BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ CẤU TẠO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
BÀI GIẢNG HỌC PHẦN
CẤU TẠO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG


NỘI DUNG CHƯƠNG TRÌNH MÔN HỌC
Chương I
Chương II
Chương III
Chương IV
Chương V
Chương VI
Chương VII


§éng häc cña c¬ cÊu Tk- tt

1.1. Động học của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền giao tâm.
1.1.1. Chuyển vị của piston.
1.1.2. Vận tốc của piston.
1.1.3.Gia tốc của piston.

1.2. Động học của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền lệch tâm.
1.2.1. Qui luật động học của piston
1.2.2. Chuyển vị, vận tốc và gia tốc của piston.


§éng häc cña c¬ cÊu tk- tt
1.1. Động học của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền giao tâm.

1.1.1. Chuyển vị của piston.
Chuyển vị x tính từ điểm chết trên(ĐCT) của piston
tuỳ thuộc vào vị trí của trục khuỷu.
x = AB ' = AO − ( DO − DB ' )

= (l + R ) − ( R cos α + l cos β )

(1-1)

l: Chiều dài của thanh truyền
R: Bán kính quay của trục khuỷu.
α: Góc quay của trục khuỷu tương ứng với
β: Góc lệch giữa đường tâm thanh truyền và
đường tâm xilanh.
Gọi λ = R là thông số kết cấu, ta có thể viết:
l

x = [(l + l ) − (cosα + l cos β )]R
λ
λ

(1-2)

λ
(1 − cos 2α )]
4

(1-3)

x ≈ R[(1 − cos α ) +

Hình 1.1. Sơ đồ cơ cấu trục khuỷu
thanh truyền giao tâm.


§éng häc cña c¬ cÊu tk- tt
1.1.2. Vận tốc của piston.
Lấy đạo hàm đối với thời gian, ta có tốc độ dịch chuyển (vận tốc) của piston:

v=

d x d x dα d x
=
=
ω
d t dα d t dα

ω : Là tốc độ góc của trục khuỷu.
λ
v = Rω (sin α + sin 2α ) = RωB
(1-4)
2
 Tốc độ trung bình của động cơ được tính theo công thức sau:
Trong đó:

vtb =

S .n
(m / s )
30

S: Hành trình piston, S = 2R (m)
n: Số vòng quay của động cơ (vg/phút).
Loại động cơ tốc độ thấp :
Loại động cơ tốc độ trung bình :
Loại động cơ tốc độ cao:

vtb = 3,5 − 6,5( m / s)

vtb = 6,5 − 9(m / s )
vtb > 9(m / s )


§éng häc cña c¬ cÊu tk- tt
1.1.3.Gia tốc của piston.
Lấy đạo hàm của công thức vận tốc đối với thời gian ta có công thức tính gia tốc của
piston:
j=

dv
d d
d
= v α = v .ω
dt
dα d t
dα

(1-5)

j = Rω 2 (cos α + λ cos 2α )

Gia tốc đạt cực đại khi đạo hàm :
dj
dα

= − Rω 2 (sin α + 2λ sin 2α ) = 0

Gia tốc đạt cực trị:

jα =0 = Rω 2 (1 + λ )
jα =1800 = − Rω 2 (1 − λ )
jα ' = − Rω 2 (λ +

1
)
8λ

(1-6)


§éng häc cña c¬ cÊu tk- tt
1.2. Động học của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền lệch tâm.
1.2.1. Qui luật động học của piston
1.2.1.1. Vị trí điểm chết.
Vị trí của ĐCT và ĐCD xác định qua và .
OE
a
=
OA' 1 + R
OE

a
sin α 2 =
=
OA' ' 1 − R
sin α 1 =

(1-7)

Trong đó : a: Độ lệch tâm
l: Chiều dài thanh truyền
R: Bán kính quay của trục khuỷu.
Gọi
Và

a
= k là hệ số lệch tâm
R
R
λ=
là tham số kết cấu
l

λk
λ +1
λk
sin α 2 =
λ −1

Vậy sin α 1 =

λk
)
λ +1
λk
α 2 = arcsin(−
)
λ −1

Suy ra α 1 = arcsin(

Hình 1.2. Cơ cấu trục khuỷu
thanh truyền lệch tâm
(1-8)


§éng häc cña c¬ cÊu tk- tt
1.2.1.2. Hành trình của piston.
Gọi S1 , S2 là khoảng cách từ ĐCT đến A’ và ĐCD đến A’’ đến trục
hoành qua gốc O thì hành trình S của piston có thể xác địmh
S = S1 − S 2 = (l + R ) 2 − a 2 − (l − R ) 2 − a 2
1
1
= R[ ( + 1) 2 − k 2 − ( − 1) 2 − k 2
λ
λ

(1-9)

Do đó độ lệch tâm tương đối phải nằm trong phạm vi sau:
k > 2R

§éng häc cña c¬ cÊu tk- tt
1.2.2. Chuyển vị, vận tốc và gia tốc của piston.
a. Chuyển vị của piston
Trục khuỷu quay đi một góc , chuyển vị của piston
tính từ ĐCT A’ có thể xác định theo công thức sau:
x = S1 − S x
Trong đó
S x = R cos α + l cos β = R(cos α +

Vì vậy:

1
cos β )
λ

1
S1 = R[ ( + 1) 2 − k 2
λ
1
1
x = R[ ( + 1) 2 − k 2 − (cos α + cos β )
λ
λ

(1-10)

Thay tất cả vào (1-12)
sin α 1 =

λk
λ +1

sin α 2 =

λk
λ −1

Sau khi rút gọn ta có :
x = R[(1 − cos α ) +

λ
(1 − cos 2α ) − λk sin α ]
4

Hình 1.3. Cơ cấu trục khuỷu
thanh truyền lệch tâm
(1-11)


§éng häc cña c¬ cÊu tk- tt
b. Vận tốc của piston
Lấy đạo hàm 2 vế phương trình (1-11) đối với thời gian t.
d
d d
λ
v = x = x α = Rω (sin α + sin 2α − λk cos α )
d t dα d t
2

(1-12)

c. Gia tốc của piston.
Lấy đạo hàm 2 vế của phương trình (1-12) đối với thời gian
j=

d v d v dα
=
= Rω 2 (cos α + λ cos 2α − λk sin α )
d t dα d t

(1-13)


®éng lùc häc cña c¬ cÊu tk- tt
2.1. Khối lượng của các chi tiết chuyển động.
2.1.1. Khối lượng của nhóm piston.
2.1.2. Khối lượng của thanh truyền.
2.1.3. Khối lượng của trục khuỷu.
2.2. Lực và mômen tác dụng lên cơ cấu trục khuỷu thanh truyền.
2.2.1. Lực quán tính.
2.2.2. Lực khí thể.
2.2.3. Hệ lực tác dụng trên cơ cấu trục khuỷu thanh truyền giao tâm.
2.2.4. Hệ lực tác dụng trên cơ cấu trục khuỷu thanh truyền lệch tâm.
2.3. Hệ lực và mômen tác dụng trên trục khuỷu của động cơ một hàng xilanh.
2.4. Cân bằng động cơ.
2.4.1. Cân bằng động cơ 1 xilanh.
2.4.2. Cân bằng động cơ 2 xilanh.
2.4.3. Hai khuỷu có góc lệch khuỷu =180º

2.4.4. Cân bằng động cơ 4 xilanh.
2.4.5. Cân bằng động cơ 6 xilanh.


®éng lùc häc cña c¬ cÊu tk- tt
2.1. Khối lượng của các chi tiết chuyển động.
Khối lượng của các chi tiết máy của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền đựơc chia
làm 2 loại :
 Khối lượng chuyển động tịnh tiến.
 Khối lượng chuyển động quay.

2.1.1. Khối lượng của nhóm piston.
Khối lượng của nhóm piston bao gồm khối lượng của piston, xéc măng, cần guốc

mnp = mp + mx + mc + mg + ……..(kg)
Khối lượng nhóm piston là khối lượng chuyển động tịnh tiến.


®éng lùc häc cña c¬ cÊu tk- tt
2.1.2. Khối lượng của thanh truyền.
Các phương án qui dẫn khối lượng của thanh truyền giới thiệu trên.

Hình 2.1. Các phương án qui dẫn khối lượng của thanh truyền
 Phương án (a) thay thế khối lượng thanh truyền bằng hệ tương đương một khối
lượng tập trung ở trọng tâm G. Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền sẽ chịu tác dụng của
một khối lượng chuyển động tịnh tiến:
m1 = mtt (
m1 = mtt

l − l1

)
l

l1
l

đặt tại tâm đầu nhỏ.
đặt tại tâm đầu to.

Ngoài ra cơ cấu còn chịu một mômen:
Mc =mtt ..l1( l – l1 ).


®éng lùc häc cña c¬ cÊu tk- tt
 Phương án (b) thay thế thanh truyền bằng hệ tương đương hai khối lượng tập trung
ở tâm đầu nhỏ và tâm đầu to.
Phương án chỉ thoả mãn 2 điều kiện:
Từ đó rút ra:

m A = mtt (

mA + mB = mtt
mA.l1 – mB.(l – l1)= 0

l − l1
)
l

(2-1)

Mômen quán tính của hệ thay thế:
(l − l1 )
l
I O = (mtt
)l12 + ( mtt 1 )(l − l1 ) 2 = mtt (l − l1 )l1 ≠ I G
l
l
 Phương án (c) phân bố thanh truyền thành 2 khối lượng: một đặt ở tâm nhỏ và một
đặ ở tâm dao động con lắc K.
Nghĩa là:

mA + mK = mtt

(2-2)

mAl1 + mKl0 =0
mAl12 +mKl02 = IG

Mômen thanh truyền của hệ thay thế thường có trị số
Mt = IG.…


®éng lùc häc cña c¬ cÊu tk- tt
 Phương án (d) phân bố thnah truyền thành 3 khối lượng để thoả mãn điều kiện động
năng và thế năng không đổi.
Nghĩa là :

m A + m B + mG = mtt
m Al1 − mB (l − l1 ) = 0

(2-3)

m Al12 + m B (l − l1 ) 2 = I G
Ngày nay thanh truyền ở các loại động cơ ô tô thường có:
m1 = (0,275 – 0,350)mtt
m2 = (0,650 – 0,725)mtt

(2-4)

 Phương án (e) phân khối lượng thanh truyền thành hai khối lượng và một mômen
thanh truyền.
Mômen thanh truyền của hệ thay thế thường có trị số:
Mt = IG.…


®éng lùc häc cña c¬ cÊu tk- tt
2.1.3. Khối lượng của trục khuỷu.
Để xác định khối lượng của trục khuỷu, ta chia trục khuỷu thành các phần như
trên hình vẽ .
Hình 2.2. Xác định khối lượng
của trục khuỷu

Trong đó mok: Phần khối lượng chuyển động quay theo bán kính R.
mm: Phần khối lượng chuyển động theo bán kính.
Đem mm qui dẫn về tâm chốt trục khuỷu bằng khối lượng mmr thì : mmr = mm .

ρ
(2-5)
R

Do đó khối lượng chuyển động quay của trục khuỷu là:

mk = mok + mmr

(2-6)

Khối lượng chuyển động tịnh tiến của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền là :

M = mnp + m1

(2-7)


®éng lùc häc cña c¬ cÊu tk- tt
2.2.Lực và mômen tác dụng lên cơ cấu trục khuỷu thanh truyền.
Trong quá trình làm việc, cơ cấu trục khuỷu thanh truyền chịu tác dụng của các
lực sau:
 Lực quán tính của các chi tiết chuyển động.
 Lực của môi chất khí bị nén và khí cháy giãn nở tác dụng trên đỉnh piston (lực
khí thể).
 Trọng lực.
 Lực ma sát.

2.2.1. Lực quán tính.
Lực quán tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến tính theo công thức sau:

Pj = m j1 = −mRω 2 (cos α + λ cos 2α )

(2-7)

®éng lùc häc cña c¬ cÊu tk- tt
Gọi:
Là lực quán tính cấp 1

Pj1 = −mRω 2 cos α
Là lực quán tính cấp 2

Pj 2 = − mRλω 2 cos 2α
Thì :

Pj = Pj1 + Pj 2
Lực quán tính chuyển động quay:

Pk = −mr Rω 2 = const

(2-8)

Hình 2.3. Vòng xét dấu của lực
quán tính cấp 1 và cấp 2


®éng lùc häc cña c¬ cÊu tk- tt
2.2.2. Lực khí thể.
Lực khí thể của động cơ 4 kỳ biến thiên theo góc quay của trục khuỷu.

Hình 2.4. Biến thiên của lực khí thể theo góc của động cơ 4 kỳ.
Đường po trên hình vẽ biểu thị áp suất khí trời tính theo áp suất tương đối.
P là áp suất trong xilanh của động cơ.
Lực khí thể tác dụng trên đỉnh piston:

Trong đó :

πD 2
Pkt = P
( MN )
4

πD 2
: diện tích đỉnh piston (m²)
FP =
4
D: đường kính xilanh (m)


®éng lùc häc cña c¬ cÊu tk- tt
2.2.3. Hệ lực tác dụng trên cơ cấu trục khuỷu thanh truyền giao tâm.
Lực tác dụng trên chốt piston là hợp lực của lực quán
tính và lực khí thể:
P∑ = Ptt + Pj = Pj + N + T
(MN)
(2-9)

P∑ Lực tác dụng trên chốt piston và đẩy thanh truyền.
Phân lực P∑ thành 2 phân lực
P∑ = N + Ptt

(2-10)

Ptt: Lực tác dụng theo đường tâm thanh truyền
N: Lực tác dụng trên phương thẳng góc với đường

tâm xilanh

Ta có :

N = P∑ tgβ
1
Ptt = P∑
cos β

(2-11)

Hình 2.5. Hệ lực tác dụng trên cơ cấu
trục khuỷu thanh truyền giao tâm


®éng lùc häc cña c¬ cÊu tk- tt
Phân Ptt thành 2 phân lực lực tiếp tuyến T và
lực pháp tuyến Z tác dụng trên tâm chốt khuỷu.

T = Ptt sin(α + β )

= P∑

sin(α + β )
cos β

Z = Ptt cos(α + β ) = P∑ cos(α + β )
cos β

(2-12)

(2-13)

Lực quán tính chuyển động quay Pk tác dụng
trên chốt khuỷu

Pk = M r Rω 2 = const
Lực tiếp tuyến T tạo ra mômen:

M = T .R

Hình 2.6. Hệ lực tác dụng trên cơ cấu trục
khuỷu thanh truyền giao tâm


®éng lùc häc cña c¬ cÊu tk- tt
Lực ngang N tạo thành mômen lật:

M N = N . A = N (l cos β + R cos α )
= P∑ tgβ (l cos β + R cos α )
= P∑

sin(α + β )
.R = M
cos β

(2-14)

Trong đó
A: Khoảng cách từ lực N đến tâm trục khuỷu

MN: Mômen ngược chiều với M
MC: Mômen cản

M = M C + J oε

(2-15)

Hình 2.7. Hệ lực tác dụng trên cơ cấu trục
khuỷu thanh truyền giao tâm

J oε : Mômen quán tính khi gia tốc các chi tiết quay


®éng lùc häc cña c¬ cÊu tk- tt
2.2.4. Hệ lực tác dụng trên cơ cấu trục khuỷu thanh truyền lệch tâm.
Từ hệ lực trên hình 1.9 ta cũng có :

P∑ = Pkt + Pj
Do:
Nên:

P∑ = N + Ptt
Ptt = P∑

l
cos β

(2-16)

N = P∑ tgβ

Cũng phân Ptt thành lực tiếp tuyến T và lực pháp
tuyến Z ta có:
T = P∑

sin(α + β )
cos β

= P∑ sin α +

(2-17)

λ
sin 2α − λk cos α
2

Hình 2.8. Hệ lực tác dụng trên cơ cấu trục
khuỷu thanh truyền lệch tâm


®éng lùc häc cña c¬ cÊu tk- tt
Và

Z = P∑

cos(α + β )
cos β

(2-17)

= P∑ (cos α − sin α )

Nếu coi:

λ (sin α − k )
1 − λ2 (sin α − k ) 2

1 − λ2 (sin α − k ) 2 ≈ 1

Thì:
Z = P∑ (cos α +

λ
λ
cos 2α − + λk sin α )
2
2

(2-18)

Mômen lật : M N = N . A

= NR (

cos β
+ cos α )
λ

(2-19)

Do độ lệch tâm a = R sin α − l sin β

Do đó

1 (sin α − k )
=
λ
sin β

Hình 2.9. Hệ lực tác dụng trên cơ cấu trục khuỷu
thanh truyền lệch tâm


®éng lùc häc cña c¬ cÊu tk- tt
Thay quan hệ trên vào (2-19)
= NR (

Ta có:

M N = N .R[

cos β
+ cos α )
λ

sin α − k
+ cos α ]
tgβ

(2-20)

M N = P∑ R (sin α − k + tgβ cos α )

MN ra còn sinh một mômen lật khác, do lực gây ra .
sin β
M P = P∑ , a = P∑ R (sin α −
)
(2-21)
λ
Thân máy chịu một tổng mômen lật là:
Ml∑ = M N + M P
M l ∑ = P∑ R (sin α − k +

Do
Nên

(sin α − k ) =
M l ∑ = P∑ R (
P∑ R

sin β
sin β
cos α + sin α
)
cos β
λ

sin β
λ

Hình 2.10. Hệ lực tác dụng trên cơ
cấu trục khuỷu thanh truyền lệch tâm

sin β
cos α + sin α )
cos β

sin(α + β )
=M
cos β

(2-22)