Thiet ke truc khuyu banh da

truc khuyu banh da

chơng 6

trục khuỷu và bánh đà

A trục khuỷu 6.1.1 Điều kiện làm việc của trục khuỷu.

Trục khuỷu là một trong những chi tiết máy quan trọng nhất, cờng độ làm việc lớn và giá thành cao nhất động cơ đốt trong

Trong quá trình làm việc trục khuỷu tiếp nhận lực tác dụng để chuyển thành mômen dẫn động các máy móc tiêu thụ công suất Trạng thái làm việc của trục khuỷu rất nặng:

1 Chịu lực khí thể và lực quán tính rất lớn, các lực này biến đổi đột ngột nên gây va đập mạnh

2 Chịu dao động dọc và dao động xoắn ứng suất do dao động xoắn gây ra thờng làm gãy trục

3 Chịu mài mòn lớn do ma sát giữa các cổ trục lớn và khó bôi trơn

Do điều kiện làm việc nặng nên khi thiết kế kết cấu của trục khuỷu phải đảm bảo thoã mãn các điều kiện sau:

1 Trục khuỷu phải có độ cứng vững lớn, độ bền cao nhng trọng lợng phải nhỏ, chịu mòn tốt

2 Tính năng cân bằng cao, không xẩy ra hiện tợng dao động cộng hởng trọng miền tốc độ sử dụng

3 Có độ chính xác cao trọng gia công và nhệt luyện

4 Kết cấu của trục khuỷu phải đảm bảo tính cân bằng và tính đồng đều của chu kỳ nhng dễ chế tạo

6.1.2 Vật liệu và công nghệ chế tạo phôi trục khuỷu.

Loại vật liệu thờng dùng để chế tạo phôi trục khuỷu là thép các bon có thành phần các bon trung bình nh các loại thép 35  50 Các loại động cơ cao tốc và cờng hoá thờng dùng thép hợp kim Cơrôm - Niken nh các loại 40Cr, 25CrNiV, 45Mn, 20CrNiMo, 30CrMo v.v

Các loại thép các bon có u điểm là rẻ và có hệ số ma sát trong lớn hơn thép hợp kim nên biên độ dao động xoắn nhỏ

Ngoài ra ngời ta còn dùng gang graphít cầu để đúc trục khuỷu Gang graphít cầu

có rất nhiều u điểm nh rẻ tiền, tính lu động tốt và dễ đúc, hệ số ma sát trong lớn hơn thép, chịu mòn tốt và ít nhạy cảm với ứng suất tập trung

Công nghệ chế tạo phôi trục khuỷu thờng theo hai phơng pháp:

Rèn tự do hoặc rèn khuôn:

Thờng dùng để chế tạo các phôi trục khuỷu bằng thép các bon và thép hợp kim Phơng pháp công nghệ rèn khuôn có năng suất rất cao, thờng dùng trong sản xuất quy mô lớn Ngợc lại phơng pháp rèn tự do thờng dùng để chế tạo phôi trục khuỷu của

động cơ tàu thuỷ và tĩnh tại có công suất lớn

Vật liệu dùng để đúc trục khuỷu thờng là thép các bon và nhất là gang graphít cầu u điểm của phơng pháp đúc phôi là tạo đợc độ chính xác cao và kết cấu phức tạp

mà công nghệ rèn không đạt đợc

Tuy nhiên phơng pháp tạo phôi đúc cũng tồn tại khá nhiều nhợc điểm nh:

 Thành phần kim loại khó đồng đều, kết tinh của các phần cũng không

đồng đều làm giảm cơ tính của trục Đối với gang graphít cầu nếu tỷ lệ cầu hoá không đạt trên 95% thì độ bền của trục giảm đáng kể

 Dễ mắc khuyết tật nh rỗ, ngậm xỉ, rạn nứt ngầm

Chính vì những khuyết điểm này mà phơng pháp công nghệ đúc ít đợc dùng

6.1.3 Kết cấu trục khuỷu.

Hình dạng kết cầu và kích thớc trục khuỷu phụ thuộc vào số xilanh, cách bố trí xilanh, số kỳ, thứ tự làm việc của các xilanh và gam công suất độngcơ

Kết cấu trục khuỷu có thể chia thành hai loại chính: Trục khuỷu nguyên khối (hình IV-1) và trục khuỷu ghép (hình IV-2)

Trục khuỷu nguyên khối là loại trục khuỷu có các khuỷu làm liền với nhau thành một khối Loại trục khuỷu thờng dùng cho các loại động cơ công suất nhỏ và trung bình

Trục khuỷu ghép là loại trục có các khuỷu trục chế tạo rời rồi ghép lại thành trục Cách tổ hợp rất đa dạng: Trục chính do nhiều đoạn trục ghép lại bằng bích nối; khuỷu trục do cổ, chốt ghép vào với má (hình IV-2c); trục khuỷu do các môdun cơ bản ghép lại (hình IV-2d), cổ trục kiêm luôn má khuỷu

Dù là trục khuỷu nguyên hay là trục khuỷu ghép đều phải đảm bảo độ cứng vững

và độ bền vì tuổi thọ của trục khuỷu là cơ sở để đánh giá độ bền sử dụng của động cơ

Đôi khi, để rút ngắn chiều dài của trục khuỷu, một vài loại động cơ xăng (nh

động cơ Đốt (Mỹ) hoặc Gát (Nga)) đã dùng loại trục khuỷu thiếu cổ Số cổ trục Z của loại động cơ này thiết kế theo công thức:

Z = i/2 + 1

Trong đó: i - là số xilanh.

Động cơ điêden thờng dùng loại trục khuỷu đủ cổ Số cổ trục: Z = i + 1

Dới đây trình bày cụ thể về các bộ phận của trục khuỷu: đầu trục khuỷu, cổ trục, chốt và má khuỷu và đuôi trục khuỷu

6.1.3.1 Đầu trục khuỷu:

Đầu trục khuỷu thờng lắp các bánh răng dẫn động trục cam, bơm cao áp, bơm dầu nhờn, các bánh đai dẫn động bơm nớc, quạt gió, máy phát điện

Bánh răng và bánh đai đợc lắp chặt trên trục, có then bán nguyệt định vị Trên

đầu trục còn lắp phớt chắn dầu, bạc chắn dọc trục và đai ốc răng sói để quay trục khuỷu khi khởi động Kiểu lắp ghép phổ biến giới thiệu trên hình (IV-3)

Ngoài các tiết máy kể trên, trong một số động cơ ngời ta còn lắp bộ giảm dao

động xoắn của hệ trục khuỷu Kết cấu của bộ giảm dao động xoắn đã giới thiệu trong chơng dao động xoắn của giáo trình động học và động lực học động cơ đốt trong

6.1.3.2 Cổ trục khuỷu:

Các cổ trục khuỷu thờng có cùng một kích thớc đờng kính Đờng kính cổ trục xác

định theo kết quả tính nghiệm bền và tính ứng suất xoắn khi dao động xoắn Ngoài ra còn xét đến điều kiện bôi trơn và số lần mài sửa trục khuỷu theo "cốt" sửa chữa

Khi thiết kế, ta thờng cố gắng tăng đờng kính cổ trục và chốt khuỷu để tăng độ cứng vững cho trục khuỷu nhng cần lu ý rằng tăng đờng kính cổ trục và chốt khuỷu sẽ làm tăng khối lợng trục khuỷu và ảnh hởng đến tần số dao động xoắn của hệ trục Chiều dài cổ trục phụ thuộc vào thiết kế bố trí chung của động cơ Thông thờng

đờng kính và chiều dài cổ trục nằm trong phạm vi sau:

- Đối với động cơ xăng:

dc = (0,65  0,8)D ; D - là đ)D ; D - là đờng kính xilanh

lc = (0,5  0,6)dc

- Đối với động cơ điêden:

dc = (0,7  0,8)D ; D - là đ5)D ;

lc = (0,55  0,65)dc

6.1.3.3 Chốt khuỷu:

Đờng kính chốt khuỷu thờng nhỏ hơn đờng kính cổ trục một ít (thờng bằng (0,8)D ; D - là đ5

 0,9)dc)

Chiều dài của trục khuỷu phụ thuộc vào thiết kế bố trí chung (chiều dài của cổ trục, chiều dài của má khuỷu, khoảng cách giữa hai đờng tâm xilanh)

Do tăng đờng kính cổ và chốt để giảm khối lợng của trục khuỷu, chốt khuỷu ờng làm rỗng, vừa nhẹ vừa để chứa đầu bôi trơn Đờng dầu trong cổ và chốt khuỷu th-ờng thiết kế theo các phơng án trên hình (IV-4)

Đờng kính và chiều dài chốt khuỷu thờng nằm trong phạm vi sau:

- Động cơ xăng:

dch = (0,6  0,7)D ;

lch = (0,45  0,6)dch

- Động cơ điêden:

dch = (0,65  0,72)D ;

lch = (0,5  0,65)dch

- Động cơ chữ V:

dch = (0,57  0,7)D ;

lch = (0,8)D ; D - là đ  1,0)dch

6.1.3.4 Má khuỷu:

Hình dạng và kích thớc của má khuỷu phụ thuộc chủ yếu vào đờng kính cổ và chốt

Kiểu má hình chữ nhật là đơn giản nhất, loại má dạng ô van hay tròn có độ bền cao Một vài dạng má khuỷu thờng gặp giới thiệu trên hình (IV-5)

Kích thớc của má khuỷu thờng nằm trong phạm vi sau: (chiều dày b, chiều rộng h)

- Đối với động cơ xăng:

h = (1  1,25)D; b = (0,2  0,22)D

- Đối với động cơ Điêden:

h = (1,05  1,3)D; b = (0,24  0,27)D

Má khuỷu của loại trục khuỷu thiếu cổ thờng khá phức tạp, có độ dày khá lớn và thờng rèn khuôn, không gia công cơ

6.1.3.5 Đối trọng:

Đối trọng đúc liền với má khuỷu hoặc làm rời rồi lắp lên má khuỷu

Đối trọng có hai tác dụng chủ yếu:

1 Cân bằng các lực và mômen lực quán tính cha đợc cân bằng nh lực quán tính ly tâm, mômen của lực quán tính ly tâm Chuyển đổi chiều cho lực quán tính chuyển động tịnh tiến và cân bằng lực này trong động cơ chữ V có góc giữa hai hàng xilanh bằng 900

2 Giảm mômen uốn cổ trục giữa của các động cơ 4 kỳ có số xilanh 4, 6, 8)D ; D - là đ Vì trong các động cơ này tuy tổng các mômen do lực ly tâm sinh ra bằng không nhng cổ trục giữa bị uốn rất nặng

Khi trục khuỷu có đối trọng, khối lợng sẽ tăng lên và ảnh hởng đến tần số dao

động riêng của trục Kích thớc của đối trọng phụ thuộc chủ yếu vào lực quán tính ly tâm và không gian của hộp trục khuỷu

Các dạng đối trọng thờng gặp giới thiệu trên hình (IV-6)

6.1.3.6 Đuôi trục khuỷu:

Đuôi trục khuỷuthờng có mặt bích hoặc côn để lắp bánh đà Bánh đà đợc định vị bằng chốt hoặc bu lông định vị (khi dùng mặt bích) hoặc dùng then để định vị (khi dùng mặt côn) Đuôi trục khuỷu còn thờng có vành chắn dầu, ren hồi dầu và phớt chắn dầu Các kiểu lắp bánh đà dùng mặt bích giới thiệu trên hình (IV-7)

Kiểu đuôi trục có mặt bích thờng hay dùng cho động cơ ôtô, máy kéo và máy xây dựng (máy ủi, máy xúc )

Kiểu đuôi trục khuỷu có mặt côn giới thiệu trên hình (IV-8)D ; D - là đ) Loại này thờng dùng cho các động cơ xăng cỡ nhỏ (động cơ mô tô xe máy), động cơ điêden công suất nhỏ dùng trong nông nghiệp và động cơ điêden công suất lớn nh động cơ phát điện,

động cơ tàu thuỷ

Trong một vài loại động cơ do đặc điểm kết cấu phải bố trí bánh răng dẫn động trục cam ở phần đuôi trục khuỷu, lúc này đuôi trục có mặt bích để lắp bánh răng còn bánh đà lắp ngay trên mặt đầu của phần đuôi trục (nh hình IV-9)

4.4 Biện pháp tăng độ bền cho trục khuỷu.

Trục khuỷu là một chi tiết máy rất quan trọng nên khi thiết kế ngời ta cố gắng tìm mọi biện pháp để tăng độ bền cho trục khuỷu

4.4.1 Các biện pháp kết cấu:

Lựa chọn kết cấu hợp lý là biện pháp có hiệu quả rất cao Để tăng độ bền của trục khuỷu, ngời ta thờng dùng các biện pháp sau đây:

1 Tăng độ trùng điệp  giữa trục và chốt khủyu Theo thực nghiệm khi tăng

 độ bền mỏi tăng rất nhièu:  = 10 mm độ bền mỏi tăng 3,5%;  = 20 mm, độ bền mỏi tăng 29%;  = 30 mm, độ bền mỏi tăng 75%

2 Tăng bán kính góc lợn r giữa cổ, chốt và má khuỷu Đôi khi bán kính góc lợn còn là một tổ hợp của nhiều bán kính Tăng bán kính góc lợn, ứng suất tập trung vùng góc lợn sẽ giảm

3 Tăng chiều rộng và chiều dày của má khuỷu Dùng dạng má khuỷu tròn

có độ bền khá cao

4 Khoét bỏ những vùng kim loại chịu ứng suất lớn để phân tán đờng sức

đ-ợc đồng đều làm giảm ứng suất, nh hình (IV-10) Dạng kết cấu này thờng dùng cho trục khuỷu đúc bằng graphít cầu

5 Bố trí lỗ dẫn dầu từ lỗ lên chốt và lỗ dầu trên mặt chốt lẹch khỏi mặt chịu ứng suất lớn, nh hình (IV-4a và b)

4.4.2 Các biện pháp công nghệ:

Ngoài các biện pháp kết cấu ra, ngời ta còn dùng nhiều biện pháp công nghệ để tăng độ bền trục khuỷu:

1 Dùng phơng pháp tạo phôi bằng rèn khuôn để thớ kim loại không bị cắt

đứt

2 Làm chai bề mặt bằng cách phun bi thép, cát thạch anh hoặc cán lăn

3 Nhiệt luyện để bề mặt chốt hoặc cổ đạt độ cứng cao, có tổ chức kim tơng tốt

4 Gia công đạt độ chính xác và độ bóng cao

4.5 Tính nghiệm bền trục khuỷu.

Tính nghiệm bền trục khuỷu chỉ là tính gần đúng, và tính theo giả thiết dầm tĩnh

định (thực ra trục khuỷu là một dầm siêu tĩnh) Trục khuỷu đợc phân đoạn thành từng khuỷu rồi nghiệm bền với khuỷu nguy hiểm nhất Sơ đồ tính nghiệm bền giới thiệu trên hình (IV-11)

Hình IV-11 Sơ đồ tính nghiệm bền trục khuỷu

Ký hiệu trên sơ đồ nh sau:

T và Z - lực tiếp tuyến và lực pháp tuyến tác dụng trên chốt khuỷu

Pr1 - lực quán tính ly tâm của má khuỷu

C1 - lực quán tính ly tâm của chốt khuỷu

C2 - lực quán tính ly tâm của m2

Pr2 - lực quán tính ly tâm của đối trọng

T'; T"; Z'; Z" - các phản lực do T và Z sinh ra

Mk'; Mk" - mômen xoắn tác dụng trên cổ trục bên trái và bên phải

Ngời ta giả thiết rằng ứng suất lớn nhất tác dụng trên khuỷu nguy hiểm có thể xẩy ra trong bốn trờng hợp sau:

1 Trờng hợp chịu lực PZmax khi khởi động

2 Trờng hợp chịu lực Zmax khi làm việc

3 Trờng hợp chịu lực Tmax khi làm việc

4 Trờng hợp chịu lực Tmax

Trong thực tế vận hành của động cơ, lực tác dụng trong trờng hợp 1 bao giờ cũng lớn hơn trờng hợp 2 và lực tác dụng lên trục khuỷu ở trờng hợp 3 bao giờ cũng lớn hơn trờng hợp 4 Vì vậy ngời ta chỉ tính nghiệm bền ở hai trờng hợp 1 và 3

4.5.1 Trờng hợp chịu lực P Zmax :

Đối với động cơ điêden, đây là trờng hợp khởi động

Vị trí khuỷu trục ở điểm chết trên nên  = 0, T = 0, n = 0, Pj = 0, Pr = 0

Z = PZmax = pZmax.Fp ,

l

"

0 ; Z" = Zl l'

0

4.5.1.1 Tính nghiệm bền chốt khuỷu, mômen uốn chốt khuỷu:

Mu = Z'.l'

ứng suất uốn chốt khuỷu là:

u u

M W

Z l W

  ' '

; MN/m2

Trong đó: Wu - môdun chống uốn của tiết diện ngang chốt

Đối với chốt đặc: Wu  0,1dch3

Đối với chốt rỗng: W d

d

u

ch ch ch







32

; m3

dch và ch - đờng kính ngoài và đờng kính trong của chốt khuỷu

4.5.1.2 Tính nghiệm bền má khuỷu:

Lực pháp tuyến Z gây ra uốn và nén tại A-A

ứng suất uốn má khuỷu:

u

u ux

M W

Z b hb

  ' '

2

6

; MN/m2 ứng suất nén má khuỷu:

u Z bh



2 ; MN/m

2

ứng suất tổng:  = u + n

4.5.1.3 Tính nghiệm bền cổ trục:

ứng suất uốn cổ trục:

u

u

Z l W

 ' '

; MN/m2

ứng suất uốn cổ trục trong trờng hợp này thờng nhỏ hơn ứng suất uốn cổ chốt Nên đôi khi có thể bỏ qua không tính

4.5.2 Trờng hợp chịu lực T max

Vị trí tính toán của khuỷu trục nguy hiểm lệch so với vị trí ĐCT một góc

 = Tmax

Lúc này n  0, T = Tmax, các lực quán tính đều tồn tại Cần căn cứ vào đồ thị T = f() để xác định trị số lực tiếp tuyến và các góc tơng ứng Ví dụ: Đồ thị T = f() của một động cơ 6 xilanh nh trên hình (IV-12), ta có Tmax = 270

Hình IV-12 Đồ thị T = f( )

Tơng ứng ta có T = 1,8)D ; D - là đ1 MN/m2, lực tiếp tuyến ở các góc cần tính thống kê trong bảng sau:

 270 1470 2670 38)D ; D - là đ70 5070 6270

T 1,8)D ; D - là đ1 0,55 -0,4 -0,78)D ; D - là đ 0,4 -0,45

Ta lập bảng để tìm khuỷu nguy hiểm:



Khuỷu

270 1470 2670 38)D ; D - là đ70 5070 6270

1 T max =1.8)D ; D - là đ1

2

T max =1.8)D ; D - là đ1

3

T max =1.8)D ; D - là đ1

4

T max =1.8)D ; D - là đ1

T i-1 = -0,68)D ; D - là đ

5

-0,45

T max =1.8)D ; D - là đ1

T i-1 = 1,08)D ; D - là đ 0,55 -0,4 -0,78)D ; D - là đ 0,4

6

-0,78)D ; D - là đ 0,4 -0,45

T max =1.8)D ; D - là đ1

T i-1 = -0,68)D ; D - là đ 0,55 -0,4

Từ bảng thống kê ta thấy khuỷu thứ hai ngoài lực Tmax ra còn chịu mômen cùng chiều do Ti-1 gây ra nên khuỷu thứ 2 là khuỷu nguy hiểm nhất Do đó phải tính nghiệm bền cho khuỷu thứ 2

4.5.2.1 Tính nghiệm bền chốt khuỷu.

- ứng suất uốn trong mặt phẳng khuỷu trục:

u x u

x

ux

ux

M W

Z l P a P c W

  ' ' 1  2

; MN/m2

- øng suÊt uèn trong mÆt ph¼ng th¼ng gãc víi mÆt ph¼ng khuûu trôc:

u y u

y

uy uy

M W

T l W

  ' '

; MN/m2

§èi víi chèt rçng: W W d

d

ch







32

- øng suÊt uèn tæng céng:

   

u  u x 2 u y 2 ; MN/m2

- øng suÊt xo¾n chèt khuûu:

k

i

k

M W

W

"  1

; MN/m2

- øng suÊt tæng khi chÞu uèn xo¾n:

 u2  4 x2 MN/m2

4.5.2.2 TÝnh nghiÖm bÒn cæ trôc:

Thêng tÝnh cæ bªn ph¶i v× cæ nµy chÞu lùc lín h¬n cæ bªn tr¸i

- øng suÊt do lùc ph¸p tuyÕn Z" g©y ra:

u x u

x

ux ux

M W

Z b W

  " "

; MN/m2

- øng suÊt uèn do lùc tiÕp tuyÕn T" g©y ra:

u y u

y

uy uy

M W

T b W

  " "

; MN/m2

- øng suÊt uèn tæng céng:

   

u  u x 2 u y 2 ; MN/m2

- øng suÊt xo¾n:

k

i

k

M W

W

 "    1 

; MN/m2

- øng suÊt tæng khi chÞu uèn vµ xo¾n:

   u2  4 x2 ; MN/m2

4.5.2.3 TÝnh nghiÖm bÒn m¸ khuûu:

Ta thêng tÝnh nghiÖm bÒn m¸ khuûu bªn ph¶i vµ m¸ nµy thêng chÞu lùc lín

- øng suÊt do lùc ph¸p tuyÕn Z" sinh ra: