đồ án kết cấu của một số cơ cấu phối khí hiện đại và tính toán, kiểm nghiệm cơ cấu phân phối khí

Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 1
LỜI NÓI ĐẦU
Động cơ đốt trong ngày nay đang phát triển rất mạnh mẽ cả về số lượng lẫn chất
lượng, nó đóng một vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực kinh tế, xã hội, khoa học
công nghệ Là nguồn động lực cho các phương tiện vận tải như ôtô, máy kéo, tàu thuỷ,
máy bay và các máy động cơ cở nhỏ v.v
Đối với một sinh viên kỹ thuật, đồ án tốt nghiệp đóng một vai trò rất quan trọng. Đề tài
tốt nghiệp em chọn là “Phân tích kết cấu của một số cơ cấu phối khí hiện đại và tính
toán, kiểm nghiệm cơ cấu phân phối khí của động cơ 1ZZ-EF trên xeInova ” Tuy là
một đề tài quen thuộc đối với sinh viên nhưng mục đích của đề tài rất thiết thực, nó
không những giúp cho em có điều kiện để ôn lại các kiến thức đã học ở trường mà còn có
thể hiểu biết kiến thức nhiều hơn khi tiếp xúc với thực tế. Cơ cấu phân phối khí của động
cơ 1ZZ-EF có nhiều đặc điểm mới lạ. Do đó việc thiết kế động cơ này thật sự đã đem đến
cho em nhiều điều hay và bổ ích.
Được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy Bùi Hà Trung các thầy cô trong
khoa cùng với việc tìm hiểu, tham khảo các tài liệu liên quan và vận dụng các kiến thức
được học, em đã cố gắng hoàn thành đề tài này. Mặc dù vậy, do kiến thức của em có hạn
lại thiếu kinh nghiệm thực tế nên đồ án sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Em mong
các thầy cô góp ý, chỉ bảo thêm để kiến thức của em ngày càng hoàn thiện hơn.
Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 1
Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF
Cuối cùng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn " Bùi Hà Trung ”
cùng các thầy cô trong khoa và các bạn đã nhiệt tình giúp đỡ để em có thể hoàn thành đồ
án này.

Sinh viên thực hiện
Trịnh Văn Tùng
Lê Văn Ước
I. Mục đích và ý nghĩa của đề tài:

Xuất hiện sớm tại Việt Nam với những chiếc Toyota Crown sang trọng dành cho các
quan chức cao cấp vào những năm 90 của thế kỷ trước, hiện nay, sản phẩm của Toyota
đã trở nên phổ biến, đa dạng và phong phú hơn rất nhiều. Giá cả, chất lượng và dịch vụ là
những ưu tiên hàng đầu mà Toyota dành cho người tiêu dùng, chính vì thế, sẽ không là
ngạc nhiên khi trên đường phố Việt Nam, cứ 10 ôtô thì có chừng 4 chiếc mang thương
hiệu Toyota. Hiện là công ty lớn thứ hai trên thế giới sau tập đoàn ôtô khổng lồ General
Motors, Mỹ, và là công ty đứng đầu thị trường ôtô Việt Nam, với các dòng xe tiêu biểu
như Camry, Inova, Hiace, Corolla Altit, Vios… Sự thành công của TOYOTA là nhờ
được trang bị các hệ thống hiện đại như hệ thống chống bó cứng phanh (ABS), hệ thống
phân phối lực phanh điện tử (EBD), nội thất rộng rãi sang trọng và tinh tế. Đặc biệt là hệ
thống điều khiển van biến thiên VVTI của TOYOTA cho phép tối ưu hóa thời gian, thời
điểm, góc đóng mở của xupáp làm tăng công suất động cơ, tiết kiệm nhiên liệu, thân
thiện với môi trường là xu thế mới là tiêu chí hàng đầu trong lĩnh vực nhiên. Đó là lý do
em chọn đề tài “Phân tích kết cấu của một số cơ cấu phối khí hiện đại và tính toán,
kiểm nghiệm cơ cấu phân phối khí của động cơ 1ZZ-EF trên xeInova’’.
Trong đề tài này em tập trung vào vấn đề Khai thác kết cấu và tính toán nhiệt.Tính
toán, thiết kế các chi tiết hệ thống phối khí.Thông qua việc làm đề tài này đã góp phần
cho em củng cố lại các kiến thức đã được học và tập cho em cách nghiên cứu làm việc
độc lập tạo điều kiện thuận lợi cho công việc sau này của người kỹ sư tương lai.
Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 2
Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF
I I. TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ
2.1 Nhiệm vụ , yêu cầu và điều kiện làm việc :
a. Nhiệm vụ :
Hệ thống phân phối khí có nhiệm vụ dùng để thực hiện quá trình thay đổi khí. Thải sạch
khí thải ra khỏi xylanh và nạp đầy hỗn hợp hoặc khí mới vào xylanh để động cơ làm việc
liên tục.
b. Yêu cầu :
- Đảm bảo thải sạch và nạp đầy
- Các xupap phải đóng mở đúng thời điểm quy định

- Độ mở phải đủ lớn để dòng khí dễ lưu thông
- Các xupap phải kín khít, tránh để lọt khí trong quá trình nén và giản nở.
- Hệ thống phải làm việc êm dịu, tin cậy, công chi phí thấp.
c. Điều kiện làm việc :
Trong quá trình làm việc, mặt nấm xupap chịu phụ tải động và phụ tải nhiệt rất lớn. Lực
khí thể tác dụng trên diện tích mặt nấm xupap có thể lên đến 10.000 đến 20.000 N,trong
động cơ cường hóa và tăng áp, lực này có thể tăng đến 30.000 N.Hơn nữa mặt nấm xupap
luôn luôn va đập mạnh với đế xupap nên rất dễ biến dạng. Do xupap trực tiếp tiếp xúc
với khí cháy nên xupap còn phải chịu nhiệt độ rất cao. Nhiệt độ của xupap thải trong
động cơ xăng thường đạt 800-850
0
C, trong động cơ diezel là 500-600
0
C. Nhất là trong
kỳ thải, nấm và thân xupap phải tiếp xúc với dòng khí thải có nhiệt độ rất cao, vào
khoảng 700-900
0
C đối với động cơ diezel còn ở động cơ xăng thì cao hơn 1100-1200
0
C.
Hơn nữa tốc độ dòng khí thải rất lớn, mới bắt đầu thải có thể đạt được 400-600 m/s nên
khiến cho xupap nhất là xupap xả thường dễ bị quá nóng và bị dòng khí ăn mòn. Ngoài ra
trong nhiên liệu có lưu huỳnh nên khi cháy tạo axit ăn mòn mặt nấm xupap. Vì vậy vật
Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 3
Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF
liệu dùng để chế tạo xupap phải có sức bền cơ học cao, chịu nhiệt tốt, chống được ăn
mòn hóa học và hiện tượng xâm thực của dòng khí thải có nhiệt độ cao.
Tăng tổn thất khí động. Do có nhiều hạn chế nên người ta chỉ sử dung phương án
này cho các loại động cơ xăng có tỉ số nén thấp (<7,5) và số vòng quay không cao lắm.
2.2. Cơ cấu phân phối khí cổ điển:

2.2.1 . Cơ cấu phân phối khí dùng xupap treo :
Cơ cấu phân phối khí có xupap treo ( Hình 1.1), các xupap được bố trí ở phía trên của
nắp máy. Hệ thống nạp xả này được dùng hầu hết trong động cơ diesel và động cơ cơ
xăng có tỷ số nén cao. Cơ cấu xupap treo gồm: trục cam, con đội, đũa đẩy, đòn gánh, lò
xo, ống đẫn hướng và đế xupap.
Đối với cơ cấu xupap treo có trục cam đặt ở phía trên nắp máy. Thì có thể không có đũa
đẩy mà thay vào đó là xích hoặc bánh răng. Và có thể có hoặc không có đòn gánh. Khi
trục cam quay, cam sẽ truyền chuyển động tịnh tiến cho con đội làm cho đũa đẩy chuyển
động tịnh tiến do đó làm cho đòn gánh quay quanh trục đòn gánh. Đầu đòn gánh sẽ đè lên
đuôi xupap làm cho xupap chuyển động tịnh tiến đi xuống mở cửa nạp và xả để thực hiện
quá trình trao đổi khí. Vào lúc cam không đội con đội thì lò xo xupap sẽ giãn ra, làm cho
xupap chuyển động đi lên đóng cửa nạp và xả lại để thực hiện quá trình nén, cháy, giãn
nở và sinh công. Ở tư thế này, lúc máy còn nguội, giữa đầu đòn gánh và đuôi xupap sẽ có
khe hở, gọi là “khe hở nhiệt”. Nhờ nó, khi máy làm việc, do nóng lên, xupap có giãn nở,
buồng đốt cũng không bị, hở nhiệt.
Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 4
Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF
Hình 2.1. Cơ cấu phân phối khí xupap treo
1- Cò mổ. 2- Đũa đẩy. 3- Xupap. 4- Con đội. 5- Trục cam.
2.2.2. Cơ cấu phân phối khí xupáp treo dẫn động xupáp trực tiếp nhờ trục cam:
* Nguyên lý làm việc: Khi động cơ làm việc thông qua cơ cấu truyền động đến trục cam
6 làm cho trục cam 6 quay. Khi bề mặt làm việc của cam 6 tác động vào con đội 5 làm
cho nó chuyển động đi xuống, tác động vào đuôi xupáp 1 làm cho xupáp 1 chuyển động
đi xuống dẫn đến mở thông cửa nạp với bên trong xi lanh nếu như ở xupáp nạp và bên
trong xi lanh với bên ngoài cửa xả nếu như ở xupáp xả, lúc này lò xo 3 bị nén lại. Khi
bề mặt Khi bề mặt làm việc của cam 6 không tác động vào con đội 5 lúc này nhờ lực đẩy
lò xo 3 làm cho xupáp 1 chuyển động đi lên và đóng kín không cho thông giữa bên trong
xilanh với bên ngoài cửa nạp hoặc cửa xả.
- Ưu điểm:
+ Kết cấu gọn

+ Làm việc ít tiếng ồn, có độ chính xác cao.
- Nhược điểm:
+ Cơ cấu dẫn động trục cam phức tạp, yêu cầu độ chính xác chế tạo và lắp ghép
Hình 2.2- Kết cấu xupáp treo dẫn động trực tiếp;
1-Xupáp; 2-Ống dẫn hướng; 3-lò xo xupáp; 4-Đĩa lò xo;
5-Con đội; 6-Cam; 7-Móng hãm; 8-Đế xupáp
2.2.3. Cơ cấu phân phối khí có xupap đứng (xupap đặt):
Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 5
8
7
1
2
3
6
4
5
Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF
Cơ cấu phân phối khí có xupap đứng trình bầy trên hình 1.2, loại này thường dùng ở
máy xăng.
Hình 2.3 Cơ cấu phân phối khí có xupap đứng.
1 –đế xupap; 2 – xupap; 3- ống dẫn huớng xupap; 4 – lò xo xupap;5– móng
hãm hình côn; 6 – đĩa chặn lò xo; 7 – bulông điều chỉnh;; 8– con đội; 9– trục cam.
Ở đây không có đũa đẩy, đòn gánh, con đội 8 trực tiếp truyền động cho xupap 2. Thay
đổi chiều cao tuyệt đối của con đội bằng bu lông 7 và ốc hãm sẽ điều chỉnh được khe hở
nhiệt. Loại hệ thống nạp xả có xupap đứng này làm tăng diện tích buồng đốt nhưng ít chi
tiết hơn so với loại xupap treo do đó độ tin cậy khi làm việc của loại này cao hơn hệ
thống nạp xả có xupap treo. Và an toàn hơn loại xupap treo, vì giả sử móng hãm xupap
có tuột ra, xupap cũng không rơi vào xylanh, không gây hư hỏng cho piston, xylanh đặc
biệt khi khi động cơ đang làm việc.
2.2.4. Nhược điểm của cơ cấu phân phối khí cổ điển:

Do tính chất của hòa khí và sau khi cháy mà 3 thông số thời điểm, độ nâng và thời
gian mở của các xupáp ở tốc độ thấp và tốc độ cao rất khác nhau. Đối với động cơ cổ
điển thì công suất và mô-men xoắn cực đại ở tốc độ nào của xe thì phụ thuộc vào điều
kiện sử dụng của xe đó. Nếu đặt điều kiện hoạt động tối ưu của các xupáp ở tốc độ thấp
Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 6
Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF
thì quá trình đốt nhiên liệu lại không hiệu quả khi động cơ ở trạng thái tốc độ cao, khiến
công suất chung của động cơ bị giới hạn. Ngược lại, nếu đặt điều kiện tối ưu ở số tốc độ
cao thì động cơ lại hoạt động không tốt ở tốc độ thấp. Từ những hạn chế đó, thì cơ cấu
phối khí hiện đại ra đời với ý tưởng là tìm cách tác động để thời điểm mở van, độ mở và
khoảng thời gian mở biến thiên theo từng vòng tua khác nhau sao cho chúng mở đúng
lúc, khoảng mở và thời gian mở đủ để lấy đầy hòa khí vào buồng đốt
2.3. Cơ cấu phân phối khí hiện đại:
2.3.1.Cơ cấu điều khiển pha phối khí (hệ thống điều khiển thời điểm phối khí
VVT-I).
Hình 2.4. Hệ thống VVT-I.
Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 7
Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF
Thông thường thời điểm phối khí được cố định nhưng hệ thống VVT-I dùng áp suất
dầu thủy lực làm soay trục cam dẫn đến thay đổi thời điểm phối khí. Làm tăng công suất
và giảm ô nhiễm.
a). Hoạt động của hệ thống VVT-I
- Khi ở nhiệt độ thấp, khi tốc độ thấp và tải nhẹ, khi tải nhẹ: Thời điểm phối khí của
trục cam nạp được làm trễ lại và độ trùng lặp xuppáp được làm giảm đi để làm giảm
lượng khí xả chạy ngược lại phía nạp.
- Khi tải trung bình hay ở tốc độ thấp và trung bình ở tải nặng: Thời điểm phối khí
được làm sớm lên và độ trùng lặp xuppáp tăng lên, thời điểm đóng xuppáp nạp cũng
được làm sớm lên.
- Khi chạy ở tốc độ cao và tải nặng: Thời điểm phối khí được làm sớm lên và độ trùng
lặp tăng lên, thời điểm đóng xuppáp nạp cũng được đẩy sớm lên.

b). Cấu tạo
Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 8
Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF
Hình 2. 5 Cấu tạo hệ thống VVT-I.
- Bộ điều khiển VVT-I: Bao gồm một bộ vỏ được dẫn động bằng xích cam và các cánh
gạt được cố định trên trục cam. Áp suất dầu được gửi từ phía làm sớm hay làm muộn làm
quay các cánh gạt điều khiển trục cam thay đổi liên tục thời điểm phối khí của trục cam
nạp. Khi động cơ ngừng hoạt động trục cam nạp sẽ chuyển động đến thời điểm muộn
nhất để duy trì khả năng khởi động. Chốt hãm có tác dụng hãm các cơ cấu của hệ thống
VVT-I làm giảm tiếng gõ khi hệ thống ngừng hoạt động.
- Van điều khiển phối khí trục cam: Theo sự điều khiển của ECU điều khiển vị trí của
van ống phân phối áp suất dầu cấp cho VVT-I.
c) Hoạt động
Hệ thống VVT-I gồm ba hoạt động chính:làm sớm thời điểm phối khí, làm muộn thời
điểm phối khí, và giữ nguyên vị trí trục cam.
Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 9
Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF
- Làm sớm thời điểm phối khí: Khi van điều khiển dầu phối khí ở vị trí như trên hình
vẽ áp suất dầu tác dụng lên khoang cánh gạt phía làm sớm thời điểm phối khí.
Hình 2.6 Làm sớm thời điểm phối khí.
- Làm muộn thời điểm phối khí: Khi van điều khiển dầu phối khí ở vị trí như trên hình
vẽ áp suất dầu tác dụng lên khoang cánh gạt phía làm muộn thời điểm phối khí
Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 10
Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF
Hình 2.7. Làm muộn thời điểm phối khí.
- Giữ nguyên thời điểm phối khí:
Hình 2.9. Giữ thời điểm phối khí
Khi ECU tính toán góc phối khí chuẩn theo tình trạng làm việc hiện hành. Van điều
khiển dầu phối khí trục cam duy trì đường dầu đóng
2.3. 2 Cơ cấu điều khiển hành trình xuppáp (Hệ thống VVTL-I).

Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 11
Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF
Hệ thống này dựa trên hệ thống VVT-I và áp dụng cơ cấu đổi vấu cam để thay đổi hành
trình xuppáp. Điều này cho phép đạt được công suất cao mà không ảnh hưởng đến tính
kinh tế nhiên liệu cũng như ô nhiễm khí xả.
Hình 2.10. Cơ cấu điều khiển hành trình xuppáp.
2.2.1Sơ đồ cấu tạo
- Van điều khiển dầu cho VVTL-I: Van điều khiển dầu cho VVTL-I điều khiển áp suất
dầu cung cấp đến phía cam tốc độ cao của cơ cấu chuyển vấu cam.
- Trục cam và cò mổ: Để thay đổi hành trình Xuppáp trục cam có hai loại vấu cam, vấu
cam tốc độ cao và vấu cam tốc độ thấp cho mỗi xylanh. Cơ cấu chuyển vấu cam được lắp
bên trong cò mổ giữa xup páp và vấu cam. Áp suất dầu từ van điều khiển dầu của VVT-L
đến lỗ dầu trong cò mổ, và áp suất này đẩy chốt hãm bên dưới chốt đệm. Nó cố định chốt
đệm và ấn khớp cam tốc độ cao. Khi áp suất dầu ngừng tác dụng, chốt hãm được trả về
Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 12
Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF
bằng lực của lò xo và chốt đệm được tự do và có thể di chuyển tự do theo phương thẳng
đứng, vấu cam tốc độ cao bị vô hiệu hóa.
2.2.2 Nguyên lý hoạt động
Hình2.11Hoạt động tại tốc độ thấp
Trục cam nạp và xả có các vấu cam với hai hành trình khác nhau cho từng xylanh, và
ECU động cơ chuyển những vấu cam hoạt động bằng áp suất dầu.
- Tốc độ thấp và trung bình (V
đc
< 6000v/p): Van điều khiển dầu mở phía xả. Do đó
áp xuất dầu không tác dụng lên cơ cấu chuyển vấu cam. Chốt hãm có thể chuyển động
tịnh tiến theo phương thẳng đứng, vấu cam tốc độ cao bị vô hiệu hóa, xu páp được dẫn
động bằng vấu cam tốc độ thấp và trung bình.
- Tốc độ cao(V
đc

> 6000v/p, nhiệt độ nước làm mát cao hơn 60
o
c): Phía xả của van
điều khiển dầu được đóng lại, áp suất dầu tác dụng lên phía cam tốc độ cao của cơ cấu
Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 13
Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF
chuyển vấu cam. Áp suất dầu ấn chốt hãm bên dưới chốt đệm và cò mổ giữ chốt đệm và
cò mổ. Cam tốc độ cao tác dụng cò mổ trước khi cam tốc độ thấp và trung bình tác dụng
đến con lăn. Lúc này xup páp được dẫn động bằng cam tốc độ cao.
Hình 2.12 Hoạt động tại tốc độ cao
III. tính toán và kiểm ngiệm hệ thống phối khí động cơ TOYOTA 1ZZ-EF
Động cơ 1ZZ-EF do hãng TOYOTA sản xuất, được lắp trên xe TOYOTA COROLA
ASTIT. 1ZZ-EF là động cơ xăng với 4 xilanh được đặt thẳng hàng, 16 xupáp. Các xupáp
đựợc dẫn động trực tiếp từ cam. Cam được đặt trên nắp máy, gồm 2 trục cam dẫn động
Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 14
Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF
xupáp (DOHC). Z6 tích hợp hệ thống điều khiển van biến thiên VCT (Variable Cam
Timing) cho phép tối ưu hóa thời gian, thời điểm, góc đóng mở của xupáp làm tăng công
suất động cơ, tiết kiệm được nhiên liệu. Dùng hệ thống phun xăng điện tử theo chu kỳ.
Với những cải tiến này mang lại cho động cơ hoạt động tốt nhất ở mọi chế độ.
`
Hình 3-1 Mặt cắt động cơ 1ZZ-EF
1 – Các te; 2 – Lọc dầu bôi trơn; 3 - Ống dẫn dầu bôi trơn; 4 – Trục khuỷu; 5 – Bánh xích
đầu trục khuỷu; 6 – Buly trục khuỷu; 7 – Xích dẫn động; 8 – Bánh xích dẫn động trục
cam; 9 – Trục cam; 10 – Đường dẫn dầu bôi trơn; 11 – Xupáp; 12 – Con đội; 13 – Đĩa
chặn lò xo; 14 – Lò xo xupáp; 15 - Ống dẫn hướng; 16 – Xilanh; 17 – Đế xupáp; 18 –
Xéc măng; 19 – Chốt piston; 20 – Thanh truyền; 21 – Phớt chắn dầu; 22 – Đuôi trục
khuỷu; 23 – Đai ốc; 24 – Bạc lót; 25 – Chốt khuỷu; 26 –Cổ trục khuỷu.
3.1. Các chi tiết của hệ thống cơ cấu phân phối khí động cơ TOYOTA 1ZZ-EF
Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 15

1
2
11
12 13
14
15
16 17
28
27
26
10
9
25
23
24
19
20
21
22
18
8
6
7
4
5
3
Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF
3.1.1. Sơ đồ bố trí xupáp và nguyên lý làm việc của cơ cấu phân phối khí:
Cơ cấu phân phối khí của động cơ dùng xupáp treo vì cơ cấu phân phối khí này có
nhiều ưu điểm hơn so với cơ cấu phân phối khí xupáp đặt. Ưu điểm của kiểu bố trí này là

làm cho buồng cháy động cơ nhỏ gọn, diện tích mặt truyền nhiệt nhỏ vì vậy giảm được
tổn thất nhiệt. Khả năng chống kích nổ được cải thiện nhiều nên có thể tăng tỷ số nén lên
0,5
÷
2 so với khi dùng cơ cấu phân phối khí xupáp đặt. Cơ cấu phân phối khí dùng
xupáp treo làm cho đường thải và đường nạp thanh thoát hơn làm cho sức cản khí động
giảm nhỏ. Mỗi xilanh của động cơ được bố trí bởi 4 xupáp (2 hút, 2 xả) làm tăng diện
tích tiết diện lưu thông, hệ số nạp tăng lên 5
÷
7% và giảm được đường kính nấm xupáp,
khiến cho các xupáp không bị quá nóng và tăng được sức bền. Các xupáp được bố trí
thành 2 dãy (một dãy xupáp nạp và một dãy xupáp xả). Các đường ống nạp và ống thải
bố trí về một phía để ống thải có thể sấy nóng ống nạp khiến nhiên liệu dễ bay hơi.
* Nguyên lý làm việc: Nguyên lý làm việc của cơ cấu phân phối khí được chia làm
hai quá trình cơ bản sau: Quá trình vấu cam đẩy mở xupáp và quá trình lò xo giãn đóng
kín xupáp.
Quá trình vấu cam đẩy mở xupáp: Khi động cơ làm việc trục khuỷu quay làm cho
bánh xích dẫn động cơ cấu phân phối khí lắp ở đầu trục khuỷu quay theo, thông qua bộ
truyền động xích trung gian (6) dẫn động các bánh xích (10) lắp ở đầu các trục cam do đó
làm cho các trục cam đóng mở xupáp quay. Khi các vấu cam tiếp xúc với con đội (13).
Con đội bắt đầu chuyển động đi xuống tác động vào đuôi xupáp (4) ép lò xo xupáp (15)
nén lại đồng thời xupáp chuyển động đi xuống làm mở các cửa nạp (nếu trong giai đoạn
nạp khí vào xilanh động cơ) và cửa thải (trong quá trình thải) thực hiện quá trình nạp môi
chất mới và thải khí cháy ra ngoài.
Quá trình lò xo giãn đóng kín xupáp: Khi trục cam tiếp tục quay, vấu cam di chuyển
theo cho đến khi đỉnh của vấu cam vượt qua đường tâm con đội. Lúc này con đội (13) bắt
đầu di chuyển đi lên, lò xo xupáp (15) từ từ giãn ra nhờ vào đế chặn lò xo (14) cùng với
các móng hãm (16) đẩy xupáp tịnh tiến về vị trí ban đầu thực hiện quá trình đóng kín
xupáp. Chu trình đóng mở được lặp đi lặp lại như vậy tuân theo chu kì làm việc của pha
phân phối khí.

Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 16
Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF
8
7
1716
15
1413
12
11
9 10
6 45 123
21
22
23
18
20
19
Hình 3-2 Sơ đồ bố trí xupáp.
1 – Xéc măng; 2 – Piston; 3 – Đế xupáp; 4 – Xupáp; 5 – Ống dẫn hướng; 6 – Xích
dẫn động; 7 – Vỏ bộ xoay cam; 8 – Cánh xoay; 9 – Bulông cố định bánh răng cam; 10 –
Đĩa xích dẫn động trục cam; 11 – Đường dẫn dầu bôi trơn; 12 – Trục cam; 13 – Con đội;
14 – Đĩa chặn lò xo; 15 – Lò xo xupáp; 16 – Móng hãm; 17 – Vòng chắn dầu; 18 – Nắp
cổ trục cam; 19 - Vấu cam nạp; 20 – Đường ống hút; 21 – Đường ống xả; 22 – Đế chặn
lò xo; 23 – Vấu cam thải.
3.1.2. Phương án dẫn động trục cam:
Trục cam được bố trí phía trên nắp xilanh, khoảng cách giữa trục cam và trục khuỷu
là rất lớn, nếu dùng phương pháp dẫn động bằng bánh răng sẽ rất phức tạp, cơ cấu dẫn
động trở nên cồng kềnh, khi làm việc sẽ có tiếng ồn, vì thế trong trường hợp này trục
cam được sẽ được dẫn động bằng xích.
Xích được làm bằng thép hợp kim có sức bền rất cao và khi hoạt động không gây nên

tiếng ồn. Loại dẫn động này có nhiều ưu điểm như: Kết cấu gọn nhẹ, có thể dẫn động
được trục cam ở khoảng cách lớn. Tuy nhiên dùng phương án dẫn động này giá thành
cao. Hơn nữa khi phụ tải và tốc độ thay đổi đột ngột xích dễ bị rung động. Sau một thời
Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 17
Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF
gian sử dụng xích thường bị rơ gây nên tiếng ồn và làm sai lệch pha phân phối khí. Để
giữ cho xích luôn được căng phải dùng thêm cơ cấu căng xích. Để chống rung dùng thêm
bộ dẫn hướng cho xích.
Bánh răng dẫn động xích được lắp ở đầu trục khuỷu. Phía đầu trục khuỷu có biên độ
dao động xoắn lớn vì vậy khi lắp theo kiểu này làm cho hệ thống phân phối khí chịu dao
dộng xoắn làm sai lệch pha phân phối và chịu tải trọng phụ do dao động đó gây nên.
Ngoài ra khi trục cam bị ảnh hưởng của dao động xoắn thì góc phun sớm hoặc góc đánh
lửa sớm cũng bị ảnh hưởng. Tuy vậy khi lắp bánh răng ở đuôi trục khuỷu sẽ làm cho kết
cấu dẫn động trở nên phức tạp.
Hình 3-3 Dẫn động trục cam.
1 - Lò xo vấu hãm; 2 – Vấu hãm; 3 – Piston; 4 – Lò xo; 5 – Van bi; 6 – Đĩa xích dẫn
động trục cam nạp; 7 – Đĩa xích dẫn động cam thải; 8 – Bộ căng xích; 9 – Đĩa xích chủ
động; 10 – Xích dẫn động; 11 – Thanh dẫn hướng.
* Nguyên lý làm việc của bộ căng xích: Khi động cơ bắt đầu hoạt động, xích dẫn động
làm việc và căng theo. Trong quá trình hoạt động lâu dài các mắt xích sẽ bị mòn làm cho
độ chùng của xích tăng lên vượt quá giới hạn cho phép. Khi xích chùng đến giới hạn đó
dầu có áp suất cao được đưa vào qua van bi. Dưới áp lực dầu, piston bị ép về phía bên
Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 18
Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF
phải đẩy thanh dẫn hướng xích đi theo và xích được căng ra. Trên piston có khía rãnh,
các khía rãnh này ăn khớp với rãnh trên chốt hãm. Nhờ đó piston sẽ được giữ lại tại vị trí
có độ chùng cho phép khi áp lực dầu không. còn tác dụng. Muốn cho piston trở lại vị trí
ban đầu ta nới lỏng chốt hãm cho piston
trượt trên các rãnh của chốt hãm nhờ vào lực lò xo.
3.1.3. Kết cấu xupáp:

Xupáp là chi tiết trực tiếp cho dòng khí nạp vào buồng đốt và thải khí cháy ra ngoài
với một thời gian ngắn trong một chu kì làm việc của pittông. Trong quá trình làm việc
xupáp chịu phụ tải động và phụ tải nhiệt rất lớn.
Về phụ tải động: Lực khí thể tác dụng lên mặt nấm xupáp từ 10000
÷
20000 N và
chịu tác động của lực quán tính nên khi làm việc luôn bị va đập mạnh với đế xupáp nên
rất dễ gây biến dạng.
Về phụ tải nhiệt: Xupáp xả làm việc trực tiếp với dòng khí thải có nhiệt độ khoảng
1100
÷
1200
0
C và với tốc độ dòng khí vào cỡ 400
÷
600 (m/s), xupáp xả thường quá
nóng và bị xâm thực. Xupáp nạp nhờ dòng khí nạp làm mát nên chịu nhiệt nhỏ hơn xupáp
xả.
Do xupáp làm việc trực tiếp với khí cháy nên vật liệu chế tạo xupáp là các thép hợp
kim chịu nhiệt tốt. Với lớp hợp kim này làm cho xupáp ít mòn và chống được gỉ của mặt
nấm xupáp xả. Chiều dài của xupáp nạp L = 90 (mm), chiều dài của xu páp xả L = 90
(mm).
Kết cấu của xupáp gồm 3 phần chính: Phần nấm xupáp, thân xupáp và phần đuôi.
Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 19
Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF
XUPAP NAP
XU PAP Xa
4
5
°

Ø5.5
4
5
°
Ø5.5
Ø 28
Ø 25
2 2
1.4
1.4
90
90
Hình 3-4 Kết cấu xupáp nạp và xả.
* Phần nấm:
Kết cấu của nấm xupáp chẳng những có ảnh hưởng quyết định đến giá thành chế tạo
xupáp mà còn ảnh hưởng đến độ bền, trọng lượng và tình trạng của dòng khí lưu động
qua họng đế xupáp nữa. Nấm xupáp của động cơ Z6 được ta chọn là loại nấm bằng. Ưu
điểm của loại này là đơn giản dễ chế tạo, có thể dùng cho cả xupáp xả và xupáp nạp.
Mặt làm việc quan trọng của phần nấm là mặt côn có góc độ
α
= 15
÷
45
0
, ta chọn
góc độ
=
α
45
0

. Điều này vừa đảm bảo được độ bền của nấm, vừa đảm bảo tiết diện lưu
thông khi mở xupáp và vừa đảm bảo dòng khí lưu động dễ dàng. Góc
α
này càng nhỏ thì
tiết diện lưu thông càng lớn. Tuy nhiên nếu
α
càng nhỏ thì mặt nấm càng mỏng, độ cứng
vững của mặt nấm càng kém do đó dễ bị cong vênh, tiếp xúc không kín khít với đế
xupáp.
Đôi khi góc của mặt côn trên nấm xupáp còn làm nhỏ hơn góc của mặt côn trên đế
xupáp từ (0,5
÷
1
0
) để xupáp có thể tiếp xúc với đế theo vòng tròn ở mép ngoài của mặt
côn. Làm như vậy có thể đảm bảo tiếp xúc được kín khít dù mặt nấm có bị biến dạng
nhỏ.
Đường kính của nấm xupáp nạp d
nn
= 28 (mm).
Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 20
Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF
Đường kính của nấm xupáp xả d
nt
= 25(mm).
Chiều rộng của mặt côn trên nấm xupáp nạp và thải b= (0,05
÷
0,12) d
n
= 1,4 (mm).

Chiều dày của nấm xupáp nạp bằng (0,08
÷
0,12) d
nn
= 2 (mm).
Chiều dày của nấm xupáp xả bằng (0,08
÷
0,12) d
nt
= 2 (mm).
* Phần thân xupáp:
Thân xupáp có đường kính thích đáng để dẫn hướng tốt, tản nhiệt tốt và chịu được lực
nghiêng khi xupáp đóng mở. Để giảm nhiệt độ cho xupáp người ta có xu hướng tăng
đường kính của thân xupáp và kéo dài ống dẫn hướng đến gần nấm xupáp. Nhưng do
phải đảm bảo tiết diện lưu thông và gọn nhẹ nên thân xupáp cũng không thể làm quá lớn
Thân xupáp nạp và thải có dạng hình trụ dài. Chỗ chuyển tiếp giữa thân và nấm có
góc lượn
Đường kính thân xupáp nạp: d
tn
= (0,16
÷
0,25) d
n
= 0,198.28 = 5,5 (mm).
Đường kính thân xupáp xả: d
tt
= (0,16
÷
0,25) d
n

= 0,223.25 = 5,5(mm).
Chiều dài của thân xupáp tùy thuộc vào cách bố trí xupáp. Nó thường thay đổi
trong phạm vi khá lớn l
t
= (2,5
÷
3,5) d
n
. Chiều dài của thân xupáp cần lựa chọn đủ để
lắp ống dẫn hướng và lò xo xupáp.
Chiều dài thân của xupáp nạp: l
tn
= 2,5.28 = 70(mm).
Chiều dài thân của xupáp xả: l
tt
= 2,75.25 = 68,75 (mm).
* Đuôi xupáp:
Phần đuôi xupáp trực tiếp va đập với con đội do đó mặt trên của phần đuôi phải được
tôi cứng. Ở phần đuôi xupáp có đoạn khoét rãnh để lắp móng hãm.
* Đuôi xupáp:
Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 21
Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF
Phần đuôi xupáp trực tiếp va đập với con đội do đó mặt trên của phần đuôi phải được
tôi cứng. Ở phần đuôi xupáp có đoạn khoét rãnh để lắp móng hãm.


Hình 3-5 Kết cấu phần đuôi xupáp.
Đế chặn lò xo phía trên được lắp với xupáp bằng 2 móng hãm hình côn lắp vào đoạn
có đường kính nhỏ trên đuôi. Mặt phía ngoài của móng hãm ăn khớp với mặt côn của lỗ
đĩa lò xo

Móng hãm được chế tạo dạng hình côn
Kiểu lắp dùng móng hãm có ưu điểm lớn là không gây nên ứng suất tập trung trên
đuôi xupáp. Tuy vậy việc gia công móng hãm rất khó khăn.
3.1.4. Đế xupáp:
Cơ cấu phân phối khí của động cơ đang thiết kế dùng xupáp treo, đường thải và
đường nạp bố trí trong nắp xilanh. Để giảm hao mòn cho thân máy và nắp xi lanh khi
chịu lực va đập của xupáp, người ta dùng đế xupáp ép vào họng đường thải và đường
nạp. Vì thân máy và nắp xilanh được chế tạo bằng hợp kim nhôm nên đế xupáp được ép
cho cả đường nạp và đường thải.
Mặt ngoài của đế là hình trụ trên có vát mặt côn để tiếp xúc với mặt côn của nấm
xupáp. Đế được chế tạo bằng thép hợp kim chịu mài mòn.
Đường kính họng đế xupáp nạp d
hn
= 29,12 (mm).
Đường kính họng đế xupáp xả d
ht
= 24,74 (mm).
Chiều cao của đế xupáp nạp h
n
= (0,18
÷
0,25) d
h
= 0,25.29,12 = 7,28 (mm).
Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 22
Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF
Chiều cao của đế xupáp xả h
t
= (0,18
÷

0,25) d
h
= 0,25.24,74 = 6,185 (mm).
a)
b)
Hình 3-6 Kết cấu đế xupáp.
a) Kết cấu đế xupáp nạp; b) Kết cấu xupáp xả.
3.1.5. Ống dẫn hướng xupáp:
Ống dẫn hướng xupáp làm nhiệm vụ dẫn hướng thân xupáp. Để đảm bảo độ chính xác
thẳng hàng giữa mặt xupáp và bệ đỡ, lỗ dẫn hướng phải trùng tâm với đế xupáp. Để dẫn
hướng được xupáp và để dễ gia công sửa chữa, thay thế cũng như có thể dùng vật liệu tốt
nhằm tăng tuổi thọ, ống dẫn hướng được chế tạo rời rồi lắp vào nắp xilanh. Ống dẫn
hướng được chế tạo bằng loại gang hợp kim CH21-40 có tổ chức péclit. Bôi trơn ống dẫn
hướng và thân xupáp bằng cách tiện rãnh hứng dầu để bôi trơn bằng dầu vung té .Ống
dẫn hướng có kết cấu hình trụ được dùng do tính công nghệ đơn giản .Xupáp được lắp
vào ống dẫn hướng theo chế độ lắp lỏng. Khe hở giữa ống dẫn hướng và thân xupáp phụ
thuộc vào đường kính thân xupáp. Khe hở giữa thân xupáp nạp và ống dẫn hướng (0,005
÷
0,01) d
tn
= 0,01.5,5 = 0,055 (mm). Khe hở giữa thân xupáp thải và ống dẫn hướng
(0,008
÷
0,012) d
tt
= 0,011. 5,5 = 0,0605(mm).
Chiều dày ống dẫn hướng thường vào khoảng (2,5
÷
4) (mm) ta chọn 3 (mm). Chiều
dài ống dẫn hướng phụ thuộc vào đường kính và chiều dài thân xupáp và có trị số vào

khoảng (1,75
÷
2,5) d
n
với d
n
là đường kính nấm xupáp.
Chiều dài ống dẫn hướng đối với xupáp nạp: l
n
= 2.28 = 56 (mm).
Chiều dài ống dẫn hướng đối với xupáp xả: l
t
= 2,15.25 = 53,75(mm).
Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 23
Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF
a)
b)
Ø5.53
Ø5.53
55.6
53.1
Hình 3-7 Kết cấu ống dẫn hướng.
a) - Ống dẫn hướng xupáp nạp; b) - Ống dẫn hướng xupáp xả.
Một đầu của ống dẫn hướng được vát côn để việc lắp ghép được dễ dàng.
3.1.6. Lò xo xupáp:
Lò xo xupáp dùng để đóng kín xupáp trên đế xupáp và đảm bảo xupáp chuyển động
theo đúng quy luật của cam phân phối khí, do đó trong quá trình mở đóng xupáp không
có hiện tượng va đập trên mặt cam. Lò xo chịu tải trọng thay đổi theo chu kỳ và chịu dao
động.Vật liệu chế tạo lò xo xupáp thường dùng dây thép có đường kính 3
÷

5(mm), ta
chọn 3 (mm) loại thép C65.
Kết cấu lò xo dạng xoắn ốc hình trụ. Hai vòng ở hai đầu lò xo quấn sít nhau và mài
phẳng để lắp ghép Bước xoắn trên cùng của lò xo có đường kính nhỏ hơn so với các vòng
còn lại của lò xo. Sự chênh lệch này có kích thước A = 1,95 (mm).
Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 24
Tính toán và kiểm nghiệm hệ thống phối khí động cơ 1ZZ-EF
3
42
Hình 3-8 Kết cấu lò xo xupáp.
Kết cấu lò xo của xupáp nạp và xả trong động cơ là giống nhau. Lò xo có tổng cộng 8
vòng. Số vòng công tác là 6 (không kể 2 vòng đầu của lò xo). Nếu số vòng công tác của
là xo càng ít thì mỗi vòng của lò xo biến dạng càng nhiều vì vậy lò xo chịu ứng suất xoắn
càng lớn. Ngược lại, nếu số vòng công tác nhiều quá, lò xo quá dài, độ cứng của lò xo
giảm, tần số dao động tự do thấp dễ bị cộng hưởng, sinh va đập với mặt cam.
3.1.7. Kết cấu con đội:
Con đội là chi tiết máy truyền lực trung gian. Kết cấu của con đội gồm hai phần: phần
dẫn hướng (thân con đội) và phần mặt tiếp xúc.
Động cơ TOYOTA 1ZZ-EF ta chọn loại con đội hình trụ vì loại con đội hình nấm
dược dùng chủ yếu trong cơ cấu phân phối xupáp đặt. Khi dùng con đội hình trụ này thì
dạng cam phân phối khí phải là cam lồi. Đường kính mặt tiếp xúc với cam phải có đường
kính lớn để tránh hiện tượng kẹt.
Loại con đội này có kết cấu đơn giản, gọn nhẹ và dễ chế tạo. Đường kính thân con đội
có kích thước bằng đường kính mặt tiếp xúc.
Mặt tiếp xúc giữa con đội thường không phải là mặt phẳng mà là mặt cong có đường
kính khá lớn. Làm như vậy để tránh hiện tượng mòn vẹt con đội khi mà đường tâm con
đội không thẳng góc với đường tâm trục cam.
Sinh Viên:Trịnh Văn Tùng trang 25