d) Kiểm nghiệm sức bền của xupap
3.6.3. Phương án dẫn động trục cam
Việc truyền động cho trục cam tiêu hao khoảng 1,5% ÷ 3% công suất của động cơ. Do đó bố trí dẫn động cho trục cam cũng rất quan trọng. Trục cam được bố trí trên thân máy hoặc ở hộp trục khuỷu thường được dẫn động bằng bánh răng. Nếu khoảng cách giữa trục cam với trục khuỷu nhỏ thường chỉ dùng một cặp bánh răng. Nếu khoảng cách trục lớn, phải dùng thêm các bánh răng trung gian hoặc dùng xích răng.
Phương án dẫn động bằng bánh răng có ưu điểm rất lớn là kết cấu đơn giản. Do cặp bánh răng phân phối khí thường dùng bánh răng nghiêng nên ăn khớp êm và bền. Tuy vậy, khi khoảng cách giữa trục cam và trục khuỷu lớn thì phương án này phải dùng thêm nhiều bánh răng trung gian. Điều đó làm cho thân máy phức tạp (vì phải lắp nhiều trục để lắp bánh răng trung gian) và cơ cấu dẫn động trở nên cồng kềnh và khi làm việc thường có tiếng ồn.
Phương án dẫn động bằng xích có nhiều ưu điểm như gọn nhẹ, có thể dẫn động được trục cam ở khoảng cách lớn. Tuy vậy, phương án này có nhược điểm là đắt tiền vì giá thành chế tạo của xích đắt hơn nhiều so với bánh răng. Hơn nữa, khi
phụ tải và tốc độ thay đổi đột ngột, xích dễ bị rung động. Sau một thời gian sử dụng, xích thường bị rão, gây lên tiếng ồn và thường làm sai lệch pha phân phối khí. Để giữ cho xích luôn luôn được căng, người ta phải dùng cơ cấu căng xích có lò xo hoặc vít điều chỉnh độ căng xích. Để chống rung xích, người ta còn dùng bản dẫn hướng cho xích. Với động cơ này ta chọn phương án dẫn động bằng bánh răng.
3.6.4. Các kích thước sơ bộ của trục cam
− Đường kính trục cam:
D
dtc =(0,25÷0,35) (mm);
Trong đó:
D: Đường kính xilanh, D = 280 (mm);
− Đường kính trong của lỗ khoan (thiết kế trục cam rỗng):
tc
d
d0 =(0,5÷0,7) (mm);
− Chiều dài của các ổ đỡ:
tc
od d
l =(1÷1,5) (mm);
Do khoảng cách giữa các xilanh khá lớn nên ta phải dùng số lượng gối khá nhiều. Giữa một đôi xilanh ta bố trí một gối đỡ. Vậy ta dùng tổng cộng 6 xilanh.
− Chiều dài trục cam phụ thuộc vào khoảng cách giữa các xilanh:
d od kcxl tc l l l l =5 + + (mm); trong đó:
+ lkcxl_ Khoảng cách giữa 2 tâm xilanh liên tiếp
kcxl
l = 600 (mm);
+ ld_ Khoảng cách thừa của trục cam
d l = 20 (mm); Kết quả: − Đường kính trục cam: = tc d 84 (mm);
− Đường kính trong của lỗ khoan (thiết kế trục cam rỗng): 0
d = 50 (mm); − Chiều dài của các ổ đỡ:
=
od
l 110 (mm);
− Chiều dài trục cam phụ thuộc vào khoảng cách giữa các xilanh:
=
tc
l 3130 (mm);
Chọn loại quả cam rời, có thể được chia thành hai nửa. Các nửa quả cam được lắp vào trục phân phối nhờ các đai ốc đặc biệt có rãnh tiện hình côn. Có trường hợp khác, quả đáo là loại liền nhưng được ghép vào một bạc lót, có đai ốc hãm ở mặt bên. Những loại kết cấu này cho phép ta thay đổi được góc lệnh giữa các quả cam.
− Đường kính của quả cam:
tc
d
d1 =(1,3÷2) (mm);
− Chiều rộng của quả cam: 1 1 (0,15 0,4)d
b = ÷ (mm);
− Chiều rộng may ơ loại quả cam ghép 1
2 (06 0,8)d
b = ÷ (mm);
Kết quả:
− Đường kính của quả cam:
=
1
d 110 (mm);
− Chiều rộng của quả cam:
=
1
b 40 (mm);
− Chiều rộng may ơ loại quả cam ghép
=
2
b 80 (mm);
Kết luận:
Các thông số cơ bản của trục cam: − Đường kính trục cam:
=
tc
d 84 (mm);
− Đường kính trong của lỗ khoan (thiết kế trục cam rỗng):
=
0
d 50 (mm);
− Chiều dài của các ổ đỡ:
=
od
l 110 (mm);
− Chiều dài trục cam phụ thuộc vào khoảng cách giữa các xilanh:
=
tc
l 3130 (mm);
− Đường kính của quả cam:
=
1
d 110 (mm);
− Chiều rộng của quả cam:
=
1
b 40 (mm);
− Chiều rộng may ơ loại quả cam ghép
=
2
Hình 3.8. Trục cam
1- Ổ đỡ ; 2- Cam ; 3- Trục cam ; 4- Con đội ; 5- Mayơ 3.6.5. Xác định dạng cam
Khi chọn dạng cam cần phải xét các dang sau:
− Dạng cam cần đảm bảo cơ cấu phối khí có trị số thời gian tiết diện lớn nhất, nghĩa là khả năng lưu thông của dòng khí lớn nhất. Vì vậy, yêu cầu cam phải mở xupap thật nhanh, giữ cho xupap mở ở vị trí lớn nhất thật lâu và khi đóng thì đóng thật nhanh xupap.
− Dạng cam phải thích hợp để giai đoạn đóng và mở xupap có gia tốc và vận tốc là nhỏ nhất. Do đó, cơ cấu phối khí sẽ làm việc êm, ít va đập và ít bị hao mòn.
− Dạng cam phải đơn giản, dễ chế tạo.
Trên cơ sở đảm bảo ba yêu cầu trên, động cơ diesel ngày nay thường dùng hai loại cam là cam lồi và cam tiếp tuyến. Dạng cam lõm tuy có ưu điểm là tốc độ mở và đóng xupap là rất nhỏ, mở đóng nhanh nhưng không được dùng vì chủ yếu là khi gia công mặt lõm (mài tinh) rất khó.
− Thiết kế dạng cam: Có hai phương pháp :
+ Phương pháp thứ nhất: Lựa chọn quy luật chuyển động của cam (chủ yếu là quy luật gia tốc), rồi từ đấy phân tích hai lần để tìm quy luật của độ nâng xupap biến thiên theo góc quay của trục cam. Phương pháp này có ưu điểm là có thể thực hiện bất kì quy luật chuyển động nào ta cho là tốt nhất. Nghĩa là các quy luật chuyển động có gia tốc khi mở, đóng xupap nhỏ nhất như quy luật gia tốc theo hình sin, cosin… Nhược điểm cơ bản của phương pháp này là dạng cam ứng với quy luật lý tưởng trên là rất khó gia công vì mặt cam có dạng đường cong hết sức phức tạp. Tuy vậy, ngày nay khi thiết kế các loại động cơ cao tốc, người ta thường thiết kế dạng cam theo phương pháp này.
+ Phương pháp thứ hai: Định sẵn dạng cam, mặt cam là tập hợp của những cung tròn, cung parabôn hoặc đường thẳng ... để dễ gia công. Sau đó căn cứ vào quy luật nâng đã định, đạo hàm hai lần đối với góc quay của trục cam để tìm quy luật gia tốc rồi kiểm tra xem có phù hợp với yêu cầu về gia tốc cơ cấu phân phối khí hay không. Phương pháp thứ hai này có ưu điểm là đảm bảo tính công nghệ gia công trục cam được đơn giản. Vì vậy, tuyệt đại bộ phận động cơ diesel tốc độ thấp và trung bình đều dùng cam định hình theo phương pháp thiết kế thứ hai.
Lựa chọn dạng cam theo phương pháp thứ hai thường dùng các đường cong của nhiều cung tròn, cung tròn phối hợp với cung Parabol hoặc cung tròn phối hợp với đường thẳng. Dạng cam dùng cung tròn hoặc Parabol được gọi là cam lồi, dạng cam dùng cung tròn phối hợp với đường thẳng được gọi là cam tiếp tuyến.
Với hệ thống phân phối khí này, ta thiết kế theo dạng cam tiếp tuyến.
Dựng hình cam tiếp tuyến:
− Căn cứ vào các thông số của động cơ, ta lựa chọn pha phân phối khí. Từ đó xác định góc làm việc của cam.
Đối với cam thải:
2 180 β1 β2
ϕt = + +
trong đó: 1
β : Góc mở sớm của xupap thải, β1 = 700
2
β : Góc đóng muộn của xupap thải, β2 = 500
Kết quả: 0 150 = t ϕ
− Căn cứ vào điều kiện bố trí chung để xác định bán kính lưng cam (bán kính cung chuẩn): ) 1 5 , 0 ( 2 1 = dtc + ÷ R (mm); trong đó: − dtc: Đường kính trục cam, dtc = 84 (mm); Kết quả: = 1 R 43 (mm);
− Vẽ vòng tròn bán kính và dựng toạ độ thẳng góc qua tâm. Sau đó xác định
bán kính OA và OB làm thành với tung độ một góc 2
t
ϕ
.
− Dựng tiếp tuyến AE và BE tiếp tuyến với đường tròn tâm O tại A và B. − Căn cứ vào độ nâng con đội (độ nâng lớn nhất) để xác định điểm C:
max
h
hcd = = 21 (mm);
− Vẽ cung tròn bán kính r tiếp tuyến với AE và BE đi qua điểm C. Từ đó, có thể xác định cung đỉnh cam. Cụ thể như sau:
+ Khoảng cách từ tâm O1 của cung đỉnh cam tới tâm O của vòng chuẩn
(lưng cam)bằng:
OO1 = R1 + hcđ – r (mm);
⇒ R1 = OO1 + r - hcđ (mm);
( ) D r r R t − = 1 2 / cosϕ (mm); ⇒ ( /2) 1 1 cos OO t r R ϕ − = (mm); ⇒ 1 cos 2 2 cos 1 t t cd h R r ϕ ϕ − − = (mm); trong đó:
+ R1_ Bán kính lưng cam (bán kính cung chuẩn)
R1 = 43 (mm);
+ hcd_ Độ nâng lớn nhất của xupap
hcd = 21 (mm);
+ ϕt_ Góc làm việc của cam
ϕt = 1500 Kết quả: = r 35,64 (mm); r Hình 3.9. Dạng cam