Thiết kế và tính toán ôtô tính toán kiểm nghiệm bền trục khuỷu

TRƯỜNG ĐH SPKT HƯNG YÊN ĐỒ ÁN TT-TK ÔTÔ Khoa: CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC LỜI NÓI ĐẦU Để xây dựng thành công quá trình CNH-HĐH đòi hỏi phải xây dựng một nền khoa học kỹ thuật và công nghệ tương ứng.Ngành công nghiệp Ôtô là một trong những ngành phục vụ rất hiệu quả cho quá trình CNH-HĐH. Ngành công nghiệp Ôtô tuy không phải là một ngành mới,nhưng nó vẫn diễn ra rất sôi động ở mỗi quốc gia khác nhau trên thế giới.Nhận thức đúng đắn về tầm quan trọng của ngành công nghiệp này Đảng và Nhà nước ta đã có những chính sách phù hợp thúc đẩy sự phát triển ngành công nghiệp Ôtô trong nước,từng bước phát triển và tiến tới sẽ sản xuất được Ôtô tại chính nước ta mà không phải nhập khẩu. Môn “Thiết kế và Tính toán Ôtô”là một trong những môn học đóng vai trò quan trọng trong việc thiết lập những cơ sở khoa học để thiêt kế và kiểm nghiệm bền các chi tiết, các cơ cấu,hệ thống cấu thành nên Ôtô. Môn học này là nền tảng cơ bản của ngành kỹ thuật Ôtô vì vậy nó đòi hỏi phải được xây dựng ngay từ những bước đi đầu tiên. Xuất phát từ những điều kiện trên,em đã được thầy giáo giao cho đề tài: “Tính toán kiểm nghiệm bền trục khuỷu”. Trong quá trình thực hiện đề tài, được sự chỉ bảo tận tình của các thầy cô trong khoa, đặc biệt là thầy Vũ Đình Nam, cùng với sự cố gắng của bản thân đến nay em đã hoàn thành đề tài. Do điều kiện về thời gian cũng như hạn chế về trình độ của bản thân,thêm vào đó vấn đề nghiên cứu còn mới mẻ nên đề tài không tránh khỏi sai sót. Vì vậy em rất mong nhận được sự đóng góp, bổ sung của các Thầy - Cô giáo trong khoa và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn. Em chân thành cảm ơn! Hưng Yên, ngày … tháng…. năm 2011 Sinh viên thực hiện Trần Hữu Thăng Giảng viên hd : Vũ Đình Nam Sinh viên thiết kế: Trần Hữu Thăng Lớp: ĐLK7 TRƯỜNG ĐH SPKT HƯNG YÊN ĐỒ ÁN TT-TK ÔTÔ Khoa: CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU 1 PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU TRỤC KHUỶU 3 1 : Mô tả khái quát về cơ cấu trục khuỷu 3 1.1: Chức năng của trục khuỷu 4 1.2: Điều kiện làm việc 4 1.3: Vật liệu và phương pháp chế tạo 4 1.4: Yêu cầu của trục khuỷu 4 1.5: Kết cấu của trục khuỷu 5 1.5.1: Phân loại 5 1.5.2: Kết cấu các bộ phận của trục khuỷu 6 PHẦN II: TÍNH TOÁN KIỂM NGHIỆM BỀN 11 2.1 : Các thông số cần thiết 11 2.1.1: Các thông số cho trước 11 2.1.2: Các thông số tính toán 11 2.2 Tính toán kiểm nghiệm trục khuỷu 16 2.2.1: Trường hợp chịu lực P zmax 18 2.2.2: Trường hợp chịu lực T max 20 LỜI KẾT 28 TÀI LIỆU THAM KHẢO Giảng viên hd : Vũ Đình Nam Sinh viên thiết kế: Trần Hữu Thăng Lớp: ĐLK7 TRƯỜNG ĐH SPKT HƯNG YÊN ĐỒ ÁN TT-TK ÔTÔ Khoa: CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Phần I : TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU TRỤC KHUỶU 1. Mô tả khái quát về cơ cấu trục khuỷu - Trục khuỷu là một chi tiết quan trọng và phức tạp nhất trong động cơ. Nó có tác dụng biến lực của khí cháy đẩy piston qua thanh truyền thành chuyển động quay tròn và đưa công suất của động cơ ra ngoài (tới các bộ phận khác). Mặt khác biến lực quán tính của nó thành chuyển động các thanh truyền và piston. Nó làm quay các bộ phận khác như trục cam, quạt gió, bơm nước, máy phát điện . - Trong quá trình làm việc trục khuỷu chịu phụ tải thay đổi theo chu kỳ của lực khí thể và lực quán tính của các khối vận động thẳng và quay, làm cho nó bị kéo, nén, uốn với ứng suất khá lớn và chịu mài mòn. Do vậy trục khuỷu được chế tạo bằng thép các bon rồi tôi tần số cao (các cổ trục), bằng thép hợp kim hoặc bằng gang. Hình 1.1. Trục khuỷu 1, 6. Cổ biên; 2. Lỗ khoan cân bằng đố trọng 3. Cổ trục; 4. Đối trọng; 5. Má khuỷu - Hình dáng kết cấu và kích thước của trục khuỷu phụ thuộc vào số xilanh, cách bố trí xilanh, số kỳ của động cơ và thứ tự làm việc của các xilanh. Giảng viên hd : Vũ Đình Nam Sinh viên thiết kế: Trần Hữu Thăng Lớp: ĐLK7 TRƯỜNG ĐH SPKT HƯNG YÊN ĐỒ ÁN TT-TK ÔTÔ Khoa: CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hình 1.2. Trục khuỷu và bánh đà 1.1. Chức năng của trục khuỷu - Trục khuỷu là chi tiết rất quan trọng trong đông cơ ôtô và có nhiệm vụ: - Tiếp nhận lực khí cháy đẩy piston qua thanh truyền làm quay trục khuỷu và đưa công suất ra ngoài. Đồng thời biến lực quán tính của nó thành chuyển động tịnh tiến của piston và thanh truyền 1.2. Điều kiện làm việc - Chịu tải trọng thay đổi có chu kỳ do áp lực khí thể và lực quán tính - Chịu mô men xoắn và uốn đổi chiều - Chịu mài mòn do ma sát - Tính không đều của mô men quay gây ra dao động dọc và dao đọng xoắn ngang 1.3. Vật liệu và phương pháp chế tạo - Vật liệu chế tạo trục khuỷu thường là thép cacbon, thép hợp kim, gang cầu - Hệ số ma sát trong của thép cacbon lớn hơn thép hợp kim. Vì vậy, nó có khả năng giảm biên độ dao động xoắn - Thép cacbon rẻ tiền - Thép hợp kim có ưu điểm là tính năng cơ lý và sức bền cao, vì vậy thường dùng trên các đồng cơ tốc độ trung bình và cao, lực quán tính lớn . - Các loại thép hợp kim thường dùng là : 45Mn2; 50Mn; 40Cr … - Ngày nay ngoài thép người ta thường dùng gang cầu như : GZ50-1,5 để đúc trục khuỷu vì nó có ưu điểm là : rẻ tiền , dễ đúc được kết cấu trục khuỷu lý tưởng, hệ số ma sát trong lớn, ít nhảy cảm với ứng suất tập trung và gang dễ giữ dầu bôi trơn Giảng viên hd : Vũ Đình Nam Sinh viên thiết kế: Trần Hữu Thăng Lớp: ĐLK7 TRƯỜNG ĐH SPKT HƯNG YÊN ĐỒ ÁN TT-TK ÔTÔ Khoa: CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC 1.4. Yêu cầu của trục khuỷu - Có sức bền cao, cứng vững nhưng trọng lượng nhỏ - Có đọ chính xác gia công cao, độ cứng, độ bóng bề mặt cổ chốt, cổ khuỷu lớn. - Đảm bảo cân bằng động và tính đồng đều mô men quay cao nhưng đơn giản dễ chế tạo - Không xảy ra dao động cổng hưởng trong phạm vi số vòng quay sử dụng 1.5. Kết cấu của trục khuỷu - Hình dạng kết cấu của trục khuỷu phụ thuộc vào số xi lanh, số kỳ của động cơ thú tự làm việc của các xi lanh và số hang xi lanh - Kích thước của trục khuỷu phụ thuộc vào dường kính xi lanh, khoảng cách giữa hai đường tâm xi lanh. Phương pháp làm mát động cơ 1.5.1. Phân loại a. Trục khuỷu ghép và trục khuỷu nguyên - Trục khuỷu ghép là trục khuỷu gồm nhiều chi tiết ghép lại với nhau - Loại trục này thường dùng cho các đọng cơ cỡ lớn đôi khi dùng cho các động cơ cỡ nhỏ như xe máy Hình 1.3. Trục khuỷu ghép Giảng viên hd : Vũ Đình Nam Sinh viên thiết kế: Trần Hữu Thăng Lớp: ĐLK7 TRƯỜNG ĐH SPKT HƯNG YÊN ĐỒ ÁN TT-TK ÔTÔ Khoa: CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - Trục khuỷu nguyên là trục chỉ gồm một chi tiết thường dùng cho các động cơ cỡ nhỏ và trung bình Hình 1.4. Ttrục khuỷu động cơ 4 xi lanh 1. Đầu trục 2. Chốt khuỷu 3. Cổ khuỷu 4. Má khuỷu 5. Đối trọng 6. Đuôi trục khuỷu b. Trục khuỷu trốn cổ và trục khuỷu đủ cổ Gọi số xi lanh của động cơ là i và số cổ trục là Z khi đó : Trục khuỷu đủ cổ trục : Z = i+1 Trục khuỷu trốn cổ trục : Z = i 2 +1 Hình1.5. Trục khuỷu 4 xi lanh trố cổ 1.5.2. Kết cấu các bộ phận của trục khuỷu a ) Đầu trục khuỷu - Đầu trục khuỷu là đầu tự do của trục khuỷu. trên đầu trục khuỷu thường được lắp các bánh răng dẫn đọng trục cam, bơm cao áp, bơm nhiên liệu, bơm dầu nhờn và các bánh đai để dẫn động quạt gió, bơm nước… - Trên đầu trục khuỷu của một số động cơ còn lắp bộ giảm chấn xoắn Giảng viên hd : Vũ Đình Nam Sinh viên thiết kế: Trần Hữu Thăng Lớp: ĐLK7 TRƯỜNG ĐH SPKT HƯNG YÊN ĐỒ ÁN TT-TK ÔTÔ Khoa: CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - Đầu mút của đầu trục khuỷu có lắp đai ốc để khởi động quay tay và còn có tác dụng hãm chặt các bánh đai, ổ chắn dọc trục … Hình 1.6. Kết cấu đầu trục khuỷu b ) Cổ trục khuỷu - Cổ trục được gia công và xử lý bề mặt đạt độ cứng và độ bóng cao. Phần lớn các động cơ có cổ trục cùng một đường kính. Đặc biệt có động cơ thường là động cơ cỡ lớn, với đường kính cổ trục lớn dần từ đầu đến đuôi trục khuỷu để có sức bền đều. Tuy nhiên nó sẽ rất phức tạp vì có nhiều bạc lót hoặc ổ đỡ có đường kính khác nhau. Cổ trục khuỷu thường rỗng để làm rãnh dẫn dầu bôi trơn đến các cổ và chốt khác của trục khuỷu. c ) Chốt khuỷu - Chốt khuỷu cũng được gia công và xử lý bề mặt để đạt độ bóng và độ cứng cao. - Đường kính chốt thường nhỏ hơn đường kính cổ khuỷu. nhưng cũng có trường hợp như động cơ cao tốc do lực quán tính lớn đường kính chốt khuỷu có thể bằng đường kính cổ khuỷu. chiều dài của chốt khuỷu phụ thuộc vào khoảng cánh giữa hai đường tâm xy lanh kề nhau và chiều dài cổ trục. cũng như ở cổ khuỷu, chốt khuỷu có thể làm rỗng để giảm trọng lượng và tạo thàh cốc lộc dầu bôi tơn. Để dẫn dầu từ thân máy đến các cổ khuỷu rồi theo các đường khoan trong cổ, má khuỷu dẫn lên chốt khuỷu. Giảng viên hd : Vũ Đình Nam Sinh viên thiết kế: Trần Hữu Thăng Lớp: ĐLK7 TRƯỜNG ĐH SPKT HƯNG YÊN ĐỒ ÁN TT-TK ÔTÔ Khoa: CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Hình 1.7. Kết cấu dẫn dầu bôi trơn chốt khuỷu d ) Má khuỷu - Má khuỷu là bộ phận nối liền cổ trục và chốt khuỷu. hình dạng má khuỷu phụ thuộc vào số vòng quay của động cơ. Để giảm trọng lượng và do đó giảm lực quán tính, người ta cố gắng giảm triệt để các phần không chịu lực của má - Hình dáng của má khuỷu có các dạng nư sau: - Loại má hình chữ nhật vát góc. Loại này đơn giản dễ chế tạo - Loại má hình ô van là loại má lợi dụng vật liệu hợp lý nhất và phân bố ứng suất đồng đều nhất nên được sử dụng nhiều nhất. - Loại má hình tròn có ưu điểm sức bền cao, cho phép giảm chiều dày má để tăng chiều dài cổ trục, chốt khuỷu, thuận lợi cho điều kiện bôi trơn cổ trục, chốt khuỷu, má tròn cũng đơn giản dễ chế tạo. Hình 1.8. Các dạng má khuỷu - Để trục khuỷu có độ cứng vững và đồ bền thường được thiết kế có độ trùng điệp kí hiệu là ε và được tính theo công thức sau: Giảng viên hd : Vũ Đình Nam Sinh viên thiết kế: Trần Hữu Thăng Lớp: ĐLK7 TRƯỜNG ĐH SPKT HƯNG YÊN ĐỒ ÁN TT-TK ÔTÔ Khoa: CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC R dd cch − + = 2 ε Trong đó d ch : Đường kính của chốt d c : Đường kính của cổ khuỷu R : Bán kính quay trục khuỷu Hình 1.9. Các biện pháp tăng bền má khuỷu - Độ trùng điệp là phần mà hai cổ chốt và cổ khuỷu trùng nhau khi biểu diễn trục khủy lên hình chiếu cạnh. - Độ trùng điệp càng lớn, độ cứng vững và độ bền của trục khuỷu càng cao. Muốn tăng độ trùng điệp ta có đường kính của cổ khuỷu hoặc cổ chốt, áp suất tiếp xúc và mài mòn các cổ này sẽ giảm. giảm bán kính quay của trục khuỷu tứ là giảm hành trình hay vận tốc trung bình của piston nghĩa là giảm mài mòn cặp piston-xi lanh. Điều đó được giải thích nhờ mối quan hệ sau: S = 2.R ; v tb = n.s 30 ( n là số vòng quay động cơ ) - Do có sử thay đổi mặt cắt đột ngột tại chỗ chuyển tiếp, nên gây ra hiện tượng ứng suất, do đó có thể tránh tập trung ứng suất người ta phả làm chỗ chuyển tiếp ( gó lượn ) có bán kính đủ lớn va hình dáng phù hợp. e ) Đối trọng Giảng viên hd : Vũ Đình Nam Sinh viên thiết kế: Trần Hữu Thăng Lớp: ĐLK7 TRƯỜNG ĐH SPKT HƯNG YÊN ĐỒ ÁN TT-TK ÔTÔ Khoa: CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Đối trọng là các khối lượng gắn trên trục khuỷu để tạo ra lực quán tính li tâm nhằm những mục đích sau: - Cân bằng lực quán tính li tâm P k của trục khuỷu (Hình 1.8a). - Cân bằng một phần lực quán tính chuyển động tịnh tiến cấp 1 (Hình 1.10b). Thông thường người ta cân bằng một nửa lực quán tính chuyển động tịnh tiến cấp 1 của piston thanh truyền. 22 2 ω mR P jl = - Đối trọng- Lắp ngược với hướng của trục khuỷu- Tạo ra lực quán tính li tâm có giá trị bằng: Hình 1.10. Vai trò của đối trọng - Như vậy trên phương ngang sẽ xuất hiện lực mất cân bằng 2 ω mR .sin ϕ /2. Phương pháp cân bằng này về thực chất là chuyển một phần lực mất cân bằng trên một phương sang phương vuông góc. Phương pháp này thường dùng cho những động cơ đặt nằm ngang. Để cân bằng triệt để lực quán tính chuyển động tịnh tiến, người ta dùng cơ cấu cân bằng lăngxetche thường dùng ở động cơ một xi lanh. Ví dụ : Động cơ máy kéo Bông Sen đối trọng trong trường hợp này không lắp trực tiếp trên trục khuỷu mà là lắp trên hai trục dẫn động từ trục khuỷu (Hình 1.10c). - Giảm tải trọng tác dụng cho một cổ trục, ví dụ: cho cổ giữa trục khuỷu động cơ 4 kỳ 4 xi lanh (Hình 1.10d). Đối với trục khuỷu này, các lực quán tính li tâm P k tự cân bằng nhưng tạo ra cặp mômen M pk luôn gây uốn cổ giữa khi có đối trọng, cặp mômen M pk nên giảm được tải cho cổ giữa. Giảng viên hd : Vũ Đình Nam Sinh viên thiết kế: Trần Hữu Thăng Lớp: ĐLK7 . - Tính sức bền trục khuỷu bao gồm tính sức bền tĩnh và sức bền động - Do trục khuỷu là dầm siêu tĩnh, nên khi tính toán gần đúng, người ta phân trục khuỷu. cầu của trục khuỷu 4 1.5: Kết cấu của trục khuỷu 5 1.5.1: Phân loại 5 1.5.2: Kết cấu các bộ phận của trục khuỷu 6 PHẦN II: TÍNH TOÁN KIỂM NGHIỆM BỀN 11