VII.1. Dao động trục khuỷu
Khi động cơ làm việc, trên mỗi khuỷu trục đều cĩ lực tiếp tuyến T (hoặc mơmen xoắn M) và lực pháp tuyến Z tác dụng. Như đã phân tích, các lực này thay đổi theo chu kỳ, do hợp lực của lực khí thể và lực quán tính sinh ra. Chu kỳ thay đổi của chúng với động cơ bốn kỳ một xylanh là 720o (4), đối với động cơ hai kỳ một xylanh là 360o (2). Các lực tác dụng này gây nên phụ tải thay đổi theo chu kỳ, vì vậy gây ra dao động trong hệ trục khuỷu của động cơ đốt trong. Dao động của hệ trục khuỷu bao gồm hai dạng chính sau đây:
- Dao động dọc theo đường tâm trục khuỷu gây nên biến dạng uốn của trục khuỷu. Dao động này truyền cho nền mĩng của động cơ.
- Dao động xoắn, lấy đường tâm trục khuỷu là trục quay, gây nên biến dạng xoắn của trục khuỷu. Dao động này chỉ sinh ra trong bản thân hệ trục khuỷu, khơng truyền ra ngồi. Lực pháp tuyến Z gây ra dao động dọc cịn lực tiếp tuyến T và mơmen xoắn M gây ra dao động xoắn trong hệ trục khuỷu cũng như trong bất kỳ một hệ cơ cấu đàn hồi nào cĩ khối lượng.
Thơng thường tần số dao động dọc của hệ trục khuỷu rất cao. Theo kết quả thí nghiệm, tần số dao động dọc của trục khuỷu động cơ 6 xylanh thường nằm trong phạm vi từ 6.500 đến 8.000 lần/phút, lớn hơn tốc độ quay thường dùng của động cơ đốt trong rất nhiều nên thường khơng xét đến dao động này.
Trái lại, dao động xoắn của trục khuỷu, thường xuất hiện ở phạm vi tốc độ sử dụng của động cơ vì vậy nếu khơng tìm cách loại trừ sẽ gây nên tác hại rất lớn.
Dao động xoắn sinh ra khi các lực hoặc các mơmen bên ngồi khơng ngừng tác dụng gọi là dao động xoắn tự do. Tần số dao động xoắn tự do của hệ trục khuỷu quyết định bởi hình dạng hình học, kích thước và độ đàn hồi của các bộ phận của hệ trục khuỷu. Do tần số dao động tự do của hệ trục khuỷu cĩ quan hệ với quy luật thay đổi của lực khí thể và lực quán tính nên hệ trục khuỷu sẽ phát sinh hiện tượng cộng hưởng.
Tốc độ khi động cơ phát sinh cộng hưởng gọi là tốc độ giới hạn. Trong trường hợp này biên độ dao động xoắn tăng lên rất lớn, nếu biên độ này vượt quá phạm vi cho phép, ứng suất do nĩ gây ra sẽ phá huỷ trục khuỷu. Vì vậy mục đích nghiên cứu dao động xoắn là tìm biện pháp tránh cộng hưởng, nếu vì điều kiện khơng thể khử hồn tồn dao động xoắn thì phải tìm biện pháp giảm dao động đến mức độ nhỏ nhất.
Để cĩ thể tính tốn được dao động xoắn, thơng thường phải thay thế hệ trục khuỷu thanh truyền và hệ các chi tiết máy do trục khuỷu dẫn động bằng một hệ đàn hồi đơn giản gồm một trục hình trụ và nhiều đĩa trịn gắn trên trục này. Hệ trục thay thế được gọi là hệ trục tương đương hay hệ quy dẫn. Để đảm bảo dao động xoắn của hệ tương đương hồn tồn giống như hệ trục thực (nghĩa là hệ tương đương cĩ cùng một tần số dao động, cĩ cùng dạng dao động như hệ trục thực), khi quy dẫn, phải đảm bảo hai điều kiện cơ bản sau đây:
- Gĩc xoắn của hệ trục tương đương khi dao động xoắn ở bất kỳ tần số nào đều giống như của hệ trục thực. Điều đĩ cĩ nghĩa là khi quy dẫn phải đảm bảo thế năng của hệ trục khơng thay đổi.
- Mơmen quán tính của khối lượng tương đương phải bằng mơmen qn tính của khối lượng thực. Điều đĩ cĩ nghĩa là khi quy dẫn phải đảm bảo động năng của hệ khơng thay đổi. Các phương án gợi ý cách quy dẫn hệ trục thực thành hệ tương đương giới thiệu trên hình 3.20
Phương án a, giới thiệu sơ đồ hệ trục và hệ quy dẫn của động cơ 4 xylanh, bốn kỳ.
Trong đĩ:
J1, J2, J3, J4 – mơmen qn tính của khối lượng chuyển động của xylanh thứ 1, 2, 3, 4.
J5 – mơmen qn tính của bánh đà.
C1, C2, C3, C4 – độ cứng của các đoạn trục thay thế.
Phương án b, giới thiệu sơ đồ quy dẫn của trục khuỷu và hệ truyền lực của ơtơ.
Trong đĩ :
J1, J2, J3, J4 – mơmen qn tính của khối lượng chuyển động của xylanh thứ 1, 2, 3, 4.
J5 – mơmen qn tính của bánh đà.
J6 – mơmen quán tính của hệ trục và bánh răng của hộp số. J7, J8 – mơmen quán tính của hệ trục truyền.
J9 – mơmen qn tính của hệ cầu sau. J10 – mơmen qn tính của bánh chủ động.
Hình 3.20. Các phương án quy dẫn hệ trục thực
thành hệ trục tương đương của các loại động cơ. a) b) c) C1 C2 C3 C4 J1 J2 J3 J4 J5 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 J1 J2 J3 J4 J5 J6 J7 J8 J9 J10 C1 C2 C3 C4 C5 C6 J1 J2 J3 J4 J5 J6 J7 C8 C7 J8 J9
Phương án c, giới thiệu sơ đồ hệ quy dẫn của một động cơ 6 xylanh bốn kỳ, dẫn động trực tiếp chân
vịt tàu thuỷ. Trong đĩ:
J1, J2,..., J9 – mơmen qn tính của các khối lượng quy dẫn. C1, C2,..., C8 – độ cứng của các đoạn trục quy dẫn.
Các hệ tương đương ở các phương án trên cĩ tính năng động lực học hồn tồn giống như hệ trục thực.
Sau khi chọn phương án quy dẫn, tính tốn dao động xoắn của hệ trục khuỷu tiến hành theo các bước sau:
- Tính chiều dài tương đương và mơmen quán tính để thay thế hệ trục thực bằng hệ tương đương.
- Xác định tần số dao động tự do và biên độ dao động tự do của hệ tương đương.
- Phân tích điều hồn mơmen của lực khí thể, lực qn tính và mơmen cản của động cơ. - Xác định biên độ dao động của các khối lượng trong hệ thống tương đương.
- Tính ứng suất xoắn do dao động xoắn gây ra trên các đoạn trục.
- Nếu ứng suất lớn quá trị số cho phép, phải tìm biện pháp giảm dao động.
VI.2. Tác hại của dao động xoắn
Nếu ứng suất xoắn vượt quá giới hạn cho phép, trục khuỷu sẽ bị gẫy. Nếu ứng suất xoắn khơng vượt quá phạm vi cho phép, mặc dù trục khuỷu khơng bị gẫy nhưng dao động lúc này lại gây ra các tác hại khác, làm ảnh hưởng đến quá trình vận hành ổn định của động cơ. Cụ thể như :
- Dao động cộng hưởng làm cho động cơ làm việc mất ổn định, gây rung động và tiếng ồn. Nguyên nhân là do khi dao động cộng hưởng, tốc độ gĩc của trục khuỷu thay đổi làm mất cân bằng hệ lực quán tính.
- Trục khuỷu bị nĩng ở những vùng khơng hề ma sát với chi tiết khác. Nguyên nhân là do khi trục khuỷu dao động cộng hưởng ma sát trong nội bộ các phân tử vật liệu phát nhiệt làm nĩng trục khuỷu.
- Làm suy giảm cơng suất động cơ. Nguyên nhân là do một phần cơng của động cơ tiêu hao cho cơng ma sát trong nội bộ các phân tử vật liệu chế tạo trục khuỷu và cơng ma sát ngồi do động cơ liên kết với nền mĩng rung động.
VI.3. Biện pháp khắc phục (nguyên lý giảm dao động)
Thơng thường nếu biên độ dao động vượt quá phạm vi cho phép mà tốc độ giới hạn lại khơng thể đưa ra khỏi phạm vi tốc độ làm việc của động cơ thì trên trục khuỷu buộc phải dùng bộ giảm chấn để giảm dao động cho hệ trục khuỷu.
Căn cứ vào nguyên lý giảm dao động cĩ thể phân bộ giảm chấn thành hai loại:
- Bộ giảm chấn ma sát (gồm ba loại: giảm chấm ma sát khơ, giảm chấn thuỷ lực, và giảm chấn ma sát trong).
Đối với giảm chấn ma sát, về nguyên tắc chúng đều lợi dụng ma sát để hạn chế biên độ dao động của hệ trục khuỷu, do đĩ đều tiêu hao cơng suất, đều khơng mang tính kinh tế. Các bộ giảm chấn ma sát đều gồm hai chi tiết ma sát với nhau để tiêu hao năng lượng trong quá trình dao động. Vì vậy ở bất kỳ tốc độ nào loại giảm chấn này đều làm giảm biên độ dao động. Kết quả thí nghiệm cho thấy biên độ dao động khi cộng hưởng của hệ thống cĩ dùng bộ giảm chấn giảm đi rất nhiều so với khi khơng dùng bộ giảm chấn.
Bộ giảm chấn ma sát (ma sát khơ, ma sát trong và giảm chấn thuỷ lực) thường được đặt ở phía đầu trục khuỷu.
Đối với giảm chấn con lắc, lợi dụng tác dụng cộng hưởng của con lắc để giảm dao động, loại giảm chấn này khơng tiêu hao năng lượng dao động cũng như cơng suất của động cơ.
VI.3.1. Giảm chấn ma sát trong (hình 3.21 và hình 3.22)
Bộ giảm chấn gồm cĩ một khối lượng được dán lên tang trống 3 bằng một lớp cao su đã suynphuya hố (hình 3.21a), hoặc được lắp trên các vịng cao su 2 rồi lắp vào chốt 3 (hình 3.21b). Khi hệ thống phát sinh dao động cộng hưởng, cơng của mơmen kích thích sẽ tiêu hao cho sự biến dạng của cao su.
Hình 3.21c là bộ giảm chấn ma sát tổng hợp, vừa dùng cao su vừa dùng phiến ma sát 4. Phiến ma sát 4 cố định trên khối lượng 1 bằng các đinh vít 3 và được lị xo 5 ép chặt trên vỏ 6.
Hình 3.22a, b là bộ giảm chấn ma sát khơ. Nĩ gồm cĩ hai đĩa 6, 7 ép lại với nhau. Các đĩa này được lị xo 8 ép chặt lên các tấm ma sát 9 trên tang trống 10. Cơng tiêu hao cho bộ giảm chấn quyết định bởi mơmen quán tính của các đĩa và mơmen ma sát giữa các đĩa và tang trống. Nếu mơmen qn tính q nhỏ thì bộ giảm chấn khơng tiêu hao nhiều cơng. Nếu mơmen ma sát lớn hơn mơmen qn tính thì bộ giảm chấn khơng thể tiêu hao cơng suất được (vì giữa các đĩa ép và tang trống khơng chuyển động tương đối) nên khơng thay đổi được tần số dao động.
Các loại giảm chấn ma sát đều lợi dụng tính năng ma sát trong rất lớn của cao su khi biến dạng để tiêu hao năng lượng trong quá trình dao động. Tuy nhiên khi dùng cao su làm vật liệu giảm chấn cĩ nhược điểm là tính năng cơ lý của nĩ khơng ổn định, khả năng tiêu hao cơng của nĩ phụ thuộc vào sự biến dạng của nhiệt độ. Ở nhiệt độ cao, khả năng giảm chấn của cao su giảm rất nhiều.
1 2 3 1 2 3 1 2 3 4 5 6 Hình 3.21. Bộ giảm chấn ma sát. a) b) c)
VI.3.2. Giảm chấn thuỷ lực (hình 3.22c và hình 3.23)
Trên hình 3.22c khối lượng 11 ép chặt trên bạc 12 và lắp lỏng trên tang trống 13. Tang trống 13 hàn liền với nắp 14 thành một hộp kín. Khơng gian giữa khối lượng 11 và hộp kín chứa đầy một loại dầu đặc biệt gọi là « silicơn », dầu này cĩ độ nhớt rất cao và độ nhớt thay đổi theo nhiệt độ rất nhỏ. Khi phát sinh dao động cộng hưởng, khối lượng 11 dao động trong hộp kín, mơmen cản của chất lỏng sinh cơng và tiêu hao cơng của dao động cộng hưởng.
Loại giảm chấn thuỷ lực cĩ khối lượng phụ làm thành hai đĩa cĩ cánh như bơm cĩ dạng như hình 3.23. Loại giảm chấn này thường dùng trên động cơ máy bay. Đĩa 1 lắp chặt trên trục khủyu, trên đĩa 1 cĩ rất nhiều cánh 2. Khối lượng của các đĩa 3 và 6 là các khối lượng phụ của hệ thống. Trên đĩa này cĩ rất nhiều lỗ 4 để chứa dầu. Các đĩa 1, 3 và 6 lắp với nhau và cĩ liên kết lị xo 5.
Khi trục khuỷu dao động xoắn, các cánh 2 dao động trong lỗ 4, chèn gạt dầu trong lỗ 4 làm cho dầu lưu động cưỡng bức làm tiêu hao năng lượng dao động.
6 7 8 9 10 6 7 8 9 10 12 13 13 14 a) b) c)
Hình 3.22. Bộ giảm chấn ma sát (a), (b) và thuỷ lực (c).
Hình 3.23. Bộ giảm chấn thuỷ lực. 4 3 1 2 6 5
VI.3.3. Giảm chấn dùng lị xo
Đĩa 1 cố định trên trục khuỷu, khối lượng phụ của hệ thống là khối lượng của 2 đĩa. Đĩa 1 và đĩa 2 liên kết với nhau bằng các cuộn lị xo tấm 3. Quan hệ của độ biến dạng và lực tác dụng trên cuộn lị xo là quan hệ đường cong parabơn. Do biến dạng của lị xo khi tăng, giảm khác nhau nên mỗi lần dao động lị xo tiêu thụ một phần năng lượng (hình 3.24a).
Ngồi loại giảm chấn dùng lị xo cuộn cịn cĩ một vài loại giảm chấn dùng lị xo tấm (hình 3.24c)và lị xo hình trụ (hình 3.24b,c).
VI.3.4. Giảm chấn con lắc
Bộ giảm cấn con lắc thường được lắp trên má khuỷu. Người ta dùng chốt 2 để lắp ghép má khuỷu 1 với đối trọng 3. Đường kính chốt d2 nhỏ hơn đường kính chốt d1 của lỗ trên đối trọng và trên má khuỷu. Khi trục khuỷu dao động, đối trọng dao động theo và chốt 2 lăn trên mặt lỗ. Vì vậy cần thiết phải tổ chức bơi trơn cho con lăn (hình 3.25).
Chiều dài l của khối lượng được xác định :
l = d1 – d2 (cm) 1 2 3 a) b) c) d) Hình 3.24. Bộ giảm chấn dùng lị xo. (a) Lị xo dạng cuộn. (b), (c) Lị xo dạng hình trụ. (d) Lị xo dạng tấm
------------------------ a) Lỗ trên má khuỷu Lỗ trên đối trọng Chốt 1 2 3 l = d1 – d2 d2 d1 l Tâm trục khuỷu Hộp con lăn Đối trọng Nắp đối trọng
Hình 3.25. Bộ giảm chấn con lăn.
b)
L L
Chương 4 Tính tốn sức bền của nhĩm piston – nhĩm thanh truyền – trục khuỷu và bánh đà
Chương 4
TÍNH TỐN SỨC BỀN CỦA NHĨM PISTON – NHĨM THANH TRUYỀN – TRỤC KHUỶU VÀ BÁNH ĐÀ
I. TÍNH TỐN SỨC BỀN CỦA NHĨM PISTON
Nhĩm piston gồm cĩ piston, chốt piston, xécmăng khí, xécmăng dầu, và các chi tiết hãm chốt piston. Trong quá trình làm việc của động cơ đốt trong thì nhĩm piston cĩ các nhiệm vụ chính sau:
- Tiếp nhận lực khí thể và truyền lực ấy cho thanh truyền (trong quá trình cháy và giãn nở) để làm quay trục khuỷu, nén khí trong q trình nén, đẩy sản vật cháy ra khỏi xylanh trong q trình thải và hút khí nạp mới vào trong xylanh trong quá trình nạp.
- Đảm bảo bao kín buồng cháy, giữ khơng cho khí cháy trong buồng cháy lọt xuống cacte đồng thời ngăn khơng cho dầu bơi trơn từ hộp trục khuỷu đi ngược lên buồng cháy.
- Trong động cơ hai kỳ, nhĩm piston cịn cĩ tác dụng như một van trượt làm nhiệm vụ phối khí (đĩng mở lỗ nạp, cửa qt và cửa thải).
I.1. Tính tốn sức bền của piston
Về mặt kết cấu piston được chia ra làm ba phần: - Đỉnh piston.
- Đầu piston. - Thân piston.
Trên hình 4.1 thể hiện kích thước các phần của một piston điển hình trên động cơ.
I.1.1. Tính đỉnh piston
Đỉnh piston chịu lực rất phức tạp, trạng thái ứng suất cũng rất phức tạp, nĩ vừa chịu tải trọng cơ học vừa chịu tải trọng nhiệt.
Do vậy nên việc tính tốn đỉnh piston cũng chỉ
tính theo phương pháp gần đúng và theo những giả thuyết nhất định.
a) Phương pháp Back
Phương pháp Back được xây dựng trên những giả thuyết sau:
- Xem đỉnh piston như một đĩa trịn, cĩ chiều dày đồng đều () đặt tự do trên hình trụ rỗng. - Áp suất khí thể Pz tác dụng trên đỉnh piston phân bố đều.
Lực khí thể Pz = pz.Fp và phản lực của nĩ gây uốn đỉnh piston (hình 4.2). Xét ứng suất uốn tại tiết diện x-x.
Trên nửa đỉnh piston cĩ các lực tác dụng sau đây:
- Lực khí thể: z 2 z p 4 D . 2 1 2 P (MN)
tác dụng lên trọng tâm của nửa hình trịn, cách trục x – x một đoạn y1:
Hình 4.1. Kích thước các phần của piston.
I C h H