Tính toán thiết kế kiểm nghiệm bền trục khuỷu

Khoa cơ khí động lực
LỜI NÓI ĐẦU

Để xây dựng thành công quá trình CNH-HĐH đòi hỏi phải xây dựng một nền khoa
học kỹ thuật và công nghệ tương ứng.Ngành công nghiệp Ôtô là một trong những ngành
phục vụ rất hiệu quả cho quá trình CNH-HĐH.
Ngành công nghiệp Ôtô tuy không phải là một ngành mới,nhưng nó vẫn diễn ra rất
sôi động ở mỗi quốc gia khác nhau trên thế giới.Nhận thức đúng đắn về tầm quan trọng
của ngành công nghiệp này Đảng và Nhà nước ta đã có những chính sách phù hợp thúc đẩy
sự phát triển ngành công nghiệp Ôtô trong nước,từng bước phát triển và tiến tới sẽ sản xuất
được Ôtô tại chính nước ta mà không phải nhập khẩu.
Môn “Thiết kế và Tính toán Ôtô”là một trong những môn học đóng vai trò quan trọng
trong việc thiết lập những cơ sở khoa học để thiêt kế và kiểm nghiệm bền các chi tiết, các
cơ cấu,hệ thống cấu thành nên Ôtô.
Môn học này là nền tảng cơ bản của ngành kỹ thuật Ôtô vì vậy nó đòi hỏi phải được
xây dựng ngay từ những bước đi đầu tiên. Xuất phát từ những điều kiện trên,em đã được
thầy giáo giao cho đề tài: “Tính toán kiểm nghiệm bền trục khuỷu”.
Trong quá trình thực hiện đề tài, được sự chỉ bảo tận tình của các thầy cô trong
khoa, đặc biệt là thầy XXX, cùng với sự cố gắng của bản thân đến nay em đã hoàn thành đề
tài.
Do điều kiện về thời gian cũng như hạn chế về trình độ của bản thân,thêm vào đó
vấn đề nghiên cứu còn mới mẻ nên đề tài không tránh khỏi sai sót. Vì vậy em rất mong
nhận được sự đóng góp, bổ sung của các Thầy - Cô giáo trong khoa và các bạn để đề tài
được hoàn thiện hơn.
Em chân thành cảm ơn!
YYY, ngày … tháng…. năm 2011
Sinh viên thực hiện

ZZZ
Đồ án môn học

1


Khoa cơ khí động lực

MỤC LỤC
Trang
LỜI NÓI ĐẦU

1

PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU TRỤC KHUỶU

3

1 : Mô tả khái quát về cơ cấu trục khuỷu
1.1: Chức năng của trục khuỷu
1.2: Điều kiện làm việc
1.3: Vật liệu và phương pháp chế tạo
1.4: Yêu cầu của trục khuỷu
1.5: Kết cấu của trục khuỷu
1.5.1: Phân loại
1.5.2: Kết cấu các bộ phận của trục khuỷu

3
4
4
4
4
5

5
6

PHẦN II: TÍNH TOÁN KIỂM NGHIỆM BỀN

11

2.1 :
2.1.1:
2.1.2:
2.2
2.2.1:
2.2.2:

Các thông số cần thiết
Các thông số cho trước
Các thông số tính toán
Tính toán kiểm nghiệm trục khuỷu
Trường hợp chịu lực Pzmax
Trường hợp chịu lực Tmax

11
11
11
16
18
20

LỜI KẾT

28

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Đồ án môn học

2


Khoa cơ khí động lực

Phần I : TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU TRỤC KHUỶU
1. Mô tả khái quát về cơ cấu trục khuỷu
- Trục khuỷu là một chi tiết quan trọng và phức tạp nhất trong động cơ. Nó có tác dụng
biến lực của khí cháy đẩy piston qua thanh truyền thành chuyển động quay tròn và đưa
công suất của động cơ ra ngoài (tới các bộ phận khác). Mặt khác biến lực quán tính của nó
thành chuyển động các thanh truyền và piston. Nó làm quay các bộ phận khác như trục
cam, quạt gió, bơm nước, máy phát điện...
- Trong quá trình làm việc trục khuỷu chịu phụ tải thay đổi theo chu kỳ của lực khí
thể và lực quán tính của các khối vận động thẳng và quay, làm cho nó bị kéo, nén, uốn với
ứng suất khá lớn và chịu mài mòn. Do vậy trục khuỷu được chế tạo bằng thép các bon rồi
tôi tần số cao (các cổ trục), bằng thép hợp kim hoặc bằng gang.

Hình 1.1. Trục khuỷu
1, 6. Cổ biên; 2. Lỗ khoan cân bằng đố trọng
3. Cổ trục; 4. Đối trọng; 5. Má khuỷu
- Hình dáng kết cấu và kích thước của trục khuỷu phụ thuộc vào số xilanh, cách bố trí
xilanh, số kỳ của động cơ và thứ tự làm việc của các xilanh.

Hình 1.2. Trục khuỷu và bánh đà

1.1. chức năng của trục khuỷu
Đồ án môn học

3


Khoa cơ khí động lực

- Trục khuỷu là chi tiết rất quan trọng trong đông cơ ôtô và có nhiệm vụ:
- Tiếp nhận lực khí cháy đẩy piston qua thanh truyền làm quay trục khuỷu và đưa công
suất ra ngoài. Đồng thời biến lực quán tính của nó thành chuyển động tịnh tiến của piston
và thanh truyền
1.2. điều kiện làm việc
- Chịu tải trọng thay đổi có chu kỳ do áp lực khí thể và lực quán tính
- Chịu mô men xoắn và uốn đổi chiều
- Chịu mài mòn do ma sát
- Tính không đều của mô men quay gây ra dao động dọc và dao đọng xoắn ngang
1.3. vật liệu và phương pháp chế tạo
- Vật liệu chế tạo trục khuỷu thường là thép cacbon, thép hợp kim, gang cầu
- Hệ số ma sát trong của thép cacbon lớn hơn thép hợp kim. Vì vậy, nó có khả năng
giảm biên độ dao động xoắn
- Thép cacbon rẻ tiền
- Thép hợp kim có ưu điểm là tính năng cơ lý và sức bền cao, vì vậy thường dùng trên
các đồng cơ tốc độ trung bình và cao, lực quán tính lớn .
- Các loại thép hợp kim thường dùng là : 45Mn2; 50Mn; 40Cr …
- Ngày nay ngoài thép người ta thường dùng gang cầu như : GZ50-1,5 để đúc trục
khuỷu vì nó có ưu điểm là : rẻ tiền , dễ đúc được kết cấu trục khuỷu lý tưởng, hệ số ma sát
trong lớn, ít nhảy cảm với ứng suất tập trung và gang dễ giữ dầu bôi trơn
1.4. yêu cầu của trục khuỷu
- Có sức bền cao, cứng vững nhưng trọng lượng nhỏ

- Có đọ chính xác gia công cao, độ cứng, độ bóng bề mặt cổ chốt, cổ khuỷu lớn.
- Đảm bảo cân bằng động và tính đồng đều mô men quay cao nhưng đơn giản dễ chế
tạo
- Không xảy ra dao động cổng hưởng trong phạm vi số vòng quay sử dụng

1.5. kết cấu của trục khuỷu
Đồ án môn học

4


Khoa cơ khí động lực

- Hình dạng kết cấu của trục khuỷu phụ thuộc vào số xi lanh, số kỳ của động cơ thú
tự làm việc của các xi lanh và số hang xi lanh
- Kích thước của trục khuỷu phụ thuộc vào dường kính xi lanh, khoảng cách giữa hai
đường tâm xi lanh. Phương pháp làm mát động cơ
1.5.1. phân loại
a. Trục khuỷu ghép và trục khuỷu nguyên
- Trục khuỷu ghép là trục khuỷu gồm nhiều chi tiết ghép lại với nhau
- Loại trục này thường dùng cho các đọng cơ cỡ lớn đôi khi dùng cho các động cơ cỡ
nhỏ như xe máy

Hình 1.3. Trục khuỷu ghép

- Trục khuỷu nguyên là trục chỉ gồm một chi tiết thường dùng cho các động cơ cỡ
nhỏ và trung bình

Hình 1.4. Ttrục khuỷu động cơ 4 xi lanh
1. Đầu trục

2. Chốt khuỷu
5. Đối trọng

3. Cổ khuỷu 4. Má khuỷu
6. Đuôi trục khuỷu

b. Trục khuỷu trốn cổ và trục khuỷu đủ cổ
Gọi số xi lanh của động cơ là i và số cổ trục là Z
khi đó :
Trục khuỷu đủ cổ trục : Z = i+1
Đồ án môn học

5


Khoa cơ khí động lực

Trục khuỷu trốn cổ trục : Z = +1

Hình1.5. Trục khuỷu 4 xi lanh trố cổ

1.5.2. Kết cấu các bộ phận của trục khuỷu
a . Đầu trục khuỷu
- Đầu trục khuỷu là đầu tự do của trục khuỷu. trên đầu trục khuỷu thường được lắp các
bánh răng dẫn đọng trục cam, bơm cao áp, bơm nhiên liệu, bơm dầu nhờn và các bánh đai
để dẫn động quạt gió, bơm nước…
- Trên đầu trục khuỷu của một số động cơ còn lắp bộ giảm chấn xoắn
- Đầu mút của đầu trục khuỷu có lắp đai ốc để khởi động quay tay và còn có tác dụng
hãm chặt các bánh đai, ổ chắn dọc trục …

Hình 1.6. Kết cấu đầu trục khuỷu

b : Cổ trục khuỷu
- Cổ trục được gia công và xử lý bề mặt đạt độ cứng và độ bóng cao. Phần lớn các
động cơ có cổ trục cùng một đường kính. Đặc biệt có động cơ thường là động cơ cỡ
lớn, với đường kính cổ trục lớn dần từ đầu đến đuôi trục khuỷu để có sức bền đều. Tuy
Đồ án môn học

6


Khoa cơ khí động lực

nhiên nó sẽ rất phức tạp vì có nhiều bạc lót hoặc ổ đỡ có đường kính khác nhau. Cổ trục
khuỷu thường rỗng để làm rãnh dẫn dầu bôi trơn đến các cổ và chốt khác của trục
khuỷu.
c : Chốt khuỷu
- Chốt khuỷu cũng được gia công và xử lý bề mặt để đạt độ bóng và độ cứng cao.
- Đường kính chốt thường nhỏ hơn đường kính cổ khuỷu. nhưng cũng có trường hợp
như động cơ cao tốc do lực quán tính lớn đường kính chốt khuỷu có thể bằng đường kính
cổ khuỷu. chiều dài của chốt khuỷu phụ thuộc vào khoảng cánh giữa hai đường tâm xy
lanh kề nhau và chiều dài cổ trục. cũng như ở cổ khuỷu, chốt khuỷu có thể làm rỗng để
giảm trọng lượng và tạo thàh cốc lộc dầu bôi tơn. Để dẫn dầu từ thân máy đến các cổ
khuỷu rồi theo các đường khoan trong cổ, má khuỷu dẫn lên chốt khuỷu.

Hình 1.7. Kết cấu dẫn dầu bôi trơn chốt khuỷu

d : Má khuỷu
- Má khuỷu là bộ phận nối liền cổ trục và chốt khuỷu. hình dạng má khuỷu phụ thuộc

vào số vòng quay của động cơ. Để giảm trọng lượng và do đó giảm lực quán tính, người ta
cố gắng giảm triệt để các phần không chịu lực của má
- Hình dáng của má khuỷu có các dạng nư sau:
- Loại má hình chữ nhật vát góc. Loại này đơn giản dễ chế tạo
- Loại má hình ô van là loại má lợi dụng vật liệu hợp lý nhất và phân bố ứng suất đồng
đều nhất nên được sử dụng nhiều nhất.

Đồ án môn học

7


Khoa cơ khí động lực

- Loại má hình tròn có ưu điểm sức bền cao, cho phép giảm chiều dày má để tăng chiều
dài cổ trục, chốt khuỷu, thuận lợi cho điều kiện bôi trơn cổ trục, chốt khuỷu, má tròn cũng
đơn giản dễ chế tạo.

Hình 1.8. Các dạng má khuỷu

- Để trục khuỷu có độ cứng vững và đồ bền thường được thiết kế có độ trùng điệp kí
hiệu là ε và được tính theo công thức sau:

ε=

d ch + d c
−R
2

Trong đó : Đường kính của chốt

: Đường kính của cổ khuỷu
R : Bán kính quay trục khuỷu

Hình 1.9. Các biện pháp tăng bền má khuỷu

- Độ trùng điệp là phần mà hai cổ chốt và cổ khuỷu trùng nhau khi biểu diễn trục
khủy lên hình chiếu cạnh.

Đồ án môn học

8


Khoa cơ khí động lực

- Độ trùng điệp càng lớn, độ cứng vững và độ bền của trục khuỷu càng cao. Muốn
tăng độ trùng điệp ta có đường kính của cổ khuỷu hoặc cổ chốt, áp suất tiếp xúc và mài
mòn các cổ này sẽ giảm. giảm bán kính quay của trục khuỷu tứ là giảm hành trình hay vận
tốc trung bình của piston nghĩa là giảm mài mòn cặp piston-xi lanh. Điều đó được giải
thích nhờ mối quan hệ sau:
S = 2.R

;

=

( n là số vòng quay động cơ )
- Do có sử thay đổi mặt cắt đột ngột tại chỗ chuyển tiếp, nên gây ra hiện tượng ứng
suất, do đó có thể tránh tập trung ứng suất người ta phả làm chỗ chuyển tiếp ( gó lượn ) có
bán kính đủ lớn va hình dáng phù hợp.

e : đối trọng
Đối trọng là các khối lượng gắn trên trục khuỷu để tạo ra lực quán tính li tâm nhằm
những mục đích sau:
- Cân bằng lực quán tính li tâm Pk của trục khuỷu (Hình 1.8a).
- Cân bằng một phần lực quán tính chuyển động tịnh tiến cấp 1 (Hình 1.10b). Thông
thường người ta cân bằng một nửa lực quán tính chuyển động tịnh tiến cấp 1 của piston
thanh truyền.

mRω 2
=
2
2

Pjl

- Đối trọng- Lắp ngược với hướng của trục khuỷu- Tạo ra lực quán
tính li tâm có giá trị bằng:

Đồ án môn học

9


Khoa cơ khí động lực

Hình 1.10. Vai trò của đối trọng
- Như vậy trên phương ngang sẽ xuất hiện lực mất cân bằng mRω .sin ϕ /2. Phương
pháp cân bằng này về thực chất là chuyển một phần lực mất cân bằng trên một phương
sang phương vuông góc. Phương pháp này thường dùng cho những động cơ đặt nằm
ngang. Để cân bằng triệt để lực quán tính chuyển động tịnh tiến, người ta dùng cơ cấu cân

bằng lăngxetche thường dùng ở động cơ một xi lanh. Ví dụ : Động cơ máy kéo Bông Sen
đối trọng trong trường hợp này không lắp trực tiếp trên trục khuỷu mà là lắp trên hai trục
dẫn động từ trục khuỷu (Hình 1.10c).
- Giảm tải trọng tác dụng cho một cổ trục, ví dụ: cho cổ giữa trục khuỷu động cơ 4 kỳ
4 xi lanh (Hình 1.10d). Đối với trục khuỷu này, các lực quán tính li tâm P k tự cân bằng
nhưng tạo ra cặp mômen Mpk luôn gây uốn cổ giữa khi có đối trọng, cặp mômen Mpk nên
giảm được tải cho cổ giữa.
- Đối trọng còn là nơi để khoan bớt khối lượng khi cân bằng động hệ trục khuỷu
Về mặt nguyên tắc đối trọng càng bố trí xa tâm quay thì lực quán tính ly tâm càng
lớn. Tuy nhiên, khi đó sẽ làm tăng kích thước hộp trục khuỷu về mặt kết cấu, có các loại
đối trọng sau:
- Đối trọng liền với má khuỷu, thông thường dùng cho động cơ cỡ nhỏ và trung bình
như động cơ ôtô, máy kéo (Hình 1.11a).
- Để dễ chế tạo, đối trọng được làm rời rồi lắp với trục khuỷu, lắp bằng phương pháp
hàn thường làm cho trục khuỷu biến dạng và để lại ứng suất dư làm giảm sức bền của trục
khuỷu nên phương pháp này ít được dùng. Thông thường đối trọng được lấy bằng bulông
với trục khuỷu (Hình 1.11b) để giảm lực tác dụng lên bulông, đối trọng được lắp với má
khuỷu bằng rãnh mang cá và được kẹp chặt bằng bulông (Hình 1.11c).
2

Hình 1.11. Kết cấu đối trọng
Đồ án môn học

10


Khoa cơ khí động lực

f : đuôi trục khuỷu
- Đuôi trục khuỷu là nơi truyền công suất ra ngoài và trên đuôi trục khuỷu thường lắp

bánh đà
- Bánh đà lắp lên đuôi trục khuỷu bằng hai cách: lắp bằng đoạn trục hinh côn,thường
dùng trên động cơ tĩnh tại và lắp bằng mặt bích dùng trên động cơ ô tô máy kéo
- Trên đuôi trục khuỷu thương bố trí các bộ phận sau: vành chắn dầu, ren hồi dầu,
đệm chắn di chuyển dọc trục của trục khuỷu
PHẦN II : TÍNH TOÀN KIỂM NGHIỂM BỀN
2.1 Các thông số cần thiết
2.1.1: Thông số cho trước
Loại động cơ

Diesel, không tăng áp

Kiểu động cơ

Một hàng

Công suất động cơ

Ne

130,5 mã lực

Số vòng quay

n

5700 v/p

Suất tiêu hao nhiên liệu

ge

180 g/ml.h

Số kỳ

04

Đường kính xi lanh

D

86

mm

Hành trình piston

S

92

mm

Tỷ số nén

10,3

Số xy lanh

i

04 (1-3-4-2)

Chiều dài thanh truyền

ltt

150 mm

Khối lượng nhóm piston

mnp

1,8

kg

Khối lượng thanh truyền

mtt

2,5

kg

Áp suất khí thể lớn nhất

pkt

8,5

Mpa

2.1.2 Các thông số tính toán
- Đường kính xy lanh : D = 86 mm
- Đường kính ngoài chốt khuỷu:
d ch = (0,64÷0,72)D tài liệu [I] trang 224
Đồ án môn học

11


Khoa cơ khí động lực

d ch = (0,64÷0,72).86

(mm).

Chọn dch=50

(mm)

- Đường kính trong của chốt khuỷu : = 0
- Đường kính ngoài cổ khuỷu:
d ck = (0,70÷0,85)D tài liệu [I] trang 223
Chọn dck= 54

(mm)

- Đường kính trong cổ khuỷu : = 0
- Chiều dài chốt khuỷu:
l ch = (0,8÷1,0) dch

tài liệu [I] trang 224

Chọn l ch = 46

(mm)

- Chiều dài cổ khuỷu :
l ck = (0,5÷0,6) d ck .

kết cấu [I] trang 223

Chọn l ck = 26

(mm)

- Các kích thước của má khuỷu :
+ Chiều dày b : b = (0,21÷0,27)D kết cấu [II] trang 131
Chọn b=24

(mm)

+ Chiểu rộng h: h = (1,05÷1,3)D kết cấu [II] trang 131
Chọn h= 120

(mm)

- Khoảng cách từ trọng tâm phần khối lượng ly tâm đến tâm quay:
rmk = 45

(mm)

- Khoảng cách từ trọng tâm đối trọng đến tâm quay:
rdt = 45

(mm)

- Khoảng cách a : a = 34
,

,,

,

(mm)
,,

- Khoảng cách c ,c : c = c = 33
- Bán kính góc lượn: r = (0,06÷0,08)dch

(mm)
kết cấu [II] trang 131

Chọn r=3
Đồ án môn học

(mm)

12


Khoa cơ khí động lực
2
( kg m )

- Khối lượng riêng của trục khuỷu : ρ =7800
- Khối lượng ly tâm của má khuỷu: m mk =1,5

(kg)

- Khối lượng đối trọng :

m dt =1,4

(kg)

- Khối lượng nhóm piston:

mnp=1,8

(kg)

- Khối lượng thanh truyền:

mtt=2,5

(kg)

- Khối lượng thanh truyền phân bố về tâm chốt piston: m1=(0,28÷0,29)mtt
Chọn m1=0,65

(kg)

- Khối lượng của thanh truyền quy dẫn về tâm chốt khuỷu .
m2= mtt – m1= 2,5 – 0,65= 1,85.

( kết cấu [I] trang 21 )

(kg)

- M : khối lượng chuyển động tịnh tiến của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền
M= m1 + mnp=0,65 + 1,8 = 2,45

( kết cấu [I] trang 21 )

(kg)

- R : Bán kính quay trục khuỷu
R= = 46.

(mm)

- λ :Thông số kết cấu:
λ= = = 0,31.
- mch: Khối lượng của chốt khuỷu:
mch=Vch.ρ = ρ =

7800 = 0,71

(kg)

- ω : Vận tốc góc của trục khuỷu:
ω=

= = 596,6.

(rad/s )

C1:Lực quán tính ly tâm của chốt khuỷu.
C1= mch.R.ω2
kết cấu [I] trang 22
C1= 0,71 . 46.10-3. 596,62 = 11625 ( kgm/s2 ) = 11,625.10-3

(MN)

- C2 – Lực quán tính ly tâm của khối lượng thanh truyền quy về tâm chốt khuỷu.
C2= m2.R.ω2 = 1,85.46.10-3.596,62 = 30289,7 (kgm/s2 ) = 30,289.10-3

Đồ án môn học

13

(MN)


Khoa cơ khí động lực

Bảng thông số tính toán

αo

α
(radian
)

sin α

λ.sinα

0

0

0

0
0.053
8

10

0.1744 0.1736

20

0.3489 0.3419

30

0.5233 0.4998

40

0.6978 0.6425

50

0.8722 0.7658

60

1.0467 0.8658

70

1.2211 0.9395

80

1.3956 0.9847

90

1.57

1

100

1.7444

0.985

110

1.9189

0.94

120

2.0933 0.8666

130

2.2678 0.7668

140

2.4422 0.6437

150

2.6167 0.5011

160
170

2.7911 0.3434
2.9656 0.1751

Đồ án môn học

β(radian
)

0
0.0538

0.106
0.154
9
0.199
2
0.237
4
0.268
4
0.291
2
0.305
3

0.1062

0.31
0.305
3

0.291
4
0.268
6
0.237
7
0.199
6
0.155
4
0.106
4
0.054

0.3152

0.1556
0.2005
0.2397
0.2717
0.2955
0.3102

0.3103
0.2957
0.272
0.24
0.2009
0.156
0.1066

0.0543
14

β(độ)

Z

T

0
3.085
8
6.086
4
8.917
2
11.49
5
13.73
9
15.57
6
16.94
1
17.78
2
18.06
8
17.78
8

16.95
1
15.59
1
13.75
8
11.51
7

0.3946

0

8.942
6.113
2
3.113

Đơn vị
MN

0.3849 0.0894

MN

0.3564 0.1744

MN

0.3108 0.2508

MN

0.2508

0.315

MN

0.1799 0.3642

MN

0.1023 0.3966

MN

0.0223 0.4118

MN

-0.056 0.4106

MN

-0.128 0.3947

MN

-0.193 0.3668

MN

-0.248 0.3299

MN

-0.292

0.287

MN

-0.327 0.2406

MN

-0.354 0.1925

MN

-0.373

0.144

MN

-0.385 0.0958
-0.392 0.048

MN
MN


Khoa cơ khí động lực

370

3
0.000
5
3.14 0.0016
3.3144 -0.172 -0.053
3.4889 -0.34 -0.106
3.6633 -0.498 -0.155
3.8378 -0.641 -0.199
4.0122 -0.765 -0.237
4.1867 -0.865 -0.268
4.3611 -0.939 -0.291
4.5356 -0.984 -0.305
-0.31
4.71
-1
4.8844 -0.985 -0.305
5.0589 -0.941 -0.292
5.2333 -0.867 -0.269
5.4078 -0.768 -0.238
-0.2
5.5822 -0.645
5.7567 -0.503 -0.156

5.9311 -0.345 -0.107
6.1056 -0.177 -0.055
6.28
-0.003 -0.001
0.052
8
6.4544 0.1704

380

6.6289 0.3389

390

6.8033

400

6.9778 0.6401

410

7.1522 0.7637

420

7.3267 0.8642

430

7.5011 0.9384

440

7.6756 0.9841

180
190
200
210
220
230
240
250
260
270
280
290
300
310
320
330
340
350
360

Đồ án môn học

0.497

0.105
0.154
1
0.198
4
0.236
7
0.267
9
0.290
9
0.305
1

0.0005
-0.053
-0.106
-0.155
-0.2
-0.239
-0.271
-0.295
-0.31
-0.315
-0.31
-0.296
-0.272
-0.24
-0.201
-0.156

-0.107
-0.055
-0.001
0.0529
0.1052
0.1547
0.1997
0.239
0.2712
0.2952
0.31
15

7
0.028
3
-3.058
-6.06
-8.892
-11.47
-13.72
-15.56
-16.93
-17.78
-18.07
-17.79
-16.96
-15.61
-13.78
-11.54

-8.967
-6.14
-3.142
-0.057

-0.395
-0.392
-0.385
-0.373
-0.354
-0.328
-0.293
-0.248
-0.194
-0.13
-0.057
0.0209
0.1008
0.1786
0.2496
0.3099
0.3557
0.3845
0.3946

0.0004
-0.047
-0.095
-0.143
-0.192

-0.24
-0.286
-0.329
-0.366
-0.394
-0.41
-0.412
-0.397
-0.365
-0.316
-0.252
-0.176
-0.091
-0.002

MN
MN
MN
MN
MN
MN
MN
MN
MN
MN
MN
MN
MN
MN
MN

MN
MN
MN
MN

3.03
6.032
9
8.867
5
11.45
1
13.70
2
15.54
7

0.3852 0.0878

MN

0.3571 0.1729

MN

0.3118 0.2495

MN

0.252

0.3139

MN

0.1813 0.3634

MN

0.1037 0.3962

MN

16.92
17.77
2

0.0238 0.4117

MN

-0.054 0.4107

MN


Khoa cơ khí động lực

450

7.85

1

460

8.0244 0.9855

470

8.1989 0.9411

480

8.3733 0.8681

490

8.5478 0.7688

500

8.7222 0.6462

510

8.8967 0.5039

520

9.0711 0.3463

530

9.2456 0.1783

540
550
560
570
580
590
600
610
620
630
640
650
660
670
680
690
700
710

9.42 0.0048
9.5944 -0.169
9.7689 -0.337
9.9433 -0.496
10.118 -0.639

10.292 -0.763
10.467 -0.863
10.641 -0.938
10.816 -0.984
10.99
-1
11.164 -0.986
11.339 -0.942
11.513 -0.869
11.688 -0.77
11.862 -0.647
12.037 -0.505
12.211 -0.348
12.386 -0.18

Đồ án môn học

0.31
0.305
5
0.291
7
0.269
1
0.238
3
0.200
3
0.156
2

0.107
4
0.055
3
0.001
5
-0.052
-0.105
-0.154
-0.198
-0.236
-0.268
-0.291
-0.305
-0.31
-0.306
-0.292
-0.269
-0.239
-0.201
-0.157
-0.108
-0.056

0.3152
0.3105
0.296
0.2725
0.2407
0.2017

0.1569
0.1076
0.0553
0.0015
-0.052
-0.105
-0.154
-0.199
-0.239
-0.271
-0.295
-0.31
-0.315
-0.311
-0.296
-0.273
-0.241
-0.202
-0.157
-0.108
-0.056
16

18.06
8
17.79
8
16.97
1
15.62

13.79
5
11.56
1
8.991
5
6.166
6
3.169
5
0.084
9
-3.002
-6.006
-8.843
-11.43
-13.68
-15.53
-16.91
-17.77
-18.07
-17.8
-16.98
-15.63
-13.81
-11.58
-9.016
-6.193
-3.197

-0.127 0.3951

MN

-0.192 0.3674

MN

-0.247 0.3306

MN

-0.292 0.2878

MN

-0.327 0.2414

MN

-0.353 0.1934

MN

-0.372 0.1449

MN

-0.385 0.0967

MN

-0.392 0.0488

MN

-0.395
-0.392
-0.385
-0.373
-0.354
-0.328
-0.294
-0.249
-0.195
-0.131
-0.059
0.0194
0.0994
0.1772
0.2484
0.3089
0.355
0.3842

MN
MN
MN
MN
MN

MN
MN
MN
MN
MN
MN
MN
MN
MN
MN
MN
MN
MN

0.0013
-0.046
-0.094
-0.142
-0.191
-0.239
-0.285
-0.328
-0.366
-0.394
-0.41
-0.412
-0.397
-0.366
-0.317
-0.253

-0.177
-0.093


Khoa cơ khí động lực

720

12.56

-0.002

-0.006

-0.002

-0.113 0.3946 -0.003

MN

2.2. Tính toán kiểm nghiệm bền trục khuỷu
- Tính sức bền trục khuỷu bao gồm tính sức bền tĩnh và sức bền động
- Do trục kjhuyur là dầm siêu tĩnh, nên khi tính toán gần đúng, người ta phân trục
khuỷu ra làm nhiều đoạn, mỗi đoạn là một dầm tĩnh định nằm trong hai gối tựa là hai ổ
trục. thông thường, mỗi đoạn đó là một khuỷu. khi tính toán, ta phải xét đến khuỷu nào
chịu lực lớn nhất để tính khuỷu đó trước.

pr1
a

pr1

a

Z
b

T'

b

Z'

dck

Z''

T''

C2

A

C1

A

T
dch

c

đồ tính
bền trục

pr2

pr2

Ký hiệu
trên sơ

Hình 2.1 sơ
toán sức
khuỷu

c

các lực
đồ như

l''

l'
l0

sau:

pr1

A A

b

pr1
T'' Z''
T

h

Z

Đồ án môn học
T'

17

Z'

pr2
pr2


Khoa cơ khí động lực

T, Z : lực tiếp tuyến và lực pháp tuyến tác dụng trên chốt khuỷu
Pr1, pr2 : lực quán tính ly tâm của má khuỷu va của đối trọng
C1, C2L : lực quán tính ly tâm của chốt khuỷu và của khối lượng thanh truyền quy
dẫn về đầu to
Z ’, Z’’ : các phản lực tại gối tựa nằm trong mặt phẳng khuỷu (MN)

T’, T’’ : các phản lực tại gối tựa nằm trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng khuỷu
Mk’, Mk’’: mômen xoắn tại các cổ trục bên trái và bên phải của trục khuỷu tính toán (MNm)
- Giá trị của Mk’ là tích của tổng các lực tiếp tuyến của các khuỷu đứng trước nó với
bán kính khuỷu. giả sử: khuỷu tính toán là khuỷu ở thứ i thì ta có
Mk’ = ΣTi-1.R
Mk’’ = Mk’ + T.R = ΣTi.R
Trong đó: R là bán kính khuỷu
ΣTi-1: tổng các lực tiếp tuyến của các khủyu đứng trước khuỷu tính toán (MN)
- Các trường hợp tính toán chịu lực lớn nhất của trục khuỷu khi động cơ làm việc :
+ Trường hợp 1 : chịu lực PZmax khi khởi động
+Trường hợp 2: chịu lực Zmax khi làm việc
+Trường hợp 3 : chiụ lực Tmax khi làm việc
+Trường hợp 4 : chịu lực ΣTmax
+Trong thực tế vận hành của động cơ lực tác dụng trong trường hợp 1 bao giờ cũng
lớn hơn trường hợp 2 và trường hợp 3 bao giờ cũng lớn hơn trường hợp 4. Nên ta chỉ tính
kiểm nghiệm bền cho trường hợp 1 và 3.
2.2.1. Trường hợp chịu lực PZmax
- Đây là trường hợp khởi động. Do tốc độ của động cơ còn nhỏ nên ta có thể bỏ qa ảnh
hưởng của lực quán tính khi đó lực tác dụng chỉ còn lại lực do áp suất lớn nhất của khí thể
trong xylanh pzmax . Giả thiết lúc đó lực xuất hiện tại điểm chết trên ( chỉ gần đúng ) nên
α = 0; T = 0; PJ = 0, Pr = 0

Đồ án môn học

18


Khoa cơ khí động lực

πD 2

p Z max .
4
Z = PZmax = p Z max.FP =
π .( 86 .10 −3 ) 2
8,5.
4
Z=
= 0,049

(MN)

Do trục khuỷu hoàn toàn đối xứng nên :
Z 0,049
Z’ = Z’’ = 2 = 2 = 0,0245

(MN)
Z

a

Z'

a

b''

b'

l'

Z''

l''
l0

Hình: 2.2. Sơ đồ lực tác dụng trên khuỷu trục khi khởi động động cơ
a) Tính nghiệm bền chốt khuỷu, mô men uốn chốt khuỷu
Mu =Z’.l’ = 0,0245.59.10-3 = 1,44.10-3

(MNm)

lck b
Với l = a+ 2 + 2 = 34+13+12 = 59
’

(mm)

Ứng suất uốn chốt khuỷu là:
Mu
σu = Wu

(MN/m 2)

Trong đó :
Wu : mô đun chống uốn của tiết diện ngang chốt.
Vì chốt là chốt đặc nên :
3
Wu = 0,1.d ch = 0,1.(50.10-3)3 = 1,25.10-5

Đồ án môn học

(m 3)

19


Khoa cơ khí động lực

1,44.10−3
Mu
−5
⇒ σu = Wu = 1,25.10 = 115,2 MN/m2

< [σu] = 120

(MN/m2)

(Do trục khuỷu làm bằng thép hợp kim nên ta có : [σu] = 120 (MN/m2) ).
Do vậy chốt khuỷu đủ bền.
b) Tính nghiệm bền má khuỷu
- Lực pháp tuyến Z gây uốn và nén tại A-A
Ứng suất uốn má khủyu:
Mu
σu = Wu

Z ' .b '
h.b 2
= 6

(MN/m 2)

0,0245.25.10 −3
120.10 −3.( 26.10 −3 ) 2
6
σu =
= 45,3

(MN/m 2)

Ứng suất nén má khuỷu
0,049
Z
−6
σn = 2 bh = 2.24.120.10 = 8,5

(MN/m 2)

Ứng suất tổng
σΣ = σu + σn = 45,3 + 8,5 = 53,8 ( MN/m2 )

< [σu] = 180

(MN/m2)

Do vậy má khuỷu đủ độ bền.
c) Tính nghiệm bền cổ trục
Ứng suất uốn cổ trục:
Mu
Z ' .b '
σu = Wu = Wu

(MN/m 2)

Wu = 0,1.dck3 = 0,1.(54.10-3)3 = 1,574.10-5

(m 3)

Z ' .b '
0,0245.25.10 −3
Mu
−5
σu = Wu = Wu = 1,574.10
= 38,9

(MN/m2)

⇒ σu < [σu] = 100

(MN/m 2)

2.2.2 Trường hợp chịu lực Tmax
Vị trí tính toán của khuỷu trục nguy hiểm lệch so với vị trí ĐCT một góc α=αTmax = 5400
Đồ án môn học

20


Khoa cơ khí động lực

Tmax=0,0013.

pr1

(MN)

Z

a
c1

pr1

a

Tmax

c2

A
Z'

T'

A A

A

b'

b''

T''

III

2

Z''

1

M''k

II

c'

l'

I

h

M'k

c''

pr2

l''

4

pr2

IV

3

b

l0

Lúc này n ≠ 0, T = Tmax tồn tại các lực quán tính. Căn cứ vào đồ thị T = f(α) ta xác
định trị số lực tiếp tuyến và các góc tương ứng.

0

Đồ án môn học

5400

7200
21

1800

3600

Khoa cơ khí động lực

T(MN/m2)

0,0013

-0,003

0,0004

-0,002

Bảng 2.1: Tìm khuỷu nguy hiểm.
α0
Khuỷu
`1

5400
Tmax = 0,0013
∑Ti-1 = 0

2

-0,003

3

-0,002

4

0,0004

7200

1800

3600

-0,003

0,0004

-0,002

0,0004

-0,002

Tmax =0,0013
∑Ti-1 =-0,0026
-0,002

-0,003
Tmax =0,0013
∑Ti-1 =-0,005

Tmax =0,0013
∑Ti-1 =-0,002
0,0004

-0,003

Từ bảng ta thấy khuỷu thứ 1chịu lực (∑Ti-1 )max lớn nhất nên khuỷu thứ 1 là khuỷu
nguy hiểm nhất nên ta tính kiểm nghiệm bền cho khuỷu này.
Ta có :
Tmax 0,0013
=
2
⇒ T’ = T” = 2
= 0,0007

(MN)

Ta có: Zmax = 0,0493

(MN)

Z − (C1 + C 2 ) 0,049 − (11,625.10 −3 + 30,289 .10 −3 )
=
2
2
⇒ Z’=Z”=
= 0,003543

a) Tính nghiệm bền chốt khuỷu
- Ứng suất uốn trong mặt phẳng khuỷu trục
Đồ án môn học

22

(MN)


Khoa cơ khí động lực

M xu Z ' .l ' + p r1a − p r 2 c
Wux
σux = Wux =

(MN/m 2)

Wux = Wuy = 0,1dch3 = 0,1.(50.10-3)3 = 1,25.10-5

Trong đó :

Pr1 = mmk.rmk.= 15.10-6.45.10-3.596,62 =

0,24

Pr2 = mđt.rđt. = 14.10-6.45.10-3.596,62 = 0,23

(m3)
(MN)
(MN)

0,00354.59.10 −3 + 0,24.34.10 −3 − 0,23.33.10 −3
1,25.10 −5
⇒ σux =
= 62,3

-

Ứng suất uốn trong mặt phẳng thẳng góc với mặt phẳng khuỷu trục

σuy =
-

M yu
Wuy

=

T ' .l ' 0,0007.59.10 −3
=
Wuy
1,25.10 −5

= 3,304

(σ ) + (σ )
x 2
u

y 2
u

2
2
= 62,3 + 3,304 = 62,39

(MN/m 2)

Ứng suất xoắn chốt khuỷu

''
( ΣTi−1 + T ).R (0 + 0,0013).46.10 −3
Mk
2 Wux
2.1,25.10 −5
τx = Wx =
=
= 2,392

-

(MN/m 2)

Ứng suất uốn tổng cộng

σu =
-

(MN/m2)

(MN/m2)

Ứng suất tổng khi chịu uốn xoắn

2
2

2
2
σΣ = σ u + 4τ x = 62,39 + 4.2,392 = 62,57

(MN/m 2)

⇒ σ∑ < [σu] = 120 MN/m2
b) Tính nghiệm bền cổ trục
Ta tính cổ bên phải vì cổ này chịu lực lớn hơn cổ bên trái
-

Ứng suất uốn do lực pháp tuyến Z’’ gây ra:

Wux = Wuy = 0,1dck3 = 0,1.(54.10-3)3 = 1,575.10-5
M xu Z ''b '' 0,00354.25.10 −3
=
σ xu = Wux = Wux
1,575.10 −5
=5,619
-

(m3)

(MN/m 2)

Ứng suất uốn do lực T’’ gây ra trong mặt phẳng thẳng góc với mặt phẳng khuỷu:

σuy =

M yu

Wuy

=

Đồ án môn học

T '' .b ''
Wuy

0,0007.25.10 −3
−5
= 1,575.10
= 1,11
23

(MN/m 2)


Khoa cơ khí động lực
-

Ứng suất xoắn cổ trục

''
( ΣTi−1 + T ).R (0 + 0,0013).46.10 −3
Mk
2 Wux
2.1,575.10 −5
τx = Wx =
=

= 1,9

-

(MN/m2)

Ứng suất tổng khi chịu uốn và xoắn:

σΣ=

(σ ) + (σ )
x 2
u

y 2
u

+ 4τ x

2

2
2
2
= 5,619 + 1,11 +4.1,9 = 6,9

(MN/m2)

⇒ σ∑ < [σu] = 100 MN/m2

c) Tính sức bền má khuỷu
Ta tính nghiệm bền má khuỷu bên phải và má này thường chịu lực lớn hơn má bên
trái.
-

Ứng suất uốn do lực pháp tuyến Z’’ gây ra:
Z ''b '' 0,00354.25.10 −3
h.b 2
120.24 2.10 −9
6
= 6 =
= 7,68

M uz
σuz = Wu
-

Ứng suất uốn do lực Pr2 gây ra
Pr 2 ( a − c )
0,23.( 34 − 33).10 −3
hb 2
120.24 2.10 −9
6
6
=
=
= 19,96

M ur
σur = Wur

-

(MN/m2)

(MN/m2)

Ứng suất uốn do lực tiếp tuyến T’’ gây ra:

T ' '.r
0,0007.27.10 −3
bh 2
24.120 2.10 −9
6
σuT = 6 =
= 0,13

(MN/m 2)

Trong đó: r là khoảng cách từ tâm cổ khuỷu đến tiết diện nguy hiểm nhất của
Má khuỷu.
-

Ứng suất uốn do lực Mk’’ gây ra:
''

Mk
σuM = WuM =
-

( ΣTi−1 + T ) R

bh 2
6

0,0013.46.10 −3
24.120 2.10 −9
6
=
= 1,04

Ứng suất nén má khuỷu do lực phương pháp tuyến: Z’’ gây ra.

Đồ án môn học

24

(MN/m2)


Khoa cơ khí động lực

Z ''
0,00354
−6
σn = bh = 24.120.10 = 1,23
-

(MN/m 2)

Ứng suất kéo má khuỷu do lực P r 2 là

Pr 2
0,23
σ pr 2 bh 24.120.10 −6
=
=
= 79,8

-

(MN/m 2)

Ứng suất kéo má khuỷu do lực p r1 là
p r1
0,24
σ pr1 bh 24.120.10 −6
=
=
= 83

-

(MN/m 2)

Ứng suất xoắn má khuỷu do lực tiếp tuyến T’’ gây ra:
T '' .b ''
τx = Wx

(MN/m 2)

Trong đó : Wx - là mô đun chống xoắn của má (m3)

Do tiết diện chịu xoắn của má là tiết diện hình chữ nhật nên
+ ở các điểm 1, 2, 3, 4 : τx = 0
+ ở các điểm I, II : τx = τmax
+ ở các điểm III, IV : τx = τmin
-

τmax và τmin được xác định :

τmax

T ''b ''
2
= g1.b.h

(MN/m 2)

τmin = g2.τmax
Các hệ số g1 và g2 phụ thuộc vào tỷ số h/b, do h/b = = 5. tra trong đồ thị (Hình.XII19a. Trang 150.Sách kết cấu và tính toán động cơ đốt trong – Tập II) ta xác định được g1 =
0,29 ; g2 = 0,75
T '' b ''
0,0007.25.10 −3
2
2
−9
⇒ τmax = g1 .b.h = 0,29.24.120 .10 = 0,175

⇒ τmin = g2 .τmax= 0,75.0,175 = 0,13

Đồ án môn học

(MN/m2)
(MN/m 2)

25