Để thiết kế một động cơ với yêu cầu về nguyên lý là biến chuyển động tịnh tiến thành chuyển động quay thì trong trường hợp này ta có hai phương án để lựa chọn.
- Phương án 1: Chọn phương án thiết kế theo cơ cấu tay quay con trượt. - Phương án 2 : Sử dụng cơ cấu tấm phẳng - cam lệch.
2.1.2.2.1. Nguyên lý cơ cấu tay quay con trượt
Hình 2.5: Lược đồ cơ cấu tay quay con trượt
Hình 2.6 : Sơ đồ nguyên lý của cơ cấu tay quay con trượt
Bây giờ ta phân tích nguyên lý hoạt động của cơ cấu tay quay con trượt trong quá trình biến đổi chuyển động tịnh tiến thành chuyển động quay:
Dựa vào lược đồ cơ cấu ta thấy: Cơ cấu tay quay con trượt gồm có 4 khâu chuyển động tương đối với nhau và 3 khớp liên kết.
Trong đó, khâu 1 (trục khuỷu) chuyển động tương đối với khâu 2 (thanh truyền) và chuyển động quay quanh tâm quay A (ổ đỡ trục khuỷu).
1 A B 2 3 4 P1 P2 PP M
Khâu 2 (thanh truyền) chuyển động tương đối với khâu 1 và 3 (piston), khâu 3 chuyển động tương đối với khâu 2 và chuyển động tịnh tiến với khâu 4 (xilanh), khâu 4 là khâu cố định được gọi là giá.
Phân tích lực tác dụng lên cơ cấu và nguyên lý hoạt động của cơ cấu tay quay con trượt:
Khi ta tác dụng một lực P vào đỉnh piston như trên sơ đồ nguyên lý, tương ứng với lực tác dụng vào khâu 3 trên lược đồ cơ cấu. Lực P lúc này được phân thành 2 thành phần lực, đó là thành phần lực P1 và thành phần lực P2. Thành phần lực P2 hướng dọc theo khâu 2, thành phần lực P1 theo phương vuông góc với khâu 2, phương, chiều của lực được biểu diễn như trên sơ đồ nguyên lý. Thành phần lực P1 có tác dụng làm cho pitston chuyển động tương đối với thanh truyền và ép piston vào thành xilanh tạo ra ma sát trên piston. Thành phần lực P2 có tác dụng tạo ra momen quay M trên trục khuỷu, do thành phần lực P2 tác dụng lệch tâm so với tâm quay của trục. Với cánh tay đòn lúc này là độ dài của khâu 1 (AB), độ lớn của momen quay được tạo ra là M = P2.lAB, (lAB là độ lớn cánh tay đòn AB). Muốn duy trì được momen quay liên tục trên trục khuỷu thì ta phải tác dụng liên tục lực P lên piston, đồng nghĩa với việc ta phải sử dụng nhiều piston để đảm bảo trục quay đều và liên tục. Trên đây là nguyên lý làm việc của cơ cấu tay quay con trượt trong việc biến chuyển động tịnh tiến thành chuyển động quay trên trục.
2.1.2.2.2. Nguyên lý cơ cấu tấm phẳng cam lệch
Hình 2.7 : Lực tác dụng lên cơ cấu
Xét lực P tác dụng lên tấm phẳng tại điểm B, do dòng hơi giãn nở trong xilanh sinh ra truyền qua cán piston tới tấm phẳng. Do tấm phẳng Q được thiết kế luôn nghiêng với mặt phẳng thẳng đứng A nên khi lực P tác dụng lên B sẽ được phân làm ba thành phần lực. Lực P1,P2 là lực phân bố từ ổ đỡ cán piston. Lực P3 tiếp xúc với tấm phẳng. Lực P2 song song với piston là lực tác dụng của piston lên tấm phẳng. Ta tiến hành rời lực từ chốt ổ đỡ cán piston về điểm B đồng thời xuất hiện cánh tay đòn do đó xuất hiện moment.
- Khi rời P1 về B xuất hiện moment có tác dụng uốn cong tấm phẳng tạo tấm phẳng có xu hướng chúi xuống. P2 xuất hiện moment giúp ép chặt tấm phẳng. Biên dạng chuyển động giữa cam với tấm phẳng là mặt phẳng chứ không phải là đường thẳng và mặt phẳng viết lên biên dạng cam là biên dạng là hình tròn
-Lực P3 xuất hiện lực tiếp tuyến trên mặt phẳng quỹ đạo của sự tiếp xúc cam, tấm phẳng
- Tổng hợp 3 thành phần lực không gian P1 ,P2, P3 ta có được lực P là hợp lực của 3 thành phần lực không gian. Lực P chính là lực pháp tuyến xuất phát từ B. Lực pháp tuyến P chính là lực tạo ra chuyển động quay toàn vòng của cam. Vì vậy quỹ đạo chuyển động của lực P khi cam chuyển động toàn vòng là quỹ đạo hình nón. Chính vì thế mối quan hệ giữa lực P, P2 phải là không đồng phẳng tức là 2 vecto lực P, P2 phải chéo nhau thì khi đó mới tạo ra chuyển động quay toàn vòng. Vì vậy yêu cầu bề mặt và hình dáng của cam là bề mặt cong tức là hình dạng có dạng giống biên dạng của một phần hình cầu thì khi đó mới tạo ra chuyển động quay và tránh được lực P, P2 đồng phẳng. Độ lớn của các lực P, P1, P2 sẽ thay đổi trong quá trình chuyển động không bao giờ là hằng số. Vì có sự biến đổi và sự chệnh lệch khối lượng giữa 2 phía cam nên các lực P, P1, P2 sẽ luôn luôn thay đổi giá trị thay đổi phụ thuộc vào từng vị trí của cam và tấm phẳng .
Sau khi phân tích sự chuyển động của các khâu và lực tác dụng lên cơ cấu ta thấy rằng: Nhờ thiết kế tấm phẳng luôn nghiêng đi một góc sẽ đảm bảo được các thành phần lực luôn giữ độ lớn nhất định. Điều này đồng nghĩa với việc luôn có lực tác dụng lên cơ cấu để duy trì chuyển động quay trên trục tải D. Trong trường hợp ta chuyển đổi lực tác dụng sẽ có một giai đoạn chuyển tiếp không có lực tác dụng lên cơ cấu nhưng quán tính chuyển động sẽ tiếp tục duy trì được chuyển động quay.
2.1.2.2.3. Phân tích, lựa chọn phương án thiết kế nguyên lý cho động cơ piston hơi nước
2.1.2.2.3.1. Phương án cơ cấu tay quay con trượt - Ưu điểm
Các máy móc cơ khí nói chung khi muốn thực hiện biến chuyển động tịnh tiến thành chuyển động quay thì phương án chọn cơ cấu tay quay con trượt được ưu tiên sử dụng rộng rãi. Với những ưu điểm nổi bật sau :
+ Lý thuyết xây dựng cơ cấu đã được nghiên cứu một cách đầy đủ và chính xác khi được áp dụng vào thực tiễn.
+ Nguyên lý làm việc đơn giản, hiệu suất cơ cấu cao. + Cơ cấu ít khâu, ít khớp.
+ Dễ dàng trong thiết kế.
Đó là những ưu điểm khi sử dụng cơ cấu tay quay con trượt.
- Nhược điểm
+ Cơ cấu, các khâu chuyển động không đều, chuyển động theo chu kì nên khi sử dụng cơ cấu này phải tính toán về vấn đề cân bằng động cao.
+ Với nhược điểm trên, nếu muốn động cơ làm việc êm dịu thì yêu cầu về số xylanh phải lớn. Với yêu cầu trong thiết kế này là hai xilanh thì cơ cấu tay quay con trượt bị hạn chế về yêu cầu chuyển động.
+ Yêu cầu về độ chính xác rất cao đối với các chi tiết máy trong cơ cấu. + Rất khó khăn trong việc tính toán, thiết kế, chế tạo các chi tiết máy. Đặc biệt là những chi tiết có độ phức tạp cao như trục khuỷu, thanh truyền.
+ Trục quay phải đặt vuông góc với phương chuyển động của piston, kết cấu cồng kềnh, phức tạp, khó khăn trong việc bố trí lắp đặt.
2.1.2.2.3.2. Phương án cơ cấu tấm phẳng - cam lệch
Cơ cấu biến chuyển động tịnh tiến thành chuyển động quay theo cơ cấu tấm phẳng - cam lệch là một cơ cấu làm việc dựa vào sự tiếp xúc của hai biên dạng khác nhau, có chuyển động tương đối với nhau. Đây là một cơ cấu hoàn toàn mới và ít thấy trong lĩnh vực thiết kế, chế tạo máy.
Cơ cấu này có những ưu, nhược điểm như sau:
- Nhược điểm
+ Không được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực thiết kế chế tạo nên gặp khó khăn về vấn đề nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng thực tiễn.
+ Kết cấu nhiều khâu, nhiều khớp ảnh hưởng đến hiệu quả của các cặp lắp ghép và độ tin cậy.
- Ưu điểm
+ Dễ dàng trong việc chế tạo các chi tiết máy.
+ Độ chính xác yêu cầu không cao như trong cơ cấu tay quay con trượt. + Kết cấu của chi tiết máy đơn giản, dễ gia công, chế tạo.
+ Việc bố trí hai xi lanh song song với trục tải đảm bảo được tính công nghệ, tính thẩm mĩ và kết cấu động cơ nhỏ gọn.
+ Dễ dàng trong việc thi công, lắp đặt, bảo dưỡng, sửa chữa và thay thế. + Khắc phục được hiện tượng chuyển động không đều trong cơ cấu tay quay con trượt, vì cụm biến đổi chuyển động tấm phẳng, cam lệch luôn tì sát vào nhau duy trì được momen quay.
- Qua việc phân tích, đánh giá tính năng, ưu nhược điểm của hai cơ cấu biến chuyển động tịnh tiến thành chuyển động quay như trên, ta nhận thấy:
+ Với mục tiêu là sử dụng năng lượng tái tạo thì cơ cấu tấm phẳng - cam lệch sẽ đáp ứng được yêu cầu về chuyển động.
+ Cơ cấu tấm phẳng - cam lệch đơn giản, gọn nhẹ trong kết cấu dẫn đến giá thành hạ, đảm bảo được yêu cầu về tính công nghệ và tính kinh tế.
Do đó, với mục tiêu thiết kế chế tạo động cơ piston hơi nước sử dụng năng lượng tái tạo trong cuộc sống, ta ưu tiên lựa chọn phương án thiết kế theo cơ cấu tấm phẳng - cam lệch như trên sẽ đáp ứng được các yêu cầu và nhiệm vụ thiết kế đặt ra.