen quán tính thanhtruyền thực

Phơng án (c) phân bố thanh truyền thành 2 khối lợng: một đặt ở tâm nhỏ và một

đặt ở tâm dao động con lắc K( coi thanh truyền dao động nh một con lắc) phân bố khối ợng theo phơng án này hoàn toàn đảm bảo điều kiên động năng không đổi

Phơng án (e) phân bố thanh truyền thành 3 khối lợng để thoả mãn điều kiện độngnăng và thế năng không đổi , nghĩa là :

tt G B

0 ) ( 1

l

m A B (1-27)

G B

Ngày nay thanh truyền ở các loại động cơ ô tô thờng có:

m1 = (0,275 – 0,350)mtt

m2 = (0,650 – 0,725)mtt (1-28)

3 Khối lợng của khuỷu trục.

Để xác định khối lợng của trục khuỷu, ta chia trục khuỷu thành các phần nh trênhình vẽ

l

l m

m B  tt 1

Hình 1.5. Xác định khối lợng của khuỷu trục

Trong đó phần khối lợng chuyển động quay theo bán kính R là mok (phần gạch dọctrên hình 1.5 ) Phần khối lợng chuyển động theo bán kính  là mm ( phần có gạch chéo ).Nếu đem mm qui dẫn về tâm chốt trục khuỷu bằng khối lợng mmr thì :

R m

m mr  m.

(1-29)

Do đó khối lợng chuyển động quay của trục khuỷu là:

mr ok

M  np (1-31)

Và khối lợng chuyển động quay của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền là:

2

m m

M r  k (1-32)Trong khi thiết kế, khối lợng chuyển động tịnh tiến và khối lợng chuyển động quay thờngtính trên đơn vị diện tích đỉnh piston Do đó các công thức (1-31) và (1-32) sẽ có dạng:

FP

l m m FP

M

m  ( 1 np) ;

FP

l m m FP

M

r   ( 2 ) (1-33)

1.3.2 Lực và mômen tác dụng lên cơ cấu trục khuỷu thanh truyền.

Trong quá trình làm việc, cơ cấu trục khuỷu thanh truyền chịu tác dụng của các lực sau:

- Lực quán tính của các chi tiết chuyển động

- Lực của môi chất khí bị nén và khí cháy giãn nở tác dụng trên đỉnh piston( lựckhí thể)

Lực quán tính của khối lợng chuyển động tịnh tiến nếu chỉ xét 2 thành phần đầu cóthể tính theo công thức sau:

) 2 cos (cos

Chu kỳ của lực quán tính cấp 1 ứng với 1 vòng quay của trục khuỷu Chu kỳ củalực quán tính cấp 2 ứng với 1/2 vòng quay của trục khuỷu Lực quán tính Pj luôn luôn tácdụng trên phơng đờng tâm xylanh Khi piston ở ĐCT, lực quán tính có dấu âm nên tácdụng theo hớng ly tâm đối với tâm trục khuỷu Khi piston ở ĐCD, Pj có trị số dơng chiềuquay xuống(hớng tâm trục khuỷu) Vòng xét dấu của lực quán tính cấp 1 và cấp 2 giớithiệu trên hình 1.6 Trong đó vectơ biên độ c có trị số:

Tơng tự nh trên, vectơ biên độ của lực quán tính chuyển động tịnh tiến cấp 2 c

quay với tốc độ góc 2 Trong phạm vi   0  0 45 0; 135  0 225 0 và 315  0 360 0 hìnhchiếu của vectơ biên độ có chiều quay xuống lên lực quán tính chuyển động tịnh tiến cấphai có giá trị âm

Hình 1.6 Vòng xét dấu của lực quán tính cấp 1 và cấp 2

Hình chiếu của vectơ biên độ trên trục hoành không có ý nghĩa

Lực quán tính chuyển động quay có trị số không đổi :

const R

m

P k   r 2 

(1-35)Lực quán tính này tác dụng trên đờng tâm má khuỷu và luôn luôn là lực ly tâm

2 Lực khí thể.

Lực khí thể của động cơ 4 kỳ biến thiên theo góc quay  của trục khuỷu giới thiệutrên hình vẽ.

Đờng po trên hình vẽ biểu thị áp suất khí trời, khi tính toán lực khí thể ta đều tínhtheo áp suất tơng đối

o

kt P P

P   Trong đó P là áp suất trong xylanh của động cơ

Vì vậy lực khí thể tác dụng trên đỉnh piston:

) ( 4

2

MN D P

Hình 1.7 Biến thiên của lực khí thể theo góc  của động cơ 4 kỳ.

3 Hệ lực tác dụng trên cơ cấu trục khuỷu thanh truyền giao tâm.

Lực tác dụng trên chốt piston là hợp lực của lực quán tính và lực khí thể:

P P kt P j (MN) (1-36)Lực P tác dụng trên chốt piston và đẩy thanh truyền Sơ đồ hệ lực tác dụng trên cơcấu trục khuỷu thanh truyền của động cơ 1 xylanh giới thiệu trên hình 1.8

Phân lực P thành 2 phân lực : lực Ptt

tác dụng theo đờng tâm thanh truyền và lực ngang

N tác dụng trên phơng thẳng góc với đờng tâm

Phân Ptt thành 2 phân lực : lực tiếp tuyến T và lực pháp tuyến Z tác dụng trên tâmchốt khuỷu Từ quan hệ lợng giác trên sơ đồ 1.8 ta có :

) sin(   

P tt T







cos ) sin( 

P (1-39)

) cos(   

P tt Z

Pcos( cos) (1-40)Các giá trị của biểu thức





 cos

) sin( 

và





 cos

) cos( 

tính theo  và  đợc thống kê trongbảng phụ lục (Kết cấu và tính toán động cơ đốt trong – ĐHBKHN)

Lực quán tính chuyển động quay Pk tác dụng trên chốt khuỷu

const R







(1-41)Trong đó A là khoảng cách từ lực N đến tâm trục khuỷu

Mômen MN ngợc chiều với M và tác dụng lên bulông bệ máy

Mômen cản MC và mômen quán tính khi gia tốc các chi tiết quay(J o ) vì vậy



o

C J M

(1-42)

4 Hệ lực tác dụng trên cơ cấu trục khuỷu thanh truyền lệch tâm.

Trong cơ cấu trục khuỷu thanh

truyền lệch tâm quan hệ giữa góc  và 

xác định theo (1.9) còn các công thức tính

lực và mômen của hệ lực tác dụng trên cơ

cấu lệch tâm hoàn toàn giống nh công thức

của hệ lực cơ cấu giao tâm

P tt  

Hình 1.8 Hệ lực tác dụng trên cơ cấu

trục khuỷu thanh truyền giao tâm

(1-43)



tg P

PT

PZ

) (sin 1

) (sin )

sin (cos

k

k P

P

Z     (1-46)M«men lËt : M N N.A





R

a k



Thay quan hÖ trªn vµo (1-47) ta cã :

] cos sin

N

M N

)cos(sin k tg 

R P

M N     (1-48)Tuy nhiªn, do c¬ cÊu lµ c¬ cÊu lÖch t©m nªn ngoµi m«men MN ra cßn sinh thªmmét m«men lËt kh¸c, do lùc P g©y ra

) sin (sin ,

P N

M   

) sin sin cos cos

sin (sin

1.3.3 Hệ lực và mômen tác dụng trên trục khuỷu của động cơ một hàng

Tuy vậy, các khuỷu bố trí nh thế nào còn tuỳ thuộc vào thứ tự làm việc của cácxylanh Khi lựa chọn thứ tự làm việc của các xylanh cần phải chú ý đến các vấn đề sau:

- Đảm bảo các phụ tải tác dụng trên các ổ trục bé nhất

- Đảm bảo quá trình nạp thải có hiệu quả cao nhất

- Đảm bảo kết cấu của trục khuỷu có tính công nghệ tốt nhất

- Đảm bảo tính cân bằng của hệ trục

Thông thờng khó có thể thoả mãn cùng một lúc tất cảc các yêu cầu trên mà thờng đảmbảo tính đồng đều của mômen, tính cân bằng của hệ trục và phụ tải của ổ trục phải nhỏ.Vì vậy, góc công tác của các khuỷu trục đợc tính theo công thức sau:

i ct

Từ công thức trên ta thấy góc công tác chỉ phụ thuộc vào số kỳ và số xylanh của

động cơ Do vậy mỗi kết cấu của trục khuỷu đều ứng với nhiều thứ tự làm việc khác nhau.Tuy nhiên chỉ có một hoặc hai thứ tự làm việc trong đó là đảm bảo đợc điều kiện cânbằng và phụ tải ổ trục nhỏ nhất ví dụ: trục khuỷu trên hình 1.10 của động cơ 6 xylanh, 4

kỳ có ct  1200 và ứng với 4 thứ tự làm việc sau đây:

1 và 6

3 và 4

2 và 55

Bỏnh dà1

61-2 2-3 3-4 4-5 5-6

6-0

Hình 1.10 Sơ đồ trục khuỷu của động cơ 4 kỳ, 6 xylanh

1-2-3-6-5-41-5-3-6-2-41-5-4-6-2-31-2-4-6-5-3Trong các thứ tự làm việc trên chỉ có thứ tự làm việc 1-5-3-6-2-4 là tốt nhất

2 Lực và mômen tác dụng lên trục khuỷu của động cơ một hàng xylanh.

Nh trong phần nghiên cứu hệ lực tác dụng trên trục khuỷu đã chỉ rõ: trên khuỷu thứ i

có các lực sau đây tác dụng:

- Lực tiếp tuyến T; Lực pháp tuyến Z; Lực quán tính quay Pk.; Mômen của cáckhuỷu phái trớc M i 1 , mômen Mi tác dụng trên khuỷu này, và mômen M i tácdụng trên cổ trục phía sau của khuỷu

Hình 1.11 Diễn biến của các hành trình công tác trong động cơ 4kỳ, 6 xylanh

Và thời gian ngắn nhất, tính theo góc quay của trục khuỷu, giữa 2 lần nổ của 2 xylanh kềnhau là:

- Giữa xylanh thứ 1 và xylanh thứ 2 là 2400

- Giữa xylanh thứ 2 và xylanh thứ 3 là 2400

- Giữa xylanh thứ 3 và xylanh thứ 4 là 3600

- Giữa xylanh thứ 4 và xylanh thứ 5 là 2400

- Giữa xylanh thứ 5 và xylanh thứ 6 là 2400

Vì vậy tình trạng chịu lực của các cổ trục 1-2 ; 2-3; 4-5; 5-6 hoàn toàn giống nhau.Tình trạng chịu lực của cổ trục 3-4 khác với các cổ trục khác Cổ trục 0-1 chịu tác dụngcủa lực trên khuỷu thứ 1 còn có cổ 6-0 ngoài chịu tác dụng của lực trên khuỷu thứ 6 racòn chịu thêm tải trọng bánh đà

Tổng mômen M i của các khuỷu tính theo cách lập bảng T i nh trong bảng 1

Bảng 1 tính 





6 1

i i i

T

1

 T12 T2







2 1

i

i i







3 1

i

i i







4 1

i i i

5





5 1

i i i







6 1

i i i

T

- - -

- -

- -

- -

-720

o

Sau khi vẽ đờng biểu diễn quan hệ T   ta xác định đợc tổng lực tiếp tuyến trung bình T tb dùng để nghiệm lại công suất chỉ thị của động cơ

) ( 30

.

kw T R n

N i   tb

(1-52) Trong đó :

 là hệ số hiệu đính đồ thị công

Nếu khi xác định Pkt đã căn cứ vào đồ thị công hiệu đính thì   1

n là số vòng quay của động cơ (vg/ph)

R là bán kính quay của trục khuỷu

Nếu tính lực quán tính và lực khí thể theo đơn vị diện tích đỉnh piston thì T tb

trong công thức (1-52) phải nhận thêm với diện tích đỉnh piston FP

Chơng II.

Cân bằng động cơ đốt trong.

2.1 Giới thiệu chung.

Khi động cơ làm việc ở trạng thái ổn định, nếu lực và mômen tác dụng trên bề mặt

động cơ không thay đổi trị số và chiều tác dụng thì động cơ đợc gọi là cân bằng

Khi động cơ làm việc ở trạng thái không cân bằng, lực tác dụng lên bề mặt luôn thay đổikhiến cho bulông bệ bị nới lỏng, động cơ rung động phát sinh tiếng gõ, gây lên va đập vàmài mòn và nhiều hiện tợng xấu khác

Nguyên nhân làm động cơ mất cân bằng là do các lực quán tính chuyển động tịnhtiến, lực quán tính chuyển động quay và các mômen do chúng sinh ra cha đợc cân bằng.Chính các lực mômen này tác dụng lên bệ máy và thân máy khiến động cơ rung động.Một nguyên nhân khác là động cơ tồn tại mômen lật MN, trị số của mômen này cũng luônluôn thay đổi nên gây ra rung động Cần lu ý rằng vấn đề cân bằng động cơ đốt trong chỉthảo luận ảnh hởng của lực và mômen quán tính, hoàn toàn không xét đến sự can thiệpcủa ngoại lực đối với hệ trục khuỷu nh lực khí thể trong các xylanh

Vì vậy, muốn động cơ đợc cân bằng, phải thiết kế sao cho hợp lực của lực quán tínhchuyển động tịnh tiến các cấp đều bằng 0 Hợp lực của lực quán tính quay cũng bằng 0.Mômen do các quán tính sinh ra đều bằng 0 Nh vậy điều kiện cân bằng của động cơ đốttrong đợc thể hiện trong phơng trình sau:

p j1  0 , p j2  0 ,  p k  0

M j1  0 , M j2  0 , M k  0 (2-1)

Để đạt điều kiện cân bằng trên, các nhà thiết kế thờng tăng số xylanh, lựa chọn thứ

tự làm việc tối u và dùng đối trọng lắp trên trục khuỷu Ngoài ra trong sản xuất cần đảmbảo các điều kiện cơ bản sau:

- Trọng lợng của các nhóm piston lắp trên xylanh phải bằng nhau

- Trọng lợng các thanh truyền phải bằng nhau, trọng tâm nh nhau

- Dùng cân bằng tĩnh và cân bằng động để cân bằng trục khuỷu bánh đà

- Đảm bảo tỉ số nén đều nhau, dung tích xylanh giống nhau cơ cấu phân phối khí và

hệ thống nhiên liệu phải điều chỉnh đúng quy định kỹ thuật

- Góc đánh lửa sớm, phun sớm phải giống nhau

Dới đây chúng ta lần lợt xem xét tính cân bằng của các loại động cơ

2.2 Cân bằng động cơ 1 xylanh.

Trong động cơ 1 xylanh trên hình 2.1 tồn tại các lực sau đây cha đợc cân bằng:

1 lực quán tính chuyển động tịnh tiến cấp 1:

ở hai công thức trên không có dấu (-) vì chiều của lực quán tính đã đợc quy ớc.Các lực quán tính Pj1, Pj2 đều tác dụng trên đờng tâm xylanh trị số và chiều phụ thuộc vàogóc 

3 Lực quán tính của khối lợng chuyển động quay :

PK=mr R 2=const

Tác dụng trên tâm chốt khuỷu theo chiều ly tâm

4 Mômen lật MN =-M = T.R tác dụng lên thân máy theo chiều ngợc với mômenchính

5 Mônmen thanh truyền (do quy dẫn về hai khối lợng)

Mt=[ mtt( I-I1)(I1 - IG)]tt

Cân bằng động cơ một xylanh cũng nh động cơ nhiều xylanh, chủ yếu là các biệtpháp về kết cấu để đạt các điều kiện cân bằng đã nêu trong phơng trình (2-1) Dới đây lầnlợt xét vấn đề cân bằng các lực và mômen cha cân bằng nói trên

2.2.1 Cân bằng lực quán tính chuyển động tịnh tiến.

Nếu trên phơng kéo dài của các má khuỷu, ta đặt một khối lợng m (vừa bằng khốilợng tịnh tiến của động cơ ) cách tâm o một khoảng cách bằng bán kính quay R của trụckhuỷu (hình 2.1a) nh thế khi trục khuỷu quay với vận tốc góc khối lợng m sẽ sinh ralực ly tâm :

Pđ2= mR2cos(1800+ ) =-mR2cos

Hình 2.1 (a) Sơ đồ động cơ một xylanh có lắp đối trọng

(b) Sơ đồ động cơ cân bằng Lăngxetcherơ

Phân lực này tuy tác dụng khác phơng với Pj1 nhng cực trị biên độ lại bằng nhau.Vì vậy về thực chất nếu chỉ đơn thuần lắp đối trọng m trên phơng kéo dài của má khuỷuthì không thể nào cân bằng đợc lực quán tính chuyển động tịnh tiến mà chỉ là chuyểnchiều tác dụng của lực này từ phơng thẳng đứng sang phơng nằm ngang áp dụngnguyên tắc này, ta có thể dùng đối trọng để chuyển chiều tác dụng của lực quán tínhchuyển động tịnh tiến: chuyển toàn bộ hoặc chuyển một phần đều thực hiện dễ dàng.trong thực tế Nhiều động cơ một xylanh thờng chuyển một nửa lực quán tính chuyển

động tịnh tiến trên phơng nằm ngang

Muốn cân bằng hoàn toàn lực quán tính chuyển động tịnh tiến cấp 1 và cấp 2 có thểdùng cơ cấu cân bằng Lăngxétcherơ giới thiệu trên hình 2.1(b) Các bánh răng 1, 3 và 4của cơ cấu Lăngxétcherơ có kính thớc bằng nhau, bắnh răng 1 lắp trên trục khuỷu quayvới tốc độ góc  nên các bánh răng 3, 4 lắp trên trục 5,6 cũng quay cùng tốc độ góc  Trên các cặp bánh răng 3 và 4 đều lắp đối trọng có khối lợng là m4 vì vậy khi làmviệc lực ly tâm trên mỗi bánh răng bằng :

Pkđ = 4mđrn

2



Trong đó rn là khoảng cách từ tâm đối trọng mđ đến tâm bánh răng

Do cơ cấu Lăngxétcherơ dùng 4 bánh răng lắp trên trục 5 và 6 nên hợp lực của tấtcả các phân lực của Pk4 nên phơng thẳng đứng bằng:

Rj1=4  2 cos 

n

d r m

Để cân bằng hoàn toàn lực quán tính chuyển động tịnh tiến cấp 1, ta thiết kế saocho Rj1=Pj1 từ đó rút ra khối lợng mặt đặt trên các bánh răng 3 và 4 phải thoả mãn phơngtrình sau :

mR

4 cos 4

đối trọng sao cho hợp lực của chúng sinh ra trên phơng thẳng đứng thoả mãn phơng trình :



Cơ cấu cân bằng Lăngxétcherơ tuy cân bằng hoàn toàn lực quán tính chuyển độngtịnh tiến Nhng do cơ cấu này dùng quá nhiều bánh răng nên kết cấu không gọn nhẹ vàtổn hao công suất cũng khá lớn nên trong thức tế ít động cơ sử dụng Một vài loại động cơ

một xylanh dùng trong nông nghiệp nh D12, Đông phong, Yanmar…cũng chỉ dùng cơ cấucân bằng Lăngxétcherơ để cân bằng lực quán tính chuyển động tịnh tiến cấp 1 mà thôi.

2.2.2 Cân bằng lực quán tính chuyển động quay.

Nếu trên phơng kéo dài của má khuỷu ta đặt một khối lợng vừa bằng khối lợng mr

cách tâm trục khuỷu một khoảch cách R, nh vậy khi quay trục khuỷu quay với vận tốc , khối lợng này sinh ra một lực ly tâm bằng :

Pđk= mrR2 P k

Chiều của Pđk ngợc với Pk (hình 2.2) nên lực quán tính chuyển động quay Pk đợc cân bằng

Thông thờng ít khi ta đặt đối trọng ở bán kính R vì nh thế sẽ ảnh hởng đến kính

th-ớc cácte Đối trọng mrx thờng đặt ở một bán kính rx< R nh hình 2.2a trong trờng hợp nàykhối lợng của đối trọng mrx phải thoả mãn điều kiện cân bằng sau đây :

Pđk = Pk

mrxrx

2 2

2.2.3 Cân bằng mômen lực và mômen thanh truyền.

Trong động cơ 1 xylanh, không cân bằng đợc mômen lật mà do bệ máy chịu đựng.Mômen lật này sẽ cân bằng với mômen do lực siết bulông bệ máy tạo ra

Mômen thanh truyền do trị số nhỏ mà lại khó cân bằng nên cũng bỏ qua không xét

2.3 Cân bằng động cơ 2 xylanh.

Động cơ 2 xylanh thờng đợc dùng trên 1 số xe ôtô vận tải nhỏ, xe môtô phân khốilớn

Kết cấu của trục khuỷu của loại động cơ này thờng đợc bố trí theo 2 kiểu sau đây:

a Hai khuỷu có góc công tác ct  360o Tâm của 2 chốt khuỷu cùng nằm trên 1 đờngthẳng nên có thể coi đây là tập hợp của 2 động cơ 1 xylanh hoàn toàn giống nhau ở bất

kỳ góc quay  nào hợp lực của lực quán tính đều tăng lên gấp đôi so với các lực quántính cha đợc cân bằng của động cơ 1 xylanh Trong trờng hợp trục khuỷu nh hình 2.3 tacó:

Hình 2.2 Sơ đồ bố trí đối trọng cân bằng

 cos 2

b Hai khuỷu có góc lệch khuỷu  =180o (hình 2.4)

Loại trục khuỷu này tuy 2 khuỷu cùng nằm chung trong 1 mặt phẳng nhng đối xứngqua điểm O Động cơ 4 kì 2 xylanh dùng loại trục khuỷu này sẽ có chu kì công tác không

đều; thời gian giữa 2 lần nổ liên tiếp trong 2 xylanh tính theo góc quay của trục khuỷu là

Từ hình 2.4 ta thấy ở bất kì góc quay  nào ta đều có: lực quán tínhchuyển động tịnh tiến cấp 1 của 2 xylanh luôn ngợc chiều nhau Lực quán tính chuyển

động tịnh tiến cấp 2 luôn luôn cùng chiều với nhau

1 a m R

M j Trong đó:

a là khoảng cách của 2 đờng tâm xylanh, ta cũng có thể dùng đối trọng để giảm nhẹ

và chuyển chiều tác dụng của mômen Mj1 Hợp lực của lực quán tính chuyển động tịnhtiến Pj2 không đợc cân bằng

- Hợp lực của lực li tâm Pk=0 do lực li tâm tác dụng lên 2 chốt khuỷu luôn luôn

ng-ợc chiều nhau nên chúng sinh ra mômen:

Hợp lực của lực quán tính chuyển động tịnh tiến cấp 2 tính theo phơng trình sau

0

)] 360 cos(

) 2 (

) 180 cos(

) (

) 180 cos(

) ( 2 cos

2 1

Động cơ 6 xylanh là động cơ đợc dùng rất phổ biến để trang bị nguồn động lực cho

ôtô tải, ôtô bus, tàu thuyền Sơ đồ kết cấu trục khuỷu của loại động cơ này giới thiệu trênhình 2.6 Ta có thể coi động cơ 6 xylanh là tập hợp của 2 động cơ 3 xylanh đặt đối xứngnhau qua trục AA’ Biết rằng ở động cơ 3 xylanh đã có:

0

1 ) 3 (





Hình 2.6 Sơ đồ trục của động cơ 4 kỳ, 6 xylanh có thứ tự làm việc 1-5-3-6-2-4; góc công

- Nắp máy đậy kín một đầu xylanh, cùng với piston và xylanh tạo thành buồng cháy.

- Làm giá đỡ cho một số bộ phận của động cơ nh : Bugi, vòi phun, cụm xupáp

- Nắp máy còn bố trí các đờng nạp, đờng thải, đờng nớc làm mát

3.1.2 Điều kiện làm việc.

- Nắp xylanh làm việc rất khắc nghiệt nh: chịu nhiệt độ cao, áp suất khí thể rất lớn

- Bị ăn mòn hoá học bởi các chất ăn mòn trong sản vật cháy, nớc làm mát (động cơlàm mát bằng nớc)

- Chịu lực xiết ban đầu, chịu va đập trong quá trình làm việc

3.1.3 Vật liệu

- Nắp máy động cơ Diesel làm mát bằng nớc đều đúc bằng gang hợp kim, dùngkhuôn cát Còn nắp máy làm mát bằng gió thờng chế tạo bằng hợp kim nhôm dùng phơngpháp rèn dập hoặc đúc (ví dụ nắp động cơ máy bay)

- Nắp xylanh động cơ xăng thờng dùng hợp kim nhôm Có u điểm nhẹ tản nhiệt tốt, giảmkhả năng kích nổ Tuy nhiên sức bền cơ và nhiệt thấp hơn so với nắp máy bằng gang

3.1.4 Kết cấu nắp máy.

- Nắp máy là chi tiết rất phức tạp nên kết cấu rất đa dạng Tuy nhiên, tuỳ theo loại

động cơ nắp xylanh có một số đặc điểm riêng

- Nắp xylanh động cơ xăng có kết cấu tuỳ thuộc vào kiểu buồng cháy, số xupáp,cách bố trí xupáp và bugi, kiểu làm mát (bằng nớc hay bằng gió) cũng nh kiểu bố trí đờngnạp và đờng thải

- Kiểu buồng cháy có ý nghĩa quyết định đến kết cấu nắp xylanh (Hình 3.1) mô tảbuồng cháy dạng bán cầu thờng dùng trên động cơ ôtô, máy kéo Động cơ dùng cơ cấuphân phối khí kiểu xupáp treo có xupáp nạp hơi lớn hơn xupáp thải Bugi đặt bên hôngbuồng cháy, khoảng cách từ bugi đến điểm xa nhất gần bằng đờng kính xylanh Váchbuồng cháy đợc làm mát tốt bằng các khoang nớc để tránh kích nổ Trên nắp xylanh còn

có khoang luồn đũa đẩy dẫn động xupáp và các lỗ nhỏ 3 dẫn n ớc làm mát từ thân máylên Một số lỗ (4) để lắp gudông nắp máy, ở động cơ này các xupáp và các ổ đặt trục cam(trục đòn gánh) đợc đặt ở nắp máy

Hình 3.1 Buồng cháy bán cầu trong động cơ xăng.

- Trong động cơ xăng có tỷ số nén trung bình và thấp, thờng hay dùng loại nắp máy

có hình chêm có tên là Ricađô (Hình 3.2) Động cơ dùng cơ cấu phân phối khí xupáp đặttoàn bộ cơ cấu phân phối khí bố trí ở thân máy, nắp máy có cấu tạo rất đơn giản

- Theo lý thuyết về kích nổ, thời gian lan tràn màng lửa từ bugi đến vùng xa buginhất là dài nhất nên tại những vùng này dễ phát sinh kích nổ Cho nên những điểm xanhất của buồng cháy đợc bố trí cách đều tâm bugi cũng có tác dụng làm giảm kích nổ.Mặt khác trong buồng cháy động cơ xupáp thải là nơi nóng nhất dễ gây kích nổ Nên bugi

đợc bố trí gần xupáp thải, thời gian lan tràn màng lửa từ bugi đến xupáp thải ngắn hơnthời gian cháy chễ của hỗn hợp cục bộ tại đây Do đó có tác dụng chống kích nổ.Tuynhiên nhiệt độ bugi cao vách buồng cháy cũng đợc làm mát bằng nớc, khoang buồngcháy động cơ; lỗ lắp bugi ; lỗ lắp các gudông

Hình 3.2 Nắp xylanh có buồng cháy hình chêm.

- Nắp xylanh động cơ Diesel so vơi nắp xylanh động cơ xăng phức tạp hơn Trên nắpmáy có bố trí đờng nạp, thải, cụm xupáp của cơ cấu phân phối khí xupáp treo, ngoài racòn rất nhiều chi tiết nh: vòi phun, buồng cháy phụ, van khí nén, van giảm áp bugi sấy đ-ờng dầu bôi trơn, các áo nớc

- Kết cấu của nắp máy tuỳ thuộc vào từng loại động cơ cụ thể trớc hết phụ thuộc vàokiểu hình thành hoà khí hỗn hợp của động cơ, hay buồng cháy của động cơ

- Buồng cháy động cơ Diesel đợc ngăn thành hai phần Buồng cháy chính và buồngcháy phụ Vk Hai buồng cháy có một hoặc vài lỗ nhỏ nối thông Hình thức cấu tạo buồngcháy phụ rất phức tạp và đa dạng Buồng cháy tạo xoáy lốc mạnh để quá trình hình thànhhoà khí hỗn hợp hoà khí đợc tốt thì:

+ Kết cấu buồng cháy phải gọn hợp lý để tránh tổn thất nhiệt và tổn thất lu động củadòng khí trong quá trình cháy

+Vị trí của vòi phun, xupáp và đờng nạp thải phải hợp lý có lợi cho quá trình tạothành hỗn hợp và thay khí

- Điều kiện làm việc của nắp máy động cơ Diesel rất nặng nề, vì vậy đối với động cơnhiều xylanh nắp xylanh có thể làm rời cho nhiều xylanh hoặc chung cho một vài xylanh