TÍNH NGHIỆM BỀN CÁC CHI TIẾT CHÍNH
3.2 Kiểm nghiệm bền trục khuỷu
Tính sức bền trục khuỷu bao gồm tính sức bền tĩnh và tính sức bền động
Do trục khuỷu là dầm siêu tĩnh nên khi tính toán gần đúng, người ta phân trục khuỷu ra làm nhiều đoạn, mỗi đoạn là một dầm tĩnh định nằm giữa hai gối tựa là hai ổ trục.
Thông thường, mỗi đoạn đó là một khuỷu. Khi tính toán ta sẽ phải xét khuỷu nào chịu lực lớn nhất để tính cho khuỷu đó.
Hình 3:1:
Sơ dồ tính nghiệm bền trục khuỷu
Ký hiệu các lực
trên sơ đồ như sau :
T, Z: Lực tiếp tuyến và lực pháp tuyến tác dụng trên chốt khuỷu (MN) Pr1, Pr2: Lực quán tính ly tâm của má khuỷu và của đối trọng (MN)
C1, C2: Lực quán tính ly tâm của chốt khuỷu và của khối lượng thanh truyền quy dẫn về đầu to (MN)
Z’, Z’’: Các phản lực gối tựa nằm trong mặt phẳng khuỷu (MN)
T’, T’’: Các phản lực gối tựa nằm trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng khuỷu (MN)
Mk’, Mk’’: mômen xoắn tại cổ trục bên trái và cổ trục bên phải của khuỷu trục tính toán (MNm)
Do đó ta có :
l' l''
l0
b
a a
b
c c
Z' Z''
pr2 C2
C1 Z
T' T''
pr2 T
pr1 pr1
T' Z'
T'' Z'' Z
pr1
pr1
pr2
pr2
T
b
h
A A
A A
Mk’ = Ti-1.R
Mk’’ = Mk’ + T.R = Ti.R R: bán kính khuỷu (m)
Ti-1 : tổng các lực tiếp tuyến của các khuỷu đứng trước khuỷu tính toán
Người ta giả thiết rằng ứng suất lớn nhất tác dụng trên khuỷu nguy hiểm có thể xảy ra trong các trường hợp sau:
+ Trường hợp 1 : Chịu lực PZmax khi khởi động.
+ Trường hợp 2 : Chịu lực Zmax khi làm việc.
+ Trường hợp 3 : Chịu lực Tmax khi làm việc.
+ Trường hợp 4 : Chịu lực Tmax
Trong thực tế vận hành của động cơ lực tác dụng trong trường hợp 1 bao giờ cũng lớn hơn trường hợp 2 và lực tác dụng lên trục khuỷu trong trường hợp 3 bao giờ cũng lớn hơn trường hợp 4. Vì vậy ta chỉ tính nghiệm bền ở hai trường hợp 1 và 3.
3.2.1 Trường hợp chịu lực PZmax
Đây là trường hợp khởi động. Do tốc độ của động cơ còn nhỏ nên ta có thể bỏ qua ảnh hưởng của lực quán tính khi đó lực tác dụng chỉ còn lại lực do áp suất lớn nhất của khí thể trong xylanh pzmax . Giả thiết lúc đó lực xuất hiện tại điểm chết trên ( chỉ gần đúng ) nên = 0; T = 0; PJ = 0, Pr = 0
Z = PZmax = =
Z =
.(70.10 )3 2
6,91.
4
= 0,0265 MN Do trục khuỷu hoàn toàn đối xứng nên :
Z’ = Z’’ = =
0,0265
2 = 0,01329 MN
3.2.1.1 Tính nghiệm bền chốt khuỷu, mô men uốn chốt khuỷu Mu =Z’.l’ =0,01329.70.10-3 = 0,93.10-3 MNm
Vơi l’ = a+ 2 Lck
+2
b
=
70 4,54 32 2 2
=69,27 (mm)
Ứng suất uốn chốt khuỷu là:
u =
(MN/m2) Trong đó :
Wu
:
mô đun chống uốn của tiết diện ngang chốt.
Vì chốt là chốt đặc nên :
Wu = = 0,1.(70.10-3)3 = 3,43.10-5 m3
u = =
3 5
0.93.10 3,43.10
= 27,1137 MN/m2
Đối với trục khuỷu động cơ diezel D12 được làm bằng thép hợp kim nên ta có [u] = 180 MN/m2
u< [u]
3.2.1.2 Tính nghiệm bền má khuỷu
Lực pháp tuyến Z gây uốn và nén tại A-A Ứng suất uốn má khủyu:
u = = (MN/m2)
a a
l0
l' l''
b' b''
Z
Z' Z''
u =
3
3 3 2
0,02285.31.10 90.10 .(31.10 )
6
= 94,260MN/m2 Ứng suất nén má khuỷu
n = = 3 3
0,05310
2.40.10 .(19.5.10 ) = 34,0384MN/m2 Ứng suất tổng
= u + n =94,260+ 34,0384= 128,298MN/m2 < [u] = 180 MN/m2 Do vậy độ bền má khuỷu thoả mãn.
3.2.1.3 Tính nghiệm bền cổ trục Ứng suất uốn cổ trục
u = = MN/m2
Wu = 0,1.dck3 = 0,1.(70.10-3)3 = 3,43.10-5 m3
u = = =
3 5
0,02285 .62,5.10 3, 43.10
= 41,63 MN/m2
u< [u] = 100 MN/m2 3.2.2 Trường hợp chịu lực Tmax
Vị trí tính toán của khuỷu trục nguy hiểm lệch so với vị trí ĐCT một góc =Tmax = 3800,ứng với Tmax= 2.852(MN/m2)
b' b''
l0
l' Z'
l''
Z'' pr1 a
Z a pr1
c1
c2 T
T' T''
pr2 pr2
c' c''
M''k
M'k
max
A A
I III
IV
II h
b
2 1
4 3
A A
Lúc này n 0, T = Tmax, tồn tại các lực quán tính. Căn cứ vào đồ thị T = f() ta xác định trị số lực tiếp tuyến và các góc tương ứng.
Ta có :
Tmax =
3 2 p
2,852. .(88.10 ) 2,852.F
4
= 0,017 MN
T’ = T” =
Tmax 0,017 2 2
= 8,668.10-3 MN 3.2.2.1 Tính nghiệm bền chốt khuỷu
Ứng suất uốn trong mặt phẳng khuỷu trục
ux = = MN/m2
Wux = Wuy = 0,1dch3 =2,746.10-5 m3
Pr1 = mmk.rmk.2 = 0,72.0.10-3.(228,173) 2 = 0 MN
Pr2 = mđt.rđt.2=1,044.75.10-3. (228,173) 2= 4,076.10-3 MN
ux =
3 3 3 3 3
5
0,02285.62,5.10 11,6.10 .28.10 30, 4.10 .26.10 1,66.10
Ứng suất uốn trong mặt phẳng thẳng góc với mặt phẳng khuỷu trục
uy = =
' ' 3 3
5 uy
T .l 8,668.10 .57,75.10
W 1,66.10
= 30,1 MN/m2 Ứng suất uốn tổng cộng
u = = 26, 48230,12=40,08 MN/m2 Ứng suất xoắn chốt khuỷu
x = = =
2 3
5
.0.88
(0,344. 2,852).27,5.10 4
2.1,66.10
= 25,32 MN/m2
Ứng suất tổng khi chịu uốn xoắn
= = 40,0824.25,322 = 64,58 MN/m2
< [u] = 120 MN/m2 3.2.2.2 Tính nghiệm bền cổ trục
Ta tính cổ bên phải vì cổ này chịu lực lớn hơn cổ bên trái Ứng suất uốn do lực pháp tuyến Z’’ gây ra:
= =
'' '' 5
5 ux
Z b 0,02655.19,5.10
W 1,66.10
= 32,45MN/m2
Ứng suất uốn do lực T’’ gây ra trong mặt phẳng thẳng góc với mặt phẳng khuỷu:
uy = = =
3 3
5
8,668.10 .9.10 1,66.10
= 4,69 MN/m2 Ứng suất xoắn cổ trục
x = = =
2 3
5
.0.88
(0,344. 2,852).27,5.10 4
2.1,66.10
=25,32 MN/m2 Ứng suất tổng khi chịu uốn và xoắn:
== 32, 4524,69 4.25,322 2 = 60,32 MN/m2
< [u] = 100 MN/m2 3.2.2.3 Tính sức bền má khuỷu
Ta tính nghiệm bền má khuỷu bên phải và má này thường chịu lực lớn hơn má bên trái.
Ứng suất uốn do lực pháp tuyến Z’’ gây ra
uz = =
'' '' 2
Z b bh
6 =
3
2 3
0,02655 .9.10 0,04 .19,5.10
6
= 38,95 MN/m2 Ứng suất uốn do lực T’’ gây ra:
uT = ==
3
3 2
8,668.10 .0,058 19,5.10 .0,04
6
= 84,68 MN/m2
Với r : là khoảng cách từ tâm cổ trục khuỷu đến tiết diện nguy hiểm nhất của má Ứng suất uốn do lực Mk’’ gây ra:
uM = = =
2 3
3 2
.0.88
(0,344. 2,852).27,5.10 4
19,5.10 .0,04 6
= 16,18 MN/m2 Ứng suất xoắn do T’’ gây ra:
x = =
3 3
3 2
8,668.10 .9.10 19,5.10 .0,04
2. 6
=7,5MN/m2 Trong đó :
Wx : là mô đun chống xoắn của má (m3)
Do tiết diện chịu xoắn của má là tiết diện hình chữ nhật nên + ở các điểm 1, 2, 3, 4 : x = 0
+ ở các điểm I, II : x = max
+ ở các điểm III, IV : x = min
max và min được xác định :
max = MN/m2
r R
I
Các hệ số g1 và g2 phụ thuộc vào tỷ số h/b, do h/b = 3 tra trong đồ thị hình (VIII-17a) [Sách kết cấu và tính toán động cơ đốt trong] ta xác định được g1 = 0,265; g2 = 0,76
max ==
3 3
3 2
8,668.10 .9.10 0,265.19,5.10 .0,04
= 9,43 MN/m2
min = g2max= 0,76.9,43 = 7,17 MN/m2
Để tìm ứng suất tổng của má ta phải lập bảng xét dấu với quy ước ứng suất gây nén tại tiết diện là dương còn ứng suất kéo là âm
Hình 3:2: Ứng suất phân bố trến má
khuỷu
Điểm ứs
1 2 3 4 I II
III IV
n + + + + + + + +
uz + - + - + - 0 0
ur + - + - + - 0 0
uT + + - - 0 0 + -
uM - - + + 0 0 - +
1 2 3 4 I II III IV
x 0 0 0 0 max max min min
1 2 3 4 I II III IV
Bảng 3.2 : Bảng xét dấu của các ứng suất trên má khuỷu
Căn cứ vào bảng tính ứng suất ta thấy i tại các điểm 1,2,3,4 ,I,II,III,IV bằng cách cộng theo cột dọc (theo dấu) như sau :
i = niuziuriuTiuMi
1 = 141,48 MN/m2 ; 2 = 63,58 MN/m2 ;
3 = 173,84 MN/m2 ; 4 = -73,42 MN/m2 ;
h
I
III II
IV
4 2
1 3
I
III II
IV
3 1
4 2
ur uz
ur n uM
uM
ur
min
max
uz
ur
I = 72,98 MN/m2 ; II = -4,92 MN/m2 ;
III = 118,71 MN/m2 ; IV = -34,47 MN/m2 ;
được tính theo công thức sau :
i =
1 = 1= 141,48 MN/m2 ; 2 = 2= 63,58 MN/m2;
3 = 3= 173,84 MN/m2 ; 4 = 4 = 73,42 MN/m2 ;
I = 75,37 MN/m2 ; II = 19,49 MN/m2 ;
III = 119,57 MN/m2 ; IV = 37,33 MN/m2 ; Các giá trị tổng Ii< [] = 180 MN/m2 do vậy má khuỷu đủ bền.
KẾT LUẬN CHUNG
Trong thời gian ngắn em được giao nhiệm vụ tính toán về động cơ động cơ đốt trong cụ thể là động cơ D12 em đã cố gắng sưu tầm tài liệu và vận dụng kiến thức đã được học tập để hoàn thành nhiệm vụ được giao.
Trong một thời gian là 8 tuần em đã hoàn thành được đồ án về động cơ đốt trong :vẽ được các biểu đồ tương ứng với nguyên lý hoạt động của động cơ đốt trong và đã nắm rõ được nguyên lý hoạt động của động cơ đốt trong
Qua tính toán thấy rằng các cụm thiết kế đều đảm bảo về thông số làm việc và đủ bền.
Trong quá trình làm đồ án, với thời gian có hạn nhưng bản thân em đã có cố gắng tìm hiểu thực tế và giải quyết các nội dung kĩ thuật hợp lý. Đây là bước khởi đầu quan trọng giúp cho em có thể nhanh chóng tiếp cận với ngành công nghiệp về sản suất lắp giáp động cơ đốt trong hiện nay của nước ta. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, bổ sung của các thầy, và các bạn để đồ án của em được hoàn thiện hơn, góp phần nhỏ bé vào nhu sản suất lắp ráp và thiết kế động cơ đốt trong.
Một lần nữa em xin cảm ơn sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của thầy TRẦN VĂN HIẾU cùng các thầy trong môn cơ khí đã giúp em hoàn thành đồ án này.