Giáo trình tính toán thiết kế động cơ đốt trong

2 PGS TS Lê Văn Thái (Chủ biên) ThS Đặng Thị Hà GIÁO TRÌNH TÍNH TỐN THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT MỤC LỤC Mục lục Lời nói đầu Chương PHƢƠNG PHÁP CHUNG TRONG TÍNH TỐN THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1 Trạng thái làm việc động đốt 10 1.2 Khái niệm hệ số an tồn tính tốn sức bền chi tiết máy động đốt chịu tải trọng động 11 1.3 Phương pháp trình tự thiết kế động đốt 14 1.3.1 Chọn thơng số, kết cấu kích thước chủ yếu 14 1.3.2 Thiết kế mặt cắt ngang động 17 1.3.3 Thiết kế mặt cắt dọc động nhiều xilanh 21 Chương TÍNH TỐN THIẾT KẾ NHĨM PÍTTƠNG 2.1 Tính tốn thiết kế píttơng 23 2.1.1 Điều kiện làm việc píttơng 23 2.1.2 Vật liệu chế tạo píttơng 23 2.1.3 Kết cấu điều kiện tải trọng píttơng 26 2.1.4 Tính tốn sức bền đỉnh píttơng 28 2.1.5 Tính tốn sức bền đầu píttơng 31 2.1.6 Tính tốn sức bền thân píttơng 31 2.1.7 Tính tốn sức bền bệ chốt píttơng 32 2.1.8 Tính tốn khe hở lắp ghép píttơng 32 2.2 Tính tốn thiết kế chốt píttơng 33 2.2.1 Trạng thái làm việc yêu cầu chốt píttơng 33 2.2.2 Vật liệu chế tạo chốt píttơng 34 2.2.3 Tính tốn sức bền chốt píttơng 34 2.3 Thiết kế xécmăng (vòng găng) 38 2.3.1 Trạng thái làm việc yêu cầu xécmăng 38 2.3.2 Vật liệu chế tạo xécmăng 38 2.3.3 Tính toán sức bền xécmăng 39 Chương TÍNH TỐN THIẾT KẾ NHĨM THANH TRUYỀN 3.1 Tính tốn thiết kế truyền 44 3.1.1 Trạng thái làm việc vật liệu chế tạo 44 3.1.2 Tính tốn sức bền đầu nhỏ truyền 45 3.1.3 Tính sức bền thân truyền 54 3.1.4 Tính sức bền đầu to truyền 60 3.2 Tính tốn sức bền bu lông truyền 63 Chương TÍNH TỐN THIẾT KẾ TRỤC KHUỶU 4.1 Vật liệu phương pháp chế tạo trục khuỷu 66 4.2 Tính tốn sức bền trục khuỷu 67 4.2.1 Ngun lý tính tốn sức bền trục khuỷu 67 4.2.2 Các lực tác dụng trục khuỷu 67 4.2.3 Các trường hợp tính toán sức bền trục khuỷu 69 4.3 Tính tốn sức bền trục khuỷu xét đến phụ tải động 83 4.3.1 Hệ số an toàn cổ khuỷu 84 4.3.2 Hệ số an toàn chốt khuỷu 85 4.3.3 Hệ số an toàn má khuỷu 86 Chương TÍNH TỐN THIẾT KẾ BÁNH ĐÀ 5.1 Cơng dụng bánh đà 87 5.2 Vật liệu chế tạo kết cấu bánh đà 87 5.2.1 Vật liệu chế tạo bánh đà 87 5.2.2 Kết cấu bánh đà 88 5.3 Xác định kích thước bánh đà 90 5.4 Tính tốn sức bền bánh đà 93 5.4.1 Bánh đà dạng vành 93 5.4.2 Bánh đà dạng đĩa 94 Chương TÍNH TỐN THIẾT KẾ THÂN MÁY VÀ NẮP XILANH 6.1 Tính sức bền xilanh lót xilanh 98 6.1.1 Xác định chiều dày xilanh lót xilanh 98 6.1.2 Tính sức bền vai lót xilanh 100 6.1.3 Tính tốn sức bền mặt bích nắp xilanh 103 6.2 Tính sức bền bu lơng lắp ghép xilanh thân máy với hộp trục khuỷu 104 6.3 Tính tốn sức bền nắp xilanh 105 6.3.1 Trường hợp loại nắp trịn (hình 6.4a) 106 6.3.2 Trường hợp nắp xilanh hình vng (hình 6.4b) 106 Chương TÍNH TỐN THIẾT KẾ CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ 7.1 Xác định thơng số chủ yếu cấu phân phối khí 108 7.1.1 Xác định tỷ số truyền cấu phân phối khí 108 7.1.2 Xác định tiết diện lưu thông trị số thời gian - tiết diện 109 7.2 Phương pháp thiết kế cam 113 7.2.1 Chọn biên dạng cam 113 7.2.2 Phương pháp thiết kế cam 114 7.2.3 Xây dựng biên dạng cam tiếp tuyến động học đội 114 7.2.4 Xây dựng biên dạng cam lồi động học đội 119 7.3 Tính sức bền chi tiết máy cấu phân phối khí 124 7.3.1 Quy dẫn khối lượng chi tiết máy 124 7.3.2 Tính lị xo xupáp 127 7.3.3 Tính sức bền trục cam 131 7.3.4 Tính sức bền đội 134 7.3.5 Tính tốn sức bền đũa đẩy 136 7.3.6 Tính sức bền địn bẩy 136 7.3.7 Tính toán sức bền xupáp 137 Chương TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CUNG CẤP NHIÊN LIỆU 8.1 Tính tốn thiết kế hệ thống cung cấp nhiên liệu động xăng 139 8.1.1 Vật liệu chế tạo chi tiết chế hịa khí 139 8.1.2 Tính tốn phận chế hịa khí 139 8.1.3 Tính tốn buồng phao xăng 146 8.1.4 Tính tốn bơm xăng 147 8.1.5 Tính tốn thùng xăng 149 8.2 Tính tốn thiết kế hệ thống nhiên liệu động điêzen 150 8.2.1 Tính tốn cặp píttơng - xilanh bơm cao áp 150 8.2.2 Tính tốn van cao áp 152 8.2.3 Tính tốn vịi phun 153 Chương TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG LÀM MÁT ĐỘNG CƠ 9.1 Tính tốn thiết kế hệ thống làm mát nước 157 9.1.1 Xác định nhiệt lượng truyền từ động cho nước làm mát 157 9.1.2 Tính tốn két nước 158 9.1.3 Tính tốn bơm nước 161 9.1.4 Tính tốn quạt gió 165 9.2 Tính tốn thiết kế hệ thống làm mát khơng khí 166 9.2.1 Xác định tốc độ trung bình khơng khí  kk qua khe hở phiến tản nhiệt 167 9.2.2 Tính số Râynơn (phải tính riêng cho thân nắp máy) 167 9.2.3 Xác định hệ số truyền nhiệt 167 9.2.4 Xác định hệ số truyền nhiệt quy dẫn 168 9.2.5 Tính lượng nhiệt truyền 169 9.2.6 Xác định lượng tiêu hao khơng khí 169 9.2.7 Chọn quạt gió 170 Chương 10 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG BƠI TRƠN ĐỘNG CƠ 10.1 Tính tốn thiết kế ổ trượt 172 10.1.1 Các thông số ổ trượt 172 10.1.2 Điều kiện hình thành màng dầu chịu tải 173 10.1.3 Tính tốn ổ trượt bôi trơn ma sát ướt 174 10.1.4 Kiểm nghiệm trạng thái nhiệt ổ trượt 177 10.2 Lưu lượng dầu bôi trơn lưu lượng bơm dầu 181 10.3 Tính tốn thiết kế bầu lọc 184 10.3.1 Bầu lọc thấm dùng lõi lọc kim loại 184 10.3.2 Bầu lọc thấm dùng lõi lọc dạ, giấy 185 10.3.3 Tính tốn bầu lọc ly tâm 186 10.4 Tính tốn thiết kế két làm mát dầu 188 Chương 11 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ 11.1 Các phương pháp khởi động số vòng quay khởi động nhỏ 190 11.1.1 Các phương pháp khởi động động 190 11.1.2 Số vòng quay khởi động nhỏ 190 11.2 Công cản mômen cản khởi động động 191 11.2.1 Công tổn thất giới 191 11.2.2 Công nén môi chất xilanh 192 11.2.3 Công dùng để tăng tốc 194 11.3 Tính tốn cơng suất khởi động số hệ thống thông dụng 196 11.3.1 Hệ thống khởi động động điện 196 11.3.2 Hệ thống khởi động động xăng phụ 198 11.3.3 Khởi động khơng khí nén 199 11.3.4 Khởi động quay tay 200 Tài liệu tham khảo 202 LỜI NĨI ĐẦU Mơn học “Tính tốn thiết kế động đốt trong” môn học thuộc khối kiến thức ngành chương trình đào tạo kỹ sư Cơng nghệ kỹ thuật ô tô kiến thức chuyên mơn hóa khí động lực ngành Kỹ thuật khí - Khoa Cơ điện Cơng trình - Trường Đại học Lâm nghiệp Để đáp ứng yêu cầu đổi chương trình, nội dung mơn học đáp ứng yêu cầu cao sinh viên tài liệu phục vụ học tập, tham khảo, giáo trình “Tính tốn thiết kế động đốt trong” biên soạn nhằm đáp ứng u cầu Nội dung giáo trình tổng hợp sở kiến thức giảng dạy nhiều năm trước đây, với tài liệu tham khảo nước, nhằm cung cấp kiến thức phương pháp chung q trình tính tốn thiết kế, phương pháp tính tốn cụ thể chi tiết, hệ thống động đốt Cuốn sách dùng làm giáo trình giảng dạy cho sinh viên ngành Cơng nghệ kỹ thuật tơ ngành Kỹ thuật khí thuộc Trường Đại học Lâm nghiệp, đồng thời tài liệu tham khảo cho kỹ sư, cán kỹ thuật sở sản xuất, Viện nghiên cứu tính tốn thiết kế chi tiết động đốt phục vụ thiết kế chế tạo sửa chữa thay cần thiết Cuốn sách gồm nội dung sau: Phương pháp chung tính tốn thiết kế động đốt trong; Tính tốn thiết kế nhóm píttơng; Tính tốn thiết kế nhóm truyền; Tính tốn thiết kế trục khuỷu, bánh đà, thân máy nắp máy; Tính tốn thiết kế chi tiết cấu phân phối khí; Tính tốn hệ thống cung cấp nhiên liệu, hệ thống làm mát, hệ thống bôi trơn hệ thống khởi động động Tác giả chân thành cảm ơn tập thể mơn Kỹ thuật khí Trường Đại học Lâm nghiệp, cán khoa Cơ điện Cơng trình tạo điều kiện thuận lợi đóng góp nhiều ý kiến nhằm nâng cao chất lượng giáo trình Trong q trình biên soạn khơng tránh khỏi thiếu sót, chúng tơi mong góp ý bạn đọc để giáo trình hồn thiện Thư góp ý xin gửi mơn Kỹ thuật khí - Khoa Cơ điện Cơng trình Trường Đại học Lâm nghiệp - Hà Nội Các tác giả Chương PHƯƠNG PHÁP CHUNG TRONG TÍNH TỐN THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1 Trạng thái làm việc động đốt Trong q trình tính tốn sức bền chi tiết động đốt trong, lựa chọn trạng thái làm việc động ảnh hưởng trực tiếp đến trị số lực khí thể, lực quán tính mơmen tác dụng lên chi tiết máy Tình hình chịu lực chi tiết máy động phức tạp nên tính tốn thiết kế cần lựa chọn trạng thái làm việc gây ứng suất nguy hiểm vấn đề khó Trên sở đảm bảo sức bền hợp lý cho chi tiết máy, người ta thường lựa chọn ba trạng thái làm việc sau để tính tốn: - Trạng thái làm việc chịu mômen xoắn lớn (Memax); - Trạng thái làm việc với tốc độ lớn (nmax); - Trạng thái làm việc với công suất lớn (Nemax) Trạng thái làm việc thứ có áp suất khí thể lớn nhất, lực quán tính bé lúc tốc độ động nM có giá trị nhỏ Trạng thái xảy khởi động động động ô tô, máy kéo chở nặng lên dốc cao Khi tính tốn, ta giả thiết áp suất lớn khí thể p z max phát sinh điểm chết (  0 ) Trạng thái làm việc thứ hai có lực qn tính lớn Trạng thái ứng với tốc độ lớn hạn chế điều tốc (nmax) Dựa vào đường đặc tính ngồi động xăng (hình 1.1a) động điêzen (hình 1.1b) Đối với động xăng nmax = (1,05  1,08)nđt (nđt tốc độ bắt đầu làm việc điều chế tốc độ) Trường hợp khơng có hạn chế tốc độ, tốc độ động đạt tới tốc độ vù máy (nvm), tính tốn chọn: nvm = (1,3  1,5)nN (vịng/phút) Trong đó: nN tốc độ tương ứng với công suất Nemax Trường hợp có hạn chế tốc độ thì: nđt = (1,02  1,03)nN (vòng/phút) nmax = (1,05  1,08)nN (vòng/phút) Động điêzen thường dùng điều tốc, ta có: nđt = nN nmax = (1,05  1,08)nN (vòng/phút) 10 Qd  CdVd  (tdr  tdv ) , kcal/h (10.53) Nhiệt lượng cân với nhiệt lượng két làm mát dầu tản nên: Qd  CdVk  (tdvk  tdrk ) , kcal/h (10.54) Trong đó: Vd, Vk: Lưu lượng dầu nhờn tuần hoàn động lưu lượng dầu chảy qua két làm mát, m3; tdv, tdr: Nhiệt độ dầu vào khỏi động cơ, 0C; tdvk, tdrk: Nhiệt độ dầu vào khỏi két làm mát, 0C; Cd: Tỷ nhiệt dầu bôi trơn, kcal/kg0C;  d : Khối lượng riêng dầu bôi trơn, kg/m3 Trong hệ thống bôi trơn ô tô loại cưỡng bức, dầu nhờn làm mát liên tục nên Vd = Vk Diện tích tản nhiệt cần thiết két làm mát dầu: Fk  Qd , m2 K d (td  tk ) (10.55) Trong đó: Kd: Hệ số truyền nhiệt tổng quát dầu bôi trơn môi chất làm mát, kcal/m2h0C; Hệ số truyền nhiệt Kd phụ thuộc nhiều vào nhân tố truyền nhiệt: - Đối với loại két làm mát dầu dùng ống thẳng nhẵn: Kd = (100  300) kcal/m2h0C; - Đối với loại dùng ống tạo dầu chảy xoáy: Kd = (700  1000) kcal/m2h0C td, tk: Nhiệt độ trung bình dầu két môi chất làm mát (0C) td  (tdvk  tdrk) tk  (tkr  tkv ) , 0C (10.56) Chênh lệch nhiệt độ dầu bôi trơn két làm mát thường lấy chênh lệch dầu vào khỏi động cơ: (td  tk )  (tdr  tdv ) (10.57) - Đối với động xăng: (tdr - tdv) = (10  20) 0C - Đối với động điêzen: (tdr - tdv) = (20  40) 0C Nhiệt độ trung bình dầu bơi trơn két thường vào khoảng (75  85)0C Nhiệt độ khơng khí qua két làm mát dầu điều kiện làm việc nặng chọn 450C 189 Chương 11 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ 11.1 Các phƣơng pháp khởi động số vòng quay khởi động nhỏ 11.1.1 Các phương pháp khởi động động Để khởi động động cần phải dùng nguồn lượng bên để quay trục khuỷu động tới "tốc độ khởi động" Tốc độ khởi động phụ thuộc vào phương pháp hình thành hỗn hợp cháy, phương pháp đốt cháy nhiên liệu, nhiệt độ khơng khí nạp vào động nhiệt độ thân động Dựa vào nguồn lượng khởi động, có phương pháp khởi động động sau đây: - Khởi động động điện; - Khởi động động xăng phụ; - Khởi động không khí nén; - Khởi động tay quay; - Khởi động thủy khí Với động xăng tơ dùng nhiều phương pháp khởi động động điện Với động điêzen máy kéo cỡ nhỏ cỡ trung thường dùng phương pháp khởi động động điện, động cỡ lớn thường dùng phương pháp khởi động động phụ Động tĩnh động tàu thủy cỡ nhỏ (công suất nhỏ 7,5 kW công suất thiết bị nhỏ 20 kW) thường dùng phương pháp khởi động quay tay, động cỡ lớn tốc độ thấp tốc độ trung bình thường dùng phương pháp khởi động khơng khí nén Khởi động thủy khí dùng thiết bị phức tạp nên dùng phương pháp để khởi động động điêzen cỡ nhỏ phải hoạt động điều kiện nhiệt độ đặc biệt thấp 11.1.2 Số vòng quay khởi động nhỏ Tốc độ khởi động động xăng tương đối thấp xăng dễ bốc hơi, hỗn hợp cháy hịa trộn bên ngồi xilanh nhờ chế hịa khí đốt cháy tia lửa điện, đồng thời động xăng cịn có thêm hệ thống làm giầu hỗn hợp cháy khởi động Theo kinh nghiệm, nhiệt độ khí trời khoảng từ (00  200) 0C tốc độ khởi động nhỏ động xăng khoảng từ (35  40) vòng/phút 190 Tốc độ khởi động động điêzen phụ thuộc vào tính chất nhiên liệu khả tự bốc cháy thể số xêtan, khả bốc hơi, thể tính hịa trộn nhiên liệu khơng khí, đồng thời cịn phụ thuộc vào loại buồng đốt động Nếu nhiệt độ khí trời lớn 00 C tốc độ khởi động nhỏ động điêzen ô tô máy kéo nằm phạm vi sau: - Động dùng buồng đốt thống khoảng 125 vòng/phút; - Động dùng buồng đốt xốy lốc khoảng 150 vịng/phút; - Động dùng buồng cháy dự bị khoảng 200 vòng/phút Nếu nhiệt độ khí trời thấp 00C, muốn khởi động động điêzen cần phải sấy nóng động trước lúc khởi động Động tĩnh động tàu thủy thường lắp buồng máy có nhiệt độ buồng máy thường lớn 100C, tốc độ khởi động loại động khoảng 1/3 số vòng quay thiết kế động Trường hợp nhiệt độ buồng máy nhỏ 100C phải sấy nóng động trước khởi động 11.2 Công cản mômen cản khởi động động Muốn quay trục khủy động tới tốc độ khởi động cần phải cung cấp cho trục khuỷu động lượng công cản động khởi động 11.2.1 Công tổn thất giới Công tổn thất giới (Lcg) bao gồm công tiêu hao cho ma sát chi tiết động cơ; công dẫn động cấu phụ; cơng tổn thất q trình nạp thải; cơng tổn thất lọt khí hành trình nén giãn nở gây Công tổn thất giới phụ thuộc vào áp suất tổn thất giới trung bình (pcg) khởi động xác định theo công thức: pcg  p1  p2  p3  p4 (11.1) Trong đó: - p1: Áp suất biểu thị sức cản ma sát, phụ thuộc vào độ nhớt dầu bôi trơn tức phụ thuộc vào loại dầu độ nhớt dầu bôi trơn Trị số p1 phụ thuộc vào số vòng quay trục khuỷu động Mặt khác, sức cản ma sát không phụ thuộc vào áp suất xilanh động cơ, lúc khởi động có hay khơng có cấu giảm áp p1 khơng thay đổi Chính vậy, khởi động động lạnh, giá trị p1 lớn nhiều so với động nóng làm việc bình thường; - p2: Áp suất biểu công dẫn động cấu phụ (bơm nước, quạt gió, máy phát điện ; - p3: Áp suất biểu cơng tiêu hao q trình trao đổi khí, khởi động trị số p2, p3 nhỏ so lúc động làm việc bình thường; 191 - p4: Áp suất biểu sức cản tổn thất truyền nhiệt lọt khí qua xupáp xécmăng gây Có thể tính áp suất pcg theo cơng thức kinh nghiệm đây: - Nếu nkđ < 50 (vòng/phút): 1/ 1/ 1/ pcg  2000  1,110 10  0,022( ) , N/m (11.2) - Nếu nkđ > 50 (vòng/phút): pcg n   2000  1,31 kđ   100  1/  / , N/m2 (11.3) Trong đó:  ,100 độ nhớt tuyệt đối dầu bôi trơn nhiệt độ tính tốn 100C, Ns/m2 Biến thiên độ nhớt dầu nhờn theo nhiệt độ mơi trường cho hình 11.1 Mơmen trung bình lực cản giới Mcg xác định theo công thức sau: M cg  0,318  pcg nkđVhi , Nm (11.4) Trong đó: pcg: Áp suất trung bình giới, N/m2; Vh: Thể tích cơng tác xilanh, m3; nkđ: Số vòng quay khởi động, vòng/phút; i: Số xilanh động cơ;  : Số kỳ Hình 11.1 Biến thiên độ nhớt tuyệt đối dầu theo nhiệt độ 11.2.2 Công nén môi chất xilanh Công nén lần mơi chất xilanh (Lk) cơng giãn nở môi chất sau nén lần phụ thuộc vào vị trí ban đầu píttơng, số xilanh kích thước xilanh Góc quay trục khuỷu để tiêu tốn công phụ thuộc vào kỳ 192 số xilanh động Sau góc quay ấy, tiếp tục quay trục khuỷu tiêu tốn công Lk cho động nhiều xilanh lúc cơng nén xilanh bù công giãn nở xilanh khác Trên hình 11.2 trình bày đồ thị cơng khai triển khởi động động bốn kỳ xilanh Hình 11.2 Đồ thị công khai triển khởi động động Nếu bắt đầu khởi động điểm A, tức píttơng nằm đầu q trình giãn nở cơng tiêu hao cho lần giãn nở lần nén Lk là: Lk  Lgn  Ln , Nm (11.5) Trong đó: Lgn: Cơng giãn nở, Nm; Ln: Cơng nén, Nm Nếu tiếp tục quay trục khuỷu cơng giản nở L'gn cung cấp cho công nén tiếp theo, tức là: Ln  L'gn Nếu khởi động từ điểm B Lk  Ln Khi khởi động từ điểm D, công Ln1 tiêu thụ cho lần nén nhỏ công Ln Song trường hợp để thực giãn nở nén phải cung cấp thêm cơng là: Lk  Ln  Lgn1 Lúc bắt đầu khởi động píttơng điểm A góc quay trục khuỷu ứng với thời gian cung cấp công Lk 7200; Nếu píttơng điểm B góc quay 3600 Như mômen dẫn động trục khuỷu khởi động phụ thuộc vào vị trí ban đầu píttơng Trường hợp thứ địi hỏi mơmen khởi động nhỏ trường hợp thứ hai Khởi động động khơng khí nén, điểm A, trường hợp cơng Lk gồm phần cơng khơng khí nén khởi động tạo ra, phần cơng tạo vị trí lần đầu píttơng nằm q trình giãn nở Mơmen cản lớn khơng khí xilanh khởi động xác định sau: M k max  Tmax D R  0,5Tmax Vh , Nm (11.6) 193 Trong đó: Tmax: Lực tiếp tuyến lớn tính đơn vị diện tích đỉnh píttơng N/m2; D: Đường kính xilanh, m; R: Bán kính tay quay trục khuỷu, m; Vh: Thể tích cơng tác xilanh, m3 11.2.3 Công dùng để tăng tốc Công dùng để tăng tốc (Lj) chi tiết chuyển động động từ trạng thái tĩnh đến số vịng quay khởi động xác định theo cơng thức: Lj    kđ2 , Nm (11.7) Trong đó:  mơmen qn tính khối lượng chuyển động động quy dẫn trục khuỷu, xác định theo cơng thức:   (1,1  1,32) Gbđ Dbđ2 , kg.m2 (11.8) Gbđ Dbđ2 Trong đó: : Mơmen qn tính bánh đà; Gbđ: Khối lượng bánh đà, kg; Dbđ: Đường kính quán tính bánh đà, m Trong thời gian khởi động, coi tốc độ góc trục khuỷu tăng theo quy luật gia tốc đều, ta xác định mômen Mj dùng để tăng tốc chi tiết chuyển động động từ trạng thái tĩnh tới tốc độ khởi động sau: M j    kđ t , Nm (11.9) Trong đó: t thời gian gia tốc trục khuỷu từ   đến    kđ , (s) Như vậy, tổng công cản Lc mômen cản Mc cần khắc phục trình khởi động động xác định sau: Lc  Lcg  Lk  L j M c  M cg  M k  M j (11.10) Qua cơng thức (11.10), có nhận xét mômen cản phụ thuộc vào yếu tố sau: - Kích thước, đặc điểm kết cấu động (đường kính xilanh, hành trình píttơng, số xilanh, tỷ số nén, đường kính khối lượng bánh đà ); 194 - Nhiệt độ môi trường nhiệt độ động khởi động; - Số vòng quay khởi động; - Chất lượng dầu bơi trơn Hình 11.3 biểu diễn quan hệ mômen cản Mc khởi động động với tốc độ khác Hình 11.3 Mômen cản quay động зил -150 Từ hình (11.3) ta rút kết luận sau: - Khi n = 0, mômen cản không phụ thuộc vào nhiệt độ động Vì lúc bắt đầu khởi động mặt ma sát khơng có dầu bơi trơn, mơmen cản khơng phụ thuộc vào tính chất nhiệt độ dầu bơi trơn; - Tăng dần số vòng quay làm ma sát khơ chuyển dần thành ma sát nửa ướt Q trình chuyển tiếp làm giảm mômen cản Mc Nhiệt độ động thấp khoảng tốc độ tương ứng với điểm chuyển tiếp nhỏ Vì nhiệt độ thấp làm tăng độ nhớt dầu, độ nhớt cao ma sát nửa ướt hình thành số vòng quay thấp; - Tiếp tục tăng số vòng quay biến trạng thái ma sát nửa ướt trở thành ma sát ướt đồng thời làm tăng Mc Nhiệt độ động thấp, tức độ nhớt dầu bơi trơn lớn Mc tăng nhanh; - Khi nhiệt độ dầu bôi trơn (tức nhiệt độ động cơ) -13,50C -8,50C, tăng số vòng quay n lên từ (150  200) vịng/phút làm cơng ma sát tăng nhanh làm tăng nhiệt lượng truyền cho mặt ma sát làm giảm độ nhớt dầu Nhờ mà mơmen cản động lại giảm tiếp tục tăng số vòng quay n 195 Nếu nhiệt độ dầu từ 10,50C đến 69,50C nhiệt lượng truyền cho mặt ma sát gây ảnh hưởng đến độ nhớt dầu Vì vậy, phạm vi nhiệt độ Mc tiếp tục tăng theo mức tăng số vịng quay Cơng suất thiết bị khởi động tính theo cơng thức sau: N kđ  M c kđ  tđ ,W (11.11) Trong đó: Mc: Mơmen cản khởi động, Nm;  kđ : Tốc độ góc khởi động, rad/s;  tđ : Hiệu suất truyền động thiết bị khởi động 11.3 Tính tốn cơng suất khởi động số hệ thống thông dụng 11.3.1 Hệ thống khởi động động điện a) Sơ đồ cấu tạo chung nguyên lý làm việc Hệ thống khởi động động điện có cấu tạo hình 11.4, bao gồm động điện hệ thống truyền lực từ động điện đến động Hình 11.4 Hệ thống khởi động động điện Bánh đà động đốt trong; Stato; Rôto; Vỏ động điện; Cổ góp; Đường dẫn đến mạch sơ cấp hệ thống đánh lửa; Điện trở mạch sơ cấp; Ắc quy; Khoá khởi động; 10 Rơ le điện; 11 Cần dẫn động; 12 Bánh khởi động; 13 Trục động điện; 14 Bi; 15 Lị xo; 16 Khớp trượt b) Mơmen cản cơng suất động điện khởi động Công suất động điện khởi động phụ thuộc vào thể tích cơng tác động xác định theo công thức kinh nghiệm sau: - Đối với động xăng, tốc độ khởi động nkđ = 50 (vòng/phút) dùng dầu bơi trơn có độ nhớt 4.000 cSt thì: 196 M c  (35  40).Vh ( Nm)   N kđ  (0,184  0,206)Vh (kW ) (11.12) - Đối với động điêzen dùng ô tơ máy kéo có từ (4  6) xilanh, với tốc độ khởi động khoảng (100  150) vòng/phút thì: M c  (68,6  78,4).Vh ( Nm)   N kđ  (0,735  1,1)Vh (kW ) (11.13) Trong trị số nhỏ dùng cho động có cơng suất lớn cho động có buồng cháy thống Đối với động điêzen nhiều xilanh (12 xilanh nhiều hơn), công suất lớn 220 kW hệ số tỷ lệ cơng thức (11.12) lấy đến 0,5 Bảng 11.1 giới thiệu đặc điểm số thiết bị khởi động động điện ô tô máy kéo Bảng 11.1 Đặc điểm số thiết bị khởi động động ô tô Các thông số Kiểu bình điện ГAЗ - 24 Động tô ГAЗ - 53A ЗИЛ - 130 MAЗ - 500 - CT42 - CT68 - CT78 - TCT165 Điện (V) 12 12 12 24 Điện dung ắc quy (Ah) 54 68 78 156 CT230B CT130B CT130-A1 CT103 1,1 1,03 1,1 7,0 Chế độ chạy không tải động khởi động: - Cường độ dòng điện (A) - Số vòng quay (vòng/phút) 100 5000 80 3500 3500 100 5000 Chế độ hãm hoàn tồn động khởi động: - Cường độ dịng điện (A) - Mômen xoắn (Nm) 525 15,7 650 23,4 650 29,4 825 5,9 Kiểu động điện khởi động Công suất động điện khởi động, kW So với cơng suất động cơ, cơng suất trung bình động điện khởi động chiếm khoảng (1  2)% động xăng; (10  15)% động điêzen dùng ô tô máy kéo (5  10)% động điêzen nhiều xilanh cơng suất lớn Loại khởi động có ưu điểm thuận tiện sử dụng, khởi động nhanh, kích thước tồn thiết bị khởi động nhỏ nên phổ biến động có cơng suất nhỏ, trung bình cho động xăng động điêzen Tuy nhiên, ắc quy dễ bị tải nên thời gian khởi động ngắn, không (15  20) giây phải thường xuyên chăm sóc bảo dưỡng 197 ắcquy động điện (chổi than, cổ góp ) để khởi động chắn dễ dàng 11.3.2 Hệ thống khởi động động xăng phụ a) Sơ đồ nguyên lý làm việc Hình 11.5 Hệ thống khởi động động xăng phụ Cơ cấu khởi động động phụ; Động chính; Động xăng phụ; Hộp bánh đà; Ly hợp b) Công suất động xăng phụ khởi động Nhiều động điêzen máy kéo công suất lớn dùng động xăng phụ làm thiết bị khởi động động Công suất động xăng phụ khởi động vào khoảng 20% công suất thiết kế động máy kéo Hệ thống truyền động từ trục khuỷu động xăng phụ tới động có tỷ số truyền khoảng từ 10 đến 30 (tùy theo loại động xăng phụ) khởi động động Đặc điểm thông số kỹ thuật số động xăng phụ khởi động động số loại máy kéo ghi bảng 11.2 Bảng 11.2 Đặc điểm kỹ thuật số động xăng phụ khởi động Các thông số Loại động xăng Số xilanh 198 MTЗ - 50Л MTЗ - 52Л T82M, T75M T - 100M T - 100 T - 40 T - 40A ПД - 10Y (hai kỳ) П - 33M; П - 46 (bốn kỳ) ПД - (hai kỳ) Đường kính xilanh, mm 72 92 62 Hành trình píttơng, mm 85 102 66 Tỷ số nén 6,2 5,6 6,6 Số vòng quay 3500 2200 - 2300 4300 Công suất, kW 7,35 12,5 5,17 Phương pháp làm mát Bằng nước động Loại chế hịa khí K - 16A K59 - Д Bằng khơng khí K 16A Khởi động động phụ, thời gian khởi động lâu, số lần khởi động không hạn chế, nhiệt độ làm mát động dùng hâm nóng động có tác dụng hỗ trợ khởi động nên khởi động chắn Tuy nhiên, nhược điểm phương pháp là: Kết cấu phức tạp có thêm động xăng phụ thêm cấu truyền động nên loại khởi động thường dùng khởi động động điêzen có cơng suất trung bình lớn máy kéo 11.3.3 Khởi động khơng khí nén Ngun tắc làm việc hệ thống khởi động không khí nén đưa khơng khí nén vào xilanh thời điểm tương ứng với hành trình giãn nở sinh cơng, nhờ đẩy píttơng xuống làm quay trục khuỷu để khởi động động Khí nén cung cấp từ máy nén khí (1), chứa bình (2) với áp suất khoảng (2  3) MN/m2 Khi khởi động, van (3) mở, khí nén dẫn đến van phân phối (4) Van phân phối dẫn động từ trục cam động có nhiệm vụ phân phối khí nén đến xilanh thời điểm thứ tự làm việc Từ van phân phối, khí nén theo ống dẫn (7) qua van chiều (6) vào xilanh động Hình 11.6 Hệ thống khởi động khơng khí nén Máy nén khí; Bình chứa khí nén; 3.Van khởi động; Van phân phối; Động cơ; Van chiều; Đường dẫn khí nén 199 Trên hình 11.6 giới thiệu đồ thị cơng khởi động động bốn kỳ dùng van phân phối khí dẫn động khí Trước khởi động píttơng nằm điểm a Khi mở van khởi động, áp suất xilanh từ áp suất khí trời tăng nhanh lên đến áp suất khởi động pkđ (điểm b) Do tác dụng áp suất khởi động pkđ lên đỉnh píttơng làm cho píttơng chuyển dịch phía điểm chết dưới, thể tích xilanh tăng từ b đến c (bc trình đẳng áp) Tại điểm c van khởi động đóng kín, khơng khí nén đưa vào xilanh giãn nở theo đường Sau trình giãn nở tới trình thải nạp nén bên xilanh động Sau ba chu trình khởi động 1, 2, hình 11.7 ta chu trình cơng tác Sau đó, qua số chu trình cơng tác động đạt tới số vòng quay làm việc ổn định Hệ thống khởi động khí nén có ưu điểm khởi động chắn, thời gian khởi động kéo dài Hình 11.7 Đồ thị cơng khởi động động khí nén 1, 2, 3, 4: Thứ tự chu trình kể từ lúc bắt đầu khởi động 11.3.4 Khởi động quay tay Khởi động quay tay dùng rộng rãi động xăng công suất nhỏ Trong động điêzen sử dụng khởi động tay trường hợp công suất nhỏ lực cánh tay khởi động động điêzen có cơng suất xilanh không 7,35 kW (10 mã lực) Mômen quay cánh tay người khởi động động xác định theo công thức: M t  Pt r , Nm Trong đó: Pt: Lực cánh tay người khởi động, khoảng (250  350) N; r: Bán kính tay quay, khoảng (0,2  0,3) m 200 (11.14) Nếu mômen cản khởi động lớn mômen quay cánh tay mà muốn khởi động tay phải dùng thêm thiết bị khởi động qn tính Hình 11.8a giới thiệu sơ đồ nguyên lý thiết bị khởi động qn tính quay động điện hình 11.8b giới thiệu thiết bị khởi động quán tính quay tay a) b) Hình 11.8 Thiết bị khởi động quán tính a) Thiết bị khởi động quán tính quay động điện b) Thiết bị khởi động quán tính quay tay Bánh đà khởi động; Động điện (sơ đồ hình a cấu quán tính sơ đồ hình b); Cơ cấu hành tinh; Ly hợp; Cần gạt ly hợp; bánh răng; Vành bánh đà động Khi dùng thiết bị khởi động qn tính, mơmen khởi động tính tốn theo cơng thức: M t  M 'j  M c , Nm (11.15) Trong đó: Mt: Mơmen quay người khởi động (hoặc động điện), Nm; M 'j : Mơmen qn tính bánh đà khởi động chi tiết chuyển động quay hệ thống, Nm Ưu điểm khởi động quán tính giảm lực quay tay giảm bớt công suất động điện làm cho kết cấu động thêm phức tạp, nặng nề nên ngày sử dụng 201 TÀI LIỆU THAM KHẢO Trịnh Chất, (2007) Cơ sở thiết kế máy chi tiết máy NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Hồ Tấn Chuẩn, Nguyễn Đức Phú, Trần Văn Tế, Nguyễn Tất Tiến, Phạm Văn Thể, (1984) Kết cấu tính tốn động đốt tập NXB Đại học Trung học chuyên nghiệp, Hà Nội Hồ Tấn Chuẩn, Nguyễn Đức Phú, Trần Văn Tế, Nguyễn Tất Tiến, Phạm Văn Thể, (1979) Kết cấu tính tốn động đốt tập NXB Đại học Trung học chuyên nghiệp, Hà Nội Hồ Tấn Chuẩn, Nguyễn Đức Phú, Trần Văn Tế, Nguyễn Tất Tiến, Phạm Văn Thể, (1977) Kết cấu tính tốn động đốt tập NXB Đại học Trung học chuyên nghiệp, Hà Nội Jonh B Heywood, (1988) Intrernal Combustion Engine Fundaymentals Mcgraw Hill book Company A Kolchin, V Pemidov, (1980) Design of Automotive Engines Mir Publishers Moscow Nguyễn Thành Lương, (2007) Nguyên lý động đốt NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Nguyễn Tất Tiến, (2000) Nguyên lý động đốt NXB Giáo dục, Hà Nội Phạm Duy Tiến, (2006) Kết cấu tính tốn động đốt NXB Giao thơng vận tải, Hà Nội 10 Trần Thanh Hải Tùng, (2007) Tính tốn thiết kế động đốt NXB Đại học Bách khoa, Đà Nẵng 202 PGS TS Lê Văn Thái (Chủ biên) ThS Đặng Thị Hà GIÁO TRÌNH TÍNH TỐN THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Chịu trách nhiệm xuất ThS VÕ TUẤN HẢI Biên tập: Chế bản: Họa sỹ bìa: NGUYỄN MINH CHÂU NGUYỄN MINH CHÂU ĐẶNG NGUYÊN VŨ NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT 70 Trần Hưng Đạo - Hoàn Kiếm - Hà Nội ĐT: 024 3941 0835; Fax: 024 3941 0835; Email: nxbkhkt@hn.vnn.vn Website: http://www.nxbkhkt.com.vn CHI NHÁNH NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT 28 Đồng Khởi - Quận - TP Hồ Chí Minh, ĐT: 028 3822 5062 In 100 bản, khổ 19  27 cm, Công ty Cổ phần Topprint Địa chỉ: Số 32 tổ Giáp Nhất, phường Nhân Chính, Quận Thanh Xuân, TP Hà Nội Số ĐKXB: 1418-2020/CXBIPH/1-37/KHKT Quyết định XB số: 115/QĐ-NXBKHKT ngày 18 tháng 06 năm 2020 In xong nộp lưu chiểu năm 2020 Mã ISBN: 978-604-67-1555-9 203 ... nghiên cứu tính tốn thiết kế chi tiết động đốt phục vụ thiết kế chế tạo sửa chữa thay cần thiết Cuốn sách gồm nội dung sau: Phương pháp chung tính tốn thiết kế động đốt trong; Tính tốn thiết kế nhóm... PHƯƠNG PHÁP CHUNG TRONG TÍNH TỐN THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1.1 Trạng thái làm việc động đốt Trong q trình tính tốn sức bền chi tiết động đốt trong, lựa chọn trạng thái làm việc động ảnh hưởng trực... Hà GIÁO TRÌNH TÍNH TỐN THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT MỤC LỤC Mục lục Lời nói đầu Chương PHƢƠNG PHÁP CHUNG TRONG TÍNH TỐN THIẾT KẾ ĐỘNG