Hướng dẫn đồ án môn học động cơ đốt trong - P5

Khi thực hiện đồ án môn học Động cơ đốt trong, các đồng chí học viên ngành xe có dịp được củng cố, mở rộng và nâng cao một bước kiến thức các môn học về động cơ đốt trong. Đồ án còn t

của động cơ bằng các công thức và phơng pháp tính kinh điển đã

đợc đề cập trong môn học kết cấu tính toán động cơ Mục đích củaphần này là giới thiệu việc áp dụng các kiến thức về sức bền vậtliệu vào chuyên ngành Động cơ trên cơ sở nguyên tắc hoạt độngcủa các chi tiết thực ở các điều kiện chịu lực thực tế

Vì các chi tiết thực có hình dạng kết cấu phức tạp hơn so vớicác chi tiết mẫu trong môn sức bền vật liệu và mối lắp ghép phứctạp giữa các chi tiết cũng nh tính chất đa dạng của các loại tảitrọng nên việc xác định chính xác ứng suất, chuyển vị và biếndạng đối với các chi tiết là rất khó khăn Do vậy buộc ta phải dùngcác giả thiết, đơn giản hoá hình dạng chi tiết cũng nh sử dụng các

hệ số phụ để đơn giản hoá phép tính Các công thức đợc sử dụngcũng nh các kết quả thu đợc sẽ chỉ có ý nghĩa định tính mà thôi.Khi động cơ làm việc, xuất hiện các loại lực sau đây:

+ Lực khí thể, đạt trị số cực đại ở đầu quá trình cháy d n nởã

(3703900 GQTK) nhng ta quy ớc là Pkmax tại thời điểm pít tông ở

ĐCT, đầu hành trình cháy d n nở.ã

Khi động cơ làm việc ở những chế độ khác nhau thì lực khíthể có trị số lớn nhất ở chế độ mô men xoắn cực đại.

+ Lực quán tính chuyển động quay Pr và tịnh tiến Pj:

Lực quán tính chuyển động tịnh tiến thay đổi trị số và đạt giátrị cực trị khi pít tông ở ĐCT, ĐCD, còn đối với động cơ có hệ số

 

 thì có thêm giá trị cực trị thứ ba ở vùng gần ĐCD Khi píttông ở ĐCT thì lực quán tính tịnh tiến có trị số tuyệt đối là lớnnhất (giá trị thực sẽ nhỏ nhất và có dấu âm)

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

ph-ơng tác dụng quay với vận tốc  (trùng phph-ơng với bán kính quaycủa má khuỷu)

+ Lực ma sát: xuất hiện khi có sự chuyển động tơng đối giữahai bề mặt tơng tác, ví dụ pít tông - xy lanh, bạc - cổ trục Độlớn của lực phụ thuộc vào nhiều yếu tố, đó là: áp lực, hệ số masát, tốc độ chuyển động tơng đối

+ Trọng lực: vì các chi tiết thực đều có khối lợng nên đều bịtrọng lực tác dụng Để đơn giản việc tính toán ngời ta thờng bỏqua Cũng với mục đích nh vậy, ta bỏ qua phản lực của khí thảicũng nh của khí nạp vào xy lanh Ngoài ra, động cơ còn chịunhững phụ tải sau:

+ Phụ tải nhiệt: xuất hiện khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữacác phần của một chi tiết hoặc khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữacác chi tiết thì sẽ làm thay đổi dung sai lắp ghép nếu chúng có hệ

số d n nở nhiệt khác nhau, thậm chí cho dù cả hai chi tiết đều cóã

cùng nhiệt độ nhng ở những chế độ nhiệt khác nhau thì ứng suất

do dung sai lắp ghép gây nên cũng khác nhau

+ Phụ tải do dao động đàn hồi và dao động công hởng: Do cácchi tiết thực không thể cứng vững tuyệt đối nên dới tác dụng củatải trọng biến thiên sẽ xuất hiện các dạng dao động Những dao

động này gây nên ứng suất phụ và khi có hiện tợng cộng hởng thìứng suất cộng hởng có thể làm g y, vỡ, hỏng hóc chi tiết.ã

+ Phụ tải do lực siết bu lông hoặc mối ép căng khi lắp ghépcác chi tiết với nhau Dạng phụ tải này thờng đợc xét đến dới dạngcác hệ số Ngoài ra, còn phải kể đến những yếu tố ảnh hởng tớitình trạng chịu lực thực tế của chi tiết ví dụ nh ứng suất d (luôntồn tại sau qúa trình gia công cơ khí, thờng ngời ta phải có cácbiện pháp nh ủ để giảm bớt loại ứng suất này) hoặc mức độ màimòn không đồng đều cũng nh khả năng gia công chuẩn xác bềmặt Những yếu tố này đợc gia tăng ảnh hởng bởi khuyết tật vàmức độ không đồng đều của hợp kim khi tạo phôi

Do tính chất phức tạp của tải trọng và của tình trạng chi tiếtnên việc tính toán kiểm nghiệm thờng đợc tiến hành theo các nộidung sau:

- Tính toán sức bền;

- Tính theo độ cứng vững và mức độ mài mòn;

- Tính toán theo ứng suất nhiệt;

- Tính toán theo dao động đàn hồi và dao động cộng hởng.Việc tính toán sức bền chi tiết gồm các bớc: xác định chế độlàm việc nguy hiểm nhất, tải trọng ứng với chế độ đó, vị trí tínhtoán và cuối cùng là bớc tính theo ứng suất cho phép hoặc tínhtheo giới hạn mỏi của vật liệu (thông qua hệ số an toàn)

Những chi tiết chịu tải trọng thay đổi có tính chất chu kỳ vớitần số cao nh trục khuỷu, chốt pít tông, thanh truyền đợc tínhtheo giới hạn mỏi

Việc tính toán theo độ cứng vững đôi khi còn quan trọng hơnviệc tính toán sức bền bởi nếu chi tiết không đủ cứng vững thì sẽ

bị biến dạng nhiều khi chịu tải và nh vậy việc tính toán sức bền sẽgặp nhiều sai số Để đảm bảo độ cứng vững ta thờng chọn giá trị

thấp của ứng suất cho phép khi tính bền và áp dụng các giải pháptăng cứng tại những vùng trọng yếu.

Khi tính toán theo mức độ mài mòn ta giả thiết rằng tốc độmài mòn tỷ lệ thuận với áp suất bề mặt và tốc độ trợt tơng đốigiữa hai bề mặt Nội dung tính toán gồm việc xác định áp suấtriêng lớn nhất và trung bình trên các bề mặt làm việc Để tăngthêm mức độ chính xác, ta tính đến các yếu tố phụ nh trạng thái

bề mặt, chất lợng bôi trơn, độ cứng vững, trạng thái nhiệt, tốc độtrợt tơng đối v.v Tuy nhiên kết quả của phơng pháp tính toánnày chỉ có ý nghĩa định tính bởi có quá nhiều yếu tố ảnh hởng mà

ta lại không thể xác định chính xác đợc

Tính toán theo dao động đàn hồi bao gồm việc xác định điềukiện công hởng, biên độ cộng hởng và ứng suất cộng hởng từ đókết luận về sức bền của chi tiết Nếu thấy cần thiết thì áp dụngnhững biện pháp giảm tác hại của hiện tợng cộng hởng

Khi tính toán theo ứng suất nhiệt cần xác định trờng nhiệt độ

và trờng ứng suất nhiệt của chi tiết, độ biến dạng nhiệt, trên cơ

sở đó chọn khe hở nhiệt cần thiết Nếu cần thiết thì áp dụng cácbiện pháp tăng cờng làm mát đối với chi tiết hoặc ngăn chặn bớt

ảnh hởng của sự d n nở nhiệt tự do Những chi tiết làm việc trongã

điều kiện nhiệt độ thay đổi liên tục nh pít tông, lót xy lanh, xécmăng, xu páp, nắp máy cần đợc tính toán bền theo cả tải trọngcơ và tải trọng nhiệt bởi vì đối với những chi tiết trọng yếu này, tảitrọng nhiệt đóng vai trò rất quan trọng và hai loại tải trọng cùngtác dụng này luôn có tác động gia tăng hiệu ứng của nhau

Đối với những chi tiết chịu tải thay đổi có tính chất chu kỳ thìcần tính theo hệ số an toàn Trớc hết cần xác định ứng suất lớnnhất và ứng suất nhỏ nhất, sau đó tính ứng suất trung bình m,

m và ứng suất biên độ a, a nh sau:

m max min

2

là -1 Trong chu trình mạch động (khi mà max hoặc min = 0); khichịu xoắn mạch động: min = 0) thì đợc ký hiệu là 0 và 0).

Bản thân trị số giới hạn mỏi lại phụ thuộc vào nhiều yếu tốkhác nh hình dạng, kích thớc, độ bóng bề mặt của chi tiết, tínhchất (mức độ) đối xứng của chu trình tải trọng nên ta phải xác

định sức bền của chi tiết thông qua hệ số an toàn n đối với ứngsuất pháp tuyến và n đối với ứng suất tiếp tuyến Hệ số an toàn

là tỷ số giữa ứng suất giới hạn và ứng suất thực tế lớn nhất củachu trình đó Biểu thức đợc xác định nh sau:

n k

 và : là hệ số quy dẫn chu trình không đối xứng vềchu trình đối xứng tơng đơng.

Nếu chi tiết chịu đồng thời cả hai dạng ứng suất pháp tuyến

và ứng suất tiếp tuyến thay đổi có tính chất chu kỳ thì hệ số antoàn chung đợc xác định nh sau:

Đ2 tính toán các chi tiết chính của nhóm pít tông

2.1 Pít tông

Khi kiểm nghiệm, các kích thớc chủ yếu của pít tông theohình dới đây đợc cho trớc trong các bảng phụ lục, nếu thiếu thìphải đo trên chi tiết thực Khi thiết kế pít tông mới, các kích thớcchủ yếu đợc chọn theo kinh nghiệm và các sách hớng dẫn các bảngphụ lục rồi chế taọ thử, thử nghiệm Trên cơ sở đó tiến hành hiệuchỉnh để có kích thớc hợp lý nhất

4 [MPa]

Trong đó: : chiều dày đỉnh [m]

So sánh ứng suất u với ứng suất uốn cho phép [u] Đối với hợpkim nhôm:

b- Đầu pít tông.

Tiết diện nguy hiểm nhất chịu kéo và chịu nén thờng là tiếtdiện ngang x - x nằm phía trên chốt chứa các lỗ thoát dầu bôi trơn

m j F

Fx-x: diện tích tiết diện ngang x - x trừ bớt diện tích qua

đờng tâm của các lỗ thoát dầu bôi trơn, [m2]

ứng suất cho phép:

K 10 MPa đối với hợp kim nhôm;

n 25 MPa đối với hợp kim nhôm;

K  

n

; = 40 MPa đối với gang

Với đầu pít tông của động cơ hai kỳ, chỉ cần tính ứng suấtnén

Nmax: lực ngang lớn nhất, [MN].

Đối với động cơ diezel:



Trong đó:

Pjp = mn jp 10-6 [MN] : lực quán tính do khối lợng nhóm píttông mn gây nên; qb sẽ đạt trị số lớn nhất khi pít tông ở ĐCT cuốinén,đầu cháy d n nở.ã

Tơng tự nh vậy, khi pít tông ở ĐCT nhng tại thời điểm đầunạp

đối với động cơ 4 kỳ thì áp suất trên bề mặt nửa dới của lỗ bệ chốt

đợc xác định nh sau:

q

P d

b

j p

c 1

1

2

  [MPa]

Trong đó:

dc: đờng kính chốt pít tông, [m];

l1: chiều dài tiếp xúc giữa chốt và bệ chốt, [m]

So sánh qb và qb1 với trị số áp suất cho phép Đối với pít tôngbằng hợp kim nhôm, chốt bơi :

[q] = 20 30 MPaPít tông bằng gang, bạc đồng, chốt bơi:

[q] = 35 MPa

Trong phạm vi đồ án môn học, học viên không phải tính toánkhe hở nhiệt giữa pít tông và xy lanh cũng nh không phải tínhtoán ứng suất nhiệt vì tính chất phức tạp của tải trọng nhiệt Cácyếu tố ảnh hởng nh ứng suất nhiệt, ảnh hởng của sự tập trungứng suất và đặc tính biến thiên của các loại phụ tải đ đã ợc đề cập

đến khi chọn ứng suất cho phép

2.2 Chốt pít tông.

Ngày nay hầu nh tất cả các chốt pít tông lắp trên động cơ xemáy, ô tô, xe xích, xe tăng sử dụng kết cấu chốt bơi dạng trụ rỗngvới mục đích giảm khối lợng, tránh ứng suất tập trung và để chốtmòn đều theo chu vi Sơ đồ lắp ghép chốt và các kích thớc cơ bản

Hình.19 Sơ đồ lắp ghép chốt pít tông và sơ đồ phân bố tải trọng

 



 u

Trong đó:

dc: đờng kính ngoài của chốt, [m];

b: khoảng cách giữa hai bệ chốt, [m];

a: chiều dài tiếp xúc với bạc đầu nhỏ, [m];

Bảng trị số ứng suất cho phép đối với chốt pít tông.Bảng 29

Vật liệu chốt [u] [MPa] [ ] [MPa]

Khi chịu lực, do sự phân bố áp lực không đồng đều theo chu

vi, ngời ta thờng giả thiết áp lực phân bố theo quy luật hình cosinhoặc dạng hình ô van theo chu vi tiết diện ngang của chốt nh đợcthể hiện trên hình 20:

Tiết diện giữa của chốt có độ biến dạng lớn nhất và đợc xác

Hình.20 Sơ đồ phân bố áp lực theo chu vi tiết diện ngang của chốt

0

0 19 1 2 1

1

1 1

Hình 21 Độ biến dạng và ứng suất biến dạng theo chu vi tiết diện ngang.

Đối với chốt có 0 = 0,40,8, ứng suất biến dạng cực đại chophép nằm trong khoảng 60170 MPa; với thép hợp kim cao cấpcho động cơ cờng hoá công suất, trị số ứng suất biến dạng chophép nằm trong phạm vi 120225 MPa

e- áp suất tiếp xúc với (bạc) đầu nhỏ thanh truyền

Ngày nay xéc măng không đẳng áp đợc sử dụng rộng r i trênã

các loại động cơ do những đặc tính u việt tuyệt đối của nó so vớixéc măng đẳng áp

Việc tính toán xéc măng đẳng áp đợc trình bày trong các sáchgiáo khoa Dới đây là phơng pháp Ghinsburg dùng để tính toánxéc măng không đẳng áp Đối với loại xéc măng này, quy luậtphân bố áp suất theo dạng “hình quả lê” đợc áp dụng áp suất cácloại xéc măng và các kích thớc tính toán đợc thể hiện trên hìnhsau

1 t

D t D

t

A E 15 , 0 p

E: mô đun đàn hồi của vật liệu xéc măng, [MPa]; gang xám: E

=1.105 MPa, thép hợp kim: 2,2.105 MPa;

A: khe hở miệng xéc măng ở trạng thái tự do, [m];

t: chiều dày hớng kính của xéc măng, [m]

Trị số của ptb trong khoảng 0,10,25 MPa đối với xéc măngkhí và 0,2 0,4 MPa đối với xéc măng dầu.

Dựa vào hệ số phân bố cho trong bảng (sách giáo khoa) ta cóthể xác định áp suất lên bề mặt gơng xy lanh ở vị trí bất kỳ

+ ứng suất uốn làm việc sẽ lớn nhất tại tiết diện đối xứng I-I(ứng suất kéo bề mặt ngoài):

D D

E A 385 , 0

1

[MPa]

+ ứng suất uốn lắp ghép lớn nhất tại bề mặt trong, tiết diện

đối xứng I-I (ứng suất kéo bề mặt trong):

u

t

mDt

D t

[MPa]

Trong đó: m- hệ số phụ thuộc vào phơng pháp lắp xéc măngvào r nh (tham khảo sách giáo khoa).ã

Các trị số của ứng suất cho phép nh sau:

- Đối với động cơ không cờng hoá công suất:

[ u1] = 300  400 MPa ; [ u2] = 400  450 MPa

- Đối với động cơ cờng hoá công suất:

[ u1] = 200  300 MPa; [ u2] = 300  350 MPaNgoài ra, khi thiết kế phải chọn sơ bộ khe hở miệng, khe hởmặt đầu và khe hở hớng kính rồi tính toán kiểm tra lại khe hở khi

động cơ chịu toàn tải Khi tính toán kiểm tra trong phạm vi

ĐAMH đối với động cơ có sẵn, học viên không phải tiến hành phầnnày

Đ3 Tính toán nhóm thanh truyền

3.1 Tính toán đầu nhỏ thanh truyền

Đầu nhỏ thanh truyền chịu lực kéo nén thay đổi có tính chấtchu kỳ, ngoài ra nếu đợc ép bạc trợt thì đầu nhỏ còn chịu ứng suấtbiến dạng (kéo) do mối ép căng gây nên Với động cơ tĩnh tại và

động cơ có tốc độ trục khuỷu thấp có thể có kết cấu đầu nhỏ dày

a- Tính toán đầu nhỏ dày d

d

2 1

Tại thời điểm khi pít tông ở ĐCT cuối thải, đầu hành trìnhnạp, đầu nhỏ bị kéo trên tiết diện trung tâm ngang:

Ngoài ra nếu coi lực p j phân bố đều trên mặt trong của đầunhỏ thì có thể tính theo công thức Lame:

k pd d

d d

 

 2 2 1 2

2 2 1

2 [MPa]

Trong đó:

p: là áp suất phân bố đều theo hớng kính trên bề mặt trongcủa đầu nhỏ và do thành phần lực sau gây nên:

a- Lực quán tính của khối lợng nhóm pít tông;

b- Lực căng do mối lắp ghép có độ dôi với bạc;

c- Lực căng do d n nở nhiệt giữa bạc và đầu nhỏ.ã

d d

d d E

np d

t c c b

2 2 1 2

E: mô đun đàn hồi vật liệu đầu nhỏ, chọn: 2,2.105 MPa đối vớithép;

Eb: mô đun đàn hồi vật liệu bạc, chọn: 2,2.105 MPa đối với

+ Khi chịu kéo (ở ĐCT cuối thải, đầu nạp)

Trên cơ sở thực nghiệm và tính toán giáo s Kinasoshvili đa ragiả thiết tính toán và các công thức nh sau:

- Coi lực quán tính P*

j (bỏ qua khối lợng nửa trên đầu nhỏ)phân bố đều theo hớng kính trên đờng chu vi trung bình của đầunhỏ:

p Pj

 2 [MPa]

 dd m

 [ ]

Hình.24 Sơ đồ tính toán đầu nhỏ mỏng

- Coi đầu nhỏ là một dầm cong đối xứng ngàm tại tiết diện

C-C về mỗi phía nh hình vẽ trên với góc ngàm  đợc xác định nh sau:

Tơng tự, đối với bề mặt trong:

Trong đó:

s d2  d1

2 , chiều dày đầu nhỏ, [m];

Mjc = MA + NA. (1-cos ) - 0,5 Pj (sin  - cos) [MNm]

Njc = NAcos + 0,5 Pj (sin  - cos) [MN]

: góc ngàm, là góc giữa tiết diện C-C và tiết diện A - A

: hệ số phụ, kể đến ảnh hởng của ứng suất nén d đối với bạc lót

+ Khi chịu nén ( ở ĐCT, đầu hành trình d n nở )ã

Lực nén - theo Kinasoshvili - đợc phân bố trên nửa dới đầunhỏ theo quy luật cosin và là tổng của lực khí thể và lực quántính:

Pn = Pz - mnp R.2 ( 1+ ).10-6 [MN]

Hình 25 ứng suất bề mặt trong  tj và ứng suất bề mặt ngoài

nj trong

trờng hợp chịu kéo.

Cũng vẫn với những giả thiết giống nh trờng hợp chịu kéo, mômen uốn MA và lực pháp tuyến NA tại tiết diện đối xứng A-A cóthể xác định theo đồ thị trên hình 26:

Tại tiết diện nguy hiểm C-C:

Mnc = MA +NA. (1-cos) -Pn  (sin sin cos )

Sau khi tính toán cho các tiết diện trung gian khác ta sẽ đợcbiểu đồ ứng suất nh đợc thể hiện ở hình trên

+ ứng suất biến dạng:

Xuất hiện do mối lắp ghép căng giữa bạc và lỗ đầu nhỏ (nếucó) và do d n nở nhiệt khi động cơ làm việc Nhiệt độ làm việc củaã

đầu nhỏ khoảng 3704500K

Hình 26 Sơ đồ tính toán đầu nhỏ, đồ thị thực nghiệm và ứng suất trên

các bề mặt đầu nhỏ khi chịu nén.

Độ dôi do d n nở nhiệt đã ợc xác định nh sau:

p d

1

2 2 1

2 2

[MPa]

Các tham số: tham khảo phần tính đầu nhỏ dày

ứng suất biến dạng do p gây nên đợc tính theo công thứcLame:

2

2 1

2 [MPa]

ứng suất biến dạng (kéo) có thể đạt tới 100150 MPa

+ Hệ số an toàn chung cho đầu nhỏ:

Do đầu nhỏ chịu kéo, nén với ứng suất thay đổi có tính chấtchu kỳ và không đối xứng nên phải tính bền theo hệ số an toànchung

ứng suất cực đại của chu trình:

max = nj + n.ứng suất cực tiểu của chu trình:

min = nz + n.Tại tiết diện nguy hiểm C-C và tại điểm nguy hiểm nằm trên

bề mặt ngoài của đầu nhỏ hệ số an toàn đợc xác định theo biểuthức sau:

(1  180250 MPa đối với thép các bon vào khoảng 340380MPa đối với các loại thép hợp kim):

+ Độ biến dạng của đầu nhỏ theo hớng kính 

4] : mô men quán tính tiết diện dọc của đầu nhỏ

Để tránh kẹt chốt pít tông, khi mà khe hở lắp ghép giữa chốt

và bạc nằm trong khoảng 0,04 0,06 [mm] nên []  0,02 0,03mm

3.2 Tính toán thân thanh truyền.

Khi động cơ làm việc thân thanh truyền chịu kéo bởi lực quántính, chịu nén do lực khí thể và chịu lực quán tính chuyển độnglắc (song phẳng) Bởi thế trạng thái chịu lực của thân thanhtruyền là:

-Chịu kéo;

- Chịu nén và uốn dọc thân;

- Chịu uốn ngang dới tác động của lực quán tính chuyển độnglắc

Khi tính sức bền thân ta chia thành hai trờng hợp:

a- Thân thanh truyền động cơ thấp tốc và trung tốc

Khi động cơ có tốc độ trục khuỷu  thấp hoặc trung bình ta bỏqua các

loại lực quán tính mà chỉ tính theo lực khí thể tại vị trí ĐCT khipít tông ở

+ øng suÊt nÐn vµ uèn däc t¹i tiÕt diÖn trung b×nh F tb

Ngoµi hiÖu øng nÐn, lùc khÝ thÓ cßn g©y hiÖu øng uèn däcth©n øng suÊt uèn däc lín nhÊt ë vïng tiÕt diÖn trung b×nh n»mkho¶ng gi÷a th©n thanh truyÒn

Theo c«ng thøc Nove-Rankin, ta cã:

x z

tb x

Hình 27 Sơ đồ tính thân thanh truyền động cơ tốc độ thấp.

Trị số ứng suất cho phép nằm trong giới hạn sau:

[] = 80120 MPa đối với thép các bon;

[] = 120 180 MPa đối với thép hợp kim

Sau khi tính  , x và y, cần so sánh với trị số ứng suất chophép Nếu cần thiết thì kiểm tra hệ số ổn định uốn dọc (trongphạm vi ĐAMH thì không cần tính, trừ trờng hợp đặc biệt)

b- Thân thanh truyền động cơ cao tốc.

Khi tính toán cần xét tới các loại lực quán tính để tính sứcbền mỏi theo tải trọng thay đổi có tính chất chu kỳ

Lực tác dụng khi thanh truyền chịu nén và uốn dọc tại tiếtdiện trung bình khi pít tông ở vị trí ĐCT:

P = Pk - (mnp + mtt1) R2 (1+).10-6 [MN]

Lực quán tính tịnh tiến do khối lợng của nhóm pít tông mnp vàphần khối lợng phía trên tiết diện trung bình của thân mtt1 gâynên

ứng suất tổng theo công thức Nave-Rankin:

x

tb x

P

F k

 . [MPa]