THIẾT KẾ NHÓM PISTON-THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ XZ4-0112

Đồ án môn học: Kết Cấu & Tính Toán Động Cơ Đốt Trong
THIẾT KẾ NHÓM PISTON-THANH TRUYỀN
ĐỘNG CƠ XZ4-0112.
1. NHÓM PISTON:
Nhóm piston gồm có piston, chốt piston, vòng hãm chốt piston, xéc măng khí, xéc
măng dầu.
1.1. Nhiệm vụ, điều kiện làm việc và vật liệu chế tạo piston.
1.1.1. Nhiệm vụ, điều kiện làm việc:
Trong quá trình làm việc của động cơ, nhóm piston có nhiệm vụ chính sau:
+ Bảo đảm bao kín buồng cháy, giữ không cho khí chảy lọt xuống cátte và ngăn không cho
dầu nhờn từ hộp trục khuỷu sục lên buồng cháy.
+ Tiếp nhận lực khí thể thông qua thanh truyền, truyền xuống trục khuỷu làm quay trục
khuỷu trong quá trình cháy và giãn nở,nén khí trong quá trình nén; đẩy khí ra khỏi xylanh
trong quá trình thải và hút khí nạp mới vào buồng cháy trong quá trình nạp. Trong quá trình
làm việc của động cơ piston chịu lực rất lớn, nhiệt độ rất cao và ma sát mài mòn lớn, do lực
khí thể, lực quán tính và do piston tiếp xúc với sản vật cháy ở nhiệt độ cao, thiếu dầu bôi
trơn gây nên ứng suất cơ học, ứng suất nhiệt và ăn mòn hoá học trong piston.
+ Tải trọng cơ học, trong quá trình cháy, hỗn hợp khí cháy sinh ra áp suất rất lớn trong
buồng cháy, trong các chu trình công tác của động cơ, áp suất khí thể tác dụng lên đỉnh
piston có trị số thay đổi rất nhiều, do đó lực khí thể có tính va đập lớn, và do số vòng quay
của động cơ cao nên lực quán tính tác dụng lên piston cũng rất lớn.
+ Tải trọng nhiệt: Quá trình cháy piston tiếp xúc với khí cháy có nhiệt độ cao (1800÷ 2300)
o
K nên nhiệt độ của piston, nhất là nhiệt độ của phần đỉnh piston và xéc măng khí thứ nhất
cũng rất cao (500 ÷ 800)
o
K , nhiệt độ của piston cao gây ra các tác hại:Sinh ra ứng suất nhiệt
lớn làm rạn nứt piston ,gây biến dạng làm bó kẹt piston trong xylanh, tăng ma sát giữa piston
và xylanh. Làm giảm sức bền, tuổi thọ piston, giảm hệ số nạp, ảnh hưởng đến công suất
động cơ,làm dầu nhờn dễ bị phân huỷ.
Trang 1

Đồ án môn học: Kết Cấu & Tính Toán Động Cơ Đốt Trong
+ Ma sát và ăn mòn hoá học: trong qúa trình làm việc piston chịu ma sát lớn do thiếu dầu
bôi trơn, do lực ngang N ép piston vào xylanh ngoài ra do lực khí thể, lực quán tính và nhiệt
độ cao làm piston biến dạng làm tăng ma sát. Do piston luôn tiếp xúc với sản vật cháy ở
nhiệt độ cao nên bị sản vật cháy ăn mòn.Do các điều kiện trên nên khi chế tạo piston phải
đảm bảo các điều kiện sau:
- Đỉnh piston tạo thành buồng cháy tốt, đảm bảo bao kín.
- Tản nhiệt tốt, tránh kích nổ, giảm ứng suất nhiệt.
- Trọng lượng nhỏ để giảm lực quán tính.
- Đủ bền, đủ độ cứng vững để tránh biến dạng quá lớn.
- Chịu mài mòn tốt.
1.1.2. Vật liệu chế tạo piston :
Để bảo đảm các điều kiện làm việc của piston như trên nên vật liệu chế tạo piston
phải đảm bảo các yêu cầu sau:
+ Có sức bền lớn ở nhiệt độ cao và tải trọng thay đổi.
+ Trọng lượng riêng nhỏ.
+ Hệ số giãn nở nhỏ, hệ số dẫn nhiệt lớn.
+ Chống được sự ăn mòn hoá học của khí cháy và chịu mài mòn ma sát tốt trong điều kiện
nhiệt độ cao và bôi trơn kém.
- Piston được chế tạo bằng hợp kim nhôm.
Trang 2
Đồ án môn học: Kết Cấu & Tính Toán Động Cơ Đốt Trong
1.2. Phân tích kết cấu piston :
1
2
3
4
5
6
Hình:1 - Kết cấu của piston.

1 - Đỉnh piston; 2- Rãnh xecmăng khí; 3- Rãnh thoát nhiệt; 4 - Rãnh xecmăng dầu;
5 - Rãnh lắp vòng hãm chốt piston; 6 - Lỗ lắp chốt piston.
- Đỉnh piston: Đỉnh piston là loại đỉnh được đúc bằng mục đích là để tạo hỗn hợp nhiên
liệu và không khí tốt hơn.
- Đầu piston: Làm nhiệm vụ bao kín buồng cháy. Trên bề mặt trụ ngoài của piston có
khoét 2 rãnh để lắp xécmăng khí và 1 rãnh lắp xécmăng dầu, ở các rãnh lắp xécmăng dầu và
ở dưới một tí người ta khoan các lỗ để dẫn dầu vào bên trong piston, số lỗ khoan trên mỗi
hàng: 12 lỗ Ø1,5. Trên piston người ta bố trí 1 rãnh xécmăng dầu nằm về 2 phía của bệ chốt
piston. Khi tính toán thiết kế đầu piston cần chú ý giải quyết 3 vấn đề: Tản nhiệt, vấn đề bao
kín và sức bền.
Trang 3
Đồ án môn học: Kết Cấu & Tính Toán Động Cơ Đốt Trong
- Thân piston: Làm nhiệm vụ dẫn hướng cho piston chuyển động trong xylanh và chịu lực
ngang N.
- Chiều dài thân piston: Chiều dài thân piston phụ thuộc vào loại động cơ. Thân piston
không được dài quá vì làm tăng ma sát và quá nặng. Nhưng nếu ngắn quá sẽ tăng áp suất nén
trên thành xilanh và dẫn hướng kém.
- Vị trí của lỗ bệ chốt piston. Trong quá trình làm việc piston chịu lực ngang N. Nếu chốt
piston đặt chính giữa chiều dài thân piston thì trạng thái tĩnh áp suất phân bố đồng đều
nhưng khi piston chuyển động, do lực ma sát tác dụng làm piston có xu hướng quay quanh
chốt nên áp suất của piston nén trên xilanh sẽ không đều. Vì vậy người ta đặt chốt piston cao
hơn trọng tâm của phần thân để áp suất do N và lực ma sát gây ra phân bố đều hơn. Thường
lấy: l
ch
= (0,6 – 0,74)l
th
.
Dạng thân pistôn thường không phải là hình trụ mà tiết diện ngang thường có dạng ô
van hoặc vát ở hai đầu bệ chốt piston.Phải làm như vậy là để khi piston bị biến dạng do lực
khí thể P

Z
, lực ngang N và nhiệt độ thì piston không bị bó kẹt trong xi lanh.
+ Để khắc phục hiên tượng bó kẹt piston người ta còn xẻ rãnh thoát nhiệt trên piston giữa
hai xéc măng.
- Chân piston thường có vành đai để tăng độ cứng vững. Mặt trụ ở vành đai này thường là
mặt chuẩn công nghệ dùng khi gia công piston. Ngoài ra điều chỉnh trọng lượng của piston
thường dùng cách cắt bỏ một phần kim loại ở phần chân piston.
1. Các kích thước cơ bản của piston:
- Đường kính piston . D=77,0 (mm).
- Chiều cao (chiều dài) piston H=58,6 (mm).
-Khoảng cách từ tâm chốt đến chân piston: l
ch
= 20,0 (mm)
- Khoảng cách từ tâm chốt đến đỉnh piston: H - l
ch
=38,6 (mm)
- Chiều dài đỉnh piston : l
đ
=23,0 (mm).
- Chiều dài thân piston : l
th
= 40,0 (mm).
- Chiều dày đỉnh : S=5 (mm)
- Khoảng cách c từ đỉnh đến xécmăng thứ nhất: c=6,6 (mm)
Trang 4
Đồ án môn học: Kết Cấu & Tính Toán Động Cơ Đốt Trong
- Đường kính chốt piston d
CP
=20 (mm).
- Đường kính lỗ trong chốt piston d

o
=13 (mm).
- Đường kính bệ chốt piston d
b
=24 (mm).
- Số xécmăng khí : 1 ; Số xécmăng dầu : 1.
H
l
th
l
ch
d
ch
d
b
l
b
D
2
b a
a
1
c
D
D
1
s
Hình:2 Sơ đồ tính toán piston.
- Chiều dày hướng kính của xécmăng khí và xécmăng dầu: t= 5 (mm).
- Chiều cao a của xécmăng khí : a= 3(mm).

- Chiều cao của xécmăng dầu: b = 3(mm).
- Chiều dày bờ rãnh xécmăng khí: a
1
=3 mm
- Chiều dày bờ rãnh xécmăng dầu: a
2
= 3 mm
- Số lỗ khoan dẫn dầu bôi trơn trên rãnh xéc măng dầu : 12 lỗ Φ1,5 .
1.4. Chốt piston.
1.4.1. Trạng thái làm việc và yêu cầu đối với chốt piston.
Trang 5
Đồ án môn học: Kết Cấu & Tính Toán Động Cơ Đốt Trong
Chốt piston là chi tiết máy nối piston với thanh truyền nó truyền lực tác dụng của
khí thể trên piston cho thanh truyền để làm quay trục khuỷu. Tuy là chi tiết đơn giản nhưng
rất quan trọng. Trong quá trình làm việc, chốt piston chịu lực khí thể và lực quán tính rất
lớn. Các lực này thay đổi có chu kỳ đồng thời có tính va đập mạnh, nhất là trong động cơ
cao tốc. Do nhiệt độ làm việc của chốt piston tương đối cao mà chốt piston lại khó chuyển
động xoay tròn trong bệ chốt nên rất khó bôi trơn. Ma sát dạng nửa ướt, chốt piston dễ bị
mòn. Với điều kiện làm việc như vậy nên chốt piston phải được chế tạo bằng vật liệu tốt để
đảm bảo sức bền và độ cứng vững. Chốt piston phải được nhiệt luyện đặc biệt, đảm bảo bề
mặt làm việc của chốt piston có độ cứng cao, chống mòn tốt, nhưng bên trong lại phải dẻo
để chống mỏi tốt. Mặt chốt phải bóng để tránh ứng suất tập trung và khi lắp ghép chốt piston
với piston và thanh truyền, khe hở lắp ghép phải nhỏ để tránh va đập dẫn đến hư hỏng.Chốt
piston được chế tạo bằng thép hợp kim 15XA.
1.4.2. Kết cấu và kiểu lắp ghép chốt piston.
Kết cấu của chốt piston rất đơn giản, đều là hình trụ rỗng để cho nhẹ. Các loại
chốt chỉ khác nhau ở mặt trong chốt. Mặt bên trong có dạng hình trụ, các dạng côn,bậc…
do
d
cp

Hình 4. Chốt piston
- Chốt piston: được chế tạo bằng thép hợp kim . Chốt piston được lắp tự do, các vòng hãm
lắp trong bệ chốt piston giữ cho nó khỏi dịch chuyển dọc trục.Trong quá trình làm việc,chốt
piston có thể xoay tự do quanh đường tâm của chốt.
1.4. Các thông số kích thước chốt piston :
* Các thông số :
- Đường kính ngoài chốt : d
cp
= 20 (mm).
- Đường kính trong chốt : d
o
=13 (mm).
Trang 6
Đồ án môn học: Kết Cấu & Tính Toán Động Cơ Đốt Trong
- Chiều dài đoạn lắp với đầu nhỏ thanh truyền l
d
= 22 (mm).
- Khoảng cách giữa hai bệ chốt l
b
=30 (mm).
- Chiều dài chốt piston : l
cp
=56(mm).
1.5. Kết cấu và tính toán xécmăng:
1.5.1. Điều kiện làm việc.
Xécmăng làm việc trong điều kiện xấu, chịu nhiệt độ cao áp suất va đập lớn, ma
sát mài mòn nhiều và chịu ăn mòn hoá học của khí cháy và dầu nhờn. Xécmăng khí có
nhiệm vụ bao kín buồng cháy ngăn không cho khí cháy từ buồng cháy lọt xuống cácte, khí
cháy có thể lọt xuống cácte qua ba đường : qua khe hở giữa mặt xylanh và mặt công tác (mặt
lưng xécmăng) ; qua khe hở giữa xécmăng và rảnh xécmăng ; qua khe hở phần miệng

xécmăng. Xécmăng dầu ngăn không cho dầu nhờn chạy lên buồng cháy, gạt dầu bám trên
vách xylanh trở về cácte, ngoài ra nó còn phân bố đều trên vách xylanh một lớp dầu mỏng.
1.5.2. Vật liệu chế tạo xéc măng.
Với điều kiện làm việc của xéc măng như trên nên vật liệu chế tạo xéc măng phải
có đủ các tính chất sau:
+ Có tính chịu mài mòn tốt
+Có hệ số ma sát nhỏ đối với mặt xilanh
+Có sức bền , độ đàn hồi cao và ổn định trong điều kiện nhiệt độ cao.
+Có khả năng khít với mặt xi lanh một cách nhanh chóng.
Ta chọn xécmăng được chế tạo bằng gang hợp kim, trên bề mặt ngoài (mặt lưng) xécmăng
được mạ crôm để hạn chế mài mòn.
1.5. Phân tích kết cấu xecmăng.
Đường kính D của xécmăng là đường kính ngoài của xécmăng ở trạng thái lắp ghép
trong xi lanh.Mặt1 là mặt đáy mặt 2 là mặt lưng và mặt 3 là mặt bụng,chiều dày của
xécmăng là khoảng cách giữa hai mặ đáy.Theo nhiệm vụ xécmăng chia làm 2 loại:xécmăng
khí và xécmăng dầu.Tuỳ theo sự phân bố áp suất của xécmăng mà xécmăng có xécmăng
đẳng áp và khong đẳng áp .Do xécmăng đẳng áp bị mòn không đều nhất là khu vực gần
miệng xéc măng bị mòn nhiều hơn,còn xécmăng không đẳng áp là xéc măng ở trạng thái tự
Trang 7
Đồ án môn học: Kết Cấu & Tính Toán Động Cơ Đốt Trong
do có hình dạng nhất định và da công theo phương pháp đặc biệt để có được áp suất phần
miệng của xécmăng tương đối lớn ,loại xécmăng này sau một thời gian sử dụng áp suất ở
phần miệng tuy có giảm nhưng giảm ít hơn loại xécmăng đẳng áp.Cho nên loại xécmăng
không đẳng áp được dùng nhiều hơn.
D
t
t
1
h
f

Hình 5. Xécmăng
1.Mặt đáy ,2.Mặt lưng .,Mặt bụng , 4 .Phần miệng
5.Khe hở miệng ở trạng thái lắp ghép.
2. NHÓM THANH TRUYỀN:
2.1. Phân tích điều kiện làm việc và đặc điểm kết cấu thanh truyền :
Trong quá trình làm việc của động cơ nhóm thanh truyền có nhiệm vụ truyền lực tác
dụng lên piston cho trục khuỷu, làm quay trục khuỷu.
- Khi động cơ làm việc thanh truyền chịu tác dụng của các lực sau: Lực khí thể trong
xylanh ; Lực quán tính chuyển động tịnh tiến của nhóm piston; Lực quán tính của thanh
truyền.
Trang 8
Đồ án môn học: Kết Cấu & Tính Toán Động Cơ Đốt Trong
- Đầu nhỏ thanh truyền bị biến dạng dưới tác dụng của lực quá tính, đầu to thanh truyền chịu
tác dụng của lực quán tính của nhóm piston và thanh truyền, thân thanh truyền chịu nén dưới
tác dụng của lực khí thể và chịu uốn trong mặt phẳng lắc của nó dưới tác dụng của lực quán
tính. Khi động cơ làm việc thì các lực khí thể và lực quán thay đổi theo chu kỳ cả về trị số và
hướng, tải trọng tác dụng lên thanh truyền là tải trọng thay đổi và có tính chất va đập.
- Thanh truyền được chế tạo bằng thép các bon C45 , có tiết diện chữ I, và được lắp bạc lót
bằng đồng có độ dôi, bên trong bạc và thân thanh truyền có lỗ để dẫn dầu đến chốt piston.
- Đầu to thanh truyền được cắt thành hai nửa phần trên nối liền với thân phần dưới là nắp
đầu to thanh truyền và lắp với nhau bằng bulông thanh truyền, mặt phẳng lắp ghép vuông
góc với đường tâm trục thân thanh truyền. Bulông thanh truyền là loại bulông chỉ chịu lực
kéo,có mặt gia công đạt độ chính xác cao để định vị. Bạc lót đầu to tranh truyền chia thành
hai phần và được tráng một lớp hợp kim cứng chịu mài mòn.
Trang 9
Đồ án môn học: Kết Cấu & Tính Toán Động Cơ Đốt Trong
1
2
3
4

5
156
2.2. Các thông số kích thước cơ bản nhóm thanh truyền :
2.2.1. Các thông số kích thước cơ bản đầu nhỏ thanh truyền :
* Các thông số cơ bản :
-Đường kính trong đầu nhỏ d
1
= 22(mm)
-Đường kính ngoài đầu nhỏ d
2
= 32 (mm)
-Chiều dày bạc lót: S
1
= 2 (mm)
-Đường kính trong của bạc d
b
= 20 (mm)
-Chiều dài đầu nhỏ l
đ
= 30 (mm)
-Chiều dày đầu nhỏ S

= 5 (mm) .
-Chiều rộng thân từ chỗ chuyển tiếp qua đầu nhỏ H = 17,5 (mm)
Trang 10
Hình:6. Kết cấu thanh truyền.
1-Đầu nhỏ ; 2- Đầu to ; 3- Nắp đầu
to ; 4- Bu lông thanh truyền; 5-
Thân thanh truyền.
Đồ án môn học: Kết Cấu & Tính Toán Động Cơ Đốt Trong

-Bán kính góc lượn giữa đầu nhỏ và thân : ρ
1
= 30 (mm)
-Độ dôi lắp ghép bạc vào đầu nhỏ: ∆ = 0,048 (mm).
Khi động cơ làm việc, đầu nhỏ thanh truyền chịu các lực 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 ra. Các lực trên sinh ra
ứng suất uốn, kéo, nén trên đầu nhỏ.
2.2.2. Các thông số kích thước cơ bản đầu to thanh truyền :
* Các thông số cơ bản :
-Đường kính trong đầu to thanh truyền: D
1
= 48 (mm).
-Bán kính góc lượn giữa thân thanh truyền và đầu to: ρ = 60 (mm).
-Đường kính chốt khuỷu: d
ck
= 42 (mm)
-Chiều dày bạc lót đầu to: S
2
= 3 (mm)
-Khoảng cách giữa hai tâm bulông thanh truyền : l
2
= 60 (mm).
-Chiều dày đầu to: δ = 9 ( mm)
- Đường kính ngoài đầu to thanh truyền: D
2
= 75 (mm)
-Chiều rộng đầu to (theo mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng lắc) :l
3
=40 (mm)

2.2. Bạc lót đầu to thanh truyền.
Trong động cơ ôtô máy kéo cũng như trong động tàu thủy, tĩnh tại… đa số ổ trục và chốt là
ổ trượt. Vì vậy đầu to thanh truyền cũng như ở ổ trục khuỷu đều thường dùng bạc lót dày
hoặc bạc lót mỏng có tráng lớp hợp kim chịu mòn. Do đầu to thanh truyền thường cắt thành
hai nửa nên bạc lót đầu to cũng chia làm hai nửa. Bạc lót thanh truyền gồm có gộp bạc bằng
thép ở phía ngoài và lớp hợp kim chịu mòn tráng lên mặt trong của bạc.
* Yêu cầu đối với bạc lót.
- Có tính chống mòn tốt.
- Có độ cứng thích đáng và độ dẻo hợp lý.
- Chóng rà khít với bề mặt trục.
Trang 11
Đồ án môn học: Kết Cấu & Tính Toán Động Cơ Đốt Trong
- Ở nhiệt độ cao sức bền ít giảm đi.
- Truyền, dẫn nhiệt tốt và ít giãn nở.
- Giữ được dầu bôi trơn.
- Dễ chế tạo và lắp ghép.
* Kết cấu của bạc lót.
3
4
1 2
B
A
A
B
B - B
A - A
Hình 7. Bạc lót mỏng thanh truyền.
1 - Lớp hợp kim chịu mòn; 2 - Gộp bạc; 3 – Rãnh vát
chứa dầu và chống biến dạng; 4 - Lưỡi gà định vị .
Tùy theo chiều dày của lớp hợp kim chịu mòn, bạc lót có thể chia thành hai loại: bạc lót

dày và bạc lót mỏng. Chọn bạc lót là loại bạc lót mỏng. Bạc lót mỏng gồm có hai phần: gộp
bạc và lớp hợp kim chịu mòn tráng lên mặt trong của gộp bạc. Bạc lót được chế tạo thành
chi tiết máy riêng rồi đem lắp căng với đầu to thanh truyền. Bạc lót mỏng có chiều dày gộp
bạc từ 0,9 – 3mm, lớp hợp kim chịu mòn thường chỉ dày khoảng 0,4 – 0,7mm. Lắp bạc lót
lên đầu to thanh truyền thường dùng bulông thanh truyền để định vị. Cũng có khi dùng chốt
đóng lên nắp đầu to định vị bạc lót. Chiều dày vỏ bạc lót thường nằm trong khoảng s
2
=(0,03
÷ 0,05)d
ck
,chọn s
2
=3mm.
khe hở giữa bạc lót và chốt khuỷu nằm trong khoảng: ∇=(0,00045÷0,0015)d
ck
. chọn
∇=0,0058 mm. Khe hở giữa mặt đầu của bạc lót và má khuỷu thường vào khoảng
0,15÷0,25mm. Trên mặt làm việc của bạc lót, ở chỗ mép hai nửa bạc lắp ghép với nhau
người ta thường khoét lõm vào lớp hợp kim chống mòn một ít để khi siết bulông, mép bạc
dù biến dạng cũng vẫn không sát lên mặt chốt khuỷu nên vẫn đảm bảo khe hở giữa bạc và
Trang 12
Đồ án môn học: Kết Cấu & Tính Toán Động Cơ Đốt Trong
chốt khuỷu. Chỗ vát không được khoét rộng quá, vì rộng quá sẽ làm giảm diện tích tiếp xúc,
tăng áp suất bề mặt chốt, khó hình thành màng dầu. Định vị bạc lót mỏng thường dùng lưỡi
gà dập nhô ra khỏi gộp bạc và lắp khớp vào rãnh định vị phay trên đầu to thanh truyền.

Trang 13
Đồ án môn học: Kết Cấu & Tính Toán Động Cơ Đốt Trong
Trang 1
Đồ án môn học: Kết Cấu & Tính Toán Động Cơ Đốt Trong

Trang 2
Đồ án môn học: Kết Cấu & Tính Toán Động Cơ Đốt Trong
Trang 1
Đồ án môn học: Kết Cấu & Tính Toán Động Cơ Đốt Trong

Trang 1
Đồ án môn học: Kết Cấu & Tính Toán Động Cơ Đốt Trong
Trang 1
Đồ án môn học: Kết Cấu & Tính Toán Động Cơ Đốt Trong
Trang 1
Đồ án môn học: Kết Cấu & Tính Toán Động Cơ Đốt Trong
Trang 1
Đồ án môn học: Kết Cấu & Tính Toán Động Cơ Đốt Trong
Trang 1
Đồ án môn học: Kết Cấu & Tính Toán Động Cơ Đốt Trong
Trang 1
Đồ án môn học: Kết Cấu & Tính Toán Động Cơ Đốt Trong
Trang 1
Đồ án môn học: Kết Cấu & Tính Toán Động Cơ Đốt Trong
Trang 1
Đồ án môn học: Kết Cấu & Tính Toán Động Cơ Đốt Trong
Trang 1