CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÁY NÉN KHÍ PISTON 4L.20/8
3.2 Xác định kết cấu và kích thước của trục khuỷu
3.2.1 Chọn kết cấu trục khuỷu
Ta có thể lựa chọn kết cấu của trục khuỷu dựa vào kết cấu của máy ép khí. Máy ép khí kiểu 4L 20/8 có các xi lanh bậc I và bậc II được bố trí lệch nhau 900, đường trục của 2 xi lanh có thể bố trí trong 2 mặt phẳng gần nhau, vì vậy 2 thanh truyền của 2 dãy có thể bố trí trên cùng một ngõng khuỷu nên trục của máy chỉ cần một ngõng khuỷu.
Do kết cấu như vậy nên khoảng cách giữa 2 ngõng chính sẽ nhỏ, ổ trục khuỷu có thể dùng loại ổ lăn để đảm bảo kết cấu đơn giản, thay thế và sửa chữa dễ dàng. Ổ lăn cần chọn loại ổ bi đũa lòng cầu 2 dẫy là loại chịu tải lớn, có thể khử được các lực dọc trục và bù trừ được sự cong vòng của trục.
3.2.2 Xác định sơ bộ kích thước trục theo tải trọng lớn nhất
- Tải trọng của trục khuỷu: tải trọng tác dụng lên trục khuỷu gồm lực hướng kính Nc, lực tiếp tuyến T và lực quán tính của các khối lượng chuyển động quay.
+ Lực hướng kính Nc: được tính theo công thức sau:
Nc = Pth
β β + α cos
) cos(
Theo biểu đồ tổng hợp lực piston (hình 2.6 và 2.7) ta xác định được trị số lực tổng hợp Pth và qua đó xác định được Nc ở từng vị trí góc quay α của trục khuỷu.Kết quả được ghi trong bảng 3.1. Trong bảng này, góc quay của dãy bậc II được đặt lệch so với dãy bậc I một góc 900 theo chiều quay như sơ đồ của máy. Như vậy lực hướng kính tổng hợp tác dụng lên ngõng khuỷu sẽ là:
Nc = NCI + NCII
Dấu của Nc quy ước như sau:
- Nc mang dấu (+) nếu gây ứng suất kéo trong má khuỷu.
- Nc mang dấu (-) nếu gây ứng suất nén trong má khuỷu.
+ Lực tiếp tuyến T theo biểu đồ lực tiếp tuyến của máy đã tính ở phần trên ta xác định được trị số T tại từng vị trí, dấu của T quy ước như sau:
- T mang dấu dương (+) khi tạo ra mômen xoắn ngược chiều quay của trục.
- T mang dấu âm (-) nếu tạo mômen xoắn cùng chiều quay của trục. Mômen xoắn do T sinh ra có trị số Mx= T.R (Với R bán kính tay quay trục khuỷu).
Bảng 3.1. Lực hướng kính và lực tiếp tuyến.
αP
t β
β + α cos
) cos(N
c
N
c
- Tính chọn các kích thước của trục khuỷu.
Dựa theo các giá trị lực ở bảng 3.1 ta thấy ứng với góc α nào có lực hướng kích lớn nhất Nc max để tính chọn trục khuỷu, ở đó có lực tiếp tuyến tương ứng T. Ta xác định sơ bộ kích thước trục theo giá trị của các lực này.
Theo kết cấu máy 4L 20/8 ta có sơ đồ trục và các lực đặt như hình 3.1 Nc max và các phản lực ZA, ZB tác dụng trong mặt phẳng của trục khuỷu. Các lực T và YA, YB tác dụng trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng trục khuỷu.
532 YA A 229
ZA
I T I Ncmax
YB B ZB
x
3951,5553
3676,824
2819,0997
MuZ , N.m
MuY , N.m
MX , N.m
Hình 3.1: Biểu đồ mô men của trục khuỷu
- Giả thiết bán kính tay quay R nhỏ so với các kích thước khác của trục, má trục khuỷu là rất cứng thì ta có thể coi trục khuỷu như một trục thẳng và sẽ vẽ được biểu đồ mômen uốn theo 2 phương như hình 3.1 với:
ZA = L l Ncmax.2
= 532
303 . 81 , 9 . 4 , 3088
= 17255,7 N
YA = L l T .2
= 532
303 . 81 , 9 . 7 , 2873
= 16056 N
Theo hình 3.1 ta có :
ZA + ZB = Nc
⇒ ZB = Nc – ZA = 3088,4 .9,81 - 17255,7 = 13041,3 N YA + YB = T
⇒ YB = T – YA = 2873,7 .9,81 – 16056 = 12135 N
- Xác định kích thước của trục: Dựa theo biểu đồ mômen hình 3.1 ta thấy tại mặt cắt I - I các trị số của mômen là lớn nhất.
+ Mômen uốn tổng Mu I-I =
2 2
I uYI I
I
uz M
M − + −
MuZ I-I = ZA .l1 = 17255,7 .229 = 3951555,3 N.mm MuY I-I = YA .l1 = 16056 .229 = 3676824 N.mm
⇒ Mu I-I =
2 2 3676824 )
3 , 3951555
( +
= 5397575,8 N.mm + Mô men tương đương tại I-I là
Mtđ I-I =
2 2 I 0,75. X
uI M
M − +
MX = T .R = 2873,7 .9,81 .100 = 2819099,7 N.mm
⇒ Mtđ I-I =
2 2 0,75.2819099,7 8
, 5397575 +
= 5,924045,6 N.mm + Đường kính trục:
DI-I≥
3 0,1[σ]
I
MtdI−
Trong đó [σ] ứng suất cho phép của vật liệu, ở đây là thép 40 có đường kính ≥ 10cm thì [σ] = 1050 KG/cm2 = 10300,5 N/cm2.
⇒ DI-I≥
3 0,1.10300,5 56 , 592404
= 12,23 cm Chọn DI-I = 14cm.
Các kích thước khác chọn như sau:
- Đường kính ngõng chính chỗ lắp ổ chọn bằng đường kính ngõng trục là 14cm.
- Đường kính phía trong chỗ lắp ổ chọn theo tiêu chuẩn với kích thước lớn hơn
= 16cm.
- Đường kính trục chỗ lắp then với động cơ = 12cm.
- Chiều dài đoạn lắp ổ chọn theo chiều rộng ổ, với đường kính trục = 14cm ta chọn loại ổ bi đũa lòng cầu 2 dãy N0 2228 CD (của Nhật Bản) có kích thước 140 x 250 x 68 vậy chiều dài đoạn lắp ổ lắc = 68mm.
- Chiều dài ngõng khuỷu chọn đảm bảo tỷ lệ giữa chiều dài và đường kính l/d = (0,5 ÷0,7) chọn = 0,5 thì l1 = 14. 0,5 = 7cm.
Chiều dài toàn bộ ngõng khuỷu l = 2l1 = 14cm.
Bề rộng của má ngõng lấy bằng đường kính trục (φ160) cộng với 2 lần bán kính góc lượn (chọn bán kính góc lượn = 5mm), vậy bề rộng của má ngõng
= 170mm.
ỉ140
ỉ140 ỉ160
95
110 99 68 260
150
ỉ160 ỉ140 ỉ120
860 25
Hình 3.2: Sơ đồ kết cấu trục khuỷu - Tính then:
Mômen xoắn của động cơ được truyền qua mối ghép then ở đầu trục khuỷu, với tải trọng có cường độ lớn, biên độ dao động rộng ta chọn loại then tiếp tuyến là loại then chịu được tải trọng lớn, có tính chất dao động.
Xác định các kích thước của then theo mômen xoắn lớn nhất xuất hiện trên trục.
Mxmax = Tmax . R = 4441,2 .9,81 .100 = 4356817 N.mm Tmax lực tiếp tuyến lớn nhất
R bán kính tay quay.
Chiều cao t của then xác định theo công thức
Mx≤ (0,45 + π 2
.f).d.l.t.[σ]d
Suy ra t ≥
d x
dl f M
] [ 2 ) 45 , 0
( σ
+π
Trong đó: f là hệ số ma sát giữa thép với thép = 0,15 d đường kính trục = 12cm
l chiều dài then, lấy bằng chiều dài đoạn trục lắp với động cơ 15cm.
[σ]d ứng suất dập cho phép (chọn theo tài liệu chi tiết máy) [σ]d = 100 N/mm2.
t ≥
100 . 150 . 120 ).
15 , 140 , 3 45 2 , 0 (
4356817 +
= 4,7 Chọn t = 5 mm
Quan hệ giữa chiều rộng b với chiều cao t của then như sau:
b = 3t = 3 .5 = 15 mm. Từ đó có kích thước của then: 7 x 15 x 150
Trên ngõng trục ta đặt 2 then lệch nhau 1200 để có thể truyền được Mx theo 2 chiều(hình 3.3).
Hình 3.3: Sơ đồ then của ổ - Tính chọn ổ.
ở trên ta đã xác định được các phản ở gối tựa tại vị trí tải tác động lớn nhất.
Phía đầu A (hình 3.1)của trục chịu tải nặng hơn nên ta tính ổ theo tải trọng đầu trục này.
Tải trọng tác dụng vào ổ:
R =
2 2
2
2 + A = (17255,7) +16056
A Y
Z
= 23570,2 N Hệ số khả năng làm việc của ổ tính theo công thức:
C = Q(n.h)0,3
Q là tải trọng tương đương tác dụng vào ổ. Nếu bỏ qua các lực chiều trục tác động bất thường, Q được xác định như sau:
Q = R kc kk
kc hệ số tải trọng va đập, với cơ cấu truyền động tay quay thanh truyền kc = 1,8 ÷2,5 chọn kc = 2.
kk hệ số động học, với vòng trong quay kc = 1.
n tốc độ trục khuỷu.
h tuổi thọ của ổ, ổ lớn có thể chọn từ 20.103 ÷ 20.104 giờ chọn h = 100 .103 giờ
⇒ C = 30224 .2 .1.(495 .100 .103 .60)0,3 = 41996091,3
Dựa vào các tài liệu tiêu chuẩn ổ để chọn loại ổ bi đũa lòng cầu 2 dãy phù hợp.
Chọn loại ổ 222 28 CD của Nhật Bản như hình 3.4 có kích thướcghi trong bảng 3.2.
r
B
D d
Hình 3.4: kết cấu ổ trục.
Bảng 3.2
Ký hiệu ổ Kích thước ổ (mm) Tải trọng tĩnh cho
phép (N)
d D B r
222 28 CD 140 250 68 4 529740