chuong 1 động học, động lực học cơ cấu trục khuỷu thanh truyền và cân bằng động okie

CHƯƠNG 1
ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU TRỤC KHUỶU
- THANH TRUYỀN VÀ CÂN BẰNG ĐỘNG CƠ
1. 1 Động học của cơ cấu khuỷu trục thanh truyền
1.1.1.Qui luật vận động của cơ cấu trục khuỷu-thanh truyền
a. Chuyển vị của piston

x = AB = AO - (BD + DO) = (l + R) (Rcos + lcos) ;  = 

=>x = R

(1 - cos )  4 (1 - cos2 ) 
(m)

 = R/l :thơng số kết cấu

Hình 7.1. Vận động của piston


CHƯƠNG 1
ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU TRỤC KHUỶU THANH TRUYỀN VÀ CÂN BẰNG ĐỘNG CƠ
1. 1 Động học của cơ cấu khuỷu trục thanh truyền
1.1.1.Qui luật vận động của cơ cấu trục khuỷu-thanh truyền
b. Vận tốc của piston
v=

dx
dx d
dx



 Do:  = d
dt
d dt
d
dt


=>v = R (sin +

2

sin 2 ) (m/s)

Tốc độ trung bình của động cơ:

vtb =

s.n
30

S là hành trình piston, S = 2R (m)
n là tốc độ vòng quay của trục khuỷu đ/cơ (vg/phút)
Động cơ tốc độ thấp : vtb = 3,5 - 6,5 m/s
Động cơ tốc độ trung bình: Vtb = 6,5 - 9 m/s
Động cơ tốc độ cao:

Vtb > 9 m/s


CHƯƠNG 1

ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU TRỤC KHUỶU THANH TRUYỀN VÀ CÂN BẰNG ĐỘNG CƠ
1. 1 Động học của cơ cấu khuỷu trục thanh truyền
1.1.1.Qui luật vận động của cơ cấu trục khuỷu-thanh truyền
c. Gia tốc của piston

j=

dv dv d
dv

 
dt d dt d

j = R2 (cos +cos2 )

1.1.2. Nghiên cứu động học bằng phương
pháp đồ thị (đồ án môn học)


CHƯƠNG 1
ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU TRỤC KHUỶU THANH TRUYỀN VÀ CÂN BẰNG ĐỘNG CƠ
1.2. Động lực học cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền
1.2.1. Xác định khối lượng của các chi tiết chuyển động
a. Khối lượng nhóm pittơng
Khối lượng nhóm pittơng bao gồm khối lượng pittơng,các xécmăng, chốt
pittông, các hãm chốt pittông, guốc trượt, …
mnp = mp + mx + mch + mh + mg +… (kg)

b. Khối lượng thanh truyền:
3 nguyên tắc thay khối lượng th/truyền bằng k/lượng tập chung:

+ Tổng khối lượng thay thế phải bằng khối lượng thanh truyền.
+ Trọng tâm các khối lượng thay thế phải trùng với trọng tâm thanh truyền.
+ Tổng mơmen qn tính vận động quay đối với trọng tâm phải bằng mơmen
qn tính của thanh truyền so với trọng tâm thanh truyền.


CHƯƠNG 1
ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU TRỤC KHUỶU THANH TRUYỀN VÀ CÂN BẰNG ĐỘNG CƠ
1.2. Động lực học cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền
1.2.1. Xác định khối lượng của các chi tiết chuyển động
Quy dẫn khối lượng thanh truyền về 3 điểm:
Tâm đầu nhỏ (tịnh tiến), tâm đầu to (quay) và trọng tâm thanh truyền (song
phẳng). Căn cứ vào ba nguyên tắc trên ta có:
m1

L1

m1'

m3'

mtt

L2

L

mtt

m2'

l2
l1
m12 m tt ; m1 m tt
l
l

m2

Ngày nay, phân bố khối lượng thanh truyền thường nằm trong giới hạn sau:
m1 = (0,275 – 0,350).mtt ;

m2 = (0,650 – 0,725).mtt


CHƯƠNG 1
ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU TRỤC KHUỶU THANH TRUYỀN VÀ CÂN BẰNG ĐỘNG CƠ
1.2. Động lực học cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền
1.2.1. Xác định khối lượng của các chi tiết chuyển động
c. Xác định trọng tâm thanh truyền:
Phương pháp cân:
Gá đặt thanh truyền lên bàn cân theo phương nằm ngang để xác định khối
lượng G1 tập trung về đầu nhỏ.

L

Khi cân được khối lượng toàn bộ của
thanh truyền Gtt thì khối lượng tập tập
trung về đầu to G2 :
G2 = Gtt – G1 (kg)

L1

L2


CHƯƠNG 1
ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU TRỤC KHUỶU THANH TRUYỀN VÀ CÂN BẰNG ĐỘNG CƠ
1.2. Động lực học cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền
1.2.2. Hệ lực và mômen tác dụng lên cơ cấu trục khuỷu - thanh
truyền giao tâm
Lực khí thể Pkt ;

Pkt = pkt.FP = pkt.

D 2
4

Lực quán tính chuyển động tịnh tiến Pj .
PJ = - mnPj = - mnPR2 (cos +cos2)

FP: diện tích mặt cắt ngang(đỉnh) của piston
mnP: Kh/lượng nhóm piston(piston,chốt và xecmăng
Gọi PJ1 = - mnPR2cos và PJ2 = - mnPR2 cos2 là
lực quán tính tịnh tiến cấp 1 và cấp 2 ta có:
PJ = PJ1 + PJ2


CHƯƠNG 1
ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU TRỤC KHUỶU THANH TRUYỀN VÀ CÂN BẰNG ĐỘNG CƠ

1.2. Động lực học cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền
1.2.2. Hệ lực và mômen tác dụng lên cơ cấu trục khuỷu - thanh
truyền giao tâm
Hợp lực P1 có phương là đường tâm xylanh:
P1 = Pkt + PJ
Phân tích P1 thành lực lác dụng dọc tâm thanh truyền Ptt
và lực ngang N ép piston lên thành xylanh.
N = P1tg

;

Ptt = P1/cos

Phân tích Ptt thành: lực tiếp tuyến T sinh ra mômen quay M
và lực pháp tuyến Z gây uốn trục khuỷu


CHƯƠNG 1
ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU TRỤC KHUỶU THANH TRUYỀN VÀ CÂN BẰNG ĐỘNG CƠ
1.2. Động lực học cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền
1.2.2. Hệ lực và mômen tác dụng lên cơ cấu trục khuỷu thanh truyền giao tâm
T = Pttsin( +) = f1()
Z = Pttcos( +) = f2()
Mơmen quay M theo góc quay trục khuỷu động cơ:
M = T.R = f3( )
M cân bằng với mômen cản Mc của máy công tác
trên trục và làm thay đổi tốc độ góc của trục:
M = Mc + J
J: mơmen qn tính tương đương của các khối lượng
quay quy về tâm trục khuỷu

: gia tốc góc của trục.


CHƯƠNG 1
ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU TRỤC KHUỶU THANH TRUYỀN VÀ CÂN BẰNG ĐỘNG CƠ
1.3. Cân bằng động cơ
Điều kiện cân bằng động cơ.
Để động cơ được cân bằng thì khi thiết kế phải chú ý sao cho hợp lực và hợp
các mơmen qn tính phải triệt tiêu. Đó chính là điều kiện cân bằng lý thuyết
của động cơ đốt trong và được biểu thị bằng 6 phương trình sau đây:
n

p

mRω 2 cosα i 0

  j1
i 1

n

2
  p j2  mRω λcos2α i 0
i 1


 n
2

  m r Rω cosα i 0

 1

p k 0   i 

n


m r Rω 2 sinα i 0




 i 1

n

M j1  mRω 2 a i cosα i 0


i 1

n

M

mRω 2 λa i cos2α i 0

j2

i 1


 n

2
  m r Rω a i cosα i 0

 1
  M k 0   i 
n


m r Rω 2 a i sinα i 0



 i 1



Cân bằng lực quán tính vận động quay.
Cân bằng lực này bằng 2 đối trọng đặt trên 2
phương kéo dài của má khuỷu
Lực ly tâm do 2 đối trọng sinh ra sẽ cân bằng lực quán
tính vận động quay
2Pđk = 2mđk.2 = Pk = mr2
Do đó:
1
R
m dk  m r
2

ρ

(4-2)

Từ biểu thức (4-2) ta thấy: Để giảm khối lượng đối trọng
mđk thì cần thiết tăng  nhưng phải chú ý đến sự bố trí
các cơ cấu khác và kích thước hộp trục khuỷu.


Pk

L
Pk

R
mr



R
O





2.P®k
P®k

2.m®k

P®k

Cân bằng lực qn tính chuyển động quay


Cân bằng lực quán tính vận động tịnh tiến.
Giả sử muốn cân bằng lực quán tính cấp 1 (Pj1 =
mR2cos) bằng cách đặt 2 đối trọng lên hai má khuỷu
tương tự như phương pháp cân bằng lực Pk ở trên thì
do phương chiều của lực ly tâm do đối trọng sinh ra ln
ln thay đổi theo vị trí  của khuỷu, nên nếu ta đem
chiếu lực ly tâm đó (Pđj1) lên hai phương: Phương
đường tâm xilanh (đồng phương với lực Pj1) và phương
vng góc với nó thì hai má đều có đối trọng. Do đó:


Pj1

L



R

2.P"j1
2.P®j1



O

2.m®j1
2.P'j1

Hình 9.2. Cân bằng lực chuyển động tịnh tiến


2Pđj1 = 2mđj1.2
Thành phần theo đường tâm xilanh có:
'
2Pdj1
2m dj1.ρ 2 cos(α  1800 ) -2mdj1.ρ 2 cosα

Sẽ triệt tiêu lực quán tính cấp 1, tức là:

2p 'dj1 Pj1 mRω 2 cosα
Từ đó ta rút ra:

1 R
m dj1  m
(4-3)
2 ρ
Nhưng ln sinh ra trên phương vng góc với phương
của các lực qn tính cấp 1 một lực có trị số bằng:
"
2Pdj1
2m dj1 .ρ 2sin(α  1800 ) -2mdj1 .ρ 2sinα

- m.R 2sinα

Lực này có quy luật biến thiên giống như lực qn tính cấp
1 (Chỉ khác là có sự lệch pha một góc bằng 900). Như vậy
phương pháp cân bằng này chẳng qua chỉ là chuyển
phương tác dụng của lực quán tính cấp 1
Tương tự như vậy đối với lực quán tính cấp 2. Cân
bằng lực quán tính cấp 2 bằng cách đặt đối trọng lên trục
quay với tốc độ góc là 2 (Vì lực qn tính cấp 2 biến thiên
theo 2), thì cũng chỉ là chuyển phương tác dụng của nó.
Để cân bằng hồn tồn lực qn tính cấp 1 và cấp 2 ta
dùng cơ cấu lăngsetcherơ. Cơ cấu bao gồm các cặp trục
quay ngược chiều nhau trong đó cặp cặp trục cấp 1 quay
với tốc độ góc 1 và một cặp trục cấp 2 quay với 2 nhằm
mục đích để các thành phần nằm ngang tưng ứng của lực
ly tâm do đối trọng sinh ra sẽ tự khử nhau từng cặp một.
Từ hình vẽ ta thấy: Do hai đầu của mỗi trục đều có
đặt đối trọng nên trên mỗi cặp đều có 4 đối trọng để cân
bằng. Vì vậy theo phương đường tâm xilanh ta có:


4Pdj1 4m dj1.ρ1 2 cosα Pj1 mRω 2 cosα
Từ đó ta rút ra khối lượng đối trọng cần đặt để cân bằng
lực Pj1 là:

1 R
m dj1  m
4 ρ1
Tương tự để cân bằng lực Pj2 ta có:

4m dj2 .ρ 2 (2 ) 2 cos2α mRω 2 cos2α
Do đó:

m dj2 

.m.R
16ρ 2


Pkt

Pj1


Pj2



L



O

2




R







1

P®j2

2

P®j2
P®j1 P®j1