tính toán kiểm nghiệm bền thanh truyền

Trng i hc s phm k thut Hng Yờn
Nhận xét, đánh giá của giáo viên hớng dẫn























ngày tháng năm 2013
Giáo viên hớng dẫn

Khổng Văn Nguyên

Lời nói đầu


Trng i hc s phm k thut Hng Yờn
Thiết kế tính toán là một giai đoạn rất quan trọng trong các ngành,các
nghề nht là trong các ngành cơ khí. Trong ngành công nghệ chế tạo ôtô, thiết kế -
tính toán là bớc đầu tiên để hình thành nên một sản phẩm hoàn chỉnh.Là một sinh
viên chuyên ngành công nghệ chế tạo ôtô , đợc nhận đồ án : tính toán kiểm
nghiệm bền thanh truyền , nhận thức đợc tầm quan trọng của giai đoạn này trong
quá trình hình thành nên sản phẩm , em đã cố gắng tìm hiểu và hoàn thành tốt nhất
có thể đồ án đợc giao của mình.
Đồ án môn học của em đợc chia ra hai phần chính:
Phần một: Tổng quan về cơ cấu thanh truyền
Phần hai : Tính toán kiểm nghiệm bền
Trong quá trình thực hiện đồ án , tuy đã hết sức cố gắng và nhận đợc sự giúp
đỡ nhiệt tình của các bạn, các thầy cô giáo bộ môn trong khoa , nhất là của giáo
viên hớng dẫn Khổng Văn Nguyên. Nhng do trình độ còn nhiều hạn chế , chắc
chắn trong đồ án của em sẽ không tránh đợc các sai sót. Em mong nhận đợc sự góp
ý của các bạn, thầy cô giáo trong khoa để đồ án của em đợc hoàn thiện hơn. Em xin
chân thành cảm ơn!


Hng yờn, ngày tháng năm 2013

Sinh viên thực hiện :

V Vn Li
Phần i
Khái quát về cơ cấu thanh truyền
1.1. Nhiệm vụ.

-Thanh truyền là chi tiết nối giữa piston và trục khuỷu.
- Truyền lực khí thể từ piston làm quay trục khuỷu và điều khiển piston làm
việc trong quá trình nạp, nén, xả.
-Biến chuyển động thẳng của piston thành chuyển động quay của trục
khuỷu.
1.2. Điều kiện làm việc.

Trng i hc s phm k thut Hng Yờn
- Thanh truyền chịu lực khí thể, lực quán tính của nhóm piston và lực quán
tính của bản thân thanh truyền. Các lực trên đều là các lực tuần hoàn va đập.
- Trong quá trình làm việc thanh truyền luôn chịu các lực kéo, nén, uốn dọc
và khi đổi chiều chuyển động thì có lực quán tính làm nó bị uốn ngang.
1.3. Vật liệu chế tạo
Thanh truyền thờng đợc chế tạo bằng thép cacbon hoặc thép hợp kim với ph-
ơng pháp rèn khuôn. Các loại vật liệu nặng cơ tính tốt, sức bền mỏi cao, đảm bảo
yêu cầu làm việc.
Vật liệu chế tạo thanh truyền
- Đối với động cơ ô tô - máy kéo : C40, C45,. . .
- Đối với động cơ nhẹ cao tốc : 18XHBA, 18XH3A . . .
- Đối với động cơ tàu thủy tĩnh tại tốc độ thấp : C35, C40, 40X . . .
1.4. Kết cấu Thanh truyền.

1: Bạc đầu nhỏ
2: Đầu nhỏ thanh truyền
3: Thân thanh truyền
4: Bulông bắt nắp đầu to
5: Nửa trên thanh truyền
6: Bạc đầu to thanh truyền
7: Nửa dới thanh truyền

Hình 1.1 Kết cấu của thanh truyền
- Ngời ta chia kết cấu thanh truyền thành các phần:
+ Đầu nhỏ thanh truyền.
+ Đầu to thanh truyền.
+ Thân thanh truyền.
+ Bu lông thanh truyền.
+ Bạc lót đầu to và đầu nhỏ thanh truyền.
Sau đây ta xét từng thành phần cụ thể:
a. Đầu nhỏ
Là bộ phận để lắp chốt píton, nó có cấu tạo hình trụ rỗng bên trong có bạc lót
có khoan lỗ dầu để bôi trơn. Kết cấu đầu nhỏ thanh truyền phụ thuộc vào kích thớc
và phơng pháp lắp ghép và có lắp bạc bằng đồng


Hình 1.2. Kết cấu đầu nhỏ thanh truyền
Trng i hc s phm k thut Hng Yờn
Trong các hình trên (1.2a,b) đợc dùng phổ biến nhất trên các động cơ ôtô
hiện nay vì khả năng bôi trơn hoàn thiện, dầu đợc dàn đều trên bề mặt bạc lót. Hoạt
động đồng đều.
b. Thân thanh truyền
Là phần nối giữa đầu nhỏ và đầu to thanh truyền.
Kích thớc thân thanh truyền thờng thay đổi từ nhỏ đến lớn kể từ đầu nhỏ đến
đầu to để phù hợp với lực quán tính lắc của thanh truyền
Hình 1.3. Các loại tiết diện thân thanh truyền
+ Hinh 1.3a thân có tiết diện tròn , Hình 1.3b,c thân có tiết diện chữ I
+ 1.3d thân có tiết diện hình chữ nhật, Hình 1.3e thân có tiết diện hình elip
Có nhiều kiểu tiết diện: tiêt diện tròn, ovan, chữ nhật, elip , chữ I. Tuy nhiên
hiện nay dạng tiết diện thân thanh truyền hình chữ I đợc dùng phổ biến trên động cơ
ôtô và xe du lịch bởi tính bền và tính tiết kiệm vật liệu.
Chiều dài thanh truyền đợc tính toán dựa vào công thức

=

R/l
c. Đầu to thanh truyền
Kết cấu đầu to thanh truyền phải đảm bảo các yêu cầu sau:
+ Có độ cứng vững lón để đảm bảo bạc lót ko bị biến dạng.
+ Kích thớc nhỏ để lực quán tính nhỏ giảm đợc tải trọng lên chốt khuỷu.
+ Chỗ chuyển tiếp với thân và đầu to phải có góc lợn để tăng cứng vững
+ Dễ dàng thao lắp cụm piston thanh truyền với trục khuỷu. Đầu to lam 2
nửa nửa trên liền với thân nửa dới lắp với nắp đầu to.
1.5. Bạc thanh truyền.

Hình 1.4. Kết cấu cố định bạc lót đầu to thanh truyền
1. Vấu lỡi gà định vị
2. Bạc lót
Trng i hc s phm k thut Hng Yờn
a) Bạc đầu nhỏ.
Khi lắp chốt piston xoay tơng đối với đầu nhỏ thanh truyền thì trong đầu nhỏ
có ép vào 1 bạc đồng mỏng dày 14mm để giảm ma sát, chống mòn. Bạc đợc ép
vào lỗ rồi doa lại cho chính xác.
b) Bạc đầu to.
Bạc đầu to lắp giữa đầu to thanh truyền và cổ trục khuỷu.
Bạc gồm 2 nửa giống nhau có gờ chống xoay và thờng có rãnh dẫn dầu bôi trơn
trong bạc và khoan lỗ dẫn dầu.
1.6 Bu lông thanh truyền.
a) Chức năng.
Bu lông thanh truyền là chi tiết ghép nối hai nửa đầu to thanh truyền. Nó có
thể ở dạng bu lông hay vít cấy (gugiông),
b) Điều kiện làm việc.
Bu lông thanh truyền khi làm việc chịu lực nh lực xiết ban đầu, lực quán tính

của nhóm piston thanh truyền có tính chu kỳ.
c) Vật liệu chế tạo.
Bu lông thanh truyền thờng đợc chế tạo bằng thép hợp kim có các thành
phần crôm, mangan, niken Tốc độ động cơ càng lớn, vật liệu bu lông thanh truyền
có hàm lợng kim loại quí càng nhiều.
d) Kết cấu.


Hình 1.5: Một dạng kết cấu của bu lông và gugiông
1.5a : bu lông thanh truyền
1.5b: gugiông thanh truyền
- Nh đã trình bày ở trên , hai nửa đầu to thanh truyền có thể đợc ghép nối
bằng bu lông ( hình 1.5a) và gugiông (hình 1.5b)
- Bố trí phân đoạn và thắt vào một ít để tăng sức bền mỏi.
- Nhiệt luyện để đạt độ cứng sau đó ta rô ren

Trng i hc s phm k thut Hng Yờn
Phần II
Tính toán kiểm nghiệm bền
2.1.Các thông số
2.1.1.Thông số cho trớc
Loai động cơ : Động cơ diezel không tăng áp
Kiểu động cơ ; một hàng
Công suất động cơ : 30ml
Số vòng quay động cơ ; 2600 (vòng/phút)
Suất tiêu hao nhiên liệu : 210( g /ml.h)

Số kỳ : 04
Đờng kinh xilanh : 95 (mm)
Hanh trinh piston : 100( mm)

Số xilanh : 03
Chiều dài thanh truyền : 155 (mm)
Khối lợng nhóm piston : 0,84 (kg)
Khối lợng thanh truyền : 1.34(kg).
áp suất khí thể : 6,2 (Mpa)
2.1.2. C ác thông số tính toán
-Từ các thông số đầu bài cho ta chọn loại xe tính toán là động cơ Diesel 3 xy lanh
thẳng hàng. Với đờng kính xilanh
xl
D
= 95 (mm)
+ Đờng kính chốt piston (d
cp
):
d
cp
= (0,3
ữ
0,45)D (bng 16- trang 51) ; Chọn d
cp
= 0,32D

d
cp
= 0,32.95 = 30,4
(mm)
+ Đờng kính bệ chốt (d
b
):da vo bng 16 trang 51 ta cú
d

b
= (1,3
ữ
1,6)d
cp
; Chọn d
b
= 1,45 d
cp


d
b
= 1,45.30,4 = 44,08 (mm)
+ Đờng kính lỗ trên chốt (d
0
): da vo bng 16 trang 51 ta cú
d
0
= (0,6
ữ
0,8) d
cp
; Chọn d
0
= 0,7 d
cp


d

0
= 0,7. 30,4 = 21,28 (mm)
+ Chiều dày bạc lót = (0,08-0,085)d
cp
(trang 81) Chọn = 0,08

= 0,08.30,4= 2,432 (mm)
+ Khe hở hớng kính bạc lót và chốt pittông: =(0,0004-0,0015)d
cp
trang82
= 0,001.d
cp
= 0,001.30,4 = 0,0304 (mm)

Trng i hc s phm k thut Hng Yờn
Gọi r
1
là bán kính trong đầu nhỏ thanh truyền:
r
1
=( d
cp
/ 2)+ + = (30,4/2)+2,432+0,0304 = 17,6624 (mm)
Gọi r
2
là bán kính ngoài đầu nhỏ thanh truyền:
r
2
= 1,3.r
1

= 1,3.17,6624 = 22,96112 (mm)
Ta có :

1
2
r
r
=
6624,17
96112,22
=1,3 < 1,5. đầu nhỏ là loại đầu mỏng
+ Chiều dài đầu nhỏ thanh truyền
= 0,28.D
xl
= 0,28.95= 26,6 (mm)
trang 83 ti liu hdtttk
+ Đờng kính trong đầu to thanh truyền D
1
D
1
= d
ck
+2.(
'
1

+
'
2

+
)
3

+ Với:
d
ck
: Đờng kính chốt khuỷu
Đối với động cơ Diesel 1 hàng d
ck
= (0,6
ữ
0,7)D ; chọn d
ck
= 0,65.D
D: Đờng kính xy lanh; D = 95 (mm)

d
ck
= 0,65.95 = 61,75 (mm)

'
1

: Chiều dày vỏ thép bạc lót;
'
1

= (0,03
ữ

0,05) d
ck
Ti liu trang 96 Chọn
'
1

= 0,04. d
ck



'
1

= 0,04.61,75= 2,47
(mm)

'
2

: Khe hở giữa bạc lót và chốt khuỷu;
'
2

=(0,0045
ữ
0,0015) d
ck
Chọn
'

2

=0,005. d
ck


'
2

=0,005.61.75= 0,308 (mm) ti liu trang 96

'
3

: Chiều dày lớp hợp kim chịu mòn;
'
3

= (0,4
ữ
0,7) (mm) ti liu trang 94
Chọn
'
3

= 0,5 (mm)

D
1
= 61,75+ 2.(2,47+ 0,308 + 0,5) =68,306 (mm)

+ Đờng kính ngoài đầu to thanh truyền D
2
Ta có:
1
2
D
D
< 1,5 ; Chọn
1
2
D
D
= =1,3 ti liu trang 105


D
2
= 1,3. D
1
=1,3.68,306 = 88,7978 (mm)

+ Chiều dài đầu to = (0,45 0,85 ) .d
ck

chọn =0,665. d
ck
=0,665.61,75=41,06375 (mm)
2.1.3. Khối lợng nhóm thanh truyền
+ Khối lợng thanh truyền quy dẫn về đầu nhỏ m
1

=(0,275-0,35)m
tt


Trng i hc s phm k thut Hng Yờn
Chọn m
1
=0,312.m
tt
. Vậy m
1
=0,312. 1,34= 0,41808 (kg).
+Khối lợng thanh truyền quy dẫn về đầu to thanh truyền.
m
2
=0,6875.m
tt
=0,6875. 1,34=0,92125 (kg).
2.2. Tính toán kiểm nghiệm bền
2.2.1. Tính sức bền của đầu nhỏ thanh truyền.
Khi động cơ làm việc đầu nhỏ thanh truyền chịu các lực tác dụng sau:
- Lực quán tính của nhóm piston.
- Lực khí thể.
- Lực do biến dạng gây ra.
- Ngoài ra khi lắp ghép bạc lót, đầu nhỏ thanh truyền còn chịu thêm ứng suất phụ
do lắp ghép bạc lót có độ dôi gây nên.
Các lực trên gây ra ứng suất: uốn, kéo, nén tác dụng trên đầu nhỏ thanh truyền.
Tính toán đầu nhỏ thanh truyền thờng tính ở chế độ công suất lớn nhất. Nếu động cơ
có bộ điều tốc hoặc bộ hạn chế tốc độ vòng quay thì tính toán ở chế độ này cũng là tính
toán ở chế độ số vòng quay giới hạn lớn nhất của động cơ. Nếu không có bộ phận giới

hạn số vòng quay (hoặc bộ điều tốc) thì số vòng quay lớn nhất n
max
của động cơ có thể vợt
quá số vòng quay ở chế độ công suất lớn nhất n
e
=25%
ữ
30% tức là:

N
max
=(1,25
ữ
1,30) n
Ta có bảng thông số:
Thụng s ng

c

Diesel
ng

kớnh

ngoi

bc

d
1

(1,1-1,25)d
cp
ng

kớnh

ngoi

d
2
(1,25-1,65)d
cp
Chiu

dy

u

nh

l
d
(0,28-0,32)D
Chiu

dy

bc

u

nh
(0,055-0,085)d
cp

Trng i hc s phm k thut Hng Yờn
Hình 2.1- Sơ đồ tính toán đầu nhỏ thanh truyền
a. Tính sức bền đầu nhỏ khi chịu kéo
Tính trên giả thiết sau: Coi đầu nhỏ là một dầm cong đợc ngàm hai đầu, vị trí ngàm
là chỗ chuyển tiếp giữa đầu nhỏ và thân (tiết diện c-c) ứng với góc

bằng.


(11-4-trang106)
Trong đó:
bán kính trong của đầu nhỏ :
2
H
= r
1
=17,6624 (mm)
bán kính ngoài đầu nhỏ; r
2
=1,3.r
1
=1,3.17,6624 =222,96112 (mm)
H - chiều rộng của thân chỗ nối với đầu nhỏ.

1

: Bán kính góc lợn nối đầu nhỏ với thân thanh truyền chọn theo hệ số thc
nghiệm. Đối với thanh truyền có bán kính ngoài đầu nhỏ là 22,96112 (mm) thì chọn

1
30

(mm)


là bán kính trung bình đầu nhỏ
Ta có:

=
31176,20
2
96112,226624,17
2
21
=
+
=
+ rr
(mm).

Thay vào (2-1):
00
134
3096112,22
31176,206624,17

arccos90 =
+
+
+=

-Do tính chất đối xứng của ngàm nên khi tính toán, ta cắt bỏ một nửa và thay thế bằng
các lực pháp tuyến và mô men uốn N
A,
M
A
- Khi lắp bạc lót vào đầu nhỏ, bạc lót và đầu nhỏ đều biến dạng.
Mô men uốn M
j
và lực kéo N
j
ở tiết diện bất kỳ trên cung AA BB
M
A
= p
j
.
)0297,000033,0(

( MNm)
N
A
= p
j
.
)0008,0572,0(

(MN) (11-7-tr107)
Giá trị của

trong hai biểu thức trên tính theo độ.

12
0
2
arccos90



+
+
+=
r
H
Trng i hc s phm k thut Hng Yờn
Trong đó:
p
j
: Lực quán tính của nhóm piston
Ta có : p
j
= m
np
.R.
2

.(1+

) (tr 106)
Trong đó:
m
np
:Khối lợng nhóm piston. m
np
= 0,84 (kg)


: Tham số kết cấu;

=R/l=S/2l=100/2.155= 0,3226



=
30
.
N
n

: Vận tốc góc ứng với số vòng quay định mức của động cơ (n
N
)
áp dụng công thức: n
N
=

'
max

e
n
(vòng/phút)
Vi

: Đối với động cơ Xăng

= 0,7
ữ
0,8 , chọn

= 0,75
3466
75,0
2600
==
N
n
(vòng/phút)

=
30
.
N
n

=

30
3466.



363 (rad/s)
R=S/2=100/2= 50 (mm)
Thay vào (2-3) :

p
j
= 0,75.50.10
3
.363
2
.(1+ 0,3226) = 6535,412(N)=0,06535412 (MN)
Do ó :M
A
=0,06535412.20,31176.10
3
.(0,00033.134
0
- 0,0297) = 0,19.10
-6
(MNm)
N
A
=0,06535412.(0,572 0,0008. 134
0
) = 0,03037 (MN)

- Lực tác dụng trên dầm cong có bán kính cong bằng bán kính trung bình của đầu nhỏ

là lực phân bố có giá trị là: q =
=

2
j
P
6,1
10.31176,20.2
06535412,0
3
=

(MN)
Trên cơ sở giả thiết nêu trên, ta xây dựng sơ đồ tính toán và biểu thị :


Trng i hc s phm k thut Hng Yờn
Hình 2.2. Sơ đồ lực tác dụng khi đầu nhỏ thanh truyền chịu kéo
Dựa vào sơ đồ đó, ta có thể xác định các đại lợng mô men uốn và lực kéo tại tiết
diện bất kì của dầm cong. Dầm cong bao gồm hai cung: cung có lực phân bố (
)90(
0

x

)
và cung có lực phân bố
)90(

0

x

.
- Khi
)90(
0

x

ta có :
Mômen un:
M
j
=M
A
+N
A
(1cos
x
)-0,5.P
j

.
(1-cos
x
)

(11-5 trang 106)

Lực kéo: N
j
= N
A
cos
x

+0,5P
j
(
x

cos1
) (11-5 trang 106)
- Khi
)90(
0

x

ta có :
Mô men uốn : M
j
= M
A
+ N
A
)cos(sin5,0)cos1(
xxx
Pj

(11-6 trang 106)
Lực kéo: N
j
= N
A
cos
x

+0,5P
j
(
xx

cossin
) (11-8 trang 107)
Từ các biểu thức (11-5) và (11-6), ta thấy M
j
và N
j
trên cung BC (
0
90
x

) có giá trị lớn
hơn, tiết diện nguy hiểm là tiết diện ngàm C - C.
Nh vậy mô men uốn và lực kéo tại tiết diện ngàm C -C bằng :

M
jc
= M
A
+ N
A
(1-cos

) - 0,5P
j
.

(sin


cos

)
N
jc
= N
A
cos

+ 0,5P
J
(sin


cos

)
Thay M
A,
N
A ,
,

, và P
J
vào (2-6) ta đợc:
M
jc
=0,19.10
-6
+0,03037.20,31176.10
3
(1-cos134)-0,5.0,06535412.20,31176.10
-3
.(sin134-
cos134)
= 1,07.10
-4
(MN.m)
N
jc
=.0,03037cos134+0,5.0,06535412. (sin134- cos134)=0,0251 (MN)

Trng i hc s phm k thut Hng Yờn
Do có ép bạc lót đầu nhỏ nên có sự biến dạng đồng thời của đầu trục và bạc lót, trong đó

đầu nhỏ bị biến dạng kéo, còn bạc lót chịu biến dạng nén. Do vậy phần của lực kéo đó,
đặc trng bằng hệ số

, tức là : N
k
=
J
N

Hệ số

phụ thuộc vào độ cứng của các chi tiết mối ghép (bạc lót và đầu nhỏ) và đợc xác
định bằng biểu thức:

bbdd
dd
FEFE
FE
+
=

(11-9 trang 107)
Trong đó:
E
d
:Mô đun đàn hồi của vật liệu chế tạo thanh truyền; E
d
= 2,2.10
5
(MN/m

2
)
E
b
: Mô đun đàn hồi của vật liệu chế tạo bạc lót; E
b
= 1,15.
5
10
(MN/m
2
)
F
d
: Tiết diện dọc của đầu nhỏ thanh truyền
F
d
= l
1d
.(d
2
- d
1
) (m
2
)
+ Với:
d
1
:Đờng kính trong đầu nhỏ;

1
d
= 34,96 (mm)
l
1d
: Chiều dày đầu nhỏ thanh truyền; l
1d
=0,28.D= 0,28.92= 26,6 (mm)
d
2
: Đờng kính ngoài đầu nhỏ; d
2
= 45,448 (mm)



d
F
=26,6.(45,448 34,96)=2,7898. 10
-4
(m
2
)
F
b
: tiết diện dọc của bạc lót.
F
b
= l
d1.

(d
1
- d
cp
)=26,6.10.
-3
(34,96.10
3
- 30,4.10
3
) =1,21296.10
-4
(m
2
)
Vi d
cp
=0,32.D=0,32.95=30,4(mm).
Thay s vo ta c :
1
10.21296,1.10.15,110.7898,2.10.2,2
10.7898,2.10.2,2
4545
45

+
=

Do vậy, ứng suất trên đầu nhỏ trong trờng hợp có ép bạc lót sẽ là:
Trên mặt ngoài :
sl
N
ss
s
M
d
Jjnj
1
1
]
)2(
6
2[




+
+
+
=
(11-11-trang 107)
s là chiều dày đầu nhỏ: s= r
2
-r
1
=22,96112 - 17,6624= 5,29872 (mm)
Thay vào (2-8 ) ta đợc:

33333
33
4
10.29872,5.610,26
1
]0251,0.1
)10.29872,510.31176,20.2.(10.29872,,5
10.29872,510.31176,20.6
.10.07,1.2[



+
+
+
=
nj


=971,578 (MN/m)
Trên mặt trong :
sl
N
ss
s
M
d
Jjtj
1
1

]
)2(
6
2[




+


=
(11-12 trang107)
Thay s vo ta c :

Trng i hc s phm k thut Hng Yờn
33333
33
4
10.29872,5.10.6,26
1
]0251,0.1
)10.29872,510.31176,20.2.(10.29872,5
10.29872,510.31176,20.6
10.07,1.2[



+

=
tj

=
= -767,510 (MN/m)


Hình 2.3: ứng suất trên mặt trong và mặt ngoài của đầu
nhỏ thanh truyền khi chịu kéo.
Nếu giá trị M
j
, N
J
đợc tính ở mọi tiết diện bất kỳ nào của đầu nhỏ, ta xẽ tính toán
đợc ứng suất tại các tiết diện đó biết đợc quy luật phân bố ứng suất trên mặt ngoài và mặt
trong của đầu nhỏ
b. Tính sức bền đầu nhỏ khi chịu nén.
Lực nén tác dụng lên đầu nhỏ thanh truyền là hợp lực của lực khí thể và lực quán
tính của khối lợng piston.
P

= P
kt
+ P
jp
= p
z
.F
p

+ M
np
.R
2

(1 +

) ( trang108)
Trong ó F
p
: Diện tích đỉnh piston; F
p
=
==
4
95.
4
22

D
7084,625 (mm
2
)



P

= 6,2.7084,625 .10
6

+ 0,84.47,5.10
3
.336
2
(1 + 0,3226) = 5957,762 (MN)
Theo Kinaxotsvili, lực P

gây ra phân bố trên đầu nhỏ theo quy luật đờng cong cosinuyt

q =


cosP2

(2-11)
Ta cũng coi đầu nhỏ nh một dầm cong nh đã nói ở phần trên và do tính chất đối xứng ta
cắt bỏ đi một nửa tiết diện A -A, thay vào đó bằng các lực và mô men tơng ứng N
A
, M
A
.
Tra bảng trang 202 sách Kết cấu và tính toán động cơ đốt trong ĐHBK
Với:

= 134
0
thì:

Trng i hc s phm k thut Hng Yờn

P
N
A
= 00030

=


P
M
A
0,00110

N
A
= 0,0030.P

= 0,0030.5957,762 = 17,8732 (MN)
M
A
= 0,00110. P

.

.= 0,0011.5957,762.20,31176 .10
3
= 0,1331 (MN.m)
Hình 2.4: Sơ đồ tác dụng lực trên đầu nhỏ thanh truyền.
Mô men uốn và lực pháp tuyến (lực kéo) trên cung AB (

0
90
x

) là:
M
z1
= M
A
+ N
A
)cos1(
x



(11-14 trang109)
N
z1
= N
A
cos
x

Chọn
x

= 60
0

M
z1
= 0,1331+ 17,8732.20,31176.10
3
.(1 - cos60
0
) = 0,3146 (MN.m)
N
z1
=17,8732. cos60
0
= 8,9366 (MN)
Và trên cung BC (
0
90
x

) là:

M
z2
= M
A
+ N
A
.
)cos
1
sin
2

sin
()cos1(
xx
xx
x
P








(11-15trang109)

N
z2
= N
A
.
)cos
1
sin
2
sin
(cos
xx
xx
x

P






+

Trong công thức trên

x
tính theo radian, chọn

x
=
3
.2

(rad)

M
z2
=0,1331+17,8732.20,31176.10
3
(1-cos
3
.2

)-

Trng i hc s phm k thut Hng Yờn
- 5957,762.20,31176.10
3
.(
3
2
cos.
1
3
2
sin
3
2
2
3
2
sin






)= 37,4136 (MN.m)
N
z2
=17,8732.cos
3
.2

+5957,762.20,31176.
3
10

.(
3
2
cos.
1
3
2
sin
3
2
2
3
2
sin






)=-45,664
MN)
Nh đã tính ở trên, do lắp ghép căng bạc lót trên đầu nhỏ, nên lực pháp tuyến tác dụng trên
đầu nhỏ mà không phải là toàn bộ N
Z

chỉ là một phần của N
Z
tức là
.Z
N

ứng suất tổng gây ra trong đầu nhỏ khi chịu nén là:
Trên mặt ngoài :
Sl
N
ss
s
M
d
Zznz
1
1
]
)2(
6
2[




+
+
+
=
Trên mặt trong :

Sl
N
ss
s
M
d
zztz
1
1
]
)2(
6
2[




+


=
Thay giá trị M
Z
, N
Z
bằng M
Z1
, M
Z2
, N

Z1
, N
Z2
theo biểu thức (11-14) và (11-15), ta sẽ tìm
đợc ứng suất tại tiết diện bất kỳ trên mặt trong và mặt ngoài của đầu nhỏ và ta vẽ đợc biểu
đồ ứng suất trên đầu nhỏ. (Hình 2.5).

1nz

=[2.0,3146.
9366,8.1
)10.29872,510.31176,20.2.(10.29872,5
10.29872,510.31176,20.6
333
33
+
+
+


] .
=
33
10.29872,5.10.6,26
1
2,39.10
6
(MN/m
2
)

2nz

=[2.37,4136.
664,45.1
)10.29872,510.31176,20.2.(10.29872,5
10.29872,510.31176,20.6
333
33
+
+
+


].
.
=
33
10.29872,5.10.6,26
1
277,78. 10
6
(MN/m
2
)
1tz

=[-2.0,3146.
9366,8.1
)10.29872,510.31176,20.2.(10.29872,5
10.29872,510.31176,20.6

333
33
+




] .
=
33
10.29872,5.10.6,26
1
-2,716815 .10
6
(MN/m
2
)

2tz

=[-2.37,4136.
664,45.1
)10.29872,510.31176,20.2.(10.29872,5
10.29872,510.31176,20.6
333
33
+

]. .
=
33
10.29872,5.10.6,26
1
-330,311. 10
6
(MN/m
2
)

Trng i hc s phm k thut Hng Yờn

Hình 2.5. ứng suất trên đầu nhỏ thanh truyền khi chịu nén
Từ biểu đồ đó, ta thấy: ứng suất lớn nhất tại ngàm (tiết diện C -C ) tức là tại vị trí

=
x
.
c. ứng suất biến dạng.
ứng suất biến dạng gây ra do sự biến dạng vì dãn nở nhiệt và vì lắp ghép có độ dôi giữa
lót đầu nhỏ và đầu nhỏ thanh truyền.
Độ biến dạng của đầu nhỏ khi chịu nhiệt độ là:

1
.)( dt
ttbt

=

(trang111)
Trong đó :
t: Nhiệt độ trung bình của bạc lót khi làm việc.
t = 100 140
0
C , chọn t = 120
0
C
ttb

,
: Là hệ số nở dài của bạc lót và đầu nhỏ.
5
10.8,1

=
b

(vật liệu bằng đồng).
5
10.1

=
tt

(vật liệu bằng thép).

0335,096,34.120).10.110.8,1(
55

==

t
(mm)
Nếu độ dôi khi lắp ghép bạc đầu nhỏ thanh truyền là

thì áp suất trên mặt cong của đầu
nhỏ sẽ là:

P =
][
22
1
22
1
2
1
2
2
2
1
2
2
1
b
b
b
n
t
E

dd
dd
E
dd
dd
d
à
à


+
+
+

+
+
( MN/m
2
) (11-18 )
Trong đó:
d
2
:đờng kính ngoài của đầu nhỏ (mm); d
2
= 45,448 (mm)
d
b
: Đờng kính trong của bạc lót (mm);d
b
= 44,08 (mm)

d
1
: Đờng kính trong đầu nhỏ; d
1
= 34,96 (mm)
E
tt
, E
b
: mô đun đàn hồi của vật liệu thanh truyền và bạc lót.

Trng i hc s phm k thut Hng Yờn
E
tt
= 2,2.10
5
MN/m
2
; E
tt
= 1,15.10
5
MN/m
2

P =
.
]
10.15,1
3,0

5,2921,34
5,2921,34
10.2,2
3,0
21,3447,44
21,3447,44
[21,34
033,010.9
5
22
22
5
22
22
3


+
+
+

+
+



14 (MN)
ứng suất biến dạng theo công thức Lame:
ứng suất bên ngoài mặt đầu nhỏ :

2
1
2
2
2
1
2
dd
d
p
n

=


(MN/m
2
) (2-16)


88,40
)10.21,34()10.47,44(
)10.21,34.(2
14
232)3
23
=

=

n

(MN/m
2
)
ứng suất trên mặt trong:

2
1
2
2
2
1
2
2
dd
dd
p
t

+
=


(MN/m
2
) (2-17)

34,69
)10.21,34()10.47,44(
)10.21,34()10.47,44(
.14
2323
2323
=

+
=


t

(MN/m
2
)
ứng suất biến dạng cho phép có thể đạt đến 100 250MN/m
2
d. Hệ số an toàn của đầu nhỏ thanh truyền.
Do ứng suất trên đầu nhỏ thanh truyền thay đổi theo chu trình không đối xứng. Vì vậy hệ
số an toàn đợc tính theo công thức:

ma





+

=
1
(2-18)
Trong đó:

2
minmax



=
a
(2-19)

2
minmax


+
=
m
(2-20)



=
0
01
2

(2-21)
Tính toán cho tiết diện nguy hiểm (tiết diện ngàm C -C ) và trên mặt ngoài nên:

Trng i hc s phm k thut Hng Yờn

nAnj

+=
max


nAnz

+=
min
+ Với:

nj

: ứng suất kéo trên mặt ngoài đầu nhỏ;
nj

= 12995,25 (MN/m
2
)
ứng suất biến dạng trên mặt ngoài đầu nhỏ;
n

= 40,88 (MN/m
2
)
ứng suất tổng gây ra trên đầu nhỏ khi chịu nén;
nz

= 38,514.10
6
( MN/m
2
)



6
max
10.514,3825,12995
+=

= 38,53. 10
6
(MN/m
2
)

=+=
6
min
10.514,3888,40

38,51. 10
6
(MN/m
2
)
Thay vào (2-19) và (2-20) ta đợc:
=

=
2
10.51,3810.53,38
66
a

10
4
(MN/m
2
)


=
+
=
2
10.51,3810.53,38
66
m

38,52. 10
6
(MN/m
2
)

1

: Giới hạn bền mỏi trong chu trình không đối xứng, với vật liệu thép

0

: Độ bền kéo.


( tra bảng 7-2 trang 191, sách thiết kế Chi tiết máy -Nguyễn Trọng Hiệp,Nguyễn văn
lẫm) ta đợc
1

= 600(N/mm
2
) ;
0

= 850 (N/mm
2
)

=
41,0
850
850600.2
=

Thay các kết quả tính đợc vào (2-18) ta đợc:

8,3
)41,0.(10.52,3810
10.600
64
5
=
+
=



Thỏa mãn điều kiện hệ số an toàn trong khoảng 2,5 -5.
e. Độ biến dạng của đầu nhỏ thanh truyền.
Độ biến dạng

đợc xác định theo biểu thức nghiệm sau đây.

EJ
dP
tbjnp
3

203
10
)90(
=


(2-22)
Trong đó:
J : mô men quán tính tiết diện dọc đầu nhỏ:
J=
12
3
1
Sl
d
( MN/m
4
)

Trng i hc s phm k thut Hng Yờn
Với:
l
1d
:Chiềudài đầu nhỏ thanh truyền; l
1d
=25,76 (mm)
s: Chiều dày đầu nhỏ; s =5,132 (mm)

J=
12

)10.132,5.(10.76,25
333
=11.10
9
( MN/m
4
)
P
jnp
: Lực quán tính của khối lợng nhóm piston
P
jnp
= m
np
.R.
2

.(1 +

)


P
jnp
=0,75. 46.10
3
.531
2
(1 + 0,267) = 12,325. 10
3

(MN)
Thay vào (2-22) ta đợc:

=

=


953
20093
10.11.10.2,2.10
)90135(10.34,39.012325,0

21,75.10
5
(m)
Thỏa mãn điều kiện đối với động cơ ô tô máy kéo, khe hở lắp ghép giữa chốt piston
và bạc lót thờng trong khoảng 0,04 0,06 mm, nên yêu cầu
03,002,0

(mm)
2.2.2 . Tính sức bền thân thanh truyền.
Tính thân thanh truyền thờng đợc tính toán ở các tiết diện: tiết diện nhỏ nhất (chỗ
tiếp giáp giữa thân thanh truyền với đầu nhỏ), tiết diện trung bình và tiết diện tính toán.
Tiết diện nhỏ nhất chịu nén do tác dụng của hợp lực khí thể và lực quán tính vận động
tịnh tiến.
Tiết diện trung bình chịu nén và uốn dọc cũng do các lực trên.
Tiết diện tính toán chịu nén và uốn ngang do lực quán tính vận động lắc của thanh truyền.
Tính toán thờng đợc tiến hành ở chế độ công suất lớn nhất.
Ngoài việc tính toán trên còn phải kiểm tra độ ổn định khi uốn dọc của thân thanh truyền.

a.Tính tiết diện nhỏ nhất (tiết diện I-I)

ứng suất nén :
min
F
P
n

=

(2-23)
Trong đó:
P

: Lực nén tác dụng trên đầu nhỏ thanh truyền; P

=12324,96 (MN)
F
min
: Tiết diện nhỏ nhất của thân thanh truyền -tiết diện I-I
F
min
= H
1
.B
1
- h
1
.
2

1
b
Trong đó: H
1
=2.r
1
=34,21(mm);
h
1
=0,668.H
1
=22,85 (mm);
b/2=0,292H
1
=9,99 (mm)
B
1
=0,75H
1
=25,66 (mm)

F
min
=34,21.10
-3
.25,66.10
-3
22,85.9,99.10
-6
= 0,65.10

3
(m
2
)

Trng i hc s phm k thut Hng Yờn
Thay vào (2-23) ta có:

6
3
10.19
10.65,0
96,12324
==

n

(MN/m
2
)
ứng suất kéo do lực quán tính của nhóm piston và khối lợng đầu nhỏ thanh truyền đợc xác
định theo biểu thức sau đây.

min
F
P
jd
K
=

(MN/m
2
) (2-24)
Trong đó :
P
jd
= (m
np
+ m
1
).R.
2

.( 1+

)
Trong đó: m
np
=0,75(kg);
m
1
là khối lợng thanh truyền quy dẫn về đầu nhỏ m
1
=(0,275-0,350)m
tt

P
jd
= (0,75 + 0,312). 46.10
3

.531
2
(1 + 0,267) = 17452,1 (MN)
Thay vào (2-24) ta đợc:

6
3
10.85,26
10.65,0
1,17452
==

k

(MN/m
2
)
Hệ số an toàn bền ở tiết diện nhỏ nhất.

)()(
2
1
knkn





++
=

(2-25)


=
++
=
66
5
10)85,2619)(41,0(10)85,2619(
10.600.2


11
Hệ số an toàn
d

thờng nằm trong khoảng 2,0 3,0 vậy hệ số an toàn đã tính càng đảm
bảo vì nó có hệ số an toàn cao hơn.
b.Tính ở tiết diện trung bình (tiết diện II-II).
Tính ở tiết diện trung bình, thân thanh truyền chịu ứng suất kéo, nén, uốn dọc.
- ứng suất kéo do lực quán tính của khối lợng nhóm piston và khối lợng thanh truyền nằm
phía trên tiết diện trung bình. ứng suất kéo đợc xác định theo biểu thức sau :

tb
jtb
K
F
P
=

(MN/m
2
) (2-26).
Trong đó:
P
jib
= (m
np
+ M
tb
)R
)1(
2

+
(MN) (2-27).
M
tb
: khối lợng của thanh truyền nằm phía trên tiết diện trung bình F
tb
.
Do M
tb
<
2
1
.m
tt
nên để đơn giản tính toán mà vẫn thoả mãn công thức (2-26)

Trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng Yên
H×nh 2.6: S¬ ®å tÝnh to¸n th©n thanh truyÒn
⇒
P
jib
= (0,75+0,312).46.10
3−
.531
2
.(1+0,267)= 16,7.10
3
(MN)
F
tb
: tiÕt diÖn trung b×nh cña th©n thanh truyÒn, lÊy F
tb
=
2
minmax
FF +
Víi: F
min
= 0.65.10
3−
(m
2
): TiÕt diÖn nhá nhÊt cña th©n thanh truyÒn
F
max

=H
2
.B
2
-h
2
.
2
2
b
=44,47.10
33333
10.1,110.98,12.10.71,2910.4,33.
−−−−−
=−
(m
2
)
H
2
=44,47
2
2
b
=0,292 H
2
= 12,98 (mm)
B
2
=0,75.H

2
=0,75.44,47=33,4 (mm)
h
2
=0,668. H
2
=29,71 (mm)
⇒
F
tb
=
3
33
10.875,0
2
10.1,110.65,0
−
−−
=
+
(m
2
)
Thay vµo (2-26) ta ®îc:
09,19
10.875,0
16,7.10
3
-3
==

−
K
σ
(MN/m
2
)

Trng i hc s phm k thut Hng Yờn
ứng suất nén và uốn dọc do lực tổng

P
của lực khí thể và lực quán tính chuyển động tịnh
tiến, đợc xác định theo công thức Nave Răngkin.




+= P
EJm
L
F
P
y
tb
.
2
2
0

=
)1()1(
2
2
0
22
2
0
mi
L
C
F
P
im
L
F
P
tb
y
tb
+=+



( MN/m) (2-28)
Trong đó: P
=

(m

np
+ m
1
)R
)1(
2

+
+p
Z
F
tb
(MN)
m
1
: khối lợng của thanh truyền quy về đầu nhỏ, các loại động cơ thờng có
m
1
=(0,275-0,350)m
tt
P
Z
: áp suất khi thể. P
Z
= 3,89 (MPa)
J: mô men quán tính của tiết diện thân thanh truyền.

P
=

(0,75+0,312). 46.10
3
.531
2
(1 + 0,267) + 3,89.0,875.10
-3
=17254,92 (MN)
Đối với trục x - x ta có:
J
x
=
12
33
bhBH
(m
4
) (2-29)
Đối với trục y- y ta có:

J
y
=
12
)()(
33
bBhBhH +
(m
4
) (2-30)

H=
3,39
2
10.47,4410.21,34
2
33
21
=
+
=
+

HH
.10
3
(m)
B=0,75.H= 29,5.10
-3
(m)
b=
3
21
10.97,223,179
2

=+=
+ bb
(m)
h=
3

33
21
10.28,26
2
10.71,2910.85,22
2


=
+
=
+ hh
(m)
Thay vào (2-29) và (2-30) ta đợc:
J
x
=
6
933933
10.193,0
12
10.28,26.10.97,2210.3,39.10.5,29


=

(m
4
)
6

33339333
10.048,0
12
)10.97,2210.5,29.(10.28,2610.5,29).10.28,2610.3,39(


=
+
=
y
J
(m
4
- I : là bán kính quán tính của tiết diện.
Đối với trục x-x ta có:I
x
=
tb
x
F
J

Trng i hc s phm k thut Hng Yờn

I
x
=
3
6
10.875,0

10.193,0


=0,013 (m)
Đối với trục y y ta có: I
y
=
tb
y
F
j

I
y
=
3
6
10.227,1
10.048,0
875,0


=0,0057 (m)
Trong đó:
:
y

giới hạn đàn hồi của vật liệu.
L
0

: Chiều dài biến dạng của thân thanh truyền khi chịu uốn dọc.
m : Hệ số xét đến ngàm chịu lực của thân thanh truyền khi uốn dọc:
khi uốn trong mặt phẳng lắc của thanh truyền (uốn quanh x-x )ta có:
L
o
= l ; m = 1
Khi uốn dọc trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng lắc (uốn quanh y-y) ta có:
L
o
= l
l
; m = 4.
ở đây: l
I
= l -
2
11
dD
( m)
l : chiều dài thanh truyền
D
1
, d
1
: Đờng kính trong đầu to và đầu nhỏ; D
1
= 66,182(mm),
d
1
=34,21 (mm)

l = 172(mm)

l
1
= 172 -
2
21,34182,66
= 156,014 (mm)
C : Hệ số đặc tính của vật liệu C = 2.10
-4
5.10
-4
Chọn C = 3.10
-4
Nh vậy, ứng suất tổng do nén và uốn dọc trong mặt phẳng lắc tại tiết diện trung
bình sẽ là:

x
tb
x
tb
x
k
F
P
i
l
C
F
P

.)1.(
2
2

=+=
(2-31)
Tơng tự trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng lắc.

y
tb
y
tb
y
k
F
P
i
l
C
F
P

=+= )
4
1(
2
2

(2-32)
Trong đó: K

x
= 1 + C.
2
2
x
i
l

K
x
= 1 + 3.10
-4
037,1
013,0
10.172
2
62
=


Trng i hc s phm k thut Hng Yờn
K
y
=
2
1
2
.1
y
i

l
C+

K
y
= 1 + 3.10
-4
2
62
0063,0
10.172

=1,127
Thay vào (2-31) và (2-32) ta đợc:

15037,1.
10.875,0
012325,0
3
=

x

(MN/m
2
)

5,15127,1.
10.875,0
012325,0

3
==

y

(MN/m
2
)
Thỏa mãn ứng suất cho phép của thân thanh truyền nh sau:
- Đối với thanh truyền thép các bon : 80 100 (MN/m
2
)
c.Tính ở tiết diện tính toán.
Tại tiết diện tính, ta xét ứng suất tổng do nén và uốn ngang.
Trớc hết, ta hãy xét lực quán tính vận động lắc của thân thanh truyền gây ra uốn ngang
Hình 2.7. Sơ đồ tính ở
tiết diện tính toán
Lực quán tính lắc của một
phân tố thân thanh truyền
cách tâm lắc (tâm đầu nhỏ
) một khoảng x xẽ là:
dP = - dm.x.
u

( phơng trình vi phân lực
quán tính )
Trong đó:
dm: khối lợng phân bố.
dm = F.dx.

F : tiết diện ngang thân thanh truyền .
u

: gia tốc lắc của thanh truyền ( Đã nêu trong phần động lực học của cơ cấu trục khuỷu
thanh truyền ).

2
3
22
22
)sin1(
sin
)1(





u
Do đó:
dP = - F.px.
dxu.



Trng i hc s phm k thut Hng Yờn
Tích phân trong khoảng chiều dài thanh truyền ta đợc quán tính lắc:
P = - F
u

=
0
2
2
l
Fxdx
u

Để xác định điểm đặt của lực P, ta dùng phơng trình cân bằng:

P
a
=

==
1
0
1
0
3
2
3
l
FdxxFdPx
uu

Thay P vào và ta rút ra:

l
3
2
=

Nh vậy, ta thấy quy luật phân bố lực quán tính theo quy luật tam giác vì lực phân tố tỷ lệ
bậc nhất với x. Do dó, lực quán tính lắc P gây ra hai phản lực gối đầu nhỏ và gối đầu to là:
R
n
=
P
3
1
và R
t
=
P
3
2
Mô men uốn tại tiết diện cạnh đầu nhỏ một khoảng x sẽ là:
M
u
= R
n
x
2
1
Fp
2
2

x
u

x =
3
1
Fp
2
2
l
u

-
3
1
Fp
2
2
x
u

x
=
6
1
Fp
u

[ ]
32

xxl
Vị trí có mô men uốn cực đại (vị trí tiết diện tính toán) sẽ là vị trí có đạo hàm triệt tiêu tức
là:

0=
x
u
d
dM
Do đó ta có:
l
2
- 3x
2
= 0
x =
3
10.172
3
3
=
l
= 0,083
Thay giá trị x và
maxu

vào M
u
, ta tìm đợc mô men uốn lớn nhất nh sau:
M

umax
=
39
1
m
t
R
2

l
2
Trong đó:
m
t
là khối lợng ứng với một đơn vị chiều dài thanh truyền. Theo tính toán ở phần trên ta
thấy phần thân với chiều dài h = 116,1 (mm) có khối lợng là :
m = 41688.
tt

= 41688.6,852.10
6
=0,28 (tra theo bảng ) (kg)

m
t
=
89,1
10.172
28,0
3

=

(kg/m)
Nếu đặt: