Cụm trục cam

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TĂI

2.4.2. Cụm trục cam

Trục cam dẫn động trực tiếp xupâp. Trong động cơ khảo sât gồm 2 trục cam: Trín mỗi trục cam có câc cam nạp vă cam thải. Trín câc trục cam có cam nạp dẫn động xupâp nạp vă cam thải dẫn động xupâp thải riíng biệt, vă câc cổ trục. Ở đầu mỗi trục cam có gắn câc bânh răng dẫn động trục cam. Để giảm bớt độ trượt giữa bânh răng dẫn động cam với cam người ta cịn lắp thím vịng đệm ma sât.

Trục cam chịu hầu hết câc lực của cơ cấu phđn phối khí như: lực lị xo xupâp, lực quân tính con đội, lực khí thể bắt đầu thải, chịu măi mịn,.. Vì vậy địi hỏi trục cam phải có độ cứng vững, độ bền tốt.

Vật liệu chế tạo trục cam thường lă thĩp có thănh phần câcbon thấp. Câc mặt lăm việc của cam được thấm than vă tôi cứng để giảm sự măi mòn.

Cam chế tạo cần phải có độ đồng tđm cao. Sai lệch độ đồng tđm cho phĩp lớn nhất lă 0,03 (mm).

Đường kính cổ trục cam dc = 27 (mm).

* Cam nạp vă cam thải: Trín 2 trục cam, cam nạp vă cam thải được bố trí liền trục nhau. Kích thướt của câc cam lớn hơn kích thướt trục. Hình dạng của cam phụ thuộc văo pha phđn phối khí vă quy luật đóng mở xupâp.

- Số cam nạp: 8 cam.

- Số cam thải: 8 cam.

- Chiều cao cam nạp hn = 42,71 (mm).

- Chiều cao cam thải ht = 42,12 (mm).

- Chiều cao vấu cam nạp hn = 6,5 (mm).

- Chiều cao vấu cam thải htt = 6,5 (mm).

Trong động cơ một hăng xilanh góc lệch đỉnh cam của hai cam cùng tín được xâc định bởi thứ tự lăm việc của câc xilanh vă chiều quay của trục cam. Trong động cơ 4 kỳ góc lệch 1 giữa hai đỉnh cam cùng tín của hai xilanh lăm việc kế tiếp nhau bằng nửa góc cơng tâc k của hai xilanh ấy. 1 = k/2.

Với k =

180⁰.τ

i _.

Trong đó: lă số kỳ động cơ. = 4.

i lă số xilanh. i = 4. ⇒ϕ₁=δ_k 2 ⁼ 180⁰. 4 4 . 2 ⁼⁹⁰ 0 .

Để bơi trơn trục cam. Trong đường tđm trục cam có khoan đường dẫn dầu đi bơi trơn. Trín câc cổ trục được khoang câc lỗ dầu để dẫn dầu bơi trơn câc cổ trục cam.

Hình 2. 20 Kết cấu trục cam

a) - Trục cam nạp; b) - Trục cam thải. * Cổ trục vă ổ trục cam:

Số cổ trục cam: Z = 5.

Câc trục cam được cố định trín nắp mây bằng câc ổ trục cam. Ổ trục cam được cắt thănh hai nữa, dùng bulông để bắt chặt hai nữa ổ trục.

* Vòng đệm ma sât:

Khi cơ cấu phđn phối lăm việc sẽ xảy ra sự trượt tương đối giữa bânh răng dẫn động vă trục cam. Điều năy gđy sai lệch pha phđn phối khí lăm giảm cơng suất động cơ. Vì vậy trong động cơ Toyota ở mỗi đầu trục cam nạp vă thải, giữa câc bânh xích

Hình 2. 21 Dẫn động trục cam

nhiệm vụ định vị bânh xích văo trục cam dễ dăng hơn, cản trở sự trượt tương đối giữa trục cam vă bânh xích mang lại hiệu quả cao khi động cơ lăm việc.

7.1.3 dẫn động trục cam:

Trong động cơ 1TR-FE trục cam được bố trí phía trín nắp xi lanh vì vậy trục cam được dẫn động bằng xích. Xích được lăm bằng thĩp hợp kim có sức bền rất cao vă khi hoạt động khơng gđy nín tiếng ồn. Loại dẫn động năy có nhiều ưu điểm như: Kết cấu gọn nhẹ, có thể dẫn động được trục cam ở khoảng câch lớn. Tuy nhiín dùng phương ân dẫn động năy giâ thănh cao. Hơn nữa khi phụ tải vă tốc độ thay đổi đột ngột xích dễ bị rung động. Sau một thời gian sử dụng xích thường bị rơ gđy nín tiếng ồn vă lăm sai lệch pha phđn phối khí. Để giữ cho xích ln được căng phải dùng thím cơ cấu căng xích. Để chống rung cịn dùng thím bộ dẫn hướng cho xích.

Bânh răng dẫn động xích được lắp ở đầu trục khuỷu. Phía đầu trục khuỷu có biín độ dao động xoắn lớn vì vậy khi lắp theo kiểu năy lăm cho hệ thống phđn phối khí chịu dao dộng xoắn lăm sai lệch pha phđn phối vă chịu tải trọng phụ do dao động đó gđy nín. Ngoăi ra khi trục cam bị ảnh hưởng của dao động xoắn thì góc phun sớm hoặc góc đânh lửa sớm cũng bị ảnh hưởng. Tuy vậy khi lắp bânh răng ở đuôi trục khuỷu sẽ lăm cho kết cấu dẫn động trở nín phức tạp.

1 - Lị xo vấu hêm; 2 – Vấu hêm; 3 – Piston; 4 – Lò xo; 5 – Van bi; 6 – Đĩa xích dẫn động trục cam nạp; 7 – Đĩa xích dẫn động cam thải; 8 – Bộ căng xích; 9 – Đĩa xích chủ

động; 10 – Xích dẫn động; 11 – Thanh dẫn hướng.

Khoảng câch giữa 2 bânh xích dẫn động trục cam nạp vă trục cam thải tính từ tđm, l = 129 (mm).

- Bân kính vịng chia bânh xích dẫn động trục cam R = 58 (mm).

- Bân kính vịng chia bânh xích chủ động r = 29 (mm).

Nguyín lý lăm việc của bộ căng xích:

Khi động cơ bắt đầu hoạt động, xích dẫn động lăm việc vă căng theo. Trong q trình hoạt động lđu dăi câc mắt xích sẽ bị mịn lăm cho độ chùng của xích tăng lín vượt quâ giới hạn cho phĩp. Khi xích chùng đến giới hạn đó dầu có âp suất cao được đưa văo qua van bi. Dưới âp lực dầu, piston bị ĩp về phía bín trâi đẩy thanh dẫn hướng xích đi theo vă xích được căng ra. Trín piston có khía rênh, câc khía rênh năy ăn khớp với rênh trín chốt hêm. Nhờ đó piston sẽ được giữ lại tại vị trí có độ chùng cho phĩp khi âp lực dầu khơng cịn tâc dụng. Muốn cho piston trở lại vị trí ban đầu ta nới lỏng chốt hêm cho piston trượt trín câc rênh của chốt hêm nhờ văo lực lị xo.

Chương 3. TÍNH TƠN CÂC THƠNG SỐ CHÍNH CỦA CƠ CẤU

PHĐN PHỐI KHÍ VVT-i CỦA ĐỘNG CƠ 1TR-FE

THƠNG SỐ BAN ĐẦU

Tín thơng số Ký hiệu Thứ ngun Giâ trị Cơng suất có ích Ne Kw 100 Tỷ số nĩn  9,8 Số vịng quay n Vịng/ phút 5600 Đường kính xi lanh D mm 86 Hănh trình piston S mm 86 Số xi lanh i 4 Số kỳ  4 Góc mở sớm xupâp nạp 1 Độ ₅₂0~00 Góc đóng muộn xupâp nạp 2 Độ 120~640 Góc mở sớm xupâp thải 3 Độ ₄₄0

Góc đóng muộn xupâp thải 4 Độ ₈0

Bảng 3. 1 Thơng số ban đầu

CÂC THƠNG SỐ CHỌN

Tín thơng số Ký hiệu Thứ nguyín Giâ trị

Âp suất khí nạp Pk MN/m2 0,1

Nhiệt độ khí nạp Tk K 298

Hệ số dư lượng khơng khí  1

Âp suất cuối kỳ nạp Pa MN/m2 0,0847

Âp suất khí sót Pr MN/m2 0,11

Nhiệt độ khí sót Tr K 900

Độ sấy nóng khí nạp mới T 8

Hệ số lợi dụng nhiệt tại z z 0,865

Hệ số lợi dụng nhiệt tại b b 0,95

Tỷ số tăng âp  4

Hệ số nạp thím 1 1,02

Hệ số quĩt buồng chây 2 1

Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt t 1,17

Hệ số điền đầy đồ thị đ 0,968

Bảng 3. 2 Thơng số chọn 3.1. Xâc định kích thước tiết diện lưu thơng

Tiết diện lưu thông của xupâp ảnh hưởng đến chất lượng nạp thải của động cơ. Vì vậy khi thiết kế cần tăng đường kính xupâp căng lớn căng tốt nhưng bị hạn chế bởi đường kính xilanh, Diện tích mặt nấm xupâp của câc động cơ hiện nay thường chiếm

khoảng 25 ¿ 40% diện tích đỉnh pittơng, tuy vậy trong động cơ xăng dùng buồng

chây bân cầu hoặc chõm cầu, xupâp bố trí nghiíng hai bín nín diện tích xupâp lớn đến 35% diện tích đỉnh pittơng. Ở động cơ Toyota dùng nhiều xupâp cho một xilanh (4 xupâp) thì diện tích năy mới tăng được 60% so với diện tích đỉnh pittơng. Diện tích

xupâp nạp thường lớn hơn diện tích xupâp thải khoảng 10 ¿ 15% vă thường bằng 15

¿ 35% diện tích đỉnh pittơng.

Khi tính tơn tiết diện lưu thơng của xupâp phải dựa văo giả thiết lưu động ổn định của dịng khí khi đi qua họng đế xupâp. Ta coi dịng khí nạp hoặc thải có tốc độ bình quđn vă tốc độ của pittơng khơng đổi.

Căn cứ văo điều kiện lưu động ổn định vă liín tục của dịng khí, ta có:

v

.i

.

f

.

γ

=v

.

F

.

γ

Trong đó:

v

f

f_k=π.d²_h

4

d

γ

γ

γ

γ

v

Từ cơng thức (3 – 1) ta có: v_k=v_p.F_p f_k.i ⁼ 4 .v_p.F_p i.π.d_h2 (3 – 2) Với ^vp= S.n 30 ⁼ 86.5600 .10⁻³ 30 ^=16,05 _(m/s). Vă ^Fp= π.D² 4 ⁼ π.8,6² 4 ^{=58 . 05} _(cm2) S – Hănh trình pittơng. S = 86 (mm). n – Số vòng quay trục khuỷu. n = 5600 (vòng/phút) D – Đường kính xilanh. D = 86 (mm).

Từ (3 – 2) ta rút ra tốc độ bình quđn của dịng khí qua họng đế xupâp.

v_k=v_p.D²

i.d_h² (3 – 3)

Đường kính họng đế xupâp: ^dh

=

√

v_k.i (3 – 4)

Tốc độ bình quđn của dịng khí thải thường lớn hơn dịng khí nạp khoảng 20

¿ 50%. Do đó xupâp thải lăm nhỏ hơn xupâp nạp. Vì vậy mặt nấm của xupâp thải

Hình 3. 1 Tiết diện lưu thông qua xupap

Tiết diện lưu thông fkx qua xupâp (tiết diện vănh khăn) được xâc định theo công thức:

f_kx=π.h^'

2 ^(dh+d₁)

(3 – 5)

Với: d1 = dh + 2.e ; h’ = h.cos α ; e = h’.sin α

Thay văo (3 – 5) ta được:

fkx = π .h.(dh. cos α + h.sin α .cos2 α ). (3 – 6)

Rõ răng fkx phụ thuộc văo α vă h, khi α căng nhỏ tiết diện lưu thơng căng

lớn. Hănh trình h căng lớn fkx căng lớn. Tuy vậy hănh trình h bị hạn chế bởi tiết diện của họng đế xupâp, tiết diện lưu thông không thể lớn hơn tiết diện họng đế xupâp.

Khi α = 00 , thì fkx = ^π.dn.h≤

π.d_h²

4 vă hănh trình xupâp hmax = dh /4

Khi α = 450 thì hănh trình xupâp phải lớn hơn mới có thể đạt được điều kiện

tiết diện lưu thông bằng tiết diện họng đế xupâp. Cụ thể: hmax = 0,31.dh. Trong động cơ

ngăy nay, hănh trình xupâp nằm trong phạm vi: h = (0,18 ¿ 0,3)dh

* Tiết diện lưu thông qua xupâp nạp:

Theo thực nghiệm vă tính tơn nhiệt tốc độ của dịng khí nạp được chọn:

vkn = (40 ¿ 115) (m/s) chọn vkn = 50 (m/s)

dhn =

√

50.2 ^=34,45 _(mm)

Chọn h = (0,18 ¿ 0,3).dhn =(0,18 ¿ 0,3).34,45 = 6,2 ¿ 10,33 (mm)

Chọn h = 6,5

Góc cơn của nấm xupâp nạp: α = 450

Từ (3 – 6) ta có:

fkx = π .6,5.(34,45.cos450 + 6,5.sin450.cos2450) = 544,08(mm2). Kiểm nghiệm lại tiết diện lưu thông thực của xupâp nạp theo (3– 2).

vkn = vp.

F_p

i.f_kx = 16,05.

58,05

2.544,08.10⁻²⁼ _{85,63 (m/s).}

vkn < (70 ¿ 90) (m/s). Vậy vkn thỏa mên điều kiện.

* Tiết diện lưu thơng qua xupâp thải:

Theo thực nghiệm vă tính tơn nhiệt tốc độ của dịng khí thải được chọn:

vkt = (1,2 ¿ 1,5).vkn = 1,2.85,63 = 102,7(m/s)

Số xupâp thải i = 2.

Từ (3 – 4) suy ra đường kính họng thải:

dht =

√

16

,05.86

102,

7.2

⁼²⁵

Chọn h = (0,18 ¿ 0,3).dhn =(0,18 ¿ 0,3).25 = 4,5 ¿ 7,5 (mm)

Chọn h = 6,5

Góc cơn của nấm xupâp thải: α = 450

Từ (3 – 6) ta có:

fkx = π .6,5.(25.cos450 + 6,5.sin450.cos2450) = 527 (mm2). Kiểm nghiệm lại tiết diện lưu thông thực của xupâp thải theo (3 – 2).

vkt = vp. F_p i.f_kx = 16,05. 58,05 2.527.10−2= 88,39 (m/s).

vkt < (70 ¿ 90) (m/s). Vậy vkt thỏa mên điều kiện.

3.2. Dựng hình cam

* u cầu:

- Dạng cam phải đảm bảo cơ cấu phối khí có trị số “thời gian – tiết diện” lớn nhất nghĩa lă khả năng lưu thơng dịng khí lớn nhất. Vì vậy cam phải mở xupâp thật nhanh, giữ cho xupâp mở ở vị trí lớn nhất thật lđu vă khi đóng thì đóng thật nhanh xupâp. - Dạng cam phải thích hợp để giai đoạn mở vă đóng xupâp có gia tốc vă vận tốc nhỏ nhất. Do đó cơ cấu phđn phối khí lăm việc ím, ít va đập vă hao mòn.

- Dạng cam phải đơn giản, dễ chế tạo.

Trín cơ sở đảm bảo 3 yíu cầu trín, động cơ ta đang khảo sât dùng loại cam lồi.

* Phương phâp thiết kế cam:

Cam của động cơ Toyota được thiết kế trín cơ sở định sẵn dạng cam. Với phương phâp năy, mặt cam lă tập hợp của những cung tròn, cung parabol hoặc đường thẳng.v.v. để dễ gia cơng. Sau đó căn cứ văo quy luật nđng đê định, đạo hăm hai lần với góc quay của trục cam để tìm quy luật gia tốc rồi kiểm tra xem có phù hợp với u cầu về gia tốc của cơ cấu phđn phối khí hay khơng.

Theo phương phâp năy có ưu điểm lă đảm bảo tính cơng nghệ gia cơng trục cam được đơn giản. Ngoăi ra khi thiết kế theo phương phâp năy sẽ phù hợp cho động cơ có tốc độ thấp vă trung bình.

Loại cam lồi cung trịn có trị số thời gian – tiết diện lớn nhất. Tuy vậy loại cam lồi năy có gia tốc dương lớn nhất do đó cơ cấu phối khí khi lăm việc va đập rất mạnh. Trong giai đoạn đóng mở xupâp, lực qn tính tâc dụng lín mặt cam có trị số rất lớn. Vì vậy trị số cho phĩp của gia tốc dương phụ thuộc văo độ cứng của bề mặt tiếp xúc của cam với con đội vă độ cứng vững của trục cam cũng như khả năng chịu tải của ổ trục cam. Trị số cho phĩp của gia tốc đm, phụ thuộc văo khả năng lăm việc của lị xo. Để giảm kích thướt của lị xo vă giảm phụ tải tâc dụng lín lị xo, thường phải khống chế trị số tuyệt đối của gia tốc đm ở phạm vi nhỏ nhất.

Từ quan điểm trín ta thấy dạng cam lồi cung trịn có trị số tuyệt đối của gia tốc đm nhỏ nhất. Để khắc phục nhược điểm gia tốc dương quâ lớn của cam lồi có thể dùng câc biện phâp cơng nghệ vă thiết kế để tăng độ cứng bề mặt vă độ cứng vững của trục cam.

* Cam nạp: Góc cơng tâc của cam nạp ^ϕn=

180⁰+ϕ₁+ϕ₂

2 (3 – 7).

Trong đó:

ϕ₁ = 520 góc mở sớm của xupâp nạp.

⇒ ϕ_n=180⁰+52⁰+12⁰ 2 ⁼¹²²

0

- Đường kính trục cam: dc = 27 (mm).

- Độ nđng lớn nhất của con đội: hmax = 6,5 (mm).

- Bân kính cung đỉnh cam nạp: r = 3,5(mm).

- Bân kính lưng cam: R1 = 17 (mm).

- Câch dựng: Đối với cam nạp ^ϕn=122⁰ .

+ Vẽ vịng trịn tđm O bân kính R1 = 17 (mm), xâc định góc AOB =

ϕ

+ Trín đường phđn giâc của góc AOB ta lấy EC = hnmax (E thuộc vịng trịn bân kính R1).

+ Vẽ vịng trịn đỉnh cam có tđm O1 bân kính r = 3,5 nằm trín đường phđn giâc đó. Vịng trịn năy đi qua điểm C.

+ Vẽ cung trịn có bân kính ^ρ tiếp tuyến với hai vịng trịn trín có tđm O2 nằm

trín đường kĩo dăi của OA.

Hình 3. 2 Dựng hình cam lồi của cam nạp

+ Sau khi đê xâc định được R1, hmax,

ϕ

thể xâc định từ quan hệ tam giâc vng O1MO2 như sau: Kẻ O1M vng góc với OA. Xĩt tam giâc vng O1MO2 có:

(O1O2)2 = (O1M)2 + (O2M)2.

Mặt khâc ta có: ^(ρ−r) 2 =

(

)

[

(

]

(

)

(

)

Bân kính R của nấm con đội. Để con đội khơng bị kẹt, bân kính R phải lớn hơn OK.

OK = ( ^ρ - R1).sin

θ

Từ tam giâc O1MO2 ta có:

sinθ_max=O₁M