Bài giảng Kết cấu và tính toán động cơ - CĐ Công nghiệp và xây dựng

(NB) Nội dung Bài giảng Kết cấu và tính toán động cơ gồm 8 chương được trình bày như sau: Cấu trúc cơ bản và hoạt động của động cơ đốt trong; Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền; Cơ cấu phân phối khí; Hệ thống bôi trơn; Hệ thống làm mát; Các bộ phận phụ của động cơ;...

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP & XÂY DỰNG  BÀI GIẢNG HỌC PHẦN KẾT CẤU VÀ TÍNH TOÁN ĐỘNG CƠ Dùng cho hệ CĐ đào tạo theo tín (Lưu hành nội bộ) Người biên soạn: Phùng Văn Khương Nguyễn Văn Bản ng Bí, năm 2010 Lêi nói đầu Cuốn sách biên soạn theo chương trình giảng dạy môn kết cấu tính toán động đốt dùng cho sinh viên Cao đẳng Công nghệ kỹ thuật ôtô trường Cao đẳng Công nghiệp Xây dựng Nhằm giúp em học sinh, sinh viên thầy cô giáo quan tâm tới lĩnh vực học tập nghiên cứu kết cấu động đốt ôtô máy kéo Nội dung sách bao gồm chương: Chương 1: Cấu trúc hoạt động động ®èt Ch­¬ng 2: C¬ cÊu trơc khủu trun Chương 3: Cơ cấu phân phối khí Chương 4: Hệ thống nhiên liệu Chương 5: Hệ thống bôi trơn Chương 6: Hệ thống làm mát Chương 7: Các phận phụ động Chương : Tính toán số chi tiết động đốt Trong trình biên soạn đà viết theo trình tự mục tiêu chương trình đào tạo, tham khảo giáo trình giảng dạy cho học sinh, sinh viên ngành ôtô máy kéo trường i hc trung học chuyên nghiệp bạn bè đồng nghiệp đà có nhiều năm công tác ngành Tuy đà có nhiều cố gắng song việc biên soạn giảng không tránh khỏi thiếu sót mong thầy cô giáo đọc giả đóng góp ý kiến xây dựng để giảng biên soạn lần sau có chất lượng tốt Quảng Ninh năm 2010 Nhóm soạn giả Mục lục TT 1.1 1.2 1.3 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.3 2.4 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.5 2.6 2.6.1 2.6.2 2.6.3 2.6.4 2.7 2.7.1 2.7.2 2.7.3 2.7.4 2.8 2.8.1 2.8.2 Tiêu đề Chương 1: Cấu trúc hoạt động động ôtô Cấu tạo hoạt động động xăng kỳ Cấu tạo hoạt động động diêsel kỳ Động nhiều xilanh Chương 2: Cơ cấu trục khuỷu truyền Nắp xilanh Nhiệm vụ Điều kiện làm việc Vật liệu Kết cấu Thân máy Nhiệm vụ Điều kiện làm việc Vật liệu Kết cấu Đệm nắp máy Xilanh Nhiệm vụ Điều kiện làm việc Vật liệu Kết cấu Các te Piston Nhiệm vụ Điều kiện làm việc Vật liệu Kết cấu Xéc măng Nhiệm vụ Điều kiệnlàm việc Vật liệu Kết cấu Chốt piston Nhiệm vụ Điều kiện làm việc Trang 1 7 11 13 13 18 20 21 2.8.3 2.8.4 2.9 2.9.1 2.9.2 2.9.3 2.9.4 2.10 2.11 2.11.1 2.11.2 2.11.3 2.11.4 2.12 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 4.1 4.2 4.2.1 4.2.2 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5 5.1 5.2 5.3 5.4 VËt liƯu KÕt cÊu Thanh trun NhiƯm vơ §iỊu kiện làm việc Vật liệu Kết cấu Bulông truyền Trục khuỷu Nhiệm vụ Điều kiện làm việc Vật liệu Kết cấu Bánh đà Chương 3: Cơ cấu phân phối khí Nhiệm vụ- Phân loại Bố trí xupap, trục cam dẫn động trục cam Xupáp Đế xupáp Lò xo xupáp Trục cam Con đội Đũa đẩy đòn bẩy ống dẫn hớng xupap Chương 4: Hệ thống nhiên liệu Nhiệm vụ-Phân loại Hệ thống nhiên liệu động xăng Hệ thống nhiên liệu dùng chế hoà khí Hệ thống phun xăng Hệ thống nhiên liệu diesel Hệ thống nhiên liệu với bơm cao áp loại dÃy Hệ thống nhiên liệu với bơm cao áp loại VE Vòi phun nhiên liệu diesel Hệ thống nhiên liệu với ống phân phối (CRS-i) : Hệ thống nhiên liệu với bơm-vòi phun kết hợp Chương 5: Hệ thống bôi trơn Nhiệm vụ- Phân loại Mạch dầu bôi trơn Bơm dầu Bầu lọc dÇu 23 27 29 35 36 36 37 40 43 43 44 47 50 50 52 56 58 60 65 66 66 68 72 73 74 5.5 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 7.1 7.2 7.3 7.4 8.1 8.2 8.3 Làm mát dầu Chương 6: Hệ thống làm mát Nhiệm vụ- Phân loại Các chu trình làm mát Van nhiệt Bơm nứơc Két làm mát Nắp két nớc Quạt két nớc điều khiển quạt két nớc Chương 7: Bộ phận phụ động Hệ thống thông động Bầu lọc không khí Hệ thống xả Máy tăng áp Chương 8.Tính toán số chi tiết động đốt Tớnh toỏn piston Tớnh tốn truyền Tính tốn trục khuỷu 77 78 78 81 82 83 83 84 84 86 87 89 89 91 91 93 100 Ch­¬ng 1: CÊu tróc c¬ hoạt động động ôtô 1.1 Cấu tạo họat động động xăng kỳ Hình 1.1 Cấu taọ động xăng kỳ : 1.Trục khuỷu; 2.Tay biên; 3.Xilanh; 4.Cụm pittông; 5.Xuppap hót; 6.Häng hót; 7.Trơc cam hót; 8.Trơc cam x¶; 9.Xuppap xả; 10.Nắp máy; 11.Họng xả; 12.Bugi Cấu tạo động gồm: Bộ : Xilanh, cụm pittông (pittông, xéc măng, chốt pittông), nắp máy Bộ phận chuyển đổi chuyển động dự trữ lượng : Tay biên (thanh truyền), trục khuỷu, bánh đà HƯ thèng phèi khÝ : Cơm xuppap hót vµ xả (xuppap, lò xo, móng hÃm, cốc xuppap), trục cam, dẫn động cam (các bánh đai xích, dây đai xích, cấu căng đai xích, cấu điều khiển pha phối khí hành trình xup pap (nếu có) Hệ thống bôi trơn : Cacte dầu, bơm dầu, lọc dầu, tuyến dầu, két làm mát dầu Hệ thống làm mát: Két nước, bơm nước, áo nước, van nhiệt, cút ống HƯ thèng nhiªn liƯu : HƯ thèng nhiªn liƯu chÕ hoà khí Phun xăng Phun dầu diesel Hệ thống điện động : hệ thống khởi động (Đề), hệ thống cung cấp điện, hệ thống đánh lửa (đối với động xăng), hệ thống điều khiển nhiên liệu điện tử Cấu tạo động chia thành bảy mục nhiên chia phần cấu tạo động theo nguyên tắc khác : Bộ (1), phận chuyển đổi chuyển động dự trữ lượng (2) ghép chung thành cấu sinh lực- nơi sinh lực (Mômen hay công học) để cấp cho cấu công tác ghép nối với động cho hệ thống truyền lực ôtô để tạo chuyển động ôtô Hoạt động động xăng kỳ : Như đà trình bày môn lý thuyết động cơ, tóm tắt sau: Hình 1.2 Các kỳ động xăng kỳ - Kỳ hút diễn xupáp hút mở, pistonchuyển động từ ĐCT xuống ĐCD, hoà khí hút vào xilanh động - Kỳ nén xupáp hút đóng (sau ĐCD), piston chuyển động từ tiến phía ĐCT, hoà khí xilanh bị nén đến áp suất : Mpa nhiệt độ hoà khí tăng đến cao - Kỳ nổ ( cháy-giÃn nở-sinh công) thời điểm bugi đánh lửa ( trước ĐCT) trục khuỷu góc s Hoà khí bén lửa, cháy đạt áp suất cao sau ĐCT vài độ ( tÝnh theo gãc quay trơc khủu) ¸p st khÝ ch¸y tạo lực đẩy (sinh công) đẩy pistonxuống thông qua cấu trục khuỷu-thanh truyền chuyển động tịnh tiến pistonđược chuyển đổi thành chuyển động quay trục khuỷu bánh đà - Kỳ xả tính từ xupáp xả mở (sớm ĐCD góc gọi góc mở sớm xupáp xả), 40% khí cháy tự thoát Kỳ xả thực bắt đầu pistontừ ĐCD tiến ĐCT, gần 60% khí cháy lại đẩy ống xả giai đoạn Hình 1.3 Pha phối khí động xăng kỳ Để có thời điểm đóng mở xupáp cho chu trình làm việc hút-nénnổ-xả động nêu trên, kết cấu động phải có cấu dẫn động trục cam Cơ cấu tạo mối quan hệ góc quay trục khuỷu vị trí trục cam Như vậy, trục cam dẫn động thông qua truyền động bánh răng, truyền xích truyền dây đai a b c d e Hình 1.4 Các phương pháp dẫn động trục cam : a Dẫn động bánh b Dẫn động xích cam c Dẫn động cam đơn đai d Dẫn động cam kép đai e Dẫn động cam đơn đai ( dẫn động thêm thiết bị khác) 1.2 Cấu trúc hoạt động động diesel ( máy dầu ) Cấu trúc động diesel kỳ có cụm tương tự động xăng, khác số điểm diễn giải Hình 1.5 Cấu trúc kỳ làm việc động diesel 1- Xupáp nạp 5- Piston 2- Xupáp xả 6- Thanh truyền 3- Vòi phun 7- Trục khuỷu 4- Buồng cháy Không giống động xăng, động diesel hệ thống đánh lửa Thay vào đó, nhiên liệu nén với áp suất cao phun vào không khí có áp suất nhiệt độ cao nhằm làm cho nhiên liệu tự bốc cháy - Kỳ hút : Xupáp xả đóng xupáp nạp mở, pittông xuống hút không khí vào xilanh qua xupáp nạp - Kỳ nén : Khi piston hoàn tất hành trình xuống, xupáp nạp đóng lại Với hành trình lên pittông, không khí xilanh bị nén mạnh đạt nhiệt độ cao Tỷ số nén động diesel = 15 đến 23, nhiệt độ buồng cháy từ 5008000 C - Kỳ nổ : Khi pistongần hoàn tất hành trình lên, vòi phun phun nhiên liệu áp suất cao vào không khí đà đạt đến áp suất nhiệt độ cao cuối trình nén Nhiệt độ cao không khí làm cho nhiên liệu tự bốc cháy, kết gây lên cháy nổ Lực cháy đẩy pistonđi xuống làm quay trục khuỷu - Kỳ xả : Xupáp xả mở piston hoàn tất hành trình xuống ( kỳ nổ) Sau hành trình lên piston làm khí xả, sản phẩm trình cháy, bị đẩy khỏi xilanh Sự khác biệt động xăng động diesel : Ngoài khác loại nhiên liệu mà động sử dụng, động xăng động diese sử dụng cấu khác : - Buồng cháy : Động diesel không trang bị hệ thống đánh lửa có bugi Thay vào đó, nhiệt sinh trình nén làm cho nhiên liệu tự bốc cháy Vì tỷ số nén đặt cao - Hệ thống sấy sơ : Để hỗ trợ cho khả khởi động động cơ, động diesel có hệ thống sấy sơ sử dụng bugi sấy để sấy nóng khí nạp - Hệ thống nhiên liệu : Động diesel có bơm nhiên liệu vòi phun để phun nhiên liệu vào buồng cháy áp suất cao 1.3 động nhiều xilanh (máy): Phần giới thiệu cấu trúc hoạt động xilanh động Động ôtô thường có từ xilanh trở lên bố trí theo nhiều quy luật khác Dưới số cách bố trí xilanh động nhiều xilanh - Loại xilanh thẳng hàng : Đây loại thông dụng nhất, với loại xilanh bố trí thành hàng a b c Hình 1.6 Cách bố trí thứ tự xilanh động xilanh thẳng hàng a Cách bố trí thø tù xilanh b VÝ dơ vỊ c¸ch bè trÝ pistonsong hành động dÃy xilanh c Mặt cắt tổng quát - Loại xilanh đối đỉnh nằm ngang : Các xilanh bố trí đối diện theo chiều ngang, với trục khuỷu nằm Mặc dù bề ngang động trở lên lớn hơn, chiều cao lại giảm a b c Hình 1.7 Cách bố trí thứ tự xilanh động xilanh đối a Cách bố trí thø tù xilanh b VÝ dơ vỊ c¸ch bè trÝ pistonsong hành động đối xilanh c Mặt cắt tổng quát - Loại xilanh chữ V : Các xilanh bố trí thành chữ V Động rút ngắn lại so với loại thẳng hàng có số xilanh Chương 8: tính toán số chi tiết động 8.1 Tính toán Piston 8.1.1 Tính nghiệm bền đỉnh piston Đỉnh piston thường có kết cấu đa dạng phức tạp Vì ứng suất phân bố phức tạp không đồng Khi tính nghiệm bền đỉnh piston, ta giả thiết lực tác dụng lên đỉnh piston phân bố chiều dày đỉnh không đổi Dưới giói thiệu hai phương pháp tính nghiệm bền đỉnh piston: 8.1.1.1 Công thức Back Công thức Back dùng giả thiết sau: + Coi đỉnh piston đĩa trịn có độ dày đồng đặt gối tựa trụ rỗng + Coi áp suất khí thể Pz phân bố đỉnh piston Pz  p z Fz ( MN ) Lực khí thể tác dụng lên nửa đỉnh piston là: Pz D  pz Lực có điểm đặt điểm trọng tâm nửa hình trịn, có khỏang cách theo trục y là: y1  2D 3 + Phản lực phân bố nửa đường trịn có đường kính D1 , có trị số Pz có điểm đặt trọng tâm nửa hình trịn D1 , cách trục x  x đoạn y D y2   Do đỉnh chịu mơ men uốn M U MU  đỉnh: Pz ( y  y1 ) P D 2D  z( 1 )  3 Coi D1  D thì: D M U  pz  pz D3 6 24 Mô đun chống uốn cúa tiết diện WU  D Do ứng suất uốn đỉnh piston: M D2  u  U  pz WU 4 Hình 8.1 Sơ đồ tính đỉnh piston theo phương pháp Back 93 Ứng suất cho phép loại vật liệu chế tạo piston sau: + Đối với nhôm hợp kim: - Đỉnh không gân chịu lực  u   (20  25) MN / m - Đỉnh có gân chịu lực:  u   (100  190) MN / m + Đối với gang hợp kim: - Đỉnh không gân chịu lực  u   (40  45) MN / m - Đỉnh có gân chịu lực  u   (100  200) MN / m 8.1.1.2 Công thức Orolin Cơng thức Orolin coi đỉnh pistn đĩa trịn bị ngàm cứng gối tựa hình trụ Giả thiết tương đối sát với loại đỉnh mỏng có   0,2 D Khi chịu áp suất p z phân bố đỉnh, ứng suất phân tố vùng ngàm theo công thức sau: Ứng suất hướng kính: x  3r p z ( MN / m ) 4 Ứng suất hướng tiếp tuyến: r2  p z ( MN / m )  y  Trong đó:  - Hệ số ngàm, thường chọn    - Hệ số pốt xơng Với gang   0,3 vi nhụm 0,26 Hình 8.2 Sơ đồ tính đỉnh piston theo phương pháp Orlin r Khang cỏch từ tâm đỉnh tới mép ngàm Vói nhơm gang    60MN / m 8.1.2 Tính nghiệm bền đầu piston Tiết diện xung yếu phần đầu tiết diện cắt ngang qua rãnh xéc măng dầu Ứng suất kéo:  k PfI F11  m11 f max F11 Trong m11 khối lượng phần đầu piston phía tiết diện 1-1 Ứng suất cho phép  k   10 MN / m Ứng suất nén: N  P1 D  PiMax F11 F11 Ứng suất cho phép: Đối với gang  N   40MN / m Đối với nhôm  N   25MN / m 8.1.3 Tính nghiệm bền thân piston Việc tính nghiệm bền cho thân, chủ yếu kiểm tra áp suất tiếp xúc phần thân với xilanh 94 K th  N max ; ( MN / m ) Lth D Trong N max lực ngang lớn nhất, tính cơng thức thực nghiệm sau: N max  (0,05  0,055) P Trong P hợp lực lực khí thể lực quán tính   20  30 o sau DCT kỳ sinh công Trị số cho phép K th sau: Đối với động tốc độ thấp: K th   (0,15  0,35) MN / m Đối với động có tốc độ trung bình: K th   (0,3  0,5) MN / m Đối với động tốc độ cao: K th   (0,6  1,2) MN / m Áp suất tiếp xúc bệ chốt piston xác định theo công thức tương tự: Kb  Pz ; MN / m 2d cp l1 Trong đó: d cp đường kính chốt piston; l1 chiều dài làm việc bệ chốt Áp suất tiếp xúc cho phép: Kiểu lắp chốt xoay K b   (20  30) MN / m Kiểu lắp cố định piston gang K b   (25  40) MN / m 8.2 Tính to¸n truyền 8.2.1 Tính nghiệm bền đầu nhỏ truyền 8.2.1.1 Đầu nhỏ truyền dày Loại đầu nhỏ truyền dày, có kích thước d2  1,5 , d1, d2 d1 đường kính đường kính ngồi lỗ đầu nhỏ Khi làm việc, đầu nhỏ chịu ứng suất kéo lực Pjmax k  (MN) Pj max 2l d S ; MN / m Trong đó: Pjmax – lực quán tính khối lượng chuyển động tịnh tiến cực đại Ld, S- Chiều dài chiều dày đầu nhỏ Ứng suất kéo cho phép:  k   (30  60) MN / m Không cần kiểm tra ứng suất nén, an tồn 8.2.1.2 Đầu nhỏ truyền mỏng Đầu nhỏ truyền mỏng (d2/d1