Tính toán và kiểm nghiệm bền cho thanh truyền

Trờng ĐHSPKT Hng Yên
Khoa :Cơ khí Động Lực ỏn mụn hc

Nhận xét, đánh giá của giáo viên hớng dẫn























Hng Yên, ngày tháng năm 2013.
Giáo viên hớng dẫn
Khng Vn Nguyờn
Li núi u

Trên thế giới không chỉ ở các nớc phát triển ôtô đã đóng vai trò hết sức to lớn
trong mọi lĩnh vực của đời sống và sản xuất. Với xu thế hội nhập ngày nay khi đất
nớc ngày càng phát triển và tiến trình CNH-HĐH đất nớc đang diễn ra mạnh mẽ
ôtô càng phát huy tầm quan trọng của mình trong mọi lĩnh vực giao thông, vận tải
xây dựng và sản xuất.
1
SVTH :V Vn Li Lp :LK8
1
Trờng ĐHSPKT Hng Yên
Khoa :Cơ khí Động Lực ỏn mụn hc

Sau khi học xong môn thiết kế tính toán ôtô với đề tài đợc giao Tính toán và
kiểm nghiệm bền cho thanh truyền.
Trong quá trình thực hiện đề tài đợc sự giúp đỡ chỉ bảo tận tình của các thầy
cô giáo trong khoa đặc biệt là thầy giáo hớng dẫn Khổng Văn Nguyên đến nay em
đã hoàn thành đề tài này với các nội dung sau:
a. Mô tả khái quát về thanh truyền.
b. Xác dịnh các thông số cần thiết.
c. Tính toán kiểm nghiệm bền.
Mặc dù trong thời gian thực hiện đề tài bản thân chúng em đã nỗ lực tìm kiếm
tài liệu chuyên nghành, vận dụng các kiến thức đã học và kinh nghiệm bản thân
song với khả năng, trình độ cũng nh kinh nghiệm còn ít nên chắc chắn không thể
tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót vì vậy em rất mong nhận đợc sự đánh giá
nhận xét của các thầy cô trong khoa và các bạn sinh viên để đề tài của em đợc hoàn
thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo cô giáo trong khoa Cơ Khí Động Lực
Trờng ĐHSPKT Hng Yên.

Em chân thành cảm ơn!
Hng Yờn, ngày tháng năm 2013

Phần I: Tổng quan về cơ cấu thanh truyền
1.1. Nhiệm vụ.
Thanh truyền là chi tiết nối giữa piston và trục khuỷu. Nó có nhiệm vụ
truyền lực khí thể từ piston làm quay trục khuỷu và điều khiển piston làm việc
trong quá trình nạp, nén, xả. Đồng thời biến chuyển động thẳng của piston thành
chuyển động quay của trục khuỷu.
1.2. Điều kiện làm việc.
- 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.
2
SVTH :V Vn Li Lp :LK8
2
Hình 1.2. Kết cấu đầu nhỏ thanh truyền
Trờng ĐHSPKT Hng Yên
Khoa :Cơ khí Động Lực ỏn mụn hc

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.

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
3
SVTH :V Vn Li Lp :LK8
3
Trờng ĐHSPKT Hng Yên
Khoa :Cơ khí Động Lực ỏn mụn hc

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 làm 2 nửa
nửa trên liền với thân nửa dới lắp với nắp đầu to.
Kích thớc đầu to phụ thuộc vào chốt khuỷu.Để tăng độ cứng vững của trục
khuỷu ngời ta sử dụng trục khuỷu có độ trùng điệp giữa cổ chốt và cổ trục bằng
cách tăng đờng kính cổ chốt và cổ trục
4
SVTH :V Vn Li Lp :LK8
Hình 1.4. Kết cấu cố định bạc lót trên đầu to thanh truyền.
1. Vấu lỡi gà định vị
2. Bạc lót
4
Trờng ĐHSPKT Hng Yên
Khoa :Cơ khí Động Lực ỏn mụn hc

Hình 1.5. Các dạng kết cấu đầu to thanh truyền.
Các dạng kết cấu đầu to thanh truyền (hình 1.5)
(Hình 1.5a,b) là phổ biến nhất vì nó tăng đợc tiết diện của thanh truyền, tăng
đờng kính của trục cơ, dễ tháo lắp.

1.5. Bạc thanh truyền.
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.
5
SVTH :V Vn Li Lp :LK8
5
Trờng ĐHSPKT Hng Yên
Khoa :Cơ khí Động Lực ỏn mụn hc

Hình 1.6. Một dạng kết cấu của bu lông và gugiông
1.6a bu lông thanh truyền
1.6b gugiông thanh truyền
- Nh đã trình bày ở trên , hai nửa đầu to thanh truyền có thể đợc ghép nối bằng
bu lông ( hình 1.6a) và gugiông (hình 1.6b)
- Bố trí phân đoạn và thắt vào một ít để tăng sứcbền mỏi.
- Nhiệt luyện để đạt độ cứng sau đó ta rô ren
6
SVTH :V Vn Li Lp :LK8
6
Trờng ĐHSPKT Hng Yên
Khoa :Cơ khí Động Lực ỏn mụn hc

Phần II: Tính toán kiểm nghiệm bền
2.1. Thông số cho trớc
ng c :Diesel, khụng tng ỏp
Kiu ng c: Mt hng
Cụng sut ng c : 22,08 KW
S vũng quay: 2600 vũng/ phỳt
Cụng sut tiờu hao nhiờn liu: 210 g/KW.h
S k : 4k
ng kớnh xi lanh: 95 mm
Hnh trỡnh piston: 100 mm
T s nộn: 18
S xilanh : 03
Chiu di thanh truyn : 155 mm
Khi lng piston: 0,84 kg
Khi lng thanh truyn: 1,34 kg
p sut khớ th ln nht: 6,2 Mpa
2.2. Các thông số tính toán

- Từ các thông số đầu bài cho ta chọn loại xe tính toán là động cơ Diesel,6 xy
lanh thẳng hàng.
Với đờng kính piston D = 106 (mm)
- Thông số kết cấu : =R/l =0,3226
+ Đờng kính chốt piston (d
cp
):
d
cp
= (0,3
ữ
0,45)D = (31,8
ữ
47,7
) (mm)
Chọn d
cp
= 37 (mm)
+ Đờng kính bệ chốt (d
b
):
d
b
= (1,3
ữ
1,6)d
cp
= (48,1
ữ
59,2) (mm)

Chọn d
b
= 56 (mm)
+ Đờng kính lỗ trên chốt (d
0
):
d
0
= (0,6
ữ
0,8) d
cp
= (22,2
ữ
29,6) (mm)
Chọn d
0
= 26 (mm)
7
SVTH :V Vn Li Lp :LK8
7
Trờng ĐHSPKT Hng Yên
Khoa :Cơ khí Động Lực ỏn mụn hc

Chiều dày bạc lót = (0,08
ữ
0,085)d
cp
= (2,96
ữ

3,145) (mm)
Chọn = 3 (mm)
Khe hở hớng kính bạc lót và chốt piston = 0,001.d
cp
= 0,037 (mm)
- Gọi r
1
là bán kính trong đầu nhỏ thanh truyền:
r
1
=d
cp
/2++= 37/2+3+0,037 =21,537 (mm)
Chọn r
1
=22 (mm)
- Gọi r
2
là bán kính ngoài đầu nhỏ thanh truyền:
r
2
= 1,4.r
1
= 30,8 (mm)
Chọn r
2
=31 (mm)
Ta có

1

2
r
r
= 1,4 < 1,5. đầu nhỏ là loại đầu mỏng
- Chiều dài đầu nhỏ thanh truyền : = (0,28
ữ
0,32)D= (29,68
ữ
33,92) (mm)
Chọn =32 (mm)
- Đờng kính chốt khuỷu :
d
ck
=(0,56
ữ
0,75)D = (59,36
ữ
79,75) (mm)
Chọn d
ck
=74 (mm)
- Đờng kính trong đầu to thanh truyền :
D
1
= d
ck
+2.(
'
1

+
'
2

+
)
3

+ Với:
d
ck
: Đờng kính chốt khuỷu
D: Đờng kính xy lanh; D = 106 (mm)

'
1

: Chiều dày vỏ thép bạc lót :
'
1

= (0,03
ữ
0,05) d
ck
=(2,22
ữ
3,7) (mm)
Chọn:
'

1

= 3 (mm)

'
2

: Khe hở giữa bạc lót và chốt khuỷu
'
2

=(0,0045
ữ
0,015) d
ck
= (0,333
ữ
1,11) (mm)
Chọn:

'
2

= 0,5 (mm)

'
3

: Chiều dày lớp hợp kim chịu mòn;
'

3

= (0,2
ữ
0,7) (mm)
Chọn
'
3

= 0,5 (mm)
Chiều dày bạc lót : t
bl
=4 (mm)

D
1
= 74+ 2.(3+ 0,5 + 0,5) = 82 (mm)
Đờng kính ngoài đầu to thanh truyền :D
2
8
SVTH :V Vn Li Lp :LK8
8
Trờng ĐHSPKT Hng Yên
Khoa :Cơ khí Động Lực ỏn mụn hc

Ta có:
1
2
D
D

< 1,5 ; Chọn
1
2
D
D
= =1,36

D
2
= 1,35. D
1
=1,36.82 = 112 (mm)
Chiều dài đầu to l
đt
= (0,45
ữ
0,95 ) d
ck
= (33,3
ữ
70,3) (mm)
Chọn l
đt
= 65 (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

=(1,045 - 1,33) (kg)
Chọn m
1
=1,2 (kg)
- Khối lợng thanh truyền quy dẫn về đầu to thanh truyền.
m
2
=0,75.m
tt
=0,75.3,8 = 2,85 (kg)
Bảng thông số tính toán
Đờng kính piston 106 mm
Chiều dày bac lót đầu nhỏ 3 mm
Bán kính trong đầu nhỏ tt 22 mm
Bán kính ngoài đầu nhỏ tt 31mm
Chiều dài đâu nhỏ 32 mm
Chiều dày bac lót đầu to 4 mm
Bán kính trong đầu to tt 41 mm
Bán kính ngoài đầu to tt 56 mm
Chiều dài đầu to tt 65 mm
9
SVTH :V Vn Li Lp :LK8
9
Trờng ĐHSPKT Hng Yên
Khoa :Cơ khí Động Lực ỏn mụn hc

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
e
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.
12
0
2
arccos90

+
+
+=
r
H


(2-1)
Trong đó:
10
SVTH :V Vn Li Lp :LK8
10
Trờng ĐHSPKT Hng Yên
Khoa :Cơ khí Động Lực ỏn mụn hc

bán kính trong của đầu nhỏ :
2
H
= r
1
=22 (mm)
bán kính ngoài đầu nhỏ; r
2
= 31 (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 l 31 thì chọn

1
40
(mm)

=
1 2
22 31
26,5
2 2
r r+
+
= =
(mm)

la bán kính trung bình đầu nhỏ

Thay vào (2-1):
0 0
22 26,5
90 arccos 135
31 40

+
= + =
+
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)
Giá trị của

trong hai biểu thức trên tính theo độ.

Trong đó:
p
j
: Lực quán tính của nhóm piston
Ta có : p
j
= m
np
.R.
2

.(1+

)
+ Với:
m
np
:Khối lợng nhóm piston.
m
np
= m
p
+m
1
=2,5+1,2=3,7 (kg)
+

: Tham số kết cấu;

=R/l=S/2l=124/2.210= 0,295

=
30
.
N
n

:


=
30
.
N
n

=
.1800
189
30

=
(rad/s)
R=S/2=124/2=62 (mm)
Thay vào (2-3) :

p
j
= 3,7.62.10

3
.189
2
.(1+ 0,295) = 0,009738 (MN)

11
SVTH :V Vn Li Lp :LK8
11
Trờng ĐHSPKT Hng Yên
Khoa :Cơ khí Động Lực ỏn mụn hc


: Bán kính trung bình đầu nhỏ;

=
1 2
22 31
26,5
2 2
r r+ +
= =
(mm)
Do ó:M
A
= 0,009738.26,5.10
3
.(0,00033.135
0
- 0,0297) = 3,82.10
-6

(MNm)
N
A
= 0,009738.(0,572 - 0,0008.135
0
) = 4,12.10
-3
(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
3
0,009738
0,2
2.26,5.10

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

(2-4)

Lực kéo:
N
j
= N
A
cos
x

+0,5P
j
(
x

cos1
) (2-5)
- Khi
)90(
0

x

ta có :

12
SVTH :V Vn Li Lp :LK8
12
Trờng ĐHSPKT Hng Yên
Khoa :Cơ khí Động Lực ỏn mụn hc

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



(2-6)
Lực kéo: N
j
= N
A
cos
x

+0,5P
j
(
xx

cossin
)
Từ các biểu thức (2-4) và (2-5), 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
=3,82.10
-6

+ 4,12.10
-3
.26,5.10
3
(1- cos135
0
) - 0,5. 0,01061.26,5.10
-3
.(sin135
0
-
cos135
0
) = 1,82.10
-5
(MN.m)
N
jc
=4,12.10
-3
cos135
0
+0,5. 0,009738. (sin135
0
- cos135
0
)=0.00337 (MN)
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 đ-
ợc xác định bằng biểu thức:

bbdd
dd
FEFE
FE
+
=

(2-7)
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. 10
5
(MN/m
2
)
F
d
: Tiết diện dọc của đầu nhỏ thanh truyền
F
d
= l
1d
.(d
2
- d
1
)=32.10
-3
.(62.10
3
- 44.10
3
)= 216.10
-6
(m
2

)
+ Với:
l
1d
: Chiều dài đầu nhỏ thanh truyền; l
1d
=32 (mm)
d
1
: Đờng kính trong đầu nhỏ : d
1
=44 (mm)
d
2
: Đờng kính ngoài đầu nhỏ: `d
2
= 62 (mm)
F
b
: tiết diện dọc của bạc lót.
F
b
= l
d1.
(d
1
- d
cp
)=32.10
-3

(44.10
3

- 37.10
3

) = 720.10
-6
(m
2
)
Vi d
cp
=37 (mm).
Thay s vo ta c :
13
SVTH :V Vn Li Lp :LK8
13
Trờng ĐHSPKT Hng Yên
Khoa :Cơ khí Động Lực ỏn mụn hc

5 6
5 6 5 6
2,2.10 .216.10
0,865
2,2.10 .216.10 1,15.10 .720.10



= =

+
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[




+
+
+
=
(2-8)
Thay vào (2-8 ) ta đợc:
3 3
5 3
3 3 3 3 3
6.26,5.10 10.10 1

[2.1,82.10. 0,865.3,7.10 ] 44
10.10 .(2.26,5.10 10.10 ) 32.10 .10.10
nj




+
= + =
+
(MN/m)
S là chiều dày đầu nhỏ. S= r
2
-r
1
=31-22=9 (mm)
Trên mặt trong :
sl
N
ss
s
M
d
Jjtj
1
1
]
)2(
6
2[

+


=
(2-9)
Thay s vo ta c :
3 3
5 3
3 3 3 3 3
6.26,5.10 10.10 1
[ 2.1,82.10. 0,865.3,7.10 ] 26
10.10 .(2.26,5.10 10.10 ) 32.10 .10.10
tj





= + =

(MN/m
2
)

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 (Hình 2.3)
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.
14
SVTH :V Vn Li Lp :LK8
14
Trờng ĐHSPKT Hng Yên
Khoa :Cơ khí Động Lực ỏn mụn hc

P

= P
kt
+ P
jp
= p
t
.F
p
+ m
np
.R
2

(1 +

) (2-10)

P

= 6,2.0,00882+ 3,7.62.10
3

.189
2
.(1+ 0,295) = 0,076 (MN)
Trong ó F
p
: Diện tích đỉnh piston; F
p
=
2 2
.106
0,00882
4 4
D

= =
(m
2
)
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:

= 135
0
thì:


P
N
A
= 0,006

=

P
M
A
0,0025

N
A
= 0,006.P

= 0,006.0,076 = 0,45.10
-3
(MN)
M
A
= 0,0025. P

.

.= 0,0025.0,076.26,5.10
-3
=5,51.10
-6
(MN.m)
Hình 2.4 Sơ đồ tác dụng lực trên đầu nhỏ thanh truyền.
M
z
= M
A
+ N

A
.
)cos
1
sin
2
sin
()cos1(
xx
xx
x
P








(2-13)
15
SVTH :V Vn Li Lp :LK8
15
Trờng ĐHSPKT Hng Yên
Khoa :Cơ khí Động Lực ỏn mụn hc

N
z
= N

A
.
)cos
1
sin
2
sin
(cos
xx
xx
x
P






+

Trong công thức trên

tính theo radian, chọn

= (rad)

M
z
=5,51.10
-6

+0,456.10
-4
.226,5.10
3
(1-cos
4
.3

)-0,076.26,5.10
3
.(
3 3
sin
3 1 3
4 4
sin .cos
2 4 4




)= -7,6.10
-5
(MN.m)
N
z2
=0,456.10
-4
.cos
4

.3

+0,076.(
4
3
cos.
1
4
3
sin
4
3
4
3
3
sin







)= 3,33.10
-6
(MN)

Nh đã phân tích 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 (2-12) và (2-13), 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).

nz


= [2.(-7,6.10
-5
).
3 3
3
3 3 3
6.26,5.10 9.10
0,865.3,33.10
9.10 .(2.26,5.10 9.10 )



+
+
+
].
3 3
1
34
32.10 .9.10

=
(MN/m
2
)

tz

=[-2.(-7,6.10
-5
).
3 3
3
3 3 3
6.26,5.10 9.10
0,865.3,33.10
9.10 .(2.26,5.10 9.10 )




+

].
3 3
1
19,3
32.10 .9.10

=

(MN/m
2
)

16
SVTH :V Vn Li Lp :LK8
16
Trờng ĐHSPKT Hng Yên
Khoa :Cơ khí Động Lực ỏn mụn hc

Hình 2.5. ứng suất trên đầu nhỏ thanh truyền khi chịu nén
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 to thanh truyền.
Độ biến dạng của đầu nhỏ khi chịu nhiệt độ là:
1
.)( dt
ttbt

=
(2-14)
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).

04,09,40.120).10.110.8,1(
55
==

t
(mm)
Độ dôi lắp ghép giữa bạc lót và đầu nhỏ thanh truyền


0,0035.d
cp
=0,0035.37=0,15 (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
) (2-15)
Trong đó:
d
2
: Là đờng kính ngoài của đầu nhỏ (mm); d
2
= 62 (mm)
d
b
: Đờng kính trong của bạc lót (mm);d
b
= 44-6=38 (mm)
d
1
: Đờng kính trong đầu nhỏ; d
1
= 44 (mm)

E
tt
, E
b
: mô đun đàn hồi của vật liệu thanh truyền và bạc lót.
E
tt
= 2,2.10
5
MN/m
2
; E
tt
= 1,15.10
5
MN/m
2
17
SVTH :V Vn Li Lp :LK8
17
Trờng ĐHSPKT Hng Yên
Khoa :Cơ khí Động Lực ỏn mụn hc


P =
3
2 2 2 2
2 2 2 2
3
5 5

0,15.10 0,04
.
62 44 44 38
0,3 0,3
62 44 44 38
44.10 [ ]
2,2.10 1,15.10


+
+ +
+

+
n


26 (MN)
ứngsuất 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)

3 2
3) 2 3 2
2.(44.10 )
26 52
(62.10 ) (44.10 )
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)


3 2 3 2
3 2 3 2
(62.10 ) (44.10 )
26. 78
(62.10 ) (44.10 )
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:

nAnj

+=
max


nAnz

+=

min
+ Với:

nj

: ứng suất kéo trên mặt ngoài đầu nhỏ;
nj

=57 (MN/m
2
)
18
SVTH :V Vn Li Lp :LK8
18
Trờng ĐHSPKT Hng Yên
Khoa :Cơ khí Động Lực ỏn mụn hc

ứng suất biến dạng trên mặt ngoài đầu nhỏ;
n

= 102 (MN/m
2
)
ứng suất tổng gây ra trên đầu nhỏ khi chịu nén;
nz

=-34 (MN/m
2
)

max
57 102 159

= + =
(MN/m
2
)

min
34 102 68

= + =
(MN/m
2
)
Thay vào (2-19) và (2-20) ta đợc:
159 68
113,5
2
a

+
= =
(MN/m
2
)

159 68

45,5
2
m


= =
(MN/m
2
)
1

: Giới hạn bền mỏi trong chu trình không đối xứng, với vật liệu thép hợp kim
0

: Độ bền kéo.
( tra bảng 1-3 trang 31, sách Chi tiết máyT1 -Nguyễn Trọng Hiệp) ta đợc
1

=
200(Mpa) ;
0

= 460 (Mpa)




=
2.200 460
0,13

460

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

260
4,29
45,5 ( 0,13).113,5


= =
+

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
=
3 3 3
32.10 .(9.10 )
12

=3.10
-6
MN/m
4
+ Với:
l
1d
: Chiều dài đầu nhỏ thanh truyền; l
1d
= 32 (mm)
s: Chiều dày đầu nhỏ; s = 9 (mm)
P
jnp
: Lực quán tính của khối lợng nhóm piston
P
jnp
= m
np

.R.
2

.(1 +

)
19
SVTH :V Vn Li Lp :LK8
19
Trờng ĐHSPKT Hng Yên
Khoa :Cơ khí Động Lực ỏn mụn hc



P
jnp
=3,7. 62.10
3
.189
2
.(1+ 0,295) = 0,008887 (MN)
Thay vào (2-22) ta đợc:

3
653
20093
10.0048,0
10.3.10.2,2.10
)90135(10.58.009738,0

=

=

(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

=0,076 (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
=44 (mm)
h
1
=0,668.H
1
=29 (mm)
b/2=0,292.H
1
=13 (mm)
B
1
=0,75.H
1
=33 (mm)

F
min
=44.10
-3
.33.10
-3
29. 10
-3
.13.10
-3
= 1,278.10
3

(m
2
)
Thay vào (2-23) ta có:

1,59
10.278,1
076,0
3
==

n

(MN/m
2
)
20
SVTH :V Vn Li Lp :LK8
20
Trờng ĐHSPKT Hng Yên
Khoa :Cơ khí Động Lực ỏn mụn hc

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
=3,7(kg);
m
1
là khối lợng thanh truyền quy dẫn về đầu nhỏ m
1
=1.2

P
jd
= (3,7+ 1,2). 62.10

3

.189
2
.(1+ 0,295) = 0,009738 (MN)
Thay vào (2-24) ta đợc:
6,7
10.278,1
009738,0
3
==

k

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

)()(
2
1
knkn





++
=

(2-25)


2.200
12,4
(59,1 7,6) ( 0,13)(59,1 7,6)


= =
+ +

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
jtb
= (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 (2-6)
21
SVTH :V Vn Li Lp :LK8
21
Trờng ĐHSPKT Hng Yên
Khoa :Cơ khí Động Lực ỏn mụn hc



Hình 2.6. Sơ đồ tính toán thân thanh truyền

P
jtb
= (3,7+1,825).70.10
3
.157
2
.(1+ 0,274) = 0,009738 (MN)
F
tb
: tiết diện trung bình của thân thanh truyền, lấy F
tb
=
2
minmax
FF
+
Với: F
min

=1,278.10
3

(m
2
): Tiết diện nhỏ nhất của thân thanh truyền
F
max
=H
2
.B
2
-h
2
.
2
2
b
= 65.10
3 3 3 3 3
.49.10 65.10 .24,5.10 3,1.10

=
(m
2
)
Chon: H
2
=0,8.D1=0,8.82=65
B

2
=0,75.H
2
=0,75.65=49 (mm)

F
tb
=
3
33
10.2,2
2
10.1,310.278,1


=
+
(m
2
)
Thay vào (2-26) ta đợc:
14,4
10.2,2
0,009738
3
==

K

(MN/m

2
)
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)
22
SVTH :V Vn Li Lp :LK8
22
Trêng §HSPKT Hng Yªn
Khoa :C¬ khÝ §éng Lùc Đồ án môn học

⇒
P
=
Σ

0,076
J: m« men qu¸n tÝnh cña tiÕt diÖn th©n thanh truyÒn.
§èi víi trôc x - x ta cã:
J
x
=
12
33
bhBH −
(m
4
)
(2-29)
§èi víi trôc y- y ta cã:
J
y
=
12
)()(
33
bBhBhH −+−
(m
4
)
(2-30)
+ H =
3 3
3
1 2
44.10 65.10

54,5.10
2 2
H H
− −
−
+ +
= =
(m)
+ B=0,75.H=0,75.54,5.10
-3
=41.
(m)
+ b=
3
1 2
13 16
14,5.10
2 2
b b
−
+
+
= =
(m)
+h=
3 3
3
1 2
29.10 43.10
36.10

2 2
h h
− −
−
+ +
= =
(m)
Thay vµo (2-29) vµ (2-30) ta ®îc:
J
x
=
3 3 9 3 3 9
6
41.10 .54,5 .10 14,5.10 .36 .10
0,76.10
12
− − − −
−
−
=
(m
4
)
3 3 3 9 3 3 3 3
6
(54,5.10 36.10 ).41 .10 36.10 .(41.10 14,5.10 )
0,23.10
12
y
J

− − − − − −
−
− + −
= =
(m
4
)
i : lµ b¸n kÝnh qu¸n tÝnh cña tiÕt diÖn.
§èi víi trôc x-x ta cã:I
x
=
tb
x
F
J
⇒
I
x
=
3
6
10.2,2
10.76,0
−
−
=0,018 (m)
§èi víi trôc y – y ta cã: I
y
=
tb

y
F
j
⇒
I
y
=
3
6
10.2,2
10.23,0
−
−
=0,00122 (m)
Trong ®ã:
23
SVTH :Vũ Văn Lợi Lớp :ĐLK8
23
Trờng ĐHSPKT Hng Yên
Khoa :Cơ khí Động Lực ỏn mụn hc

:
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
= 1 ; 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)
D
1
, d
1
: Đờng kính trong đầu to và đầu nhỏ; D
1
= 82(mm), d
1
=44(mm)
l = 95(mm) (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
2 6
2
210 .10
1,6
0,018

=
K
y
=
2
1
2
.1
y
i
l
C+

K
y
= 1 + 3.10
-4
2
62
0122,0.4
10.255

=1,35

Thay vào (2-31) và (2-32) ta đợc:

556,1.
10.3
076,0
3
=

x

(MN/m
2
)

4735,1.
10.3
076,0
3
==

y

(MN/m
2
)
Thỏa mãn ứng suất cho phép của thân thanh truyền nh sau:
- Đối với thanh truyền thép hợp kim : 120 180 (MN/m
2
)
24

SVTH :V Vn Li Lp :LK8
24
Trờng ĐHSPKT Hng Yên
Khoa :Cơ khí Động Lực ỏn mụn hc

2.2.3. Tính sức bền đầu to thanh truyền.
Do kết cấu đầu to có tiết diện thay đổi phức tạp, nên tính toán mang tính chất gần
đúng.
Lực tính toán là hợp lực của lực quán tính vận động tịnh tiến và vận tốc quay của
đầu to không kể đến nắp, tính tại vị trí DCT:
P
d
= M
tt
R
2

(1+

) + (M
2
- M
n
)R

2
; (MN)
Trong đó:
M
tt

=3,8(kg) : Khối lợng chuyển động tịnh tiến của thanh truyền
M
2
, M
n
tơng ứng là khối lợng quy về đầu to, khối lợng nắp đầu to (kg).
Để đơn giản cho tính toán ta giả thiết : M
2
- M
n
=2,87-0,7175= 2,15(kg)
l
d2
=(0,45-0,95)d
ck
. Chọn l
d2
=0,9.74 = 66 (mm)
0,295

=
: Thông số kết cấu

P
d
=3,8.62.10
3 2 3 2
.189 (1 0,295) 2,15.62.10 .189 0,011271

+ + =

(MN)
Tính sức bền đầu to thanh truyền theo phơng pháp của Kinaxotsvili với các giả thiết
sau:
- Đầu to coi nh một khối nguyên, không xét đến mối ghép.
- Tiết diện ngang đầu to coi nh không đổi bằng tiết diện giữa của nắp.
- Khi lắp căng bạc lót đầu to với đầu to thì bạc lót và đầu to đồng thời cũng biến -
dạng nh nhau. Do đó, mô men tác dụng tỷ lệ với mô men quán tính của tiết diện,
còn lực tác dụng tỷ lệ với diện tích tiết diện.
- Coi đầu to nh một dầm cong tiết diện không đổi, ngàm một đầu ở tiết diện B-B
ứng với góc
0

, thông thờng
0

= 40
0
. Dầm ngàm một đầu đó có đợc do cắt bỏ một
nửa của đầu to và thay thế sự ảnh hởng của nó bằng giá trị mô men uốn M
a
và lực
pháp tuyến N
A
tại tiết diện cắt bỏ (A-A). Dầm có bán kính cong bằng một nửa
khoảng cách giữa 2 đờng tâm lỗ lắp ghép bu lông thanh truyền.
- Lực phân bố trên dầm cong của đâu to (gây ra lực P
đ
) theo quy luật đờng
côsnnuýt.
P =

cos
4
C
P
d
Trong đó:
C: khoảng cách giữa 2 đờng tâm lỗ bu lông:
C = (1,2-1,3).d
ck
(mm)
chọn C=1,25.74 =93 (mm)

: góc lệch so với đờng tâm thanh truyền.
Mô men uốn và lực pháp tuyến thay thế tại tiết diện A-A đợc tính theo biểu thức
sau:
25
SVTH :V Vn Li Lp :LK8
25