THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ĐHBK TPHCM

Thiết kế Động xi-lanh sử dụng xăng E20 GVHD: Huỳnh Thanh Công MỤC LỤC CHƯƠNG PHÂN TÍCH ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC VÀ YÊU CẦU CỦA ĐỘNG CƠ XĂNG SINH HỌC CHƯƠNG CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CHO TỪNG HỆ THỐNG 2.1 Chọn phương án thiết kế cho cụm cố định .7 2.1.1 Thân máy a) Loại thân máy kiểu thân xi-lanh – hộp trục khuỷu .7 b) Kiểu chịu lực thân máy c) Phương án ổ trục – bạc lót .8 d) Phương án lót xi-lanh 2.1.2 Nắp xi-lanh .10 a) Phương án chọn nắp xi-lanh .10 b) Phương án chọn gioăng nắp xi-lanh 11 2.2 Chọn phương án thiết kế cho hệ thống phát lực 11 2.1.1 Pit-tông 11 a) Phương án đỉnh pit-tông 11 b) Phương án đầu pit-tông .12 c) Phương án thân chân pit-tông 12 2.1.2 Chốt pit-tông .12 a) Phương án vật liệu .12 b) Phương án kết cấu chốt pit-tông 13 c) Phương án lắp chốt pit-tông 13 2.1.3 Xéc-măng 13 2.1.4 Thanh truyền 14 a) Phương án vật liệu .14 b) Phương án đầu nhỏ truyền 14 c) Phương án thân truyền 15 Trang Thiết kế Động xi-lanh sử dụng xăng E20 GVHD: Huỳnh Thanh Công d) Đầu to truyền .15 2.1.5 Trục khuỷu 15 2.1.6 Bánh đà .17 a) Phương án vật liệu .17 b) Phương án kết cấu bánh đà 17 2.3 Chọn phương án thiết kế hệ thống bôi trơn 18 Nguyên lý làm việc 19 2.4 Chọn phương án cho thiết kế hệ thống làm mát 20 2.5 Chọn phương án thiết kế hệ thống đánh lửa 20 2.5.1 Sơ đồ 21 2.5.2 Nguyên lý 21 2.6 Chọn phương án thiết kế cho hệ thống nhiên liệu 22 2.6.1 Phương án chế hồ khí 22 2.6.2 Phương án phao xăng 23 2.6.3 Phương án buồng phao 23 2.6.4 Phương án bình lọc khơng khí 24 2.6.5 Sơ đồ khối hệ thống nhiên liệu dùng chế hòa khí: 25 2.6.6 Nguyên lý hoạt động 25 CHƯƠNG 26 TÍNH TỐN NHIỆT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG .26 3.1 Các thông số cho trước động tham khảo 26 3.2 Chọn thông số cho tính tốn nhiệt 26 3.2.1 Áp suất khơng khí nạp (p0) .26 3.2.2 Nhiệt độ khơng khí nạp (T0) 26 3.2.3 Áp suất khí nạp trước xú-pap nạp (pk) .26 3.2.4 Nhiệt độ khí nạp trước xú-pap nạp (Tk) 26 3.2.5 Áp suất cuối trình nạp (pa) 26 3.2.6 Chọn áp suất khí sót (pr) 27 3.2.7 Nhiệt độ khí sót (Tr) 27 3.2.8 Độ tăng nhiệt độ khí nạp (T ) 27 3.2.9 Chọn hệ số nạp thêm 1 27 Trang Thiết kế Động xi-lanh sử dụng xăng E20 GVHD: Huỳnh Thanh Công 3.2.10 Chọn hệ số quét buồng cháy 2 27 3.2.11 Chọn hệ số hiệu đính tỷ nhiệt t 28 3.2.12 Hệ số lợi dụng nhiệt điểm Z (  z ) 28 3.2.13 Hệ số lợi dụng nhiệt điểm b ( b ) 28 3.2.14 Chọn hệ số dư lượng khơng khí α 28 3.2.15 Chọn hệ số điền đầy đồ thị công  d  28 3.2.16 Tỷ số tăng áp .29 3.3 Tính tốn nhiệt 29 3.3.1 Quá trình nạp 29 3.3.2 Quá trình nén 29 3.3.3 Quá trình cháy 30 3.3.4 Quá trình giãn nở .31 3.3.5 Tính tốn thơng số đặc trưng chu trình 32 3.3.6 Tính thơng số kết cấu động 33 3.3.7 Vẽ đồ thị công thị 35 3.3.8 Xác định điểm đặc biệt đồ thị công .35 CHƯƠNG 39 TÍNH TỐN ĐỘNG HỌC 39 CƠ CẤU TRỤC KHUỶU – THANH TRUYỀN 39 4.1 Phân tích động học cấu trục khuỷu – truyền 39 4.2 Động học pit-tông .39 4.2.1 Chuyển vị pit-tông 39 4.2.2 Vận tốc pit-tông 41 4.2.3 Gia tốc pit-tông 43 CHƯƠNG 46 TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU 46 TRỤC KHUỶU – THANH TRUYỀN 46 5.4.1 Khối lượng chi tiết chuyển động 54 Trang Thiết kế Động xi-lanh sử dụng xăng E20 GVHD: Huỳnh Thanh Công 5.4.2 Lực moment tác dụng cấu trục khuỷu – truyền 57 5.4.3 Lực khí thể xi-lanh Pkh 57 5.4.4 Lực quán tính 58 5.4.5 Hệ lực tác dụng lên cấu trục khuỷu - truyền: 59 5.4.6 Moment tác dụng lên cấu trục khuỷu – truyền 67 5.4.7 Hệ lực moment tác dụng trục khuỷu 69 5.4.8 Cân động .74 CHƯƠNG 76 TÍNH TỐN KIỂM NGHIỆM CÁC HỆ THỐNG 76 6.1 HỆ THỐNG CỐ ĐỊNH 76 6.1.1 Tính bền lót xi-lanh 76 6.1.2 Tính bền bu-lơng ghép thân với nắp xi-lanh 76 6.1.3 Tính sức bền gujong chịu lực 77 6.1.4 Tính bền nắp xi-lanh 78 6.2 HỆ THỐNG BÔI TRƠN 80 6.2.1 Xác định thông số hệ thống .80 6.2.2 Tính tốn ổ trượt .80 6.3 HỆ THỐNG PHÁT LỰC .89 6.3.1 Thiết kế phác thảo .89 6.3.2 Kết cấu động 91 6.3.3 Thiết kế cấu phát lực 92 6.3.4 Thiết kế kỹ thuật cấu phát lực .96 6.4 HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU XĂNG DÙNG BỘ CHẾ HỊA KHÍ (tính tốn phận chế hóa khí) 119 6.4.1 Xác định kích thước họng 121 6.4.2 Tính gíc-lơ vòi phun 123 6.4.3 Đặc tính chế hòa khí 126 6.4.4 Buồng phao .126 6.4.5 Thùng xăng .127 Trang Thiết kế Động xi-lanh sử dụng xăng E20 BẢNG PHÂN CÔNG STT Họ tên MSSV Dương Phan Vạn Lộc G1201996 Nguyễn Đinh Minh Khánh Nguyễn Hoàng Duy G1200548 Bùi Thành Lam G1201816 Tô Quốc Phú GVHD: Huỳnh Thanh Công Nhiệm vụ – Phân tích điều kiện làm việc yêu cầu – Chọn phương án thiết kế hệ thống đánh lửa – Chọn phương án thiết kế, tính tốn kiểm nghiệm hệ thống cố định – Chọn phương án thiết kế, tính tốn kiểm nghiệm hệ thống nhiên liệu – Tính tốn nhiệt – Chọn phương án thiết kế, tính tốn kiểm nghiệm hệ thống bôi trơn, hệ thống làm mát – Tính tốn Động học – Chọn phương án thiết kế, tính tốn kiểm nghiệm hệ thống phát lực – Tính toán Động lực học Trang Thiết kế Động xi-lanh sử dụng xăng E20 GVHD: Huỳnh Thanh Công CHƯƠNG PHÂN TÍCH ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC VÀ YÊU CẦU CỦA ĐỘNG CƠ XĂNG SINH HỌC Nhiên liệu sinh học sử dụng nhiều quốc gia giới từ nhiều năm Đây coi giải pháp bảo vệ môi trường, giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch Một mặt, nhiên liệu sinh học góp phần giải vấn đề thiếu hụt lượng tương lai tốc độ khai thác sử dụng dầu thô ngày lớn dẫn tới nguy ô nhiễm môi trường, trái đất nóng lên biến đổi khí hậu Mặt khác, nhiên liệu sinh học góp phần phát triển kinh tế nông thôn, tăng thu nhập cho người dân vùng sâu, vùng xa, nơi có tiềm lớn lĩnh vực nơng, lâm nghiệp Việc sử dụng xăng sinh học giúp cải thiện tính động cơ, giảm phát thải, tăng số octan (tăng khả chống kích nổ nhiên liệu), trình cháy động diễn triệt để hàm lượng oxy cao xăng thông thường Vì thế, nhóm chúng em chọn xăng sinh học E20-RON95 (20% ethanol, 80% xăng RON95) thiết kế động sử dụng xăng theo mẫu động tham khảo Kohler Command PRO CH270 Do hàm lượng cồn nhiên liệu cao nên dẫn tới tượng tách lớp, ảnh hưởng tới trình cung cấp nhiên liệu chất lượng làm việc động khiến cho tỉ lệ xăng/khơng khí trở nên khơng xác Cồn ăn mòn bình xăng cấu thành từ vật liệu sợi thuỷ tinh, ống cao su đường dẫn plastic Nó tiềm ẩn nguy gây rỉ sét làm đọng nước nhiều chi tiết kim loại Ngồi ra, cồn ethanol có tính hút ẩm mạnh xăng nhiều Điều gây tượng đọng nước bên bình xăng, phận khác chế hồ khí, xi-lanh, đường ống dẫn – hay phận có khoảng trống khơng khí Việc xuất nước hệ thống dẫn xăng làm giấy bên lọc xăng thông thường bị phồng lên chẹn đường chảy nhiên liệu tới động Do đó, động thiết kế cần phải ý yêu cầu tính bền, chống ăn mòn nhiên liệu đảm bảo hiệu sử dụng Động thiết kế lại động tĩnh kỳ, xi-lanh, hoạt động với công suất tối đa 5,2 KW, tốc độ vòng quay tối đa cần đạt 4000 vòng/phút khơng nhỏ gọn động kỳ có tính kinh tế cao Trang Thiết kế Động xi-lanh sử dụng xăng E20 GVHD: Huỳnh Thanh Công CHƯƠNG CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CHO TỪNG HỆ THỐNG 2.1 2.1.1 Chọn phương án thiết kế cho cụm cố định Thân máy a) Loại thân máy kiểu thân xi-lanh – hộp trục khuỷu Hình 2-1 Thân máy kiểu thân xi-lanh – hộp trục khuỷu  Ưu điểm + Nhẹ, tốn kim loạt có độ cứng vững tương đối lớn, bảo đảm độ khít thân xilanh khoang làm mát + Giảm bớt mặt lắp ghép, gia công đơn giản + Thân máy đủ độ bền dù vách ngăn tương đối mỏng  Nhược điểm + Chế tạo khó, loại động có đường kính xilanh lớn + Khó khăn q trình sửa chữa Thân máy - nắp xi-lanh thường chế tạo theo phương pháp đúc Thân xi-lanh đúc nhôm để giảm khối lương đảm bảo độ cứng vững Trang Thiết kế Động xi-lanh sử dụng xăng E20 GVHD: Huỳnh Thanh Công b) Kiểu chịu lực thân máy Dựa vào tình trạng chịu lực thân máy kiểu thân xi-lanh – hộp trục khuỷu ta chọn phương án thân xi-lanh chịu lực Lực khí thể tác dụng nắp máy truyền cho thân xi-lanh qua gujông nắp máy, lực tác dụng gây ứng suất kéo tiết diện thẳng góc với đường tâm xilanh thân máy Thường dùng động xăng  Ưu điểm + Độ cứng vững lớn + Gân chịu lực + Giảm bớt mặt lắp ghép, đỡ tốn kim loại  Nhược điểm + Chế tạo khó, loại động có đường kính xi-lanh lớn c) Phương án ổ trục – bạc lót Ổ trục dùng để đỡ trục quay đỡ chi tiết máy quay trục Nhờ có ổ mà trục chi tiết quay trục có vị trí xác định quay quanh đường tâm định sẵn Theo tính ma sát ổ, có hai loại: ổ trượt ổ lăn Dựa vào kết cấu động ta chọn ổ lăn Ổ lăn có cấu tạo gồm vòng trong; vòng ngồi, bi vòng cách  Ưu điểm + Hệ số ma sát nhỏ + Bôi trơn đơn giản + Ít tốn vật liệu bơi trơn + Được tiêu chuẩn hóa tính lắp lẫn tốt  Nhược điểm + Tuổi thọ thấp Trang Thiết kế Động xi-lanh sử dụng xăng E20 GVHD: Huỳnh Thanh Cơng + Kích thước lớn + Khó lắp ghép d) Phương án lót xi-lanh Hình 2-2 Lót xi-lanh liền thân máy Động có lót xi-lanh khơ làm gang, gắn liền suốt chiều dài xilanh  Ưu điểm + Lót xi-lanh khơ có độ cứng vững lớn, làm mỏng tốn vật liệu q + Lót xi-lanh khơ khơng sợ bị lọt khí  Nhược điểm + Khó gia cơng + Khả làm mát Trang Thiết kế Động xi-lanh sử dụng xăng E20 GVHD: Huỳnh Thanh Công 2.1.2 Nắp xi-lanh a) Phương án chọn nắp xi-lanh Chọn kiểu làm mát nắp máy động làm mát gió có cánh tản nhiệt Vật liệu: Hợp kim nhôm – silic A356  Ưu điểm + Dễ chế tạo, thích hợp hoạt động nơi thiếu nước  Nhược điểm + Tải nhiệt hiệu hơn, to cồng kềnh Nắp xi-lanh động xăng có kết cấu tuỳ thuộc vào kiểu buồng cháy, số xu-páp, cách bố trí xu-páp bu-gi, kiểu làm mát động cách bố trí đường thải nạp nắp xi-lanh Do phương án chọn nắp xi-lanh phụ thuộc vào kiểu buồng cháy động Ta chọn nắp máy có buồng cháy bán cầu - Thường dùng động xăng có cấu xupap treo, động xăng cỡ nhỏ động mô tô, xuồng máy - Dùng xu-páp treo, có xu-páp nạp lớn xu-páp thải, có bu-gi đặt nắp xilanh, khoảng cách từ bu-gi đến điểm xa buồng cháy gần đường kính xi-lanh - Trên nắp máy có lỗ nước, lỗ bắt gujơng, lỗ để luồng đũa đẩy - Vách buồng cháy làm mát tốt để tránh kích nổ  Ưu điểm + Nắp máy buồng đốt có kết cấu nhỏ gọn + Xu-páp thải xu-páp đóng bố trí phía khác  Nhược điểm + Nếu đỉnh pit-tông làm lồi lên để tăng tỷ số nén tạo xốy lốc buồng đốt cháy dội khó làm mát đỉnh pit-tông Trang 10 Thiết kế Động xi-lanh sử dụng xăng E20 GVHD: Huỳnh Thanh Công *Ứng suất biến dạng mặt đầu nhỏ truyền: =124,8 Mpa []=100 150 MPa Trong đó: p = 23,35 [MPa] – Áp suất nén bề mặt lắp ghép d1 = 39 [mm] = 0,039 [m] – Đường kính đầu nhỏ truyền d2 = 53[mm]=0,053[m]– Đường kính ngồi đầu nhỏ truyền *Ứng suất biến dạng đạt đến []=100 150 [MPa] d Độ biến dạng đầu nhỏ truyền: Do tác dụng lực Pj, đầu nhỏ truyền bị méo khiến khe hở chốt pittơng bạc lót giảm kẹt Để không bị kẹt, độ biến dạng  theo hướng kính đầu nhỏ truyền khơng lớn nửa khe hở lắp ghép ban đầu bạc lót chốt pittơng = 0,0000079 m =0,0079 mm Trong đó: Pj  0,6368 Mpa – Lực qn tính lớn (Trị số có phần tính tốn Động lực học, bảng [3.4]) dtb=2 = 38 mm = 0,038 m – Đường kính trung bình đầu nhỏ truyền J- Mment quán tính tiết diện dọc đầu nhỏ truyền =1,8133.10-10 [m4] Ett=2,2.105 MPa–Moduyn đàn hồi vật liệu chế tạo truyền =1200 Độ biến dạng cho phép [ ]< 0,02 0,03mm Tính sức bền thân truyền: Động RV165-2 loại động tốc độ trung bình nên tính sức bền thân truyền ta tính tải trọng tĩnh tác dụng lực khí thể lớn chu trình, bỏ qua lực quán tính chuyển động tịnh tiến lực quán tính chuyển động lắc truyền Vị trí tính tốn ứng với pittơng nằm điểm chết (ĐCT) Pz l l Tiếtdiện Ftb l1/2 l/2 Tiếtdiện Fmin Trang 117 Thiết kế Động xi-lanh sử dụng xăng E20 GVHD: Huỳnh Thanh Cơng Hình 6-13 Sơ đồ tính tốn sức bền thân truyền *Lực khí thể Pkh = pkt.Fp= 0,0177 MN  0,018 MN Trong đó: pkt = 4,6 Mpa – Áp suất khí thể lớn tính đơn vị diện tích đỉnh pittơng (Trị số lấy phần tính tốn động lực học (bảng [3.4])) Fp = 3,85.10-3m2– Diện tích đỉnh pittông *Ứng suất nén tiết diện nhỏ thân truyền: =366 MPa Trong đó: Pkh= 0,091 MN –Lực khí thể Fmin- Diện tích tiết diện nhỏ thân truyền Theo vẽ 3D, ta có giá trị Fmin=0,248.10-3m2 *Ứng suất nén uốn dọc tiết diện trung bình thân truyền: Trang 118 Thiết kế Động xi-lanh sử dụng xăng E20 GVHD: Huỳnh Thanh Cơng Lực Pkh ngồi việc gây ứng suất nén gây ứng suất uốn dọc lớn tiết diện trung bình nằm thân truyền Ứng suất tổng nén uốn dọc thân truyền tiết diện trung bình tính theo cơng thức: = 384 MPa Trong đó: Pkh = 0,091 [MN] – Lực khí thể Ftb – Diện tích tiết diện trung bình thân truyền Theo vẽ 3D, ta có giá trị Ftb = 0,265.10-3m2 kx – Hệ số Đối với loại truyền thường dùng nay, hệ số kx = 1,10 1,15, chọn kx = 1,12 Ứng suất cho phép thân truyền làm thép C thường nằm khoảng []=80120 MPa *Độ ổn định uốn dọc: Độ ổn định truyền chịu uốn dọc thường tính theo cơng thức Tétmaierơ **Lực tới hạn uốn dọc tính theo cơng thức sau: = 0,67 MN Trong đó: Ftb = 0,265.10-3m2 – Diện tích tiết diện trung bình thân truyền l =158mm = 0,158 m – Chiều dài truyền I – Bán kính quán tính nhỏ tiết diện trung bình =1,21.10-3m **Hệ số ổn định: = 7,7 Trong đó: Pth = 0,7 [MN] – Lực tới hạn uốn dọc Pkh = 0,091 [MN] – Lực khí thể Trị số  nằm phạm vi 2,5 Tính sức bền đầu to truyền: Tính tốn sức bền đầu to truyền thường tính tốn gần Vị trí tính tốn thường chọn điểm chết (ĐCT); đây, đầu to truyền chịu tác dụng hợp lực lực quán tính chuyển động tịnh tiến lực quán tính chuyển động quay khơng xét đến khối lượng nắp truyền *Lực quán tính Pđ: =6488 N Trang 119 Thiết kế Động xi-lanh sử dụng xăng E20 GVHD: Huỳnh Thanh Cơng Trong đó: Mj =1,641kg– Khối lượng chuyển động tịnh tiến m2=0,65kg– Khối lượng đầu to truyền mn=0,27kg– Khối lượng nắp đầu to truyền = 0,306- Thông số kết cấu động cơ, R = 27[mm] = 0,027[m]–Bán kính quay trục khuỷu  = 230,26 [1/s]– Vận tốc góc trục khuỷu Tính sức bền đầu to truyền thường dùng công thức KYNAXỐTVILY với giả thiết sau: -Khi lắp căng bạc lót vào đầu to bạc lót đầu to biến dạng Do đó, moment tác dụng bạc lót đầu to tỉ lệ với moment quán tính tiết diện bạc lót Jb tiết diện nắp đầu to Jđ -Nắp nửa đầu to truyền coi khối nguyên, không xét đến ảnh hưởng mối lắp ghép -Lực quán tính Pđ phân bố đầu to theo quy luật cosin: Trong đó: c = 65 mm = 0,065 m – Khoảng cách đường tâm bulong truyền  - Góc lệch với đường tâm truyền B B A MA NA A p' p C Hình 6-14 Sơ đồ tính tốn sức bền đầu to truyền Lực Pđ gây ứng suất lớn tác dụng tiết diện A – A nắp đầu to (hình [H4.16]) *Moment uốn lực pháp tuyến tác dụng tiết diện A – A nắp đầu to: =60,5 N.m = 4029 N Trang 120 Thiết kế Động xi-lanh sử dụng xăng E20 GVHD: Huỳnh Thanh Cơng Trong đó: Pđ = 6488 N – Lực qn tính c = 65 mm = 0,065 m – Khoảng cách đường tâm bulong truyền =330 – Góc đường tâm truyền với tiết diện ngàm *Moment quán tính tiết diện nắp đầu to truyềnJđ: = 354.10-12 m4 Trong đó: lđ = 34 mm = 0,034 m – Chiều o1 sđ = mm = 0,005 m – Bề dày nắp đầu to truyền *Moment uốn lực pháp tuyến tác dụng nắp đầu to tiết diện A – A: = 59,33 [N.m] = 3300 [N] Trong đó: MA = 60,5 [N.m] – Moment uốn tác dụng tiết diện A – A nắp đầu to truyền -12 Jđ= 354.10 [m ]– Moment quán tính tiết diện nắp đầu to truyền NA = 4029 [N] – Lực pháp tuyến tác dụng tiết diện A – A nắp đầu to truyền Fđ – Diện tích tiết diện nắp đầu to truyền tiết diện A–A Fđ = lđ.sđ = 0,034.0,005 = 0,17.10-3 [m2] Fb – Diện tích tiết diện bạc lót đầu to th/truyền tiết diệnA–A Fb = lb.sb = 0,025.0,0015 = 0,0375.10-3 [m2] *Ứng suất lớn tác dụng nắp đầu to: = 81,2.106 [Pa] = 81,2 [MPa] Trong đó: M = 59,33 N.m – Moment uốn tác dụng nắp đầu to truyền tiết diện A – A N = 3300 N – Lực pháp tuyến tác dụng nắp đầu to truyền tiết diện A – A -3 Fđ = 0,17.10 m – Diện tích tiết diện nắp đầu to truyền tiết diện A–A W – Moduyn chống uốn nắp đầu to tiết diện A – A = 0,96.10-6 m3 Ứng suất cho phép truyền làm thép C: []=60  100 MPa *Độ biến dạng hướng kính đ đầu to truyền: Để đảm bảo điều kiện làm việc mối ghép dễ hình thành màng dầu bơi trơn mối ghép, đ phải nhỏ khe hở lắp ghép cổ khuỷu bạc lót đầu to truyền Độ biến dạng hướng kính đầu to truyền xác định theo công thức sau: = 0,538.10-4 m = 0,0538 mm