Đề cương bài giảng tính toán thiết kế ô tô

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BÀI GIẢNG
HỌC PHẦN: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ Ô TÔ
SỐ TÍN CHỈ: 02
LOẠI HÌNH ĐÀO TẠO: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY
NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

Hưng Yên - 2015


CHƢƠNG I: BỐ TRÍ CHUNG CỦA ÔTÔ

1.1. BỐ TRÍ ĐỘNG CƠ Ô TÔ.
Trên ô tô động cơ có thể bố trí ở rất nhiều vị trí nhƣng trên các loại ô tô hiện đại thì
động cơ thƣờng đƣợc bố trí ở các ví trí sau:
- Động cơ đặt ở đằng trƣớc xe ( loại FF).
- Động cơ đặt ở giữa xe
(loại MR).
- Động cơ đặt ở đằng sau xe
(loại RR).
1.1.1. Các vị trí dặt động cơ trên các xe hiện nay
Dƣới đây là vị trí của động cơ trên các loại xe cụ thể:

Hình 1: Động cơ đặt trước loại hộp số thường có
cầu trước chủ động

Hình 2: Động cơ đặt trước loại hộp số tự động có
cầu trước chủ động

Hình 3: Động cơ đặt trước loại hộp số thường có Hình 4: Động cơ đặt trước loại hộp số thường có
cầu sau chủ động
cầu sau chủ động

1.1.2. Các sơ đồ bố trí động cơ trên các loại xe
Trên ô tô có rất nhiều cách để bố trí động cơ ô tô, tùy theo loại xe cụ thể mà có cách bố trí
riêng sao cho phù hợp với điều kiện sử dụng.
a. Bố trí động cơ trên xe con

1


L

§

C L

§

§

C§

H

C§

C

H

C

L
H

L C H

§

H

DC

DC

L

L

C

DC

CD

C

L

H

CD
P

CD

CD

K

DC

C

H

CD
H

L

C

C

C

Hình 5: Các vị trí đặt động cơ trên xe con

b. Bố trí động cơ trên xe khách:

2


Hình 6: Các vị trí đặt động cơ trên xe khách
c. Bố trí động cơ trên xe tải:

Hình 7: Các vị trí đặt động cơ trên xe tải
1.2. BỐ TRÍ CÁC HỆ THỐNG GẦM Ô TÔ
1.2.1. Hệ thống treo

Hệ thống treo ở đây đƣợc hiểu là hệ thống liên kết giữa bánh xe và khung xe
hoặc vỏ xe. Mối liên kết treo của xe là mối liên kết đàn hồi.

3


Hình 8: Vị trí đặt hệ thống treo trên ô tô
1.2.2. Hệ thống phanh
a. Hệ thống phanh dầu
Hệ thống phanh có nhiệm vụ làm giảm tốc độ của ôtô hoặc làm dừng hẳn sự
chuyển động của ôtô. Hệ thống phanh còn đảm bảo giữ cố định xe trong thời gian dừng.
Đối với ôtô hệ thống phanh là một trong những hệ thống quan trọng nhất vì nó đảm bảo
cho ôtô chuyển động an toàn ở chế độ cao, cho phép ngƣời lái có thể điều chỉnh đƣợc
tốc độ chuyển động hoặc dừng xe trong tình huống nguy hiểm.

Hình 9. Vị trí hệ thống phanh dầu trên ô tô
b. Hệ thống phanh khí
Kết cấu của hệ thống phanh khí gồm có cơ cấu phanh và bộ phận dẫn động phanh.

Cơ cấu phanh là bộ phận trực tiếp tạo ra sức cản chuyển động của ô tô. Còn bộ phận
4


dẫn động phanh thì làm nhiệm vụ truyền năng lƣợng cho cơ cấu phanh và điều khiển cơ
cấu phanh trong qúa trình phanh.

Hình 10. Bố trí hệ thống phanh khí
1.2.3. Hệ thống lái
Hệ thống lái là hệ thống điều khiển hƣớng chuyển động của xe. Nó có tác dụng là
dùng để thay đổi hƣớng chuyển động nhờ quay các bánh xe dẫn hƣớng cũng nhƣ để giữ
hƣớng chuyển động thẳng hoặc cong của ôtô khi cần thiết. Trong quá trình chuyển động
hệ thống lái có ảnh hƣởng lớn đến sự an toàn chuyển động nhất là ở tốc độ cao do đó hệ
thống lái không ngừng đƣợc hoàn thiện.

2.

Hình 11. Bố trí hệ thống lái trên ô tô

5


ch-ơng II
Động học, động lực học của cơ cấu trục khuỷu thanh
truyền.
2.1.ụng lc hoc c cõu truc khuyu thanh truyờn

2.1.1. ụng lc hoc c cõu truc khuyu thanh truyờn giao tõm
Trong động cơ đốt trong kiểu piston, th-ờng dùng hai loại cơ cấu trục khuỷu thanh
truyền loại giao tâm là loại đ-ờng tâm chốt piston nằm trên mặt phẳng chứa đ-ờng tâm

xylanh và tâm trục khuỷu ; loại lệch tâm là loại đ-ờng tâm chốt piston không nằm trên
mặt phẳng chứa đ-ờng tâm xylanh ( loại lệch tâm chốt) hoặc mặt phẳng chứa đ-ờng tâm
xylanh không chứa đ-ờng tâm trục khuỷu ( loại lệch tâm xylanh).

2.1.1.1.Qui luật động học của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền giao tâm.
Nghiên cứu qui luật chuyển động tịnh tiến của piston là nhiệm vụ chủ yếu của động
học. để tiện việc nghiên cứu, ta giả thiết trong quá trình làm việc, trục khuỷu quay với
một tốc độ góc không đổi.
a. Chuyển vị của piston.
Hình 1.1 giới thiệu sơ đồ của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền giao tâm. Từ hình 1.1
ta thấy chuyển vị x tính từ điểm chết trên (ĐCT) của piston tuỳ thuộc vào vị trí của trục
khuỷu ( trị số của x thay đổi theo góc quay của trục khuỷu ). Từ hình vẽ ta có:
x AB' AO ( DO DB' )
(l R) ( R cos l cos )

hay

l
l
x [(l ) (cos cos )]R

(2-1)


Đây là dạng công thức chính xác của chuyển vị piston. Để tính toán trị số gần đúng của x,
ta có thể dùng công thức gần đúng. Từ tam giác OCB, ta có:

6

Khai triển vế phải của đẳng thức trên theo nhị
thức niutơn ta có :
1
1
1
1 2 sin 2 4 sin 4 6 sin 6 ...
2
8
16

Bỏ các số hạng luỹ thừa bậc 4 trở lên rồi thay

Hình 2.1. Sơ đồ cơ cấu trục khuỷu thanh
truyền giao tâm.

trị số gần đúng của cos vào ph-ơng trình (2-1), sau khi rút gọn ta có công thức gần đúng
sau đây:
x R[(1 cos )


4

(1 cos 2 )]

(2-2)


Hoặc x R. A trong đó A (1 cos ) (1 cos 2 )
4

Trị số A đ-ợc tính sẵn theo và ghi trong bảng thống kê ở phần phụ lục (Kết cấu và
tính toán động cơ đốt trong- ĐHBKHN).
b. Vận tốc của piston.
Lấy đạo hàm công thức (1-2) đối với thời gian, ta có tốc độ dịch chuyển (vận tốc)
của piston:
v

Trong đó

d x d x d d x



d t d d t d

(2-3)

dx
là tốc độ góc của trục khuỷu.
d

7


v R (sin


2

sin 2 ) RB

(2-4)

v RB

Trong đó :
B (sin


2

sin 2 )

c. Gia tốc của piston.
Lấy đạo hàm của công thức (1-3) đối với thời gian ta có công thức tính gia tốc của
piston:
j

d v d v d d v


.
d t d d t d

j R 2 (cos cos 2 )

(2-5)

j R 2C

Hoặc
Trong đó:

C (cos cos 2 )

Trị số của C tính theo và đ-ợc thống kê trong phần phụ lục (Kết cấu và tính
toán động cơ đốt trong - ĐHBKHN).
Chiều của gia tốc qui định nh- sau: chiều h-ớng tâm O là chiều d-ơng, ng-ợc lại là
âm.
Gia tốc đạt cực đại khi đạo hàm :
dj
d

Tức là :

R 2 (sin 2 sin 2 ) 0

(sin 2 sin 2 ) sin 4 sin cos sin (1 4 cos ) 0

Từ ph-ơng trình trên ta có :
sin 0 khi 0 và 1800
1 4 cos 0 khi arccos(

1
)
4

Trong tr-ờng hợp thứ nhất, khi 0 và 1800 gia tốc đạt cực trị:
j 0 R 2 (1 )

(2-6)

j 1800 R 2 (1 )

Trong tr-ờng hợp thứ 2, khi arccos(

1
) cực trị của gia tốc bằng:
4

8


j ' R 2 (1

1
)
8

Trị số của j ' chỉ tồn tại khi 1/ 4
j ' R 2 (

1
)
8

(2-7)

Trị số chênh lệch tuyệt đối giữa j ' và j 180 là:
0

j ' j 1800 R 2 (

Khi

1
(4 1) 2
) R 2 (1 ) R 2
8
8

1
trị số chênh lệch này bằng không.
4

j ' j 1800 R 2 (1 ) jmin

Lúc này:

j f ( ) khi 1/ 4 và 1/ 4

Quan hệ của hàm
Biểu thị trên hình (1.2)

3

4
90

5

6

7

8
180

>ẳ
0

2
R(+1/8)

1

3

4
90

5

6
7
'

8
180

2R

b

2

R(1+)

1

R(1-)

2R

<ẳ

R(1+)

a

R(1-)

j

'


R ((4-1)/8)

Hình 1.2. quan hệ của hàm số j f ( ) khi 1/ 4 và 1/ 4
d. Qui luật động lực của thanh truyền.
Chuyển động của thanh truyền cơ cấu trục khuỷu thanh truyền là chuyển động song
phẳng : đầu nhỏ chuyển động tịnh tiến, đầu to chuyển động quay. Chuyển động của thanh
truyền biến thiên theo quan hệ sau:
arcsin( sin )
(2- 8)
Góc lệch này đạt trị số cực đại khi 900 và 2700 . Lúc đó max arcsin

9


Lấy đạo hàm 2 vế của công thức (2-8) đối với thời gian ta có công thức tính vận tốc
góc của thanh truyền:
d

tt

dt



d d
d

d d t
d

(2-9)

Trong đó là vận tốc góc của trục khuỷu.
Do sin sin nên đạo hàm 2 vế của đẳng thức ta có:
cos d cos d

Từ đó ta có:
d
d



cos
cos

Thay quan hệ trên vào (1-8) ta có :
tt

Hoặc

tt

cos
cos


1 2 sin 2

cos

(2-10)

ở 0 0 và 1800 ta có max hoặc max
Đạo hàm 2 vế công thức (2-10) đối với thời gian ta có công thức tính gia tốc góc của
thanh truyền:
d
d d
d
tt tt tt tt
dt

d d t

d

Và
tt 2 (1 2 )

sin
(1 sin 2 ) 3 / 2
2

(2-11)

2.1.2. động học của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền lệch tâm.
2.1.2.1. Qui luật động học của piston của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền lệch
tâm.
Trong một số động cơ đốt trong, nhất là các động cơ cao tốc, hành trình ngắn, ng-ời
ta th-ờng dùng cơ cấu trục khuỷu thanh truyền lệch tâm để nhằm đạt 2 mục đích sau:
- Giảm lực ngang N tác dụng lên xylanh do đó giảm đ-ợc độ va đập, giảm mài mòn
piston, xéc măng và xylanh.

10


- Tăng đựơc dung tích công tác của xylanh trong khi vẫn giữ nguyên đ-ờng kính D
và bán kính quay R của trục khuỷu.
Sơ đồ cơ cấu trục khuỷu thanh truyền lệch tâm giới thiệu trên hình 2.2 . Độ lệch tâm
luôn luôn lệch theo chiều quay(nằm về phía phải đ-ờng tâm xylanh) do đó cơ cấu này có
nhiều điểm khác biệt về động học so với cơ cấu giao tâm.
a. Vị trí điểm chết.
Nh- trên hình 2.2 ta thấy khi piston lên đến điểm chết trên A thì tâm chốt khuỷu B
trùng với A1, lệch với đ-ờng tâm xylanh một góc 1 . Khi chốt piston xuống đến điểm
chết dưới A thì tâm chốt khuỷu trùng với A2 và lệch với đ-ờng tâm xylanh một góc 2 .
Do ( 2 - 1 )>1800 nên ta dễ dàng rút ra kết luận là quá trình nạp lý thuyết của cơ cấu trục
khuỷu thanh truyền lệch tâm đ-ợc kéo dài.
Vị trí của ĐCT và ĐCD xác định dễ dàng qua
1 và 2 . Từ tam giác AOE và AOE ta rút
ra :
sin 1

OE
a

OA' l R

sin 2

OE
a

OA' ' l R

(2-12)

Để dấu (-) vì 2 180 0
Trong đó : a là độ lệch tâm
l là chiều dài thanh truyền
R là bán kính quay của trục
khuỷu.
Gọi

a
k là hệ số lệch tâm
R

Và

R
là tham số kết cấu
l

Hình 2.2. Cơ cấu trục khuỷu thanh
truyền lệch tâm

Ta có:
sin 1

k
1

(2-13)

11


sin 2

k
1

k
)
1
k
2 arcsin(
)
1
1 arcsin(

Do đó :

(1-14)

b. Hành trình của piston.
Gọi S1 , S2 là khoảng cách từ ĐCT đến A và ĐCD đến A đến trục hoành qua gốc 0
thì hành trình S của piston có thể xác địmh dễ dàng:
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





(2-15)

Rõ ràng là nếu k = 0 ; S = 2R
Thông th-ờng k có trị số rất nhỏ th-ờng chỉ biến động trong khoảng k = 0,04 0,2.
Tuy rằng về mặt lý thuyết độ lệch tâm a có thể đạt : a = l - R. Điều kiện để cơ cấu lệch
tâm có thể hoạt động đ-ợc có thể rút ra từ điều kiện tồn tại của số hạng thứ 2 trong
ph-ơng trình(2-15).
Thực vậy để vế thứ 2 tồn tại, phải đảm bảo điều kiện d-ới đây:
k

Mà

1

1



1

1

1 R a
k

R
R


Do đó độ lệch tâm t-ơng đối phải nằm trong phạm vi sau:
0k

1



1

c. Chuyển vị, vận tốc và gia tốc của piston.
Chuyển vị của piston
Từ hình 1.3 ta thấy khi 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

12


Trong đó
S x R cos l cos R(cos

1



cos )

1
S1 R[ ( 1) 2 k 2 ]



Vì vậy:
1
1
x R[ ( 1) 2 k 2 (cos cos )





(2-16)

Thay tất cả vào (1-12) sau khi rút gọn ta có :
1
1 1
1

x R[ ( 1) 2 k 2 ( k 2 )] R[cos cos 2 k sin

4
2
4

(2-17)

Tuy nhiên, do hệ số k th-ờng rất nhỏ nên nếu bỏ qua các số hạng k2, ph-ơng trình
(1-14) có dạng khá đơn giản:

(2-18)
x R[(1 cos ) (1 cos 2 ) k sin ]
4

Vận tốc của piston.
Lấy đạo hàm 2 vế ph-ơng trình (1-14) đối với thời gian ta có công thức tính vận tốc
của piston :
d
d d

(2-19)
v x x R (sin sin 2 k cos )
dt

d d t

2

Gia tốc của piston.
Lấy đạo hàm 2 vế của ph-ơng trình (1-18) đối với thời gian ta có công thức tính gia
tốc piston:
j

d v d v d

R 2 (cos cos 2 k sin )
d t d d t

(2-20)

2.1.2.2. ụng lc hoc c cõu truc khuyu thanh truyờn lờch tõm
Trong phần chứng minh qui luật động học của piston ta có đẳng thức :
sin (sin k )

(2-21)

Do đó chuyển vị góc của thanh truyền của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền lệch tâm đ-ợc
xác định dễ dàng theo công thức trên:

13


arcsin[ sin( k )]

Lấy đạo hàm 2 vế của (1-20) đối với thời gian ta có công thức tính tốc độ góc của thanh
truyền
d
dt

Do đó :

cos cos

tt

cos
cos

(2-22)

Công thức trên cũng hoàn toàn giống nh- công thức tính tốc độ góc chủa thanh truyền
giao tâm, nh-ng quan hệ của và thì phải xác lập theo công thức (1-20) do vậy:
tt

cos

(2-23)

1 2 (sin k ) 2

Lấy đạo hàm 2 vế của (1-21) đối với thời gian ta có công thức tính gia tốc của thanh
truyền:
d
d d
d
tt tt tt tt
dt

d d t

d

tt 2 sin sec3 (cos 2 cos 2

sin
)
sin

(2-24)

Khi 900 và 2700 gia tốc góc của thanh truyền của cơ cấu lệch tâm cũng đạt trị số
cực đại:
Khi 900

Khi 2700

tt max

tt max

2
1 2 (1 k ) 2

2
1 2 (1 k ) 2

(2-25)

(2-26)

a. Khối l-ợng của các chi tiết chuyển động.
Khối l-ợng của các chi tiết máy của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền đựơc chia làm 2
loại :
+ khối l-ợng chuyển động tịnh tiến.
+ khối l-ợng chuyển động quay.
D-ới đây lần l-ợt xét khối l-ợng của các mhóm chi tiết trong cơ cấu trục khuỷu thanh
truyền

14


b. Khối l-ợng của nhóm piston.
Khối l-ợng của nhóm piston bao gồm khối l-ợng của piston, xéc măng, cần guốc
tr-ợt, guốc tr-ợt
mnp = mp + mx + mc + mg + ..(kg)
Khối l-ợng nhóm piston là khối l-ợng chuyển động tịnh tiến.
c. Khối l-ợng của thanh truyền.
Do thanh truyền chuyển động song phẳng : đầu nhỏ chuyển động tịnh tiến, đầu to
chuyển động quay nên khi xét khối l-ợng của thanh truyền phải qui dẫn về 2 tâm: tâm đầu
nhỏ và tâm đầu to.
Nói chung khi thay thế thanh truyền thực bằng các khối l-ợng t-ơng đ-ơng, bao
giờ ta cũng phải đảm bảo điều kiện bảo toàn của động năng và thế năng. Các ph-ơng án
qui dẫn khối l-ợng của thanh truyền giới thiệu trên (hình 2.3).
A

A

A

A

A
Mt

l1
l1
l

G

G

G

G
K
B

B

O

a

O

O

b

B

B

c

B

O

O

d

e

Hình 2.3. Các ph-ơng án qui dẫn khối l-ợng của thanh truyền

Ph-ơng án (a) thay thế khối l-ợng thanh truyền bằng hệ t-ơng đ-ơng một khối
l-ợng tập trung ở trọng tâm G. Khi thay thế theo ph-ơng án này, khối l-ợng m tt vẫn
chuyển động song phẳng, vì vậy qua tính toán ta thấy rằng nếu thay thế thanh truyền thực
bằng hệ t-ơng đ-ơng một khối l-ợng thì cơ cấu trục khuỷu thanh truyền sẽ chịu tác dụng
của một khối l-ợng chuyển động tịnh tiến:
- Khối l-ợng đặt tại tâm đầu nhỏ:

15


m1 = mtt(

l l1
)
l

(2-27)

- Khối l-ợng đặt tại tâm đầu to:
m2 = mtt l1

(2-28)

l

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

(2-29)

Ph-ơng án (b) thay thế thanh truyền bằng hệ t-ơng đ-ơng hai khối l-ợng tập trung ở
tâm đầu nhỏ và tâm đầu to. Ph-ơng án này tuy ý nghĩa vật lý rất rõ ràng nh-ng không thoả
mãn đ-ợc điều kiện động năng không đổi. Cụ thể là ph-ơng án chỉ thoả mãn 2 điều kiện:
mA mB mtt

mA .l1 mB .(l l1 ) 0

(2-30)

Từ đó rút ra:
m A mtt (

l l1
)
l

mB mtt

l1
l

(2-31)

Mômen quán tính của hệ thay thế:
I O (mtt

(l l1 )
l
)l12 (mtt 1 )(l l1 ) 2 mtt (l l1 )l1 I G
l
l

(2-32)

Khối l-ợng phân bố càng xa trọng tâm thì IO càng lớn hơn IG mômen quán tính thanh
truyền thực.
Ph-ơng án (c) phân bố thanh truyền thành 2 khối l-ợng: một đặt ở tâm nhỏ và một
đặt ở tâm dao động con lắc K( coi thanh truyền dao động nh- một con lắc). phân bố khối
l-ợng theo ph-ơng án này hoàn toàn đảm bảo điều kiên động năng không đổi.
Nghĩa là:
mA + mK = mtt
mAl1 + mKl0 =0
(2-33)
mAl12 +mKl02 = IG
Tuy nhiên trong ph-ơng án này mK vẫn chuyển động song phẳng nên lại phải làm thêm
b-ớc qui dẫn mK về 2 tâm đầu nhỏ và tâm đầu to y nh- trong ph-ơng án (a).
Ph-ơng án (b) phân khối l-ợng thanh truyền thành hai khối l-ợng và một mômen
thanh truyền. Ph-ơng án này khắc phục đ-ợc nh-ợc điểm của ph-ơng án (b). Mômen
thanh truyền của hệ thay thế th-ờng có trị số Mt = IG. tt

16


Ph-ơng án (e) phân bố thanh truyền thành 3 khối l-ợng để thoả mãn điều kiện động
năng và thế năng không đổi , nghĩa là :
mA mB mG mtt

mAl1 mB (l l1 ) 0

(2-34)

mAl12 mB (l l1 ) 2 I G

Tuy nhiên cách phân bố này để mG chuyển động song phẳng nên cũng ch-a đạt yêu
cầu .
Tóm lại để thuận tiện cho việc nghiên cứu thiết kế, ngày nay ng-ời ta th-ờng qui
dẫn khối l-ợng thanh truyền theo ph-ơng án (b): một khối l-ợng tập trung ở đầu nhỏ (m1)
và một khối l-ợng tập trung ở đầu to (m2).
Ngày nay thanh truyền ở các loại động cơ ô tô th-ờng có:
m1 = (0,275 0,350)mtt
m2 = (0,650 0,725)mtt
(2-35)
d. Khối l-ợng của khuỷu trục.
Để xác định khối l-ợng của trục khuỷu, ta chia trục khuỷu thành các phần nh- trên
hình vẽ .
b

c
mk

R

mok



R

mm

a

d

Hình 2.4. Xác định khối l-ợng của khuỷu trục

Trong đó phần khối l-ợng chuyển động quay theo bán kính R là m ok (phần gạch
dọc trên (hình 2.4). Phần khối l-ợng chuyển động theo bán kính là mm ( phần có gạch
chéo ).
Nếu đem mm qui dẫn về tâm chốt trục khuỷu bằng khối l-ợng mmr thì :

mmr mm .

R

(2-36)

Do đó khối l-ợng chuyển động quay của trục khuỷu là:

17

mk mok mmr

(2-37)

Nh- thế, khối l-ợng chuyển động tịnh tiến của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền là :
M mnp m1

(2-38)

Và khối l-ợng chuyển động quay của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền là:
M r mk m2

(2-39)

Trong khi thiết kế, khối l-ợng chuyển động tịnh tiến và khối l-ợng chuyển động
quay th-ờng tính trên đơn vị diện tích đỉnh piston. Do đó các công thức (2-38) và (2-39)
sẽ có dạng:
m

M
l
;
(m1 mnp )
FP
FP

mr

Mr
l
(m2 mk )
FP
FP

(2-40)

2.1.2.3. Lực và mômen tác dụng lên cơ cấu trục khuỷu thanh truyền.
- 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.
Trừ trọng lực ra, các lực còn lại đều có trị số và chiều thay đổi trong quá trình làm
việc của động cơ. Do lực khí thể và lực quán tính có trị số rất lớn nên khi tính toán chỉ xét
đến 2 loại lực này.
a. Lực quán tính.
Lực quán tính của khối l-ợng chuyển động tịnh tiến nếu chỉ xét 2 thành phần đầu
có thể tính theo công thức sau:
Pj m j1 mR 2 (cos cos 2 )

Gọi :

Thì :

(2-41)

Pj1 mR 2 cos

là lực quán tính cấp 1

Pj 2 mR 2 cos 2

là lực quán tính cấp 2

Pj Pj1 Pj 2

Chu kỳ của lực quán tính cấp 1 ứng với 1 vòng quay của trục khuỷu. Chu kỳ của
lực quán tính cấp 2 ứng với 1/2 vòng quay của trục khuỷu. Lực quán tính Pj luôn luôn tác
dụng trên ph-ơng đ-ờng tâm xylanh. Khi piston ở ĐCT, lực quán tính có dấu âm nên tác
dụng theo h-ớng ly tâm đối với tâm trục khuỷu. Khi piston ở ĐCD, P j có trị số d-ơng
chiều quay xuống(h-ớng tâm trục khuỷu). Vòng xét dấu của lực quán tính cấp 1 và cấp 2
giới thiệu trên hình 1.6 .Trong đó vectơ biên độ c có trị số:

18


c mR 2

véc tơ c quay quanh o với tốc độ góc . Vì vậy trong phạm vi 00 900 và
2700 3600 hình chiếu của vectơ c trên tung độ có chiều h-ớng lên phía trên, lực quán

tính chuyển động tịnh tiến cấp 1 có trị số âm. Trong phạm vi 900 2700 hình chiếu
của vectơ c quay xuống, lực quán tính chuyển động tịnh tiến cấp 1 có trị số d-ơng.
T-ơng tự nh- trên, vectơ biên độ của lực quán tính chuyển động tịnh tiến cấp 2 c
quay với tốc độ góc 2 . Trong phạm vi 00 450 ; 1350 2250 và 3150 3600 hình
chiếu của vectơ biên độ có chiều quay xuống lên lực quán tính chuyển động tịnh tiến cấp
hai có giá trị âm.

Hình 2.5. Vòng xét dấu của lực quán tính cấp 1 và cấp 2

Lực quán tính chuyển động quay có trị số không đổi :
Pk mr R 2 const

(2-42)

Lực quán tính này tác dụng trên đ-ờng tâm má khuỷu và luôn luôn là lực ly tâm.
b. Lực khí thể.
Lực khí thể của động cơ 4 kỳ biến thiên theo góc quay của trục khuỷu giới thiệu
trên hình vẽ.
Đ-ờng po trên hình vẽ biểu thị áp suất khí trời, khi tính toán lực khí thể ta đều tính
theo áp suất t-ơng đối.
Pkt P Po
(2-43)

19


Trong đó P là áp suất trong xylanh của động cơ. Vì vậy lực khí thể tác dụng trên
đỉnh piston:
Pkt P

D 2
4

( MN )

(2-44)

c. 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 Pkt Pj (MN)

(2-45)

Lực P tác dụng trên chốt piston và đẩy thanh truyền. Sơ đồ hệ lực tác dụng trên cơ cấu
trục khuỷu thanh truyền của động cơ 1 xylanh giới thiệu trên (hình 2.6)
Phân lực P thành 2 phân lực : lực Ptt tác dụng theo đ-ờng tâm thanh truyền và lực
ngang N tác dụng trên ph-ơng thẳng góc với đ-ờng tâm xylanh:
P N Ptt
Ta có :
(2-46)
Từ hình 1.8 ta có :
N P tg

Ptt P

(2-47)

1
cos

(2-48)

Phân Ptt thành 2 phân lực : lực tiếp tuyến T
và lực pháp tuyến Z tác dụng trên tâm chốt khuỷu.
Từ quan hệ l-ợng giác trên sơ đồ 1.8 ta có :
T Ptt sin( )
P

sin( )
cos

P

cos( )
cos

Z 2.6.
Ptt cos(
) dụng trên cơ cấu trục
Hình
Hệ
lực tác
khuỷu thanh truyền giao tâm

(2-49)

Các giá trị của biểu thức

sin( )
cos( )
và
tính theo và đ-ợc thống kê
cos
cos

trong bảng phụ lục (Kết cấu và tính toán động cơ đốt trong ĐHBKHN).
- Lực quán tính chuyển động quay Pk tác dụng trên chốt khuỷu

20


Pk M r R 2 const

(2-50)

- Lực tiếp tuyến T tạo ra mômen làm quay trục khuỷu :
M T .R

(2-51)

- Lực ngang N tạo thành mômen lật ng-ợc chiều với mômen M:
M N N . A N (l cos R cos )
P

sin( )
.R M
cos

M M C J o

(2-52)
(2-53)

d. Hệ lực tác dụng trên cơ cấu trục khuỷu thanh truyền lệch tâm.
Trong cơ cấu trục khuỷu thanh
truyền lệch tâm quan hệ giữa góc và
xác định theo (2.7) còn các công thức tính
lực và mômen của hệ lực tác dụng trên cơ

cấu lệch tâm hoàn toàn giống nh- công
thức của hệ lực cơ cấu giao tâm.
Từ hệ lực trên hình 2.7 ta cũng có :
P Pkt Pj

Và do :
P N Ptt

Nên:
Ptt P

l
cos

(1-43)
N P tg

Cũng phân Ptt thành lực tiếp tuyến T và lực
pháp tuyến Z ta có :
sin( )
T P
cos
P sin


2

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

sin 2 k cos

(2-54)

21


Và :

Z P

cos( )
cos

P (cos sin )

Nếu coi :

1 2 (sin k ) 2 1

Thì:

Z P (cos

Mômen lật :

M N N.A


2

(sin k )
1 2 (sin k ) 2

cos 2


2

k sin )

(2-55)

(2-56)

N (l cos R cos )

NR(

cos


Do độ lệch tâm a R sin l sin

Nên :
Do đó :

k
1

cos )

(2-57)

a
sin
sin
R

(sin k )
sin

Thay quan hệ trên vào (1-47) ta có :
M N N .R[

sin k
cos ]
tg

M N P R(sin k tg cos )

(2-58)

Tuy nhiên, do cơ cấu là cơ cấu lệch tâm nên ngoài mômen MN ra còn sinh thêm
một mômen lật khác, do lực P gây ra .
M P P , a P R(sin

sin

(2-59)
)

Vì vậy thân máy của động cơ dùng cơ cấu trục khuỷu thanh truyền lệch tâm chịu
một tổng mômen lật là:
Ml M N M P

M l P R(sin k

Do :

(sin k )

sin
sin
cos sin
)
cos


sin



22

Nên :

M l P R(
P R

sin
cos sin )
cos

sin( )
M
cos

(2-60)

Từ đó ta có thể kết luận là mômen lật của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền lệch tâm
cũng bằng mômen chính của động cơ.

2.1.2.4. Hệ lực và mômen tác dụng trên trục khuỷu của động cơ một hàng
xylanh.
a. Góc công tác ct .
Trong động cơ một hành xylanh, trục khuỷu có nhiều khuỷu, các khuỷu phải xắp
sếp lệch nhau một góc nhất định đựơc gọi là góc công tác
Góc công tác là góc quay của trục khuỷu ứng với khoảng thời gian giữa 2 lần làm
việc kế tiếp nhau của 2 xylanh. Vì vậy góc công tác quyết định tính đồng đều (chu kỳ) của
quá trình làm việc của động cơ.
Tuy vậy, các khuỷu bố trí nh- thế nào còn tuỳ thuộc vào thứ tự làm việc của các
xylanh. Khi lựa chọn thứ tự làm việc của các xylanh cần phải chú ý đến các vấn đề sau:
- Đảm bảo các phụ tải tác dụng trên các ổ trục bé nhất.
- Đảm bảo quá trình nạp thải có hiệu quả cao nhất.

- Đảm bảo kết cấu của trục khuỷu có tính công nghệ tốt nhất.
- Đảm bảo tính cân bằng của hệ trục.
Thông th-ờng khó có thể thoả mãn cùng một lúc tất cảc các yêu cầu trên mà th-ờng
đảm bảo tính đồng đều của mômen, tính cân bằng của hệ trục và phụ tải của ổ trục phải
nhỏ. Vì vậy, góc công tác của các khuỷu trục đ-ợc tính theo công thức sau:
ct

180 0.
i

(2-61)

Trong đó: là số kỳ của động cơ
i là số xylanh của động cơ
Từ công thức trên ta thấy góc công tác chỉ phụ thuộc vào số kỳ và số xylanh của
động cơ. Do vậy mỗi kết cấu của trục khuỷu đều ứng với nhiều thứ tự làm việc khác nhau.
Tuy nhiên chỉ có một hoặc hai thứ tự làm việc trong đó là đảm bảo đ-ợc điều kiện cân
bằng và phụ tải ổ trục nhỏ nhất. ví dụ: trục khuỷu trên (hình 2.8) của động cơ 6 xylanh, 4
kỳ có ct 1200 và ứng với 4 thứ tự làm việc sau đây:

23


1 v 6

1

6
1-2

2-3

3-4

4-5

Bỏnh d

5-6
6-0

2

3

4

5

2 v 5
3 v 4

Hình 2.8 .Sơ đồ trục khuỷu của động cơ 4 kỳ, 6 xylanh

1-2-3-6-5-4
1-5-3-6-2-4
1-5-4-6-2-3
1-2-4-6-5-3
Trong các thứ tự làm việc trên chỉ có thứ tự làm việc 1-5-3-6-2-4 là tốt nhất.
b. Lực và mômen tác dụng lên trục khuỷu của động cơ một hàng xylanh.

Nh- trong phần nghiên cứu hệ lực tác dụng trên trục khuỷu đã chỉ rõ: trên khuỷu thứ
i có các lực sau đây tác dụng:
- Lực tiếp tuyến T; Lực pháp tuyến Z; Lực quán tính quay Pk.; Mômen của các khuỷu
phái tr-ớc

M

i 1

, mômen Mi tác dụng trên khuỷu này, và mômen

M

i

tác dụng trên cổ

trục phía sau của khuỷu.

M M
1

Để tính đ-ợc tổng mômen

M

i

i 1

Mi

(2-62)

tác dụng trên khuỷu i ta phải xác định góc quay

t-ơng ứng của các khuỷu bằng cách lập bảng nh- (hình 2.9).
Trong động cơ 4 kỳ, 6 xylanh có thứ tự làm việc là 1-5-3-6-2-4 có diễn biến các quá
trình nh- bảng trên (hình 2.9). Từ bảng thống kê ta thấy: khi khuỷu của xylanh thứ 1 nằm
ở vị trí 0 0 thì:

24