Tính toán Cơ cấu phối khí

Tài liệu tham khảo Kết cấu tính toán động Cơ đốt trong - Bản vẽ Cơ cấu phối khí thuộc Bộ môn Động lực, Khoa Cơ khí, Đại học kỹ thuật

Tính toán cơ cấu phân phối khíChơng 8 Tính toán Cơ cấu phối khí8 1Xác định các thông số cơ bản của cơ cấu phân phối khí.8 .1 Xác định tỷ số truyền của cơ cấu phân phối khí:Trên hình (8-1), tại một thời điểm nào đó con đội nâng đợc một đoạn Sc thì xupáp nâng đợc một đoạn Sx, khi đó tỷ số truyền của cơ cấu:cxcxvvSSi ==Thờng lx > lc và bố trí nằm ngang nên coi nó luôn vuông góc với đờng tâm xilanh (góc lắc con đội bé).cxdxllvv=Trong đó: vd: Vận tốc vòng của đòn bẩy phía tiếp xúc với đũa đẩyvx: Vận tốc xupápvc: Vận tốc con đội.Chiếu vd và vc lên đờng tâm đũa đẩy ta có vd' và vc' coi vd' vc' ta có:=cos1vv/dd =cos1v/c =coscosvcTừ công thức trên rút ra:=coscosllicx (8-1)Tỷ số truyền i thờng nằm trong phạm vi i = 1,2 ữ 1,5Khi làm việc i thay đổi theo vị trí làm việc ( và ) nhng thay đổi không đáng kể vì và bé. Khi tính lấy với giá trị i ứng với vị trí con đội nâng 1/2 hành trình.Khi con đội, xupáp, đũa đẩy bố trí thẳng đứng, cánh tay đòn của đòn bẩy nằm ngang thì cxlli =.Biên soạn TS Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Động lực, Khoa cơ khíHình 8-1 Sơ đồ tính tỷ số truyền cơ cấu phân phối khí1 Tính toán cơ cấu phân phối khí8 .2 Xác định tiết diện lu thông và trị số "thời gian - tiết diện".8 .1. Tiết diện lu thông của xupápKhi tính toán tiết diện lu thông ta thờng giả thiết dòng khí đi qua họng đế xupáp là ổn định, coi dòng khí nạp, thải có tốc độ bình quân và tốc độ pittông không đổi.Căn cứ vào giả thiết tính ổn định, liên tục của dòng khí ta có thể xác định đợc tốc độ khí qua họng xupáp:2h2phppkhdiDvfiFvv ==m/s (8-2)vkh:Tốc độ trung bình của dòng khí qua họng đế (m/s); fh:Tiết diện lu thông của họng đế xupáp (cm2); dh: Đờng kính họng đế xupáp (hình 8-2); i: Số xupáp; vp: Vận tốc trung bình quân của; Fp: Diện tích đỉnh piston.Qua tính toán và thực nghiệm tốc độ của dòng khí nạp ở chế độ toàn tải vkhn.vkhn = 40 ữ 115 m/s (ôtô, máy kéo); vkhn = 30 ữ 80 m/s (tàu thuỷ, tĩnh tại); Tốc độ càng cao, tổn thất càng lớn, tuy nhiên đối với động cơ xăng do yêu cầu việc hình thành hỗn hợp, tốc độ khí nạp phải lớn hơn 40 m/s. Nếu bé hơn quá trình bốc hơi của xăng và hoà trộn hơi xăng với không khí sẽ xấu. Đối với dòng khí thải, vkht = (1,2 - 1,5 )vkhn.Rút ra đờng kính họng : i.vD.vdkh2ph=(8-3)Tiết diện lu thông fkx qua xupáp (tiết diện vành khăn) đợc xác định:( )1h/kxdd2hf += ; (8-4)Mà d1 = dh + 2e ; h' = h cos ; e = h' sin( )+=2hkxcossinhcosdhf (8-5)Khi = 0, thì fkx = hdh, dòng khí lu động khó (bị gấp khúc)Khi = 300 thì fkx = h(0,866dh + 0,375h), dùng cho xupáp nạp.Khi = 450 thì fkx = h(0,707dh + 0,353h), dùng cho xupáp nạp, thải.Biên soạn TS Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Động lực, Khoa cơ khí2Hình 8-2 Tiết diện lu thông của xu páp Tính toán cơ cấu phân phối khíRõ ràng fk phụ thuộc vào và h, khi càng nhỏ tiết diện lu thông càng lớn.Hành trình h càng lớn fk càng lớn, tuy vậy tiết diện lu thông fk không thể lớn hơn tiết diện họng đế xupáp:Khi = 00 thì 4dhd2hhdo đó 4dhhmax=Trong trờng hợp 0 hành trình xupáp phải lớn hơn dh/4 mới có thể đạt đợc điều kiện tiết diện lu thông bằng tiết diện họng đế. khi = 300 hmax = 0,26dh và = 450 hmax = 0,31dhHiện nay thờng dùng h = (0,18 ữ 0,3)dh.Tiết diện lu thông qua xupáp phải thoả mãn điều kiện sau:=ữkxppkxkxfiFvvs/m9070v (8-6)Khi đã có đờng kính và góc côn của nấm, tiết diện lu thông của xupáp quyết định bởi quy luật động học của cam và pha phân phối khí. Nếu lựa chọn các thông số này hợp lý có thể làm cho trị số tiết diện lu thông trung bình fktb đạt giá trị lớn nhất.8 .2. Xác định trị số thời gian tiết diện:Tốc độ bình quân tính toán của dòng khí nạp (thải):( )==2121ttkx12ppttkxh/kdtfittFvdtfiVv (8-7)Vh: Dung tích công tác của xilanh; 21ttkxdtf: Là trị số "thời gian - tiết diện" (diện tích gạch nghiêng bên trái hình 8-3); t1, t2: Thời gian bắt đầu và kết thúc nạp (thải).Khi tính toán trị số thời gian - tiết diện, thờng bỏ qua giai đoạn mở sớm, đóng muộn (phần diện tích ứng với góc mở sớm 1 và đóng muộn 2).Có thể coi t1, t2 ứng với góc k1, k2 do đó:21ttkxdtf = 2k1kdfkx (8-8)Vậy: fkltb = ( )1k2kkx2k1kdf (8-9)Thay vào (8-7) ta có:kxtbpp/kfiFvv = (8-10).Khi thiết kế cần bảo đảm:Biên soạn TS Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Động lực, Khoa cơ khíHình 8-3 Xác định trị số thời gian tiết diện của xupáp3 Tính toán cơ cấu phân phối khív'k = (1,3 ữ 1,4)vkh(8-11) Động cơ xăng: v'k = 90 ữ 150 m/s ;Động cơ Diesel:v'k = 80 ữ110 m/s8 2Chọn biên dạng cam:8 .1Yêu cầu: Dạng cam phải đảm bảo sao cho trị số thời gian tiết diện lớn nhất, cam phải mở xu páp nhanh, giữ ở vị trí mở lớn nhất lâu và đóng nhanh xupáp. Dạng cam phải đảm bảo cho giai đoạn mở và đóng xu páp có gia tốc và vận tốc nhỏ nhất để cơ cấu phối khí làm việc êm ít va đập hao mòn. Dạng cam phải đơn giản, dễ chế tạo.8 .2Phơng pháp thiết kế cam: Chọn trớc qui luật gia tốc của con đội, sau đó suy ra qui luật nâng để xác định dạng cam. Phơng pháp này có u điểm chọn đợc qui luật gia tốc tối u nhng khó gia công chính xác, thờng chỉ dùng cho động cơ cao tốc hiện đại. Định sẵn dạng cam, xác định gia tốc và kiểm tra lại qui luật gia tốc có phù hợp hay không. Phơng pháp này có u điểm dễ gia công.Khi gia tốc dơng của con đội lớn dẫn đến va đập giữa các chi tiết trong hệ thống. Còn khi gia tốc âm lớn tải trọng tác dụng lên lò xo lớn. Từ hình 8-4 có thể nhận xét sau:Cam tiếp tuyến: Đơn giản, dễ chế tạo, có gia tốc dơng bé do đó khi đóng mở xupáp lực va đập giữa con đội và xu páp, xupáp với đế bé. Tuy nhiên cam tiếp tuyến có trị số tiết diện thời gian bé, mặt khác gia tốc âm lớn, lò xo chịu tải lớn, để giảm tải cho lò xo phải dùng trong cơ cấu phối khí có khối lợng nhỏ, do vây thờng áp dụng trong hệ thống phối khí dùng xupáp đặt.Cam lồi: Có trị số thời gian tiết diện lớn nhất trong số các loại cam, nhng gia tốc dơng lớn gây ra va đập lớn. Tuy vậy loại cam này có gia tốc âm bé nhất do vậy không đòi hỏi lò xo xu páp có độ cứng lớn, giảm đợc mài mòn trục cam.Cam parabol: Có các giá trị độ nâng và gia tốc trung gian so với hai loại cam trên.Biên soạn TS Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Động lực, Khoa cơ khí4Hình 8-4 So sánh các dạng cam.1. Cam lồi cung tròn 2 Cam lồi cung parabol. 3. Cam tiếp tuyến Tính toán cơ cấu phân phối khí8 3Dạng cam lồi và động học con đội.8 .1Biên dạng cam lồi:Xây dựng biên dạng cam lồi theo các bớc sau:Góc công tác của cam nạp 2180210++=; 1, 2 là góc mở sớm đóng muộn xupáp nạp. Góc công tác của cam thải 2180210++= ; 1, 2 là góc mở sớm đóng muộn xupáp thải.Chọn dc : đờng kính trục cam (mm)R: bán kính cơ sở của cam (mm))5,21(2dRc1ữ+=(8-12) h: độ nâng lớn nhất của con đội.r: Bán kính của cung đỉnh cam (mm);2cos12coshRr=Vẽ vòng tròn tâm O bán kính R, xác định góc AOA' = .Trên đờng phân giác của góc AOA' ta lấy EC = h.Vẽ vòng tròn đỉnh cam có tâm O1 bán kính r nằm trên đờng phân giác ấy, vòng tròn ấy đi qua C.Vẽ cung tròn bán kính tiếp tuyến với hai vòng tròn trên có tâm O2 nằm trên đ-ờng kéo dài của AO, xác định nh sau:Kẻ O1M vuông góc với AO. Xét tam giác vuông O1MO2 có: (O1O2)2 = (O1M)2 + (MO2)2 Biên soạn TS Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Động lực, Khoa cơ khí5Hình 8-5 Dựng hình cam lồiHình 8-6 Xác định bán kính cung tiếp tuyến Tính toán cơ cấu phân phối khíĐặt D = R + h -r ta có: ( )( )++=2cosDR2sinDr22Từ đó xác định : +=2cosDrR2R2cosRD2rD222(8-13)8 .2 Động học con đội đáy bằng (con đội hình nấm, hình trụ)Con đội đáy bằng chỉ làm việc với cam lồi. Nghiên cứu quy luật động học của con đội trên hai cung AB bán kính và BC bán kính r, mỗi giai đoạn có một quy luật riêng.8 .1.Động học của con đội đáy bằng trong giai đoạn 1 (cung AB) Hình 8-7 Động học con đội đáy bằng giai đoạn 1 Hình 8-8 Động học con đội đáy bằng giai đoạn 2Trên hình (8-7) ta xét chuyển vị, vận tốc, gia tốc của con đội theo góc quay của trục cam. Giả sử trục cam quay một góc thì chuyển vị con đội là h, vận tốc v, gia tốc J sẽ đợc xác định nh sau:a. Chuyển vị của con đội: Khi cam quay một góc , con đội tiếp xúc với cam tại M, chuyển vị:]cos)R(R[)NOEN(MOMEh22+=+==)cos1)(R(h = (8-14)Biên soạn TS Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Động lực, Khoa cơ khí6 Tính toán cơ cấu phân phối khíb. Vận tốc của con đội:===ddhdtdddhdtdhvc mà vận tốc trục cam dtdc=nên: ( )=sinRvc(8-15)c. Gia tốc con đội:===ddvdtdddvdtdvjc ( )=cosRj2c (8-16)Khi con đội tiếp xúc tại điểm A của cam thì = 0. Khi con đội tiếp xúc tại điểm B thì = max góc max xác định theo tam giác O1O2M. O1M vuông góc với O2A.r2sinDOOMOsin211max==(8-16)Nhận xét thấy khi = 0 thì gia tốc đạt cực đại:( )Rj2c(max)=8 .1.Động học con đội đáy bằng trong giai đoạn 2 (cung BC) hình (8-8):Khi đó cam tiếp xúc với con đội tại điểm M trên cung BC ứng với góc nào đó.a. Chuyển vị con đội h:ENNOMOMEh11+==RcosDrh +=(8-17)b. Vận tốc con đội:dtdddhdtdhv==Vì tại điểm C có = 0 và tại B có = max nh vậy góc tính ngợc lại với chiều quay của trục cam nên cdtd=Do đó vdhdc= rút ra =sinDvc (8-18)c. Gia tốc con đội:===ddvdtdddvdtdvjc rút ra: =cosDj2c (8-19)góc maxmax2= Biên soạn TS Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Động lực, Khoa cơ khí7 Tính toán cơ cấu phân phối khí8 .3 Động học con đội con lăn làm việc với cam lồi:8 .1.Trên cung AB (giai đoạn 1) (hình 8-9 ):Khi con lăn tiếp xúc với mặt cam tại điểm M bất kỳ ứng với góc quay của cam là . Hình 8-9 Động học con đội con lăn giai đoạn 1 Hình 8-10 Động học con đội con lăn giai đoạn 2a. Chuyển vị của con đội:HFEOHOEFhll== mà HF = HO + OF)RR(cos)R(sin)R()R(hl222l++=)RR(cossinRR)R(hl22l++=Đặt:Ra = và aRRRmll1+=+=Khi đó chuyển vị của con đội đợc tính:)RR(cossinmahl221+=(8-20)b. Vận tốc của con đội:( )+==sincossin2sinm21addhv221ccRút gọn ta đợc:=sinsinmcos1av221c(8-21)Biên soạn TS Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Động lực, Khoa cơ khí8 Tính toán cơ cấu phân phối khíc. Gia tốc con đội:( )+==3221421c2csinmsin2cosmcosaddvj(8-22)8 .2.Trên cung BC (giai đoạn 2).Hình 8-10, trên cung này góc quay của cam là a. Chuyển vị con đội )FOEO(HOHO)FOEO(OOEFhllll++=+== )RR(cosDsinD)Rr(hl222l+++= với D = O1OĐặt :DRrml2+=Khi đó chuyển vị của con đội đợc tính:[ ])RR(sinmcosDhl222++=(8-23)b. Vận tốc của con đội:+=222csinm2sinsinDv(8-24)c. Gia tốc của con đội:( )++==3222422c2csinmsin2cosmcosDddvj(8-25)Xác định các góc giới hạn trên các cung (hình 8-11).Xét tam giác ONOl ta có: NOQOOMNOMNOMNOONCotgl1llmax+=+==maxlmaxlmaxsin)R(cos)Rr(2cosDCotg+++=với: r2cosD)R(cos;r2sinDsinmaxmax+==Biên soạn TS Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Động lực, Khoa cơ khí9Hình 8-11 Xác định các góc giới hạn khi con đội con lăn làm việc với cam lồi Tính toán cơ cấu phân phối khíBiến đổi ta đợc:2sinmm2gcotCotg12max+=(8-26)Do đó maxmax2=(8-27)Động học con đội con lăn làm việc với cam tiếp tuyến tham khảo sách.8 4Tính nghiệm bền lò xo xupáp.8 .1Qui dẫn khối lợng các chi tiết:8 .1. Đối với cơ cấu phối khí không có đũa đẩy và đòn bẩy:Khối lợng qui dẫn mok chính bằng tổng khối lợng của xupáp, con đội, móng hãm và khối lợng qui dẫn của lò xo.a. Khối lợng qui dẫn của lò xo:Khối lợng qui dẫn đợc xác định theo điều kiện cân bằng động năng:=l0lx2x2xpolx2dmv2vmTrong đó: molx là khối lợng qui dẫn của lò xo; vxp là tốc độ xupáp.dmlx: khối lợng của phân tố lò xo cách mặt cố định đoạn x vx tốc độ chuyển động của phân tố x; l là chiều dài lò xo.Giả thiết khối lợng lò xo phân bố đều theo chiều dài và tốc độ của phân tố lò xo quan hệ tuyến tính với chiều dài:dxlmdmlxlx= và xlvvxpx=Do đó: 2vm31dxxl2vm2vm2xplxl0232xplx2xpolx==. Rút ra3mmlxolx=(8-28)Nh vậy khối lợng qui dẫn khối lợng của cơ cấu phối khí mox sẽ là:3mmmmmmlxcõmhõlxpox++++= (8-29)8 .2. Đối với cơ cấu phối khí có đũa đẩy, đòn bẩy: Điều kiện qui dẫn các chi tiết không đồng tâm với xu páp là động năng không đổi.a. Đối với con đội và đũa đẩy: (mcđ)Biên soạn TS Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Động lực, Khoa cơ khí10Hình 8- 12 Qui dẫn khối lợng lò xo [...]... lực, Khoa cơ khí Tính toán cơ cấu phân phối khí c = 2Pp [c] = 90MN/m2 2 (8-63) [u]= 200MN/m2 (d ) 2 18 (8-64) ứng suất uốn chốt: u = LPp 8Wu 8 7 Tính sức bền đũa đẩy Đũa đẩy đợc tính theo hệ số an toàn ổn định dọc: n= 2EId Pdl2 d [n] >= 4 (8-65) E: mô dun đàn hồi vật liệu; Iđ : Mô men quán tính của tiết diện đũa đẩy lđ , Pđ chiều dài và lực tác dụng đũa đẩy; ứng suất tiếp xúc đầu đũa đẩy tính theo... diện x - x; góc lệch giữa phơng lực Pk với đờng tâm đòn bẩy; ứng suất tiếp xúc đuôi xu páp tính theo công thức: tx = 0,3883 PdE2 ;[tx]= 4500 MN/m2 2 r (8-68) Hình 8- 18 Sơ đồ tính xupáp Biên soạn TS Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Động lực, Khoa cơ khí Tính toán cơ cấu phân phối khí 19 8 9 Tính sức bền xupáp Tính sức bền của nấm xupáp có thể dùng công thức Back, giả thiết nấm xupáp nh đĩa tròn đặt trên... ta có đờng đặc tính biến dạng lò xo Lực Plxmax ứng với biến dạng fmax, lực Plxo ứng với biến dạng ban đầu fo khi lắp ghép (lúc này hành trình xupáp hx = 0) Khi biết đợc đặc tính của lò xo, có thể xác định đợc độ cứng C C= Plx max Plxo h x max (8-38) Hình 8-13 Xác định đờng đặc tính của lò xo xupáp Biên soạn TS Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Động lực, Khoa cơ khí Tính toán cơ cấu phân phối khí 13 Hình (8-14)... lực, Khoa cơ khí Tính toán cơ cấu phân phối khí 14 : Hệ số hiệu đính biến thiên theo tỷ số Dtb/d Trị số có thể xác định qua bảng Dtb/d 6 7 8 9 1,24 1,2 1,17 1,15 Tỷ số Dtb/d của lò xo xupáp trong phạm vi 5 ữ 12 Có thể tính hệ số nếu góc xoắn lò xo < 100 D tb + 0,5 = d D tb 0,75 d (8-43) Căn cứ vào các đờng đặc tính biến dạng lò xo, ứng suất xoắn cho phép [x], hệ số hiệu đính có thể tính đờng... này nh sau: jx = jc lx lc 8 2Tính toán lò xo xupáp: 8 1 .Cơ sở tính toán: Giai đoạn có gia tốc âm (giai đoạn 2), các chi tiết xupáp và các chi tiết chuyển động của hệ thống phối khí có xu hớng rời khỏi mặt cam do đó lực lò xo P lx phải lớn hơn lực quán tính Pjx (lực quán tính âm khi = 0) ở mọi chế độ tốc độ do đó: Plx = k.Pjx (8-36) k: Hệ số an toàn.( k=2.3 - 2.35 với động cơ không có điều tốc hạn chế... trụ, hình nấm: Biên soạn TS Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Động lực, Khoa cơ khí Tính toán cơ cấu phân phối khí tx = 0.418 PTE b MN/m2 17 (8-57) Đối với con đội con lăn: tx = 0.418 PT E 1 1 MN/m2 b Rl (8-58) Rl là bán kính con lăn [tx] = 600 - 1200MN/m2 8 6 Tính sức bền con đội 8 1 Con đội hình nấm hoặc hình trụ: Thờng tính kiểm nghiệm áp suất tiếp xúc trên thân con đội Khi cam tiếp xúc với... k = 1.25 - 1.6 đối với động cơ có điều tốc) Xupáp thải phải đảm bảo luôn đóng kín trong quá trình nạp (nhất là đối với động cơ xăng khi chạy không tải, bớm ga đóng nhỏ, độ chân không trong xilanh lớn, áp suất cuối quá trình nạp pa có thể giảm tới 0,015MN/m2 trong khi đó áp suất trên đBiên soạn TS Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Động lực, Khoa cơ khí Tính toán cơ cấu phân phối khí 12 ờng thải pr = 0,102... lợng của cơ cấu phối khí có đũa đẩy và đòn bẩy bằng: m ox = m xp + m õl + m mh l m I + lx + db + (m õõ + m cõ ) c 2 l 3 lx x 2 (8-32) Trờng hợp qui dẫn về đờng tâm con đội, khối lợng của cơ cấu phối khí có đũa đẩy và đòn bẩy bằng: m oõ = (m xp + m õl + m mh m l + lx ) x 3 lc 2 I + õb + (m õõ + m cõ ) l2 c Lực quán tính tác dụng lên đờng tâm xupáp: Pjx = m ox j x (8-33) (8-34) Lực quán tính qui... lực, Khoa cơ khí Tính toán cơ cấu phân phối khí 16 l1, l2 là khoảng cách từ hai gối tựa đến cam chịu lực PTmax u = Mu max Mu max = 4 Wu 2 do d 1 32 d MN/m2 (8-51) d và do là đờng kính ngoài và đờng kính trong của trục cam 8 2 ứng suất xoắn: Mô men xoắn đạt cực đại khi lực Pt ở xa tâm trục cam nhất, con đội trợt hết phần cung bán kính Mô men xoắn trục cam do lực lò xo và lực quán tính gây... lò xo t: Khi biến dạng lớn nhất giữa các vòng của lò xo cần phải có khe hở min = 0,5 ữ 0,9 mm Với động cơ cao tốc nên chọn số nhỏ để lò xo ít dao động ở trạng thái tự do Bớc xoắn t xác định theo công thức sau: Biên soạn TS Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Động lực, Khoa cơ khí Tính toán cơ cấu phân phối khí t=d+ fmax + min ict 15 (8-46) Chiều dài lò xo khi xupáp mở lớn nhất: lmin = id + ictmin (8-47) Chiều . Tính toán cơ cấu phân phối khíChơng 8 Tính toán Cơ cấu phối khí8 ..1Xác định các thông số cơ bản của cơ cấu phân phối khí. 8...1 Xác định. Hải Tùng, Bộ môn Động lực, Khoa cơ khíHình 8-1 Sơ đồ tính tỷ số truyền cơ cấu phân phối khí1 Tính toán cơ cấu phân phối khí8 ...2 Xác định tiết diện lu thông