2.2.1. Cơ cấu piston, thanh truyền, trục khuỷu. a. Piston
Trang 40 Hình 2.2: Piston.
- Piston là một chi tiết quan trọng của động cơ đốt trong. Trong quá trình làm việc của động cơ, piston chịu lực rất lớn, nhiệt độ rất cao và ma sát mài mòn lớn, lực tác dụng và nhiệt độ cao do khí thể và lực quán tính sinh ra gây nên ứng suất cơ học và ứng suất nhiệt trong piston, còn mài mòn là do thiếu dầu bôi trơn mặt ma sát của piston với xilanh khi chịu lực.
- Piston được đúc bằng hợp kim nhôm có hàm lượng đi ô xít cao. Phần đỉnh đầu pít tông được làm lõm tạo thành không gian buồng cháy hình chêm.
- Bề mặt của pít tông có dạng côn cong. Tiết diện ngang phần đuôi có hình ô van. Trục lớn vuông góc với đường tâm chốt pít tông.
- Thân pít tông còn gia công 3 rãnh để lắp xéc măng khí và xéc măng dầu.
- Chốt pít tông được chế tạo bằng thép hợp kim và để giảm bớt khối lượng người ta làm rỗng, chốt được nhiệt luyện bằng nguyên công thấm than có độ thấm sâu là 0,1
Trang 41
đến 1,4mm và được tôi cứng. Độ cứng bề mặt chốt thường đạt giá trị HRC từ 56 đến 60.
- Trên pít tông đặt 2 xéc măng khí và 1 xéc măng dầu. Các xéc măng khí được chế tạo bằng gang hợp kim và có tiết diện hình thang tăng khả năng bao kín, bề mặt ngoài của xéc măng số 1 được phủ 1 lớp Crôm còn xéc măng số 2 phủ lớp mô líp đen. ( Mục đích tăng khả năng chống mòn cho xéc măng)
- Xéc măng dầu là tổ hợp các chi tiết lắp gép bao gồm một vòng bằng gang có phủ crôm và một lò xo xoắn giãn nở được.
b. Thanh truyền.
Hình 2.3: Thanh truyền.
1. Nắp đầu to thanh truyền; 2.Bulong thanh truyền; 3.Thân thanh truyền; 4.Đầu nhỏ thanh truyền
- Thanh truyền là chi tiết nối piston với trục khuỷu có tác dụng truyền lực tác dụng trên piston xuống trục khuỷu, làm quay trục khuỷu. Khi động cơ làm việc thanh truyền chịu tác dụng của các lực sau: Lực khí thể trong xi lanh, lực quán tính chuyển động tịnh tiến của nhóm piston, lực quán tính của thanh truyền.
- Động cơ sử dụng dạng thanh truyền đơn được làm bằng thép hợp kim dễ dàng cho việc chế tạo, đầu to thanh truyền có dạng phân đôi nên cần có bu lông gắn giữa nắp đầu to với thân. Mặt phân cách ở giữa nắp và thân có gờ để chống lực cắt bu lông.
- Tiết diện thanh truyền của động cơ 1NZ-FE có dạng chữ I. Đầu nhỏ thanh truyền có dạng hình trụ rỗng và được lắp tự do với chốt piston. Đầu to thanh truyền được cắt thành hai nửa, phần trên nối liền trục với thân, phần dưới là nắp đầu to thanh truyền và lắp với nhau bằng bu lông thanh truyền. Mặt phẳng lắp ghép vuông góc với đường tâm
Trang 42
trục thân thanh truyền. Bu lông thanh truyền là loại bu lông chỉ chịu lực kéo, có mặt gia công đạt độ chính xác cao để định vị.
- Đầu to của thanh truyền không có lỗ vung dầu vì piston và xilanh được bôi trơn cưởng bức bởi các vòi phun dầu bôi trơn lên hệ thống.
c. Trục khuỷu.
Hình 2.4: Trục khuỷu
1 – Đầu trục khuỷa ; 2- Rotor cảm biến vị trí trục khuỷa ; 3-Lỗ dẫn dầu bôi trơn ; 4 –Cổ trục ; 5- Chốt khuỷa ; 6 – Đối trọng ; 7- Đuôi trục khuỷa
- Trục khuỷu động cơ được chế tạo bằng thép nhờ công nghệ rèn khuôn, được tăng bền bằng tôi cao tần. Trục khuỷu có năm cổ trục và bốn cổ chốt. Trên các má khuỷu có bố trí các đối trọng có tác dụng để làm giảm phụ tải cho ổ trục và cổ trục, má khuỷu và đối trọng được chế tạo liền với má khuỷu.
- Ở đầu trục khuỷu có chế tạo rãnh then bán nguyệt để lắp bánh răng dẫn động bơm dầu và pu li bơm nước.
- Trong thân trục khuỷu có làm các rãnh dầu bôi trơn để cấp dầu tới các bề mặt ma sát giữa bạc lót và cổ trục cũng như cổ chốt.
- Đuôi trục khuỷu có gia công mặt bích để bắt chặt với bánh đà.
- Bánh đà được đúc bằng gang, trên bề mặt trụ ngoài có ép vành răng chế tạo bằng thép để khởi động động cơ. Bề mặt của các răng trên vành răng được tôi cao tần đạt độ
Trang 43
cứng HRC từ 49 đến 55. Bánh đà được bắt vào mặt bích của đuôi trục khuỷu nhờ các bu lông chịu lực.
- Bạc cổ trục chính và cổ chốt có kết cấu hai nửa tháo rời, vật liệu ba lớp với lớp làm việc được làm bằng hợp kim.
- Bạc trên và bạc dưới của cổ trục chính không lắp lẫn cho nhau được. Nửa bạc trên có lỗ dẫn dầu và có lỗ nhỏ để phân phối dầu.
2.2.2. Cơ cấu phân phối khí.
- Cơ cấu phối khí có nhiệm vụ xác định thời điểm và điều khiển quá trình đóng mở xupap để thực hiện việc nạp hỗn hợp cháy cũng như thải sản vật cháy ra khỏi xy lanh động cơ. Cơ cấu phối khí động cơ 1NZ-FE là cơ cấu phối khí sử dụng xupap treo, dẫn động gián tiếp thông qua cò mổ. Trục cam được bố trí trên thân máy và được dẫn động từ trục khuỷu qua bộ truyền đai.
Hình 2.5: Cơ cấu phân phối khí
1- Tay căng xích; 2- Thiết bị kéo căng; 3- Bộ điều khiển phối khí (VVT-i); 4- Xích dẫn động trục cam; 5- Trục cam nạp; 6-Trục cam thải; 7-Bộ phận dẫn hướng xích.
Trang 44
- Cơ cấu phân phối khí dùng để thực hiện quá trình thay đổi khí. Thải sạch khí thải khỏi xilanh và nạp đầy khí hổn hợp hoặc không khí mới vào xilanh để động cơ làm việc liên tục. Để đảm bảo công suất cực đại của động cơ, cần phải hút càng nhiều hỗn hợp không khí - nhiên liệu vào xilanh và thải ra càng nhiều khí cháy càng tốt. Vì thế, hỗn hợp không khí - nhiên liệu và quán tính khí cháy được tính đến trong quá trình thiết kế tăng tối đa thời gian mở xupap.
- Cơ cấu bao gồm: trục cam, giàn cò mổ, xupap nạp, xupáp thải, lò xo xupap, chén chận, móng ngựa. Không có con đội, đũa đẩy.
- Cơ cấu phân phối khí kiểu DOHC nên sẽ có 16 xupap gồm 8 xupap nạp và 8 xupap thải chia làm hai dãy nằm thẳng hàng, được bố trí trên nắp máy.
- Trục cam được dẫn động bởi trục khuỷu thông qua bộ truyền xích. a. Trục cam:
-Trục cam được chế tạo bằng thép. Trên trục cam có 8 vấu cam được bố trí lệch nhau một góc 450 và có 5 ổ đỡ.
-Trên các ổ đỡ trục cam có gia công các lỗ dẫn dầu bôi trơn. Đầu trục cam có then bán nguyệt để lắp bánh răng dẫn động từ trục khuỷu.
Hình 2.6. Trục cam b. Dẫn động xupap:
- Xu páp nạp và xu páp xả được chế tạo từ thép chịu nhiệt. Bề mặt làm việc của xu páp xả được làm bằng vật liệu hợp kim có tính chống mòn cao. Xu páp dịch chuyển
Trang 45
trong ống đẫn hướng, trên ống dẫn hướng của xu páp nạp người ta đặt vòng làm kín để hạn chế dầu đi vào khe hở giữa thân xu páp và ống dẫn hướng.
- Để ép xu páp vào đế xu páp , phần cuối của thân xu páp có gia công một rãnh để cài móng hãm đuôi xupáp, lò xo tỳ ép vào đế.
Hình 2.7. Sơ đồ dẫn động xupap 1- Xupap ; 2- con đội ; 3- vấu cam 2.2.3. Hệ thống bôi trơn, làm mát.
Trang 46 Hình 2.8. Sơ đồ hệ thống bôi trơn
- Hệ thống bôi trơn của động cơ kiểu cưỡng bức dùng để đưa dầu bôi trơn và làm mát các bề mặt ma sát của các chi tiết chuyển động của động cơ.
- Hệ thống bôi trơn gồm: Bơm dầu, bầu lọc dầu, cácte dầu, các đường ống... dầu sẽ từ cácte được hút bằng bơm dầu, qua lọc dầu, vào các đường dầu dọc thân máy vào trục khuỷu, lên trục cam, từ trục khuỷu vào các bạc biên, theo các lỗ phun lên thành xylanh, từ trục cam vào các bạc trục cam, rồi theo các đường dẫn dầu tự chảy về cácte.
2.2.3.2. Hệ thống làm mát.
- Ở động cơ hệ thống làm mát bằng nước tuần hoàn cưỡng bức được sử dụng. Khi động cơ nóng lên, hệ thống làm mát sẽ truyền nhiệt ra không khí chung quanh để làm mát động cơ. Ngược lại, khi động cơ còn lạnh, hệ thống làm mát giúp động cơ dễ
Trang 47
nóng lên. Bằng cách đó, hệ thống làm mát giúp cho duy trì nhiệt độ động cơ thích hợp.
- Hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức, nhiệt độ van hằng nhiệt mở là 800C, dung tích bình 7,8lít. Van hằng nhiệt có van đi tắt được đặt ở phía đầu ra của két nước.
Hình 2.9. Hệ thống làm mát
1: Van hằng nhiệt ; 2: Bơm ; 3: Nắp máy; 4: Thân máy; 5: Giàn sưởi ; 6: Van tiết lưu; 7: Két nước
2.2.4. Hệ thống nhiên liệu.
- Hệ thống nhiên liệu động cơ 1NZ-FE đóng vai trò rất quang trọng nó không đơn thuần là một hệ thống phun nhiên liệu độc lập mà nó còn liên kết với các hệ thống đó là hệ thống điều khiển điện tử ( ECU) , hệ thống đánh lửa điện từ , điều khiển tốc độ cuả động cơ, tạo ra sự tối ưu hóa cho quá trình hoạt động của động cơ. Kim phun 12 lỗ được áp dụng để tang cường tính phun sương của nhiên liệu, điều khiển cắt nhiên
Trang 48
liệu khi túi khí hoạt động. Đường ống dẫn nhiên liệu với các giấc đấu nối nhanh để nâng cao khả năng sửa chữa. Bình xăng làm bằng chất dẻo 6 lớp với 4 loại vật liệu có bộ lọc than hoạt tính trong bình.
Hình 2.10. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu
1- tín hiệu từ cảm biến lưu lượng khí nạp; 2- Tín hiệu từ cảm biến vị trí bớm ga; 3- Tín hiệu từ cảm biến vị trí trục cam; 4 – Tín hiệu từ cảm biến oxy; 5- Tín hiệu từ cảm
biến nhiệt độ nước làm mát; 6- Tín hiệu từ cảm biến vị trí trục khuỷa;7- Tín hiệu từ cảm biến vị trí túi khí; 8- Bình chứa nhiên liệu; 9-Bơm xăng; 10 –Bộ lọc xăng; 11 –
Trang 49
PHẦN 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG BÔI TRƠN ĐỘNG CƠ XZ4-0621 - Hệ thống bôi trơn cưỡng bức là loại hiện đại làm việc chắc chắn hơn nhưng phức tạp hơn. Nguyên nhân là do việc dẫn dầu cưỡng bức luôn đảm bảo có lớp dầu cần thiết và đảm bảo việc dẫn nhiệt ra từ các bề mặt làm việc được tốt hơn.
- Vì vậy loại hệ thống này thường được ứng dụng ở các động cơ xăng cũng như các động cơ có số vòng quay cao, trong đó lực quán tính của các bộ phận chuyển động qua lại và lực quán tính ly tâm có trị số cao.
- Khi bôi trơn cưỡng bức, dầu được dẫn đến các gối đỡ với số lượng dư sẽ rửa các cặn bẩn và mạt kim loại, tạo điều kiện thuận lợi cho sự làm việc của các gối đỡ. Do đó khi bôi trơn cưỡng bức, dầu ít tiếp xúc với các chi tiết máy và không khí nên dầu bị ôxy hoá chậm hơn, mức tiêu thụ dầu nhờn sẽ thấp hơn.
- Sau khi phân tích ưu nhược điểm của từng hệ thống bôi trơn, cùng với việc tham khảo một số động cơ tương tự trên thực tế em lựa chọn phương án thiết kế hệ thống bôi trơn cho động cơ XZ4-0621 là hệ thống bôi trơn cưỡng bức cácte ướt.
3.1. Nhiệm vụ, yêu cầu. 3.1.1. Nhiệm vụ. 3.1.1. Nhiệm vụ.
Nhiệm vụ quan trọng nhất hệ thống bôi trơn là cung cấp liên tục dầu nhờn cho các bề mặt tiếp xúc của các chi tiết có chuyển động tương đối với nhau trong động cơ đồng thời làm mát và tẩy rửa bề mặt ổ trục. Vì vậy chủng loại và tính năng hóa lý của dầu bôi trơn, lưu lượng và áp suất của dầu bôi trơn trong hệ thống bôi trơn là những vấn đề rất quan trọng ảnh hưởng rất lớn đến nhiệm vụ của hệ thống bôi trơn.
Dầu nhờn bôi trơn dùng cho động cơ đốt trong có bốn công dụng chính sau đây: Bôi trơn mặt ma sát, làm giảm công suất ma sát.
Khi bôi trơn bề mặt ma sát, dầu nhờn đóng vai trò như một chất đệm ngăn cách hai mặt ma sát không tiếp xúc trực tiếp với nhau, chính căn cứ vào tính chất vật lý này ta phân loại ma sát trượt của ổ trục thành các loại:
+ Ma sát khô ( xảy ra khi giữa hai bề mặt ma sát không có dầu nhờn, các mặt ma sát tiếp xúc trực tiếp với nhau).
Trang 50
+ Ma sát ướt (xảy ra khi giữa hai bề mặt ma sát có một lớp dầu bôi trơn, khiến trong quá trình chuyển động các mặt ma sát hoàn toàn không tiếp xúc trực tiếp với nhau). + Ma sát nửa khô hoặc nửa ướt (xảy ra khi màng dầu nhờn ngăn cách mặt ma sát bị phá hoại. Mặt ma sát tiếp xúc cục bộ ở những vùng màng dầu nhờn bị phá hoại ). + Ma sát tới hạn (Là trạng thái trung gian giữa ma sát khô và ma sát ướt. Khi xảy ra ma sát tới hạn, trên mặt ma sát tồn tại một màng dầu rất mỏng màng dầu này chịu tác dụng của lực phân tử của bề mặt kim loại nên bám chặt trên bề mặt kim loại và mất khả năng lưu động).
Hệ thống bôi trơn đảm bảo cung cấp dầu để các ổ trục làm việc ở trạng thái ma sát ướt. Hệ số ma sát thường nhỏ hơn hệ số ma sát khô từ hai đến năm lần. Ví dụ khi ở trạng thái ma sát ướt, hệ số ma sát ướt của thép với babít là 0,05 trong khi đó ở ma sát khô là 0,25. Hệ số ma sát của thép với đồng khi ma sát khô là 0,15 nhưng khi ma sát ướt đã giảm xuống 0,01.
- Làm mát ổ trục.
Sau một thời gian làm việc, công sinh ra từ quá trình cháy, do tổn thất ma sát sẽ chuyển thành nhiệt năng. Chính nhiệt năng này làm cho nhiệt độ của ổ trục tăng lên rất cao. Nếu không có dầu nhờn, các bề mặt ma sát nóng dần lên quá nhiệt độ giới hạn cho phép, sẽ làm nóng chảy các hợp kim chống mài mòn, bong tróc, cong vênh chi tiết... Dầu nhờn trong trường hợp này đóng vai trò làm mát ổ trục, tải nhiệt do ma sát sinh ra khỏi ổ trục, đảm bảo nhiệt độ làm việc bình thường của ổ trục.
- Tẩy rửa bề mặt ma sát.
Khi hai chi tiết kim loại ma sát với nhau, các mạt kim loại sẽ sinh ra trên các bề mặt ma sát, làm tăng mài mòn. Nhưng nhờ có lưu lượng dầu đi qua bề mặt ma sát đó, các mạt kim loại và cặn bẩn ở trên bề mặt được dầu mang đi, làm cho bề mặt sạch, giảm lượng mài mòn.
- Bao kín buồng cháy.
Do có lớp dầu giữa khe hở xylanh và piston, giữa xéc măng và rãnh xéc măng nên giảm được khả năng lọt khí xuống các-te. Ngoài bốn nhiệm vụ trên, dầu nhờn còn có tác dụng như lớp bảo vệ chống ăn mòn hoá học.
Trang 51
3.1.2. Yêu cầu.
- Để đảm bảo động cơ làm việc ổn định, tất cả các cụm chi tiết đều phải đảm bảo cần được bôi trơn đáp ứng yêu cầu nhất định về chế độ hoạt động, có các bề mặt ma sát cần được bôi trơn ở xa đường dầu chính vì vậy đòi hỏi hệ thống bôi trơn phải cung cấp đủ dầu đến các bề mặt làm việc của chi tiết động cơ.
- Dầu bôi trơn trong động cơ làm việc luôn ở trạng thái thay đổi về nhiệt, vì vậy để