Tính toán và kiểm nghiệm bền cho trục khuỷu

Khoa C¬ khÝ §éng Lùc - Tr êng §H SPKT Hng Yªn Nhận xét của giáo viên hướng dẫn …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………… Hưng yên , ngày tháng năm 2011 GVHD Khổng Văn Nguyên §å ¸n m«n häc 1 Khoa C¬ khÝ §éng Lùc - Tr êng §H SPKT Hng Yªn Lời nói đầu Trên thế giới không chỉ ở các nước phát triển ôtô đã đóng vai trò hết sức to lớn trong mọi lĩnh vực của đời sống và sản xuất. Với xu thế hội nhập ngày nay khi đất nước ngày càng phát triển và tiến trình CNH-HĐH đất nước đang diễn ra mạnh mẽ ôtô càng phát huy tầm quan trọng của mình trong mọi lĩnh vực giao thông, vận tải xây dựng và sản xuất. Sau khi học xong môn thiết kế tính toán ôtô với đề tài được giao “Tính toán và kiểm nghiệm bền cho trục khuỷu”. Trong quá trình thực hiện đề tài được sự giúp đỡ chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo trong khoa đặc biệt là thầy giáo hướng dẫn Khổng Văn Nguyên đến nay em đã hoàn thành đề tài này với các nội dung sau: a. Mô tả khái quát về trục khuỷu. b. Xác dịnh các thông số cần thiết. c. Tính toán kiểm nghiệm bền. Mặc dù trong thời gian thực hiện đề tài, bản thân em đã nỗ lực tìm kiếm tài liệu chuyên nghành, vận dụng các kiến thức đã được học và kinh nghiệm bản thân song với khả năng, trình độ cũng như kinh nghiệm còn ít nên chắc chắn không thể tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót vì vậy em rất mong nhận được sự đánh giá nhận xét của các thầy cô trong khoa và các bạn sinh viên để đề tài của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn các thầy,(cô) trong khoa Cơ Khí Động Lực Trường ĐHSPKT Hưng Yên. Em xin chân thành cảm ơn! Hưng Yên, ngày tháng năm 2011 Phan văn Tài §å ¸n m«n häc 2 Khoa C¬ khÝ §éng Lùc - Tr êng §H SPKT Hng Yªn Mục lục Lời nói đầu Phần 1 : Tổng quan về cơ cấu trục khuỷu 1. Mô tả khái quát về cơ cấu trục khuỷu 1.1. Chức năng của trục khuỷu 1.2. Điều kiện làm việc 1.3. Vật liệu và phương pháp chế tạo 1.4. Yêu cầu 1.5. Phân loại 1.6. Kết cấu của trục khuỷu 1.7. Bánh đà Phần 2 : Các thông số cần thiết 2.1. Các thông số cho trước 2.2. Các thông số tính toán Phần 3 : Tính toán kiểm nghiệm trục khuỷu 3.1. Sơ đồ tính kiểm nghiệm trục khuỷu 3.2. Trường hợp chịu lực P zmax 3.3.Trường hợp chịu lực T max 3.4. Trường hợp chịu lực Z max §å ¸n m«n häc 3 Khoa C¬ khÝ §éng Lùc - Tr êng §H SPKT Hng Yªn ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ ĐỀ TÀI : TÍNH TOÁN KIỂM NGHIỆM BỀN TRỤC KHUỶU Phần 1 : Tổng quan về cơ cấu trục khuỷu 1. Mô tả khái quát chung về trục khuỷu 1.1. Chức năng của trục khuỷu - Trục khuỷu là chi tiết lớn, nặng và rất quan trọng trong đông cơ ôtô - Trục khuỷu nhận lực từ piston tạo mômen quay kéo các may công tác và truyền lực quán tính lên piston để thực hiện các quá trinh hút – nén – xả 1.2. Điều kiện làm việc - Chịu tải trọng thay đổi có chu kỳ do áp lực khí thể và lực quán tính gây ra - Chịu mô men xoắn và uốn đổi chiều gây ra dao động xoắn ngang và dao động uốn của trục khuỷu trên ổ đỡ - Chịu mài mòn do ma sát 1.3. Vật liệu chế tạo và phương pháp chế tạo - Vật liệu chế tạo trục khuỷu thường là thép cacbon, thép hợp kim, gang cầu - Thép cacbon được dùng nhiều do rẻ tiền và 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 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 - Trục khuỷu thường được chế tạo bằng phương pháp : rèn tụ do, rèn khuôn hoặc đúc theo kích thước và kết cấu trục khuỷu cũng như loại vật liệu sử dụng. 1.4. Yêu cầu của trục khuỷu - Có sức bền cao, cứng vững nhưng trọng lượng nhỏ - Có độ 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. 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 §å ¸n m«n häc 4 Khoa C¬ khÝ §éng Lùc - Tr êng §H SPKT Hng Yªn Hình 1.5.a1. Trục khuỷu ghép - Trục khuỷu nguyên là trục chỉ gồm một chi tiết thường dùng cho các động cơ cỡ nhỏ và trung bình Hình 1.5.a2. Trục khuỷu động cơ 4 xi lanh 1. Đầu trục 4. Má khuỷu 2. Chốt khuỷu 5. Đối trọng 3. Cổ khuỷu 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 Hình 1.5.b. Trục khuỷu 4 xi lanh trốn cổ §å ¸n m«n häc 5 Khoa C¬ khÝ §éng Lùc - Tr êng §H SPKT Hng Yªn 1.6. 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 hàng xi lanh. - Kích thước của trục khuỷu phụ thuộc vào đường kính xi lanh, khoảng cách giữa hai đường tâm xi lanh, phương pháp làm mát động cơ 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 động 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. - 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.a. Kết cấu đầu trục khuỷu b. Cổ trục khuỷu - Các cổ trục khuỷu có cùng một kích thước đường kính. - Cổ trục được gia công và xử lý bề mặt đạt độ cứng và độ bóng cao. Cổ trục thường được làm rỗng để làm các 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 lọc dầu bôi trơn. Để dẫn dầu từ thân máy đến các cổ khuỷu rồi theo các đường khoan trong cổ, má khuỷu dẫn lên chốt khuỷu. §å ¸n m«n häc 6 Khoa C¬ khÝ §éng Lùc - Tr êng §H SPKT Hng Yªn Hình 1.6.c. 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 như sau: - Loại má hình chữ nhật vát góc(hình 1.6.c). Loại này đơn giản dễ chế tạo. - Loại má hình ô van (hình 1.6.d). 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(hình 1.6.a,b) 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 1.6.d1. 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: R dd cch − + = 2 ε §å ¸n m«n häc 7 Khoa C¬ khÝ §éng Lùc - Tr êng §H SPKT Hng Yªn Trong đó d ch : đường kính của chốt d c : đường kính của cổ khuỷu R : bán kính quay trục khuỷu Hình 1.6.d2. 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 = ( s 30 ) . n ( n là số vòng quay động cơ ) - Do có sự thay đổi mặt cắt đột ngột tại chỗ chuyển tiếp, nên gây ra hiện tượng ứng suất tập trung giữa má và cổ trục, má và cổ chốt phải có bán kính góc lượn r, giá trị nó nằm trong khoảng r d c = r d c h = 0,035 … 0,08 e. Đối trọng - Đối trọng là các khối lượng gắn trên trục khuỷu để cân bằng các lực mô men quán tính không cân bằng của động cơ chủ yếu là lực và mô men quán tính ly tâm. - Giảm phủ tải cho ổ trục nhất là ổ giữa và tránh biến dạng của trục khuỷu khi làm việc. - Đối trọng dùng trên động cơ thường có các dạng như (hình1.8)và lắp trên trục khuỷu theo các dạng sau §å ¸n m«n häc 8 Khoa C¬ khÝ §éng Lùc - Tr êng §H SPKT Hng Yªn Hình 1.6.e. Kết cấu đối trọng - Đối trọng là liền với má khuỷu(hinh1.8.a). Loại này thường gặp trên các động cơ ôtô, máy kéo và các động cơ cỡ nhỏ. - Đối trọng được chế tạo riêng rồi hàn với má. Loại này thường được ít dùng vì khi hàn trục khuỷu sẽ biến dạng - Đối trọng được chế tạo riêng rồi lắp lên má khuỷu bằng bulông(hình 1.8.b,c). Loại này khá phổ biến trên động cơ tàu thuỷ tĩnh tại và động cơ máy kéo. f. Đuôi trục khuỷu - Đuôi trục khuỷu là nơi truyền công suất ra ngoài và trên đuôi trục khuỷu thường lắp bánh đà. Bánh đà lắp lên đuôi trục khuỷu bằng hai cách: lắp bằng đoạn trục hinh côn,thường dùng trên động cơ tĩnh tại và lắp bằng mặt bích dùng trên động cơ ô tô máy kéo. - Trên đuôi trục khuỷu thường bố trí các bộ phận sau: vành chắn dầu, ren hồi dầu, đệm chắn di chuyển dọc trục của trục khuỷu. 1.7. Bánh đà a. Nhiệm vụ - Bánh đà lắp trên động cơ là làm đồng đều tốc độ góc của động cơ dến mức cần thiết cho phép (phụ thuộc vào công dụng động cơ). - Trong lúc làm việc, bánh đà có nhiệm vụ tích năng lượng (khi mômen quay lớn hơn mômen cản) và phóng năng lượng(khi mômen cản lớn hơn mômen quay). - Bánh đà là nơi gắn vành răng khởi động, ghi các kí hiệu ĐCT, ĐCD, góc phun sớm, góc đánh lửa … b. Vật liệu chế tạo và kết cấu bánh đà - Bánh đà các loại động cơ thường được chế tạo bằng gang xám, mác gang GX21-40 đến GX32-52. Đối với động cơ tốc độ cao n > 4500v/p có thẻ đúc hoặc dập bằng thép có thành phần cacbon thấp. - Kết cấu bánh đà phụ thuộc vào kiểu loại động cơ. c. Phân loại - Bánh đà được phân ra làm 3 loại chính sau : - Bánh đà dạng đĩa. Thường dùng trong đông cơ ôtô, kết cấu này rất đơn giản , chiều dày đồng đều, mặt ngoài được ép vành răng khởi động. Nhược điểm là mômen bánh đà bé nên chỉ thích hợp với động cơ cao tốc, nhiều xi lanh - Bánh đà dang vành. Là loại bánh đà dày có mô men quán tính lớn nên được sử dụng cho động cơ cỡ lớn, tốc độ chậm. - Bánh đà dạng chậu. Về kết cấu chỉ khác bánh đà dạng đĩa là có them phần vành chậu phía ngoài. Bánh đà dạng chậu thường dùng trên động cơ Điêzl máy kéo. §å ¸n m«n häc 9 Khoa C¬ khÝ §éng Lùc - Tr êng §H SPKT Hng Yªn Phần 2 : Các thông số cần thiết 2.1. Thông số cho trước Loại động cơ Diesel, không tăng áp Kiểu động cơ Một hàng Công suất động cơ 177 (KW) Số vòng quay 2300 (vòng / phút) Suất tiêu hao nhiên liệu 227 (g/kw.h) Số kỳ 04 Đường kính xi lanh 108 (mm) Hành trình piston 132 (mm) Tỷ số nén 17,5 Số xy lanh 06 (1-5-3-6-2-4) Chiều dài thanh truyền 220 (mm) Khối lượng nhóm piston 2,5 (kg) Khối lượng thanh truyền 3 (kg) Áp suất khí thể lớn nhất 8,14 (Mpa) 2.2. Các thông số tính toán - Đường kính xy lanh : D = 108 mm - Đường kính ngoài chốt khuỷu d ch = (0,64 ÷ 0,72 ) D theo (TL-I/224) = (0,64 ÷ 0,72 ) 108 =(69,12 ÷ 77,76) (mm) Chọn d ch = 80 (mm) - Đường kính trong của chốt khuỷu : δ ch = 0 - Chiều dài chốt khuỷu: l ch = (0,7 ÷ 1,0¿d c h theo (TL-I/224) = (0,7 ÷1,0¿.75 = (52,5÷70) (mm) Chọn: l ch = 56 (mm) - Đường kính ngoài cổ trục: d ct = ( 0,70 ÷ 0.85¿ D theo (TL-I/223) = ( 0,70 ÷ 0.85¿ . 108 = (75,6÷91,8) (mm) Chọn : d ct = 85 (mm) §å ¸n m«n häc 10 . Phần 3: Tính toán kiểm nghiệm bền trục khuỷu 3.1. Sơ đồ tính nghiệm bền trục khuỷu - Ta tính toán trục khuỷu theo phương pháp phân đoạn - Do trục khuỷu là. khuỷu. Khi tính toán ta sẽ phải xét khuỷu nào chịu lực lớn nhất để tính cho khuỷu đó. - Tính sức bền trục khuỷu bao gồm tính sức bền tĩnh và tính sức bền