Nghiên cứu đặc điểm sinh học của cây Thông Pà Cò tại Khu bảo tồn loài Thiên Nhiên Phia OắcPhia Đén Huyện Nguyên Bình Tỉnh Cao Bằng

TỔNG CỤC KỸ THUẬT
TRƯỜNG SĨ QUAN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

KẾT CẤU ĐỘNG CƠ ÔTÔ
TẬP 1

TP. HỒ CHÍ MINH - 2011


TỔNG CỤC KỸ THUẬT
TRƯỜNG SĨ QUAN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

KẾT CẤU ĐỘNG CƠ ÔTÔ
TẬP 1
(Dùng cho đào tạo SQKT, ĐHKT, CĐKT chuyên ngành Ôtô)

TP. HỒ CHÍ MINH - 2011

2


Trường Sĩ quan Kỹ thuật Quân sự mong được bạn đọc góp ý kiến
phê bình
(Quyết định ban hành số: . . . . . /QĐ-KTQS ngày . . . . tháng . . . . năm 2011)

TÁC GIẢ
Chủ biên: Đại tá, Thạc sỹ Trần Quốc Toản

3

MỤC LỤC
Nội dung

Trang

Mục lục

3

Lời nói đầu

4

Phần I: Các bộ phận và cơ cấu trên động cơ

5

Chương 1: Tổng quan về động cơ đốt trong
1.1. Nhiệm vụ động cơ đốt trong
1.2. Phân loại động cơ đốt trong
1.3. Các bộ phận và cơ cấu trên động cơ ôtô
1.4. Động học - Động lực học - Cân bằng động cơ

5
5
5
6
9

Chương 2: Các chi tiết thuộc bộ phận cố đònh

2.1. Khái niệm chung
2.2. Thân động cơ (Thân máy)
2.3. Xylanh - lót xylanh
2.4. Nắp xylanh (Nắp máy)
2.5. Cụm nạp - xả
2.6. Đáy dầu
2.7. Kết cấu bộ phận gá lắp động cơ vào khung ôtô
2.8. Thân và nắp xylanh của một số động cơ điển hình
2.9. Những hư hỏng thường gặp ở các chi tiết máy cố đònh

28
28
30
40
43
58
55
56
56
61

Chương 3: Các chi tiết chuyển động
3.1. Nhóm píttông
3.2. Nhóm thanh truyền
3.3. Nhóm trục khuỷu - bánh đà
3.4. Ổ đỡ và bạc lót
3.5. Píttông, thanh truyền, trục khuỷu của một số động cơ điển
hình
3.6. Một số hư hỏng thường gặp ở các chi tiết máy chuyển động

63
63
86
98
117
121

Chương 4: Cơ cấu phân phối khí
4.1. Nhiệm vụ, phân loại, yêu cầu kỹ thuật
4.2. Cơ cấu phân phối khi dùng xupáp
4.3. Số xupáp và dẫn động cơ cấu phối khí
4.4. Kết cấu các chi tiết trong cơ cấu phân phối khí
4.5. Những hư hỏng chính, nguyên nhân

128
128
129
131
141
172

4

125


Tài liệu tham khảo

174

LỜI NÓI ĐẦU
Giáo trình “kết cấu động cơ đốt trong” được biên soạn theo đề cương,
chương trình môn học đã được “Hội đồng khoa học” Trường Só quan Kỹ thuật
Quân sự thông qua. Giáo trình biên soạn xong đã được nghiệm thu và đưa
vào sử dụng. Đây là tài liệu chính thức dùng cho học tập và giảng dạy hệ
ĐHKT, CĐKT chuyên ngành Ôtô tại Trường Só quan KTQS.
Trong quá trình biên soạn, giáo trình đã bám sát những kiến thức cơ bản,
trọng tâm, đặc biệt là kiến thức mới, tự động điều khiển trên động cơ. Tài
liệu bao gồm 2 phần, 9 chương.
Tập I trình bày các chi tiết, bộ phân và cơ cấu trên động cơ.
Chương 1: Tổng quan về Động cơ đốt trong
Chương 2: Các chi tiết thuộc bộ phận cố đònh
Chương 3: Các chi tiết thuộc bộ phận chuyển động
Chương 4: Cơ cấu phối khí
Giáo trình đã cố gắng trình bày hệ thống từ nhiệm vụ, điều kiện làm
việc, yêu cầu kỹ thuật, vật liệu chế tạo và kết cấu các chi tiết bộ phận và hệ
thống từ cơ bản đến kết cấu đặc trưng, chủ yếu trên động cơ của một số ôtô
điển hình, như: UAZ-1342, GAZ-66, ZIL130, URAL-375, URAL-4320,
KRAZ-255, TOYOTA, NISSAN, HUYNDAI, DEAWOO,...
Trong quá trình biên soạn đã tham khảo nhiều giáo trình, tài liệu của
nhiều trường Đại học, Cao đẳng và Dạy nghề, sách về ôtô máy kéo và động
cơ đốt trong của nhiều nhà xuất bản trong và ngoài nước ấn hành. Tuy vậy,
chắc chắn giáo trình vẫn còn nhiều chỗ chưa trọn vẹn, đầy dủ, rất mong bạn
đọc phê bình, góp ý. Mọi ý kiến xin trao đổi trực tiếp với tác giả hoặc giáo
viên khoa Ôtô/ Trường Só quan KTQS/TCKT.
Xin chân thành cảm ơn.
TÁC GIẢ

5

Phần I
CÁC BỘ PHẠÂN VÀ CƠ CẤU TRÊN ĐỘNG CƠ
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
1.1. Nhiệm vụ động cơ đốt trong
Động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt, thực hiện việc chuyển đổi
nhiệt năng, do nhiên liệu được đốt cháy trong xilanh tạo ra, thành công cơ (cơ
năng) để dẫn động các máy công tác (hệ thống truyền động trên ôtô, đầu
máy xe lửa, máy bơm nước, máy phát điện, ...). Động cơ đặt trên ôtô (gọi tắt
là động cơ ôtô) cung cấp năng lượng cho ôtô hoạt động.
1.2. Phân loại động cơ đốt trong
Động cơ ôtô có thể phân loại theo những đặc trưng cơ bản sau.
1.2.1. Dựa vào số hành trình trong một chu kỳ công tác
- Động cơ 4 kỳ: là động cơ có chu trình công tác được hoàn thành trong 4
hành trình của píttông hoặc 2 vòng quay của trục khuỷu.
-Động cơ 2 kỳ: là động cơ có chu trình công tác được hoàn thành trong 2
hành trình của píttông hoặc một vòng quay của trục khuỷu.
1.2.2. Dựa vào loại nhiên liệu sử dụng- Động cơ dùng nhiên liệu lỏng
(chủ yếu là xăng và điêzel);
- Động cơ dùng nhiên liệu khí;
- Động cơ sử dụng nhiều loại nhiên liệu (đa nhiên liệu).
1.2.3. Dựa phương pháp nạp
- Động cơ không tăng áp: là động cơ chỉ lợi dụng sự chênh lệch áp suất
trong và ngoài xylanh (áp suất khí trời po) để thực hiện quá trình nạp.
- Động cơ tăng áp: Là động cơ có tăng áp suất khí nạp trước khi nạp vào
động cơ.
1.2.4. Dựa vào cách bố trí xylanh của động cơ
- Động cơ một hàng xylanh: Là động cơ mà các xylanh được bố trí thành
một hàng (có thể thẳng đứng, nghiêng hoặc nằm ngang).

- Động cơ hai hàng xylanh: Là động cơ mà các xylanh được bố trí thành
hai hàng hình chữ V (góc giữa hai hàng có thể 60 ÷ 90 0 …).
6


1.2.5. Dựa vào phương pháp làm mát
- Động cơ làm mát bằng không khí
- Động cơ làm mát bằng chất lỏng.
1.2.6. Dựa vào cách bố trí
- Động cơ nằm ngang: Là động cơ được bố trí đường tâm trục khuỷu
vuông góc với chiều dọc ôtô. Thường lắp trên các xe du lòch nhỏ, loại này
động cơ được lắp kèm theo các khối: Ly hợp, hộp số, truyền lực cho hai bánh
trước.
- Động cơ nằm dọc: Là động cơ được bố trí theo chiều dọc ôtô, loại này
được dùng phổ biến, nhiều nhất là các ôtô vận tải.
Ngoài ra có thể phân loại động cơ theo một số đặc trưng khác như:
- Động cơ xăng
* Động cơ chế hòa khí: Là động cơ sử dụng bộ chế hòa khí để tạo hỗn
hợp.
* Động cơ phun xăng: Là động cơ có trang bò hệ thống phun xăng để tạo
hỗn hợp.
- Động cơ điêzel.
1.3. Các bộ phận và cơ cấu trên động cơ ôtô
Về mặt kết cấu động cơ đốt trong trên ôtô là một tổ hợp máy móc rất
phức tạp được thể hiện mặt cắt dọc, cắt ngang trên các hình vẽ 1.1, 1.2a,
1.2b. Bao gồm các cơ cấu và hệ thống chính sau.
1.3.1.Cơ cấu khuỷu trục – thanh truyền
Các chi tiết máy cố đònh, gồm: Thân động cơ, xylanh, nắp máy, hộp
trục khuỷu.
Các chi tiết máy chuyển động, gồm: Nhóm píttông, nhóm thanh truyền,

trục khuỷu- bánh đà.
1.3.2. Cơ cấu phân phối khí
Trong cơ cấu phối khí dùng xupáp, Gồm: các xupáp nạp, xả, lò
xo xupáp, ống dẫn hướng, cò mổ, thanh đẩy, con đội, trục cam…
1.3.3. Hệ thống bôi trơn (HTBT)
Trong hệ thống bôi trơn áp lực cacte ướt, gồm có các bộ phận: chứa dầu,
bơm dầu, bầu lọc dầu thô, tinh, đường dẫn dầu, két làm mát dầu…
1.3.4. Hệ thống làm mát (HTLM)
Trong hệ thống làm mát tuần hoàn cưỡng bức kín, gồm có các bộ phận:
Két nước, bơm nước, quạt gió, van hằng nhiệt, khoang nước làm mát, đường
dẫn nước…

7


1.3.5. Hệ thống nhiên liệu (HTNL)
Hệ thống nhiên liệu, dựa theo nhiên liệu sử dụng được chia làm 2 loại.
1.3.5.1. Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng: Theo phương pháp tạo hỗn
hợp, được chia làm 2 loại.
- HTNL động cơ xăng (HTNL - X) kiểu hút, tạo hỗn hợp bằng bộ chế
hòa khí, gồm: Thùng xăng, bầu lọc, bơm xăng, bộ chế hòa khí, bộ hạn chế
tốc độ, bầu lọc không khí, ống dẫn xăng…
- HTNL động cơ xăng (HTNL - X) tạo hỗn hợp bằng phương pháp phun
xăng điều khiển điện tử, gồm mạch điều khiển điện tử, mạch cung cấp xăng,
mạch không khí…
1.3.5.2. Hệ thống nhiên liệu động cơ Điêzel (HTNL – D)
Tùy theo sử dụng loại bơm cao áp. Nếu trong HTNL-D dùng bơm cao áp PE,
có các bộ phận sau: Thùng nhiên liệu, bầu lọc nhiên liệu, bơm chuyển, bơm cao áp,
vòi phun, đường dẫn thấp áp, đường dẫn cao áp, bộ điều tốc, đường nhiên liệu hồi,
máy nén tăng áp (nếu có)…

a

b

Hình 1 -1. Cấu tạo một động cơ đơn giản
a- Động cơ xăng: 1- Nắp xylanh, 2- Nến điện, 3-Píttông, 4- Bơm nước, 5Con đội, 6- Trục cam, 7- Bánh đà, 8- Bơm dầu, 9- Đáy dầu, 10- Bánh răng
truyền động, 11- Trục khuỷu, 12-Thanh truyền, 13- Chốt píttông, 14- Xupáp
nạp, 15- Chế hoà khí, 16- Xupáp xả, 17- Đòn bầy, 18- Thanh đẩy.

8


b- Động cơ điêzel: 1- Nắp máy, 2- Đòn bẩy, 3-Vòi phun, 4- Xupáp xả, 5Xupáp nạp, 6- Buồng cháy, 7- Píttông, 8- Chốt píttông, 9- Thanh Truyền, 10Bánh đà, 11- Thân động cơ, 12-Trục khuỷu, 13- Bánh răng dẫn động, 14-Trục
cam, 15- Bơm cao áp, 16- Thanh đẩy 17- Bầu lọc không khí.

Hình 1-2a. Mặt cắt ngang động cơ ZIL -131

9


1. Bơm dầu, 2. Thân động cơ, 3. Píttông, 4. Ống lót xylanh, 5. Đường ống
xả, 6. Nắp đậy, 7. Đòn bẫy, 8. Nắp xylanh, 9. Thanh đẩy, 10. Bầu lọc dầu kiểu
li tâm, 11. Bộ chế hoà khí, 12, 13. Cụm nạp, 14. Bộ chia điện, 15. Thước thăm
dầu, 16. nến điện, 17. Trục bộ chia điện, 18. Con đội, 19. Tấm chắn máy khởi
động, 20. Máy khởi động, 21. Đáy dầu, 22. Phao hút dầu.

Hình 1-2b. Mặt cắt dọc động cơ ZIL – 131
1. Buly truyền động đầu trục khuỷu, 2. Phớt chắn dầu, 3. Đai ốc khởi
động, 4. Dấu đánh lửa, 5. Cảm biến bộ hạn chế tốc độ tối đa, 6. Trục của cảm

biến bộ hạn chế tốc độ tối đa, 7. lò xo hãm ở chốt gài, 8.Vòng hãm, 9. Tấm
cách, cữ của trục cam, 10. Nắp đậy bánh răng cam, 11. Bơm nước, 12. p li
bơm nước, 13. Dây đại chính, 14. Dây đai bơm trợ lực dầu,15. Dây đai máy
nén khí, 16,17. Vú bơm mỡ, 18. Móc cẩu động cơ, 19. Lọc khí ống hút thông
gió động cơ, 20. Bơm xăng, 21. Trục trung gian dẫn động bơm xăng, 22. Bầu
lọc tinh xăng, 23. Ôáng thông hơi buồng trục khuỷu, 24. Bầu lọc dầu li tâm
hoàn toàn, 25. Cảm biến báo nhiệt độ nước, 26. Trục cam , 27. Bạc cổ trục
cam, 28. Đệm làm kín, 29. Vỏ li hợp, 30. Trục khuỷu, 31. Đệm chắn dòch dọc
của trục khuỷu, 32. Bánh răng trục khuỷu.

10


1.4. Động học – động lực học – cân bằng động cơ.
Cơ cấu khuỷu trục - thanh truyền là cơ cấu chính trong động cơ đốt trong
(ĐCĐT), bao gồm các chi tiết chính như đã trình bày ở trên. Trước khi khảo
sát kết cấu các chi tiết cụ thể, cần tìm hiểu quy luật động học, động lực học
và xét sự cân bằng động cơ để thuận tiện trong nghiên cứu và phân tích kết
cấu.
1.4.1. Động học cơ cấu khuỷu trục - thanh truyền giao tâm
Tìm quy luật chuyển động tònh tiến của píttông là nhiệm vụ chủ yếu khi
nghiên cứu động học cơ cấu khuỷu trục – thanh truyền. Để tiện nghiên cứu,
giả thiết rằng trong quá trình làm việc, trục khuỷu quay với tốc độ góc ω
không đổi. Theo quy ước chiều lực hướng tâm mang dấu dương (+), ly tâm
mang dấu âm (-).
1.4.1.1. Quy luật chuyển động của của píttông
a. Khoảng dòch chuyển x của píttông
Hình 1-3 giới thiệu sơ đồ của cơ cấu khuỷu trục thanh truyền thông
dụng. Chuyển vò x của píttông tính từ ĐCT của píttông tùy thuộc vào vò trí
góc quay ϕ của trục khuỷu. Ta có:

X = AB/ = AO – (B/D + DO) = (l +R) – (Rcos ϕ + lcos β )
(1-1)
Trong đó l và R là chiều dài thanh truyền và bán kính quay của trục
R
khuỷu. Gọi λ =
là thông số kết cấu ( λ = 0,24 − 0,29) , ta có thểviết:
l
 1  
1

x = R 1 +  −  cos ϕ + cos β  
(1-2)
λ

 λ  
Đây là dạng công thức chính xác của chuyển vò píttông. Để tính toán
gần đúng trí của x, có thể dùng công thức gần đúng.
Từ tam giác OCB, ta có:
sin β
λ=
và do cos β = 1 − sin 2 β
(1-3)
sin ϕ
1

Nên: cos β = 1 − λ2 sin 2 ϕ = (1 − λ2 sin 2 ϕ) 2
Khai triển vế phải của đẳng thức thành chuổi Macloranh ta có:
11 
1 1
 − 1

( − 2)
1
1
2
2


2
2
2
2
4
4
2
(1 − λ sin ϕ) 2 = 1 − 2 λ sin ϕ + 2! λ sin ϕ − 23! λ4 sin 4 ϕ + ...
1
1
1
= 1 − λ sin 2 ϕ − λ4 sin 4 ϕ − λ6 sin 6 ϕ + ...
2
8
16

11


Hình 1-3. Sơ đồ động học cơ cấu khuỷu trục - thanh truyền giao tâm
Bỏ các số hạng lũy thừa từ bậc 4 trở lên (vì λ < 1, nên luỹ thừa
bậc 4 trỏ lên có giá trò rất nhỏ) rồi thay trò số gần đúng của cos β vào phương
trình tính x, sau khi rút gọn ta có công thức gần đúng sau đây:

λ


x ≈ R.(1 − cos ϕ) + (1 − cos 2ϕ) 
(1-4)
4


b. Vận tốc của píttông
- Vận tốc tức thời v:
Lấy đạo hàm công thức tính x đối với thời gian, ta có tốc độ của píttông:
dx dx dϕ dx
v=
=
.
=
ω
(1-5)
dt dϕ dt dϕ
dϕ
Trong đó ω =
là tốc độ góc của trục khuỷu.
dt
λ


v = Rω. sin ϕ + sin 2ϕ 
Do đó:
(1-6)
2



- Vận tốc trung bình Cm: Trong thiết kế người ta còn chú ý đến vận tốc
trung bình của píttông, Cm.
Sn
Cm =
(m/s)
(1-7)
30
12


Trong đó: S - hành trình píttông, S = 2R (m)
n - tốc độ vòng quay của động cơ (vg/phút)
Động cơ tốc độ thấp:
Cm = 3,5 – 6,5 m/s
Động cơ tốc độ trung bình: Cm = 6,5 – 9,0 m/s
Động cơ tốc độ cao:
Cm > 9,0
m/s
c. Gia tốc píttông
Lấy đạo hàm v theo thời gian, được công thức tính gia tốc píttông:
dv dv dϕ dv
J=
=
.
=
ω
dt dϕ dt dϕ

J = Rω 2 .( cos ϕ + λ cos 2ϕ )

(1-8)
* Khi gia tốc đạt cực đại, tức là đạo hàm j theo ϕ bằng 0, tức là:
dj
= −Rω2 (sin ϕ + 2λ sin 2ϕ) = 0
dϕ
Tức là: (sin ϕ + 2λ sin 2ϕ) = sin ϕ + 4λ sin ϕ cos ϕ = sin ϕ(1 + 4λ cos ϕ) = 0
Giải phương trình lượng giác, được:
sin ϕ = 0 khi ϕ = 0 và ϕ =1800

 1 
1 + 4λ cos ϕ = 0 khi ϕ = acr cos s − 
 4λ 
Trường hợp khi ϕ = 0 và ϕ =1800, j đạt cực trò:

j1800 = Rω2 (1 + λ)
j00 = −Rω2 (1 − λ)
 1 
 , cực trò của gia tốc bằng:
Trường hợp khi ϕ = acr cos s −
 4λ 

j,ϕ = −Rω2 (λ +
,
Trò số này jϕ chỉ tồn tại khi λ ≥

và

j1800

là: j − j1800

Khi λ =

,
ϕ

1
)
8λ

1
; Trò số chênh lệch tuyệt đối giữa jϕ
4

( 4λ − 1)
1 

= Rω  λ +  − Rω2 (1 − λ ) = Rω2
8λ 
8λ

2

1
trò số chênh lệch này bằng không, tức là lúc đó:
4
j,ϕ = j1800 = − Rω 2 (1 − λ ) = jmin

1.4.1.2. Quy luật chuyển động của thanh truyền

13

2


Thanh truyền là chi tiết chuyển động phức tạp trong mặt phẳng vuông
góc với đường tâm trục khuỷu. Đầu nhỏ thanh truyền chuyển động tònh tiến
theo phương đường tâm xilanh, đầu to chuyển động quay tròn với bán kính R
và vận tốc góc không thay đổi ( ω = const ).
Vì vậy chuyển động của thanh truyền đối với đường tâm xilanh theo
quan hệ sau:
a. Góc lắc của thanh truyền:
β = arcsin ( λ sin ϕ )
(1-9)
0
0
Góc lắc β đạt trò số cực đại khi ϕ = 90 và ϕ = 270 , khi đó
β max = arcsin λ
b. Vận tốc góc ω tt :
Lấy đạo hàm 2 vế của β ta được công thức tính vận tốc góc của thanh
truyền:
dβ dβ dϕ
dβ
ω tt =
=
.
= ω.
dt dϕ dt

dϕ
R
l
=
⇒ sin β = λ sin ϕ , đạo hàm 2 vế, được:
Từ
sin β sin ϕ
dβ
cos ϕ
cos β.dβ = λ cos ϕ.dϕ ⇒
=λ
dϕ
cos β
Thay vào ω tt , được:

ω tt = λ.ω.

cos ϕ
= λ.ω. cos ϕ. sec β ,
cos β

Hoặc:

λ.ω

ω tt =

1 − λ2 sin 2 ϕ

 1



= sec β 
 cos ϕ


(1-9)

cos β ,

0
0
Nếu: ϕ = 0 và ϕ = 180 thì ω tt đạt ω tt max , ω tt max = ± λ.ω
c. Gia tốc góc ε tt của thanh truyền

Đạo hàm 2 vế của ω tt ta được ε tt :
dω tt dω tt dϕ
dω
ε tt =
=
.
= ω. tt
dt
dϕ dt
dϕ

(

(1-10)

ε tt = ω.λ − ω. sin ϕ. sec β + ω.λ. cos 2 ϕ.tgβ. sec 2 β

(

ε tt = ω2 .λ. sec β − sin ϕ + λ. cos 2 ϕ.tgβ. sec β

Hoặc:

)


sin β 

ε tt = −ω 2 .λ. sin ϕ. sec 3 β cos 2 − λ. cos 2 ϕ.
cos
β


2
3
2
2
2
ε tt = −ω .λ. sin ϕ. sec β 1 − λ . sin ϕ − λ cos ϕ

(

14

)

)


ε tt = −ω 2 .λ.(1 − λ2 )

sin ϕ

(1 − λ

2

sin ϕ)

Khi ϕ = 90 và ϕ = 270 , thì ε tt đạt ε tt max = ±
0

0

(1-11)

3
2

λω 2
1 − λ2

1.4.2. Động lực học cơ cấu khuỷu trục thanh truyền
Động lực học cơ cấu nhằm xác đònh các lực tác dụng lên các chi tiết
trong cơ cấu ở mỗi vò trí khuỷu trục, giúp cho việc tính toán bền, xác đònh

trạng thái hao mòn chi tiết, tính toán mômen uốn, mômen xoắn trục khuỷu và
cân bằng động cơ.
1.4.2.1. Khối lượng các chi tiết chuyển động
Khối lượng các chi tiết thuộc cơ cấu khuỷu trục - thanh truyền khi
chuyển động chia làm hai loại:
- Khối lượng tònh tiến của các chi tiết chuyển động tònh tiến.
- Khối lượng chuyển động quay của các chi tiết chuyển động quay.
a. Khối lượng nhóm píttông mnp
Khối lượng mnp bao gồm khối lượng các chi tiết: píttông m p, xécmăng
mxm, chốt píttông và các chi tiết hãm chốt mcp
mnp = mp + mxm + mcp + mg +…, kg
1(12)
G np kGm
Trong đó: m np =
( 2 ), Gnp – trọng lượng nhóm píttông kG; g – gia
s
g
2
tốc trọng trường m/s .
Khối lượng mnp tham gia chuyển động tònh tiến.
b. Khối lượng nhóm thanh truyền mtt
Nhóm thanh truyền bao gồm thanh truyền, bulông thanh truyền, bạc đầu
to và bạc đầu nhỏ thanh truyền.
Trong quá trình làm việc, thanh truyền tham gia chuyển động phức tạp:
Đầu nhỏ thanh truyền chuyển động tònh tiến, đầu to chuyển động quay, thân
thanh truyền chuyển động song phẳng. Để đơn giản trong tính toán động lực
học, phân khối lượng thanh truyền thành 2 phần khối lượng:
- Phần khối lượng quy về tâm đầu nhỏ thanh truyền tham gia chuyển
động tònh tiến m1.
- Phần khối lượng quy về tâm đầu to thanh truyền tham gia chuyển

động quay m2.
mtt = m1 + m2
(1-13)
Thường trên động cơ ôtô – máy kéo khối lượng m 1 và m2 tính theo công
thức kinh nghiệm: m1 = (0,275 – 0,350) mtt
15


m2 = (0,650 – 0,725) mtt
Động cơ tàu thủy, tỉnh tại:
m1 = (0,350 – 0,400) mtt
m2 = (0,600 – 0,650) mtt

Hình 1-4. Sơ đồ phân bố khối lượng thanh truyền
c. Khối lượng của trục khuỷu mk (một khuỷu trục)

Hình 1-5. Sơ đồ tính toán khối lượng trục khuỷu
Gồm khối lượng cổ trục, cổ chốt và 2 má khuỷu, được chia theo sơ đồ
hình 1-5.
- Phần chuyển động theo bán kính ρ là khối lượng của má khuỷu (gồm 2
má khuỷu) mm, được quy về tâm cổ chốt khuỷu với khối lượng m mr quay với
bán kính R, thỏa mãn đẳng thức sau:
ρ
mmr.R = mm. ρ ⇒ m mr = m m
(1-14)
R
- Phần khối lượng chốt khuỷu mck quay với bán kính R: mk = mck + 2mmr

16

- Phần khối lượng cổ trục tự cân bằng là phần khối lượng cổ trục khuỷu
mctr.

* Tóm lại:
- Khối lượng tham gia chuyển động tònh tiến làm mất cân bằng M =
mnp + m1, M được tính trên một đơn vò diện tích đỉnh píttông Fp là:
M
1
m=
= (m1 + m np )
Fp
Fp
- Khối lượng tham gia chuyển động quay làm mất cân bằng Mr:
Mr = mk + m2
và Mr cũng được tính trên một đơn vò diện tích đỉnh píttông Fp:
M
1
mr = r = ( mk + m2 )
Fp
Fp
1.4.2.2. Lực và mômen tác dụng lên cơ cấu khuỷu truc – thanh truyền động cơ
1 xilanh
Trong quá trình làm việc cơ cấu khuỷu trục - thanh truyền chòu các lực
sau đây:
- Lực quán tính của các chi tiết chuyển động, gồm lực quán tính tònh
tiến (Pj), do khối lượng các chi tiết chuyuển động tònh tiến m gây ra và lực
quán tính ly tâm (Pk), do khối lượng các chi tiết chuyển động quay mk gây ra.
- Lực khí thể Pkh do áp lực khí thể sinh ra
- Trọng lực

- Lực ma sát
Trừ trọng lực, còn các lực khác khi làm việc đều có chiều và trò số thay
đổi. Trong đó lực quán tính và lực khí thể có trò số lớn hơn cả, nên khi tính
toán động lực học, bỏ qua trọng lực và lực ma sát.
Để xét lực và mômen tác dụng lên cơ cấu, trước hết ta xét trò số lực tác
dụng lên píttông. Các lực này gồm có lực khí thể P kt, lực quán tính chuyển
động tònh tiến Pj. Tính theo đường kính xilanh - coi đường kính xilanh bằng
đường kính píttông D, ta có thể tính các lực này như sau:
a. Lực khí thể Pk
- Xác đònh Pk thông qua tính toán nhiệt, tính theo áp suất tường đối:
pkh = pz - po
(1-15)
Trong đó: pkh là áp suất khí thể tính theo áp suất tương đối, MN/m2
pz là áp suất khí thể trong tính toán nhiệt, MN/m2
po là áp suất khí trời, MN/m2
Lực khí thể Pkh được tính:
π.D 2
Pkt = pkt.FP = pkt. 4 , MN (trong đó Fp tính bằng m2)
17


b. Lực quán tính Pj
Lực quán tính tính theo khối lượng của nhóm píttông (gồm píttông, chốt
píttông và xécmăng), khối lượng phần thanh truyền quy về đầu nhỏ là phần
khối lượng tham gia chuyển động tònh tiến m, ta có:
2
PJ = m.J = m. Rω .( cos ϕ + λcos 2ϕ)
(1-16)
Gọi:
Pj1 = mRω2 cos ϕ

(1-18)
PJ 2 = mRω2 λ cos 2ϕ
Là lực quán tính chuyển động tònh tiến cấp 1 và cấp 2, ta có:
PJ = PJ1 + PJ2
(1-19)
Các lực Pj1, Pj2 có chiều tác dụng xác đònh theo góc quay ϕ của trục
khuỷu. Được xác đònh theo sơ đồ sau (Hình 1-6).
Chu kỳ của Pj1 ứng với 1 vòng quay trục khuỷu (3600)
Chu kỳ của Pj2 ứng với 1/2 vòng quay trục khuỷu (1800)
Pj có phương tác dụng là phương đường tâm xilanh. Khi píttông ở ĐCT
thì Pj có giá trò âm, chiều quay lên trên (chiều ly tâm đối với tâm trục khuỷu).
Khi píttông ở ĐCD, Pj có trò số dương, chiều quay xuống (hướng vào tâm trục
khuỷu).
→
→
Để tiện nghiên cứu ta dùng véctơ C và λC để xác đònh chiều và dấu
của lực quán tính.
→
- Hình 1-6a, biểu thò chiều và dấu của P j1, trong đó C có trò số C = mR
→
ω 2 , C quay quanh tâm 0 với vận tốc ω , trong phạm vi từ 00 -900 và 2700 →

→

3600 hình chiếu C trên trục tung có chiều quay lên, nên P j1 có trò số âm (-).
→

→

Trong phạm vi 900 - 2700 hình chiếu C quay xuống nên P j1 có giá tri

dương (+).

18


Hình 1-6. Sơ đồ xác đònh chiều và dấu của Pj1 và Pj2
→
- Hình 1-6b cũng xét tương tự, véctơ λC quay với vận tốc 2 ω , trong
→

phạm vi 00 - 450; 1350 - 2250 và 3150 - 3600 chiều của hình chiếu λC trên trục
→
tung quay lên trên nên P j2 có trò số âm (-).
Trong phạm vi 450 – 1350 va ø2250 – 3150, hình chiếu véctơ trên trục
→

tung có chiều quay xuống dưới, nên trò số P j2 mang giá trò dương (+).
→

→

* Chú ý: hình chiếu của các véctơ C và λC trên trục hoành không có

nghóa.
c. Lực quán tính chuyển động quay (lực quán tính ly tâm), Pk
Pk = −m r .R.ω 2
Lực Pk có chiều ly tâm nên mang giá trò âm. Tác dụng trên phương
đường tâm má khuỷu.
d. Hệ lực tác dụng lên cơ cấu khuỷu trục – thanh truyền
Do lực quán tính và lực khí thể cùng tác dụng trên đường tâm xilanh

nên hợp lực của chúng cũng có phương tác dụng trên đường tâm xilanh, nếu
chiều hướng tâm thì mang dấu (+), chiều ly tâm mang dấu (-).

19


Hình 1-7. Lực và mô men tác dụng lên cơ cấu khuỷu trục – thanh truyền
Gọi P1 là hợp lực của Pkt và Pj, được trò số P1:
P1 = Pkt ± Pj
(1-20)
Phân lực P1 thành 2 thành phần lực : PTT tác dụng trên phương đường
tâm thanh truyền và lực đẩy ngang N ép píttông tỳ vào thành xylanh. Như
hình vẽ 1-7. Xét về trò số, ta có:
N = P1tgβ

P1
(1-21)
cos β
Lực PTT trượt trên đường tác dụng và đặt tại tâm đầu to thanh truyền
đồng thời phân làm 2 thành phần: Lực tiếp tuyến T sinh ra mômen quay cân
bằng với tất cả các lực cản quy về tâm trục khuỷu và lực hướng tâm Z gây
uốn và hao mòn trục khuỷu. Theo quan hệ tam giác ta có:
sin(α + β )
T = PTT sin ( ϕ + β ) = p1
cos β
(1-22)
cos(α + β )
Z = PTT cos( ϕ + β ) = p1
cos β
PTT =

20


Quan hệ của

sin(α + β)
cos(α + β )
và
với α và λ được kê trong bảng.
cos β
cos β

* Kết luận:
- Lực Pkh do pkh sinh ra tác lên nắp xilanh, thân máy và lên píttông.
- Hợp lực P1 tác trên đỉnh píttông sinh ra lực đẩy thanh truyền P tt đồng
thời cũng tác dụng lên cổ trục và thân máy.
Phân lực T tạo thành mômen quay trục khuỷu động cơ M =T.R.
Mômen M cân bằng với tất cảấcc mômen sau:
+ Mômen cản của máy công tác M C và do lực ma sát của tất cả các chi
tiết chuyển động tác dụng lên bánh đà của động cơ.
+ Mômen sinh ra bỡi mômen quán tính của các chi tiết chuyển động
quy về tâm trục khuỷu là J0. Nếu gia tốc góc là ε , thì mômen cản sinh ra là J0
ε . Do đó:
M = MC + Jε
(1-23)
- Lực quán tính chuyển động tịnh tiến Pj tác dụng lên các ổ trục, trên chốt
khuỷu và trên chốt píttơng; Lực qn tính chuyển động ly tâm là một hằng số
ln tác dụng trên ổ trục của trục khuỷu.
- Lực ngang N gây ra mômen lật ngang động cơ. Trong thực tế, mômen

lật sẽ được cân bằng bỡi mômen gìm máy của các liên kết giữa động cơ trên
bệ, ví dụ như bulông nền. Đồng thời lực đẩy ngang N cũng đẩy píttông tỳ sát
vào thành xilanh làm tăng ma sát mài mòn cho píttông và xilanh.
Mômen lật có trò số:
sin ( ϕ − β)
M N = N.A = N.( l. cos β + R. cos ϕ) = P1 .tgβ.( l cos β + R cos ϕ) = P1 .
.R
cos β
Trong đó: A- Khoảng cách từ N đến tâm trục khuỷu.
Ngoài ra, các khối lượng lệch tâm khi quay m r sinh ra lực quán tính ly
tâm Pk quy dẫn về tâm chốt khuỷu. Gây ra tải trọng phụ làm hao mòn và mất
cân bằng động cơ.
1.4.2.2. Động lực học động cơ nhiều xilanh
Khi đã biết lực và mômen tác dụng lên cơ cấu khuỷu trục thanh truyền
động cơ 1 xilanh, đối với thứ tự làm việc đã cho, ta hoàn toàn có thể xác đònh
được lực và mômen gây ra ở các xilanh khác trên cơ sở xác đònh các góc lệch
pha giữa chúng.

21


Hình 1-8. Sơ đồ trục khuỷu động cơ 4 xilanh thứ tự làm việc 1-3-4-2.
Ví dụ: Cho động cơ 4 xilanh, 4 kỳ (hình 1.8). Ta có thể xác đònh được
mômen quay sinh ra trên từng khuỷu và tổng mômen quay của toàn bộ động
cơ:
ϕ 2 = ϕ1 + 180 0
Từ quan hệ:

ϕ 3 = ϕ1 + 540 0 ta có thể xác đònh mômen quay sinh

ϕ 3 = ϕ1 + 360 0
ra trên từng khuỷu trục và tổng mômen quay của toàn bộ động cơ.
M=

Z

∑T R
i =1

i

(1-24)

với z là số xilanh, i là số xilanh thứ i.
Từ đây ta có thể tìm được mômen trung bình M tb để chọn được máy
công tác có MC bằng mô mem Mtb, hoặc làm cơ sở cho các tính toán liên quan
như tính bánh đà, trục khuỷu.

1.4.3. Cân bằng động cơ
1.4.1.1. Khái niệm
Khi động cơ làm việc ở trạng thái ổn đònh, nếu lực và mômen tác dụng
trên bệ của động cơ không thay đổi trò số và chiều tác dụng thì động cơ được
coi là cân bằng. Khi động cơ làm việc ở trạng thái không cân bằng, lực
truyền cho bệ động cơ luôn luôn thay đổi, vì thế khiến cho bulông bò lỏng ra,
một số chi tiết máy bò quá tải, độ mài mòn các chi tiết máy tăng lên và còn
gây ra nhiều tác hại khác.
Nguyên nhân khiến cho động cơ không cân bằng là trong quá trình vận
hành, trong động cơ tồn tại các lực quán tính của khối lượng chuyển động

22

tònh tiến, chuyển động quay và các mômen của chúng sinh ra. Các lực và
mômen này tác dụng trên bệ máy và thân máy khiến cho động cơ rung động.
i=n

∑ Pj1 = ∑ m.R.ω2 . cos ϕ = 0
∑P

i =1
i=n

= ∑ m.R.ω 2 .λ. cos 2ϕ = 0

j2

i =1
i=n

∑P

= ∑ m r .R.ω 2 = 0

k

∑M
∑M

j1

j2

∑M

(1-25)

i =1
i=n

k

= ∑ a.m.R.ω 2 . cos ϕ = 0
i =1
i=n

= ∑ a.m.R.ω 2 .λ. cos ϕ = 0
i =1
i=n

= ∑ a.m.R.ω 2 = 0
i =1

Một nguyên nhân khác nữa làm cho động cơ rung động là mômen M
tác dụng trên trục khuỷu luôn thay đổi và trong động cơ luôn tồn tại mômen
lật MN = N.A.
Trong thực tế, chỉ riêng độ không đồng đều không thể tránh khỏi của
mômen M đã khiến cho phụ tải tác dụng lên bệ động cơ luôn thay đổi theo
chu kỳ cũng làm cho động cơ mất cân bằng.
Vì vậy muốn cho động cơ được cân bằng, phải thiết kế sao cho hợp lực
của các lực quán tính đều bằng không. Tổng mômen của chúng sinh ra trên

các mặt phẳng chứa đường tâm trục khuỷu cũng bằng không.
Nếu gọi a là khoảng cách giữa 2 đường tâm xilanh; ∑ M j , ∑ M j ,
∑ M k là tổng mômen do các lực hợp ∑ Pj , ∑ Pj , ∑ Pk sinh ra:
Để đảm bảo tính năng cân bằng các hợp lực và mômen nói trên cần
tăng độ đồng đều của M, thường tăng số xilanh i, bố trí gốc lệch khuỷu hợp
lý cách đều, bố trí thêm đối trọng. Trong thực tế ĐCĐT không thể cân bằng
tuyệt đối được: Do sự không đồng đều của M khiến cho phụ tải tác dụng lên
bệ đỡ động cơ luôn thay đổi theo chu kỳ. Để tăng khả năng cân bằng cho
động cơ trong quá trình thiết kế và chế tạo các chi tiết, trong quá trình lắp
ráp và vận hành động cơ v.v…cần đảm bảo các yêu cầu chính sau đây:
- Trọng lượng của các nhóm píttông lắp trên động cơ phải bằng nhau.
- Trọng lượng các nhóm thanh truyền phải bằng nhau, trọng tâm các
nhóm thanh truyền bằng nhau.
1

1

23

2

2


- Phải dùng phương pháp cân bằng động và cân bằng tónh để cân bằng
trục khuỷu và các chi tiết quay của động cơ.
- Dung tích làm việc của các xilanh phải bằng nhau, cơ cấu phối khí
phải điều chỉnh các thông số kỹ thuật như nhau.
- Tỷ số nén và hình dạng, dung tích các buồng cháy như nhau.
- Góc đánh lửa sớm (trong động cơ xăng) và góc phun sớm (trong động

cơ điêzel) phải như nhau.
- Thành phần hòa khí hỗn hợp (trong động cơ xăng) và lượng nhiên
liệu cung cấp, góc phun sớm (trong động cơ điêzel) như nhau.
1.4.1.2. Cân bằng động cơ 1 xilanh
Trong động cơ 1 xilanh tồn tại các lực và mômen sau đây chưa được
cân bằng:
- Lực quán tính chuyển động tònh tiến. Các lực này tác dụng trên
phương đường tâm xilanh, trò số và chiều tác dụng tùy thuộc vào góc quay ϕ
của trục khuỷu.
- Lực quán tính chuyển động quay tác dụng trên đường tâm chốt
khuỷu, chiều theo hướng ly tâm.
- Mômen lật MN = - M = - T.R, chiều mômen này trái với chiều của M
và trò số cũng thay đổi theo góc quay ϕ .
- Mômen thanh truyền Mt.
Cân bằng động cơ 1 xilanh cũng như động cơ nhiều xilanh, chủ yếu là
dùng biện pháp về kết cấu để đạt tới các điều kiện đã nêu. Bỏ qua lực ma
sát, sau đây sẽ xét vấn đề cân bằng các lực và mômen chưa cân bằng nói
trên.
a). Cân bằng lực quán tính chuyển động tònh tiến
- Cân bằng bằng đối trọng
Nếu trên phương kéo dài của má khuỷu, đặt một khối lượng m (bằng
khối lượng chuyển động tònh tiến) cách tâm quay một khoảng bằng bán kính
quay R. Như vậy khi trục khuỷu quay với tốc độ góc là ϕ khối lượng m sẽ
sinh ra một lực ly tâm:

Pd = mRω2
Phân lực Pd1 trên phương đường tâm xi lanh:
Pd1 = mRω 2 cos 180 0 + ϕ = − mRω 2 cos ϕ = − PJ1

(

)

24


Hình 1-9. Sơ đồ cân bằng lực quán tính tònh tiến bằng đối trọng.
Phân lực này đã triệt tiêu lực quán tính chuyển động tònh tiến cấp 1.
Tuy nhiên trên phương nằm ngang lại xuất hiện một phân lực khác là P d2:
Pd 2 = mRω2 sin 180 0 + ϕ = − mRω2 sin ϕ

(

)

Pd2 khác PJ1 về chiều cũng như về trò số; nhưng trò số cực đại của chúng lại
bằng nhau và xuất hiện trên các phương khác nhau. Do đó về thực chất chỉ
dùng đối trọng không thể nào cân bằng được lực quán tính chuyển động tònh
tiến mà chỉ là chuyển chiều tác dụng của các lực quán tính. Xuất phát từ
nguyên tắc ấy, ta có thể dùng đối trọng để chuyển chiều tác dụng của các lực
quán tính chuyển động tònh tiến tác dụng trên mặt phẳng thẳng đứng (mặt
phẳng chứa các đường tâm xilanh) đến một mặt phẳng nào đó có tính ổn đònh
lớn nhất. Trên thực tế, người ta thường chuyển cho một nửa lực P J1 tác dụng
trên phương nằm ngang còn một nửa tác dụng trên phương thẳng đứng.
- Cân bằng bằng cơ cấu Lăngsetchơ

25