ĐỒ án tính toán kiểm nghiệm bền cho piston động cơ tàu thủy

Khoa :Cơ Khí Động Lưc

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….

……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………….
XXX, Ngày Tháng Năm 2011
Giáo viên hướng dẫn
MỤC LỤC
1
1


Khoa :Cơ Khí Động Lưc

trang
Lời nói đầu………………………………………………………………...…….3
Phần I: Mô tả chung về Piston, chốt Piston và Xec măng…………………...…...4
1.1. Piston…………………………………………………………………….......4
1.1.1. Nhiệm vụ………………………………………………………………...…4
1.1.2. Điều kiệm làm việc………………………………………………………....4
1.1.3. Vật liệu chế tạo Piston……………………………………………………...4
1.1.4. kết cấu của Piston…………………………………………………………..5
1.2. Chốt Piston…………………………………………………………………....8
1.2.1.Nhiệmvụ……………………………………………………………………..8
1.2.2. Điều kiện làm việc…………………………………………………………..8
1.2.3. Vật liệu chế tạo……………………………………………………………...8
1.2.4. Kết cấu và các kiểu lắp ghép chốt piston……………………………………8
1.3. Xéc măng…………………………………………………………………….10
1.3.1. Nhiệm vụ…………………………………………………………………...10
1.3.2. Điều kiện làm việc của xéc măng…………………………………………..10
1.3.3. Vật liệu và công nghệ chế tạo phôi xéc măng……………………………...10
1.3.4. Kết cấu của xéc măng………………………………………………………10

Phần II: Tính toán kiểm tra bền cho Piston……………………………………….13
2.1. Thông số ban đầu……………………………………………………………..13
2.2. Tính toán kiểm tra bền choPiston…………………………………………….14
2.2.1. Tính sức bền của đỉnh Piston……………………………………………….14
2.2.2. Tính sức bền đầu Piston…………………………………………………….16
2.2.3. Tính sức bền thân Piston…………………………………………………...18
2.2.4. Tính sức bền bệ chốt Piston………………………………………………..19
2.2.5. Tính khe hở giữa Piston và xilanh………………………………………….19
Phần kết luận……………………………………………………………………...20
Tài liệu tham khảo………………………………………………………………...21

2
2


Khoa :Cơ Khí Động Lưc

LỜI NÓI ĐẦU
Động cơ đốt trong ngày nay đang phát triển rất mạnh giữ vai trò quan trọng trong nền
kinh tế quốc dân như nông nghiệp, giao thông vận tải đường bộ, đường sắt, đường biển,
đường hàng không cũng như trong nhiều ngành công nghiệp khác.
Từ khi mở cửa, hội nhập và phát triển nền kinh tế của đât nước đã đạt được nhiều thành
tựu về khoa học và kỹ thuật cũng như mọi mặt của đời sống xã hội nói chung.Một trong
những thành tựu đó là quá trình công nghiệp hoá hiện đại hoá. 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 giao đề tài: “Tính toán kiểm nghiệm bền cho
Piston động cơ tàu thủy 150 cv”.
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 đồng nghiệp để đề tầi
được hoàn thiện hơn.
Em chân thành cảm ơn!
Hưng Yên, ngày 20 tháng 10 năm 2011
Sinh viên thực hiện

YYY

3
3


Khoa :Cơ Khí Động Lưc

PHẦN I
MÔ TẢ KHÁI QUÁT CHUNG VỀ NHÓM PISTON
1.1. Piston

1.1.1. Nhiệm vụ:
Piston là một chi tiết máy rất quan trọng thuộc cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền của
động cơ đốt trong, nó có nhiệm vụ
- Cùng với nắp máy, xylanh bao kín tạo thành buồng cháy
- Đồng thời trưyền lực của khí thể cho thanh truyền cũng như nhận lực từ thanh truyền
để nén hỗn hợp khí- nhiên liệu.
- Ngoài ra ở môt số động cơ hai kỳ, Piston còn có nhiệm vụ đóng mở các cửa nạp và
thải của cơ cấu phối khí.
1.1.2. Điều kiện làm việc
Do điều kiện làm việc của Piston rất khắc nghiệt, cụ thể là:
a. Tải trọng cơ học lớn và có chu kỳ
-Áp suất lớn, có thể đến 120 kg/cm2 hoặc hơn nữa.
- Lực quán tính lớn, đặc biệt là ở động cơ cao tốc.
b. Tải trọng nhiệt
Do tiếp xúc trực tiếp với khí cháy có nhiệt độ (khoảng 2200 – 2800 oK) nên nhiệt độ
phần đỉnh Piston có thể đến (khoảng 500 – 800oK). Do nhiệt độ cao, pittông bị giảm sức
bền, bó kẹt, nứt, làm giảm hệ số nạp, gây kích nổ…., làm dầu nhờn chóng bị phân huỷ.
c. Ma sát và ăn mòn hoá học
Do lực ngang N nên giữa Piston và xylanh có ma sát lớn. Điều kiện bôi trơn tại đây
rất khó khăn, thông thường chỉ bằng vung té nên khó bảo đảm bôi trơn hoàn hảo.Mặt
khác do thường xuyên tiếp xúc trực tiếp với sản vật cháy có các chất ăn mòn như các hơi
axít nên Piston còn chịu ă mòn hóa học.
1.1.3. Vật liệu chế tạo Piston
Vật liệu chế tạo Piston phải đảm bảo cho Piston làm việc ổn định và lâu dài trong
những điều kiện làm viêc khắc nghiệt đã nêu trên. Trong thực tế một số vật liệu sau đây
được dùng để chế tạo Piston:
- Gang: Thường dùng gang xám, gang dẻo, gamg cầu. Gang có sức bền nhiệt và bền cơ
học khá cao, hệ số giãn dài nhỏ nên khó bị bó kẹt, dễ chế tạo và rẻ.
4
4

Khoa :Cơ Khí Động Lưc
- Hợp kim nhôm: hợp kim nhôm có nhiều ưu điểm như nhẹ, hệ số dẫn nhiệt lớn, hệ số
ma sát với gang nhỏ, dễ đúc, dễ gia công nên được dùng khá phổ biến để chế tạo Piston.
1.1.4. Kết cấu của piston
Piston gồm có 4 phần chính:

Hình 1: Sơ đồ kết cấu piston.

a. Đỉnh piston: Là phần trên cùng của Piston, cùng với xylanh và nắp xy lanh tạo thành
buồng cháy.
Các dạng đỉnh Piston của động cơ xăng và động cơ điêzel thường dùng giới thiệu trên
hình 2. Có thể chia dạng đỉnh thành 3 loại lớn: đỉnh bằng, đỉnh lồi và đỉnh lõm.

a

b

d

c

e

g

f

h

i

Hình 2: Các dạng đỉnh piston

5
5


Khoa :Cơ Khí Động Lưc
Đỉnh bằng (hình 2.a) là loại rất phổ biến. Nó có diện tích chịu nhiệt bé nhất, kết cấu
đơn giản, dễ chế tạo. Loại đỉnh này hay dùng cho Piston động cơ xăng có tỷ số nén thấp và
động cơ điêzel có buồng cháy dự bị hoặc xoáy lốc.
- Đỉnh lồi (hình 2.b, c). Có độ cứng vững cao, không cần gân tăng bền dưới đỉnh nên
trọng lượng của Piston nhỏ hơn nhưng diện tích chịu nhiệt lớn nên nhiệt độ của đỉnh thường
cao hơn đỉnh bằng. Loại đỉnh lồi thường dùng cho động cơ xăng có buồng cháy chỏm cầu,
xu páp treo (như động cơ Craysow, plinut…) và trong các động cơ xăng hai kỳ công suất
nhỏ như PD-10, Solex…
- Đỉnh lõm (hình 2.d), có thể tạo xoáy lốc nhẹ, tạo thuận lợi cho quá trình hình thành khí
hỗn hợp và cháy. Tuy nhiên sức bền kém và diện tích chịu nhiệt lớn hơn so với đỉnh bằng.
Loại đỉnh này dùng cho cả động cơ xăng và động cơ diesel.
- Đỉnh chứa buồng cháy là loại đỉnh thường gặp trong động cơ diesel. Đối với động cơ
diesel có buồng cháy trên đỉnh Piston, kết cấu buồng cháy phải thoả mãn điều kiện sau đây
tùy trường hợp cụ thể:
Phải phù hợp với hình dạng buồng cháy và hướng của chùm tia nhiên liệu để tổ chức tạo
thành hỗn hơp tốt nhất.(hình 2 e)
Phải tận dụng được xoáy lốc của không khí trong quá trình nén, hình (2 c,f): buồng cháy
omega; hình (2g) buồng cháy đenta; hình (2 h) buồng cháy MAN.
b. Đầu Piston
Đường kính đầu Piston thường nhỏ hơn đường kính thân vì thân Piston là phần dẫn

hướng của Piston. Kết cấu đầu Piston phải bảo đảm những yêu cầu sau:
- Bao kín tốt cho buồng cháy nhằm ngăn khí cháy lọt xuống cácte dầu và dầu bôi trơn từ
các te sục lên buồng cháy. Thông thường người ta dùng xécmăng để bao kín. Có hai loại
xécmăng là xécmăng khí để bao kín buồng cháy và xécmăng dầu để ngăn dầu sục lên buồng
cháy. Số xécmăng tuỳ thuộc vào loại động cơ:
Động cơ xăng : 3 – 4 xécmăng khí, 1 – 2 xécmăng dầu.
Động cơ diesel cao tốc : 3 – 6 xécmăng khí, 1 – 4 xécmăng dầu
Động cơ diesel tốc độ thấp : 5 – 7 xécmăng khí, 1 – 4 xécmăng dầu
- Tản nhiệt tốt cho xécmăng vì phần lớn nhiệt của Piston truyền qua xécmăng cho xylanh
đến môi chất làm mát. Để tản nhiệt tốt cho Piston thường dùng các kết cấu đầu Piston sau:
Phần chuyển tiếp giữa đỉnh và đầu có bán kính R lớn
Dùng gân tản nhiệt ở dưới đỉnh Piston
Tạo rãnh ngăn nhiệt ở đầu Piston để giảm nhiệt lượng truyền cho xécmăng thứ nhất(3.a)
Làm mát đỉnh Piston

6
6


Khoa :Cơ Khí Động Lưc

ab
Hình 3:Rãnh ngăn nhiệt ở phần đầu piston

Vấn đề sức bền: Tăng bền cho phần đầu Piston chủ yếu bằng các gân dưới đỉnh và gân nối
liền với bệ chốt, cần phải lựa chọn kiểu gân hợp lý để dễ thao tác khi đúc Piston.
c. Thân piston
Tác dụng của thân Piston là dẫn hướng cho Piston chuyển động tịnh tiến theo phương
đường tâm xylanh và chịu lực ngang N. Khi thiết kế phần thân Piston thường phải giải quyết
những vấn đề sau:

- Chiều dài của thân Piston
- Chiều dài của thân Piston được quyết định bởi điều kiện áp suất tiếp xúc, do lực ngang
N gây ra, phải nhỏ hơn áp suất tiếp xúc cho phép.
- Vị trí của lỗ bệ chốt
- Vị trí tâm chốt được bố trí sao cho Piston và xylanh mòn đều, đồng thời giảm va đập
và gõ khi Piston đổi chiều. Một số động cơ có tâm chốt lệch với tâm xylanh một giá trị về
phía nào đó sao cho lự ngang N max giảm để hai bên chịu lực N của Piston và xylanh mòn
đều.
Trạng thái biến dạng của Piston giới thiệu trên hình 4.

7
7


Khoa :Cơ Khí Động Lưc

N

a

b

c

Hình 4: Trạng thái biến dạng của thân piston.

Hình 4.a là trạng thái biến dạng của thân Piston khi chịu nhiệt độ cao. Do kim loại tập
trung ở phần bệ chốt nên khi chịu nhiệt thân Piston giãn nở theo đường tâm chốt
Hình 4.b là trạng thái biến dạng của thân Piston khi Piston chịu lực khí thể. Áp suất khí
thể uốn cong đỉnh làm thân bị biến dạng cũng theo phương đường tâm chốt.

Hình 4.c là trạng thái biến dạng của pittông khi thân chịu tác động của lực ngang N.
Chiều biến dạng trùng với phương đường tâm chốt.
Để khắc phục tình trạng bó Piston người ta thường dùng các biện pháp thiết kế sau:
Chế tạo thân Piston có dạng ô van, trục ngắn trùng với phương đường tâm chốt.
Tiện vát hoặc đúc lõm ở hai đầu bệ chốt chỉ để lại một cunng khoảng 900 -100 0 để chịu
lực mà không ảnh hưởng nhiều đến phân bố lực
Xẻ các rãnh chữ T, chữ U ngược hoặc rãnh ngang trong rãnh xéc măng dầu.
Đúc gắn miếng hợp kim inva vào vùng bệ chốt để hạn chế giãn nở của vùng bệ chốt.
Do trạng thái nhiệt của Piston giảm dần từ phía đỉnh xuống đến chân Piston nên khe hở
giữa Piston và xylanh cũng giảm dần.
d. Chân piston
Chân Piston thường có vành đai để tăng độ cứng vững của vùng mặt trụ ở vành đai này
thường là chuẩn công nghệ khi gia công pittông và là nơi điều chỉnh trọng lượng của Piston
khi phân nhóm lắp ráp. Sai lệch về trọng lượng của các Piston trong cùng một
nhóm không vượt quá (0.2-0.6)% đối với động cơ ô tô.
1.2. Chốt Piston
1.2.1. Nhiệm vụ

Chốt Piston là chi tiết nối Piston với thanh truyền và truyền lực tác dụng trên Piston cho
thanh truyền để làm quay trục khuỷu. Vì vậy tuy là một chi tiết máy có kết cấu đơn giản
nhưng lại rất quan trọng, yêu cầu có độ bền và độ tin cậy rất cao.
1.2.2. Điều kiện làm việc
8
8


Khoa :Cơ Khí Động Lưc
Chốt Piston chịu lực va đập, tuần hoàn, nhiệt độ cao và điều kiện bôi trơn khó khăn
1.2.3. Vật liệu chế tạo
Để đảm bảo độ tin cậy cao, người ta thường dùng các loại thép hợp kim thành phần các

bon thấp để chế tạo chốt Piston như 20Cr; 15CrM; 18CrNiM… Để tăng độ cứng vững cho
bề mặt, tăng sức bền mỏi chốt được thấm than, xianua hoá, hoặc tôi cao tần và được mạ
bóng.
1.2.4. Kết cấu và các kiểu lắp ghép chốt Piston
a. Kết cấu
Kết cấu của chốt Piston rất đơn giản, đều có dạng hình trụ rỗng để cho nhẹ. Các
chốt chỉ khác nhau ở phần ruột, cụ thể:

a

b

c

d

Hình 5: Chốt piston.

e

Mặt trong có dạng hình trụ (hình 5.a) có ưu điểm là dễ chế tạo nhưng vật liệu phân bố
lại không hợp lý, trọng lượng lớn.
Mặt trong có dạng côn (như hình 5.b, c, d, e) tuy có kết cấu phức tạp nhưng chốt nhẹ và
có sức bền đồng đều hơn. Vì vậy các loại chốt này thường được dùng trên các động cơ cao
tốc. Kích thước đường kính ngoài của chốt phải thiết kế theo hệ trục để việc lắp ghép đạt
yêu cầu kỹ thuật, đảm bảo được khe hở lắp ghép với bệ chốt và khe hở lắp ráp với đầu nhỏ
thanh truyền.

b. Các kiểu lắp ghép chốt piston
9

9


Khoa :Cơ Khí Động Lưc

abc
Hình 6: Các kiểu lắp ghép chốt piston

a. Lắp cố định chốt Piston trên đầu nhỏ thanh truyền.
b. Lắp cố định chốt Piston trên bệ chốt
c. Lắp tự do chốt Piston.
- Cố định chốt trên đầu nhỏ thanh truyền (Hình 6.a)
Khi đó chốt phải được lắp tự do trên bệ chốt. Do không phải giải quyết vấn đề bôi
trơn của mối ghép với thanh truyền nên có thể thu hẹp bề rộng đầu thanh truyền và như vậy
tăng được chiều dài bệ chốt, giảm được áp suất tiếp xúc –mòn tại đây.
- Cố định chốt Piston trên bệ chốt (hình 6.b)
Khi đó chốt phải được lắp tự do trên thanh truyền. Cũng giống như phương pháp trên
do không phải giải quyết vấn đề bôi trơn cho bệ chốt nên có thể rút ngắn chiều dài của bệ để
tăng chiều rộng đầu nhỏ thanh truyền, giảm được áp suất tiếp xúc của mối ghép này. Tuy
nhiên mặt phẳng chịu lực của chốt ít thay đổi nên tính chịu mỏi của chốt kém.
Lắp tự do ở cả hai mối ghép (hình 6.c)
Khi lắp ráp, mối ghép giữa chốt và bạc đầu nhỏ thanh truyền là mối ghép lỏng, còn mối
ghép với bệ chốt Piston là mối ghép trung gian có độ dôi 0.01 – 0.02 mm đối với động cơ ô
tô. Trong qúa trình làm việc do nhiệt độ cao, Piston làm bằng hợp kim nhôm giãn nở nhiều
hơn chốt Piston nên chốt Piston có thể tự xoay. Khi đó mặt phẳng chịu lực thay đổi nên chốt
Piston mòn đều hơn và chịu mỏi tốt hơn. Vì vậy phương pháp này được dùng khá phổ biến
hiện nay. Tuy nhiên phải giải quyết vấn đề bôi trơn ở cả hai mối ghép và phải có kết cấu hạn
chế di chuyển dọc trục của chốt, thông thường dùng vòng hãm hoặc nút kim loại mềm có
mặt cầu.
Do mối ghép động nên phải giải quyết vấn đề bôi trơn cho các mối ghép này bằng cách

khoan lỗ để dẫn dầu cho xéc măng dầu gạt về hoặc khoan lỗ hứng dầu. Đối với thanh
10
10


Khoa :Cơ Khí Động Lưc
truyền, để bôi trơn người ta có thể dùng lỗ hứng dầu hoặc bôi trơn cưỡng bức kết hợp với
làm mát đỉnh Piston bằng dầu có áp suất cao dẫn từ trục khuỷu dọc theo thân thanh truyền.
1.3. XÐc măng
1.3.1. Nhiệm vụ
Như đã trình bày ở phần đầu Piston, xéc măng khí làm nhiệm vụ bao kín tránh lọt khí
còn xécmăng dầu ngăn dầu bôi trơn từ hộp trục khuỷu sục lên buồng cháy.
1.3.2. Điều kiện làm việc của xéc măng
Cũng như Piston xécmăng chịu tải trọng cơ học lớn, nhất là xécmăng đầu tiên. Ngoài ra
xécmăng còn chịu lực quán tính lớn có chu kỳ và va đập. Đồng thời phải kể đến nhiệt độ
cao, ma sát lớn, ăn mòn hoá học và ứng suất uốn ban đầu khi lắp xécmăng vào rãnh Piston.
1.3.3. Vật liệu và công nghệ chế tạo phôi xécmăng
Do điều kiện làm việc của xécmăng rất khắc nhiệt, nên vật liệu chế tạo xécmăng là
gang xám pha hợp kim, như niken,molipden,crôm,vôphram…Nhất là xécmăng khí đầu tiên,
được mạ crôm xốp có chiều dầy từ 0,03-0,06 mmcó thể tăng tuổi thọ của xécmăng
này nên 3- 3,5 lần
1.3.4. Kết cấu của xécmăng
Xécmăng có kết cấu rất đơn giản. Nó có dạng một vòng tròn hở miệng như hình vẽ.
Kết cấu của xécmăng được đặc trưng bằng kết cấu của tết diện và miệng xécmăng.
a. Xémăng khí
Xécmăng khí có nhiệm vụ bao kín buồng cháy ngăn không cho khí cháy lọt xuống các
te.
Các tiết diện thường dùng giới thiệu như trên hình vẽ:

Hình 7: Kết cấu xéc măng khí

- Loại tiết diện hình chữ nhật(hình 7b): Là loại thông dụng nhất vì đơn giản nhất, dễ chế
tạo, nhưng có áp suất riêng không lớn, thời gian rà khít với xylanh sau khi lắp lâu. trọng
lượng xéc măng cao.
11
11


Khoa :Cơ Khí Động Lưc
- Loại có mặt côn β (hinh 7.c) có áp suất tiếp xúc lớn và có thể rà khít nhanh chóng vớí
xylanh, tuy nhiên chế tạo phức tạp và phải đánh dấu khi lắp sao cho khi píttông đi xuống sẽ
có tác dụng như một lưỡi cạo để gạt dầu.
- Loại xécmăng có tiết diện hình thang –vát (hình 7.f), có tác dụng giũ muội than khi
xécmăng co bóp do đường kính xylanh không hoàn toàn đồng đều theo phương dọc trục,
dođó tránh được hiện tượng bó kẹt
- Loại xécmăng có tiết diện phức tạp là loại tổng hợp những ưu điểm của các loại tiết diện,
tuy nhiên loại này rất khó gia công
Về kết cấu miệng của xécmăng, loại thẳng(hình 7.g) dễ chế tạo nhưng dễ lọt khí và sục
dầu qua miệng. Loại vát( hình 7.h) có thẻ khắc phục phần nào nhược điểm trên. Loại
bậc( hình 7.i) bao kín tốt nhưng khó chế tạo.
b Xécmăng dầu và vấn đề ngăn dầu nhờn sục vào buồng cháy
Trong quá trình làm việc của động cơ đốt trong, xécmăng khí dù tốt đến mấy cũng không
thể ngăn được dầu nhờn sục vào buồng cháy của động cơ. Đó là vì xécmăng khí đã có tác
dụng “ bơm dầu” vào buồng cháy. Sơ đồ nguyên lý tác dụng bơm dầu của
xécmăng khí như hình vẽ:

Hình 8:Tác dụng bơm dầu của xécmăng khí
1 Piston; 2:Xy lanh;3Xécmăng

Từ hình vẽ ta thấy khi piston đi xuống, xécmăng vét dầu tụ vào trong rãnh xécmăng.

Khi piston đổi chiều, đi lên xécmăng khí tiếp xúc với mặt rãnh phía dưới, dồn dầu đi lên
phía trên. Khi piston đi xuống lần thứ hai, xécmăng lại tiếp xúc với mặt rãnh trên, ép số dầu
trong rãnh đi lên. Cứ như thế dầu nhờn đi dần vào buồng cháy gây lên hiện tượng sục dầu.
Để ngăn không cho dầu nhờn sục vào buồng cháy, phải dùng xécmăng dầu để gạt dầu
trở về các te, chỉ phân bố trên mặt gương xylanh một lớp dầu mỏng
12
12


Khoa :Cơ Khí Động Lưc
Kết cấu của xécmăng dầu như hình vẽ.

Hình 9: Kết cấu xéc măng dầu

Các loại tiết diện có mặt côn, lưỡi dao đều có áp suất tác dụng trên mặt gương xylanh
rất lớn(4÷6 at hoặc cao hơn). Rãnh lắp xécmăng dầu trên Piston phải có lỗ thoát dầu.
Các xécmăng dầu tiết diện hình thang có mặt côn hoặc dạng lưỡi dao vét dầu qua lỗ
thoát dầu phía dưới rãnh. Các loại xécmăng dầu tổ hợp cũng thoát dầu bằng các lỗ thoát
khoan bên trong rãnh xécmăng dầu.

Bảng kích thước cơ bản của piston ,chốt piston và xéc măng
Thông số
Chiều dày đỉnh pistonkhông làm mát
đỉnh

Động cơ diesel (ôtô , máy kéo )
(0,1 0,2 ) D
13
13

Khoa :Cơ Khí Động Lưc

Khoảng cách C từ đỉnh đến xéc măng
thứ nhất
Chiều dày s của phần đầu
Chiều cao H của piston (động cơ bốn
kỳ )
Vị trí của chốt piston (đến chân piston )
H-h
Đường kính chốt piston
Đường kính bệ chốt
Đường kính lỗ trên chốt
Chiều dày phần thân
Số xéc măng khí
Chiều dày hướng kính t của xéc măng
khí
Chiều cao a của xéc măng khí
Số xéc măng dầu
Chiều dày bờ rãnh xéc măng
Chiều cao của xéc măng dầu
Vị trí của chốt piston đến chân piston

(1,0 2,0 )
(0,05 0,1 )D
(1,0 1,6 ) D
(0,5 1,2 )D
( 0,3 0,45 )D
( 1,3 1,6 )
(0,6 0,8 )

( 2 5 ) mm
3 4
( )D
(2,2 4 ) mm
1 3
a

h = H (H

PHẦN II
TÍNH TOÁN KIỂM TRA BỀN CHO PISTON, CHỐT PISTON
VÀ XÉC MĂNG
2.1. Thông số ban đầu, thông số chọn và thông số tham khảo của piston, chốt
14
14


Khoa :Cơ Khí Động Lưc
và xéc măng
a. Các thông số ban đầu
st Thông số ban đầu
t
1 Áp suất khí thể
2 Đường kính piston
3
4

Thông số kết cấu
Cấp chính xác

Công thức tính toán

Kết quả
2

P = 8,14 MPa = 8,14 MN/ m
−3
D = 108 mm = 108. 10
m
λ = R/L= 66/220 = 0,30

8,14. 10
0,108

6

N/ m
m

2

0,30
1/1000

b.Các thông số chọn cơ bản của piston, chốt và xéc măng
Stt Các thông số chọn
1
Chiều dầy đỉnh píton
2

Khoảng cách C từ đỉnh
piston đến xéc măng khí

3

Chiều dầy của phần đầu

4
5

6

Công thức tính toán
δ = (0,1÷0,2)D
δ = (0,1 ÷ 0, 2)0,108 = 0, 016
C = (1 ÷ 2)δ = (1 ÷ 2)0, 016

S = (0,05÷0,1)D = S = (0,0057 ÷
0,0108)
Chiều cao H của piston
H = (1,0÷1,6)D = (1÷1,6)0,108
H = (0,0108 ÷ 0,1728)
Vị trí của chốt piston đến H-h = (0,5÷1,2)D =(0,5÷1,2)0,108
chân pittông
H-h = 0.054÷ 0.129
h = H- 0,07= 0.105 - 0.07
d ch = (0,3÷0,45)D = (0,3÷0,45)0,108
Đường kính chốt piston
d ch = 0,0324 ÷ 0,0486

7

Đường kính lỗ trên chốt

d0
d0

= (0,6÷0,8) d ch = (0,6÷0,8)0,037

Lựa chọn
0,016
0,024

m
m

0,008

m

0,105

m

0,07
0,08

m
m

0,037

m

0,027

m

0,040

m

0,004

m

= 0,0222 ÷ 0,0296

8

Đường kính bệ chốt

db

9

Chiều dày phần thân

S1

10

Số xéc măng khí

3

11

Số xéc măng dầu

1

12

Chiều dày hướng kính t
của xéc măng khí

t=

= (1,3÷1,6) d ch =(1,3÷1,6)0.027
= (0,002÷0,005)

1
0,108
D=
= 4.10.10−3
22
22

0,004

m

15
15


Khoa :Cơ Khí Động Lưc
13

Chiều cao của xéc măng
khí

a=3

mm

14

Chiều dày bề rãnh xéc
măng khí

a1

=3

mm

15

Chiều cao của xécmăng
dầu

a 2= 5

mm

0,003

m

0,003

m

0,005

m

2.2. Tính toán kiểm tra bền cho piston

16
16


Khoa :Cơ Khí Động Lưc
Tính toán kiểm tra bền cho piston bao gồm việc tính kiểm tra bền cho đỉnh, đầu, thân
và bệ chốt piston.

Hình2.1:Kích thước các phần của piston

2.2.1. Tính sức bền của đỉnh piston
Trong quá trình làm việc đỉnh piston vừa chịu tải trọng cơ học (lực khí thể) lại vừa chịu
tải trọng nhiệt nên trạng thái biến dạng khá phức tạp. Vì vậy, để đơn giản hóa trong tính toán
ta đi tính trạng thái ứng suất gần đúng theo những giả thiết nhất định (phụ thuộc vào phương
pháp tính). Áp dụng công thức Back, để tính kiểm nghiệm bền cho đỉnh piston ta giả thiết:
- Coi đỉnh piston là một đĩa có chiều dày δ đồng đều đặt tự do trên gối đỡ hình trụ.
- Coi áp suất khí thể p z phân bố đều.
- Tính lực khí thể tác dụng lên đỉnh piston
Sơ đồ tính toán lực như hình 11.
ADCT:
Pz = p z .F p

Trong đó: -

Fp

là diện tích đỉnh piston được tính theo công thức:
Fp =

π .D 2
4

Với D là đường kính đỉnh piston, D = 108 (mm) = 0,108

2

(m )
(m)
17

17


Khoa :Cơ Khí Động Lưc
- p z là áp suất khí thể
Ta có :

Pz = 8,14.

(Mpa)
3,14.(0,108) 2
= 0, 075
4

(MN)

Hình 2.2: Sơ đồ tính sức bền đỉnh piston
* Trên nửa đỉnh piston có những lực sau đây tác dụng:
Pz
- Lực khí thể 2 . Lực này tác dụng lên trọng tâm của nửa hình tròn cách trục x-x một đoạn

y1
2 D 2 0,108
y1 = . = .
= 0, 022
3 π 3 3,14

(m)

Pz

- Phản lực của lực khí thể 2 phân bố trên nửa đường tròn đường kính Di , đặt lên trọng tâm

của nửa đường tròn và cách truc x-x một đoạn y 2 :
y2 =

D 0,1088
=
= 0, 034
π
3,14

(m)

Do đó mô men uốn đỉnh M u :
Mu =

Pz
( y 2 − y1 ) = 0, 075 ( 0, 034 − 0, 022 ) = 0, 0004
2
2

(m)

Mô đun chống uốn Wu của tiết diện x-x:
18
18


Khoa :Cơ Khí Động Lưc
Wu =

D.δ 2 0,108.(0, 016) 2
=
= 4, 61.10−6
6
6

(m3 )

Do đó ứng suất uốn của đỉnh piston:
σu =

Mu
0, 0004
=
= 86.76
Wu 4,61.10−6

Chọn vật liệu làm piston là nhôm, đỉnh có gân tăng bền nên ta có
[σ u ] = 25 ÷ 180

( MN / m 2 )
( MN / m 2 )

Nhận xét thấy σ u < [σ u ] nên đỉnh piston thỏa mãn điều kiện bền.

Hình 2.3: sơ đồ tính bền đỉnh piston
2.2.2. Tính sức bền đầu piston
Tiết diện I-I trên hình vẽ là tiết diện suy yếu nhất của đầu piston (tiết diện này cắt
ngang qua rãnh của xécmăng dầu). Tiết diện này chịu kéo bởi phần khối lượng m I − I phía

trên nó và chịu nén bởi lực khí thể trong quá trình cháy, giãn nở. Vì vậy, để kiểm tra xem
đầu piston có đảm bảo bền hay không ta cần phải xác định được ứng suất kéo và ứng suất
nén tại tiết diện I-I.
a. Ứng suất kéo σ k :
ADCT:
σk =

PjI
FI − I

=

m I − I . j max
FI − I

( MN / m 2 )

Trong đó: + m I − I là khối lượng phía trên tiết diện I-I (kg).
+ j max là gia tốc lớn nhất của piston
+ FI − I là diện tích tiết diện I-I

2

(m/s )
(m 2 )

* Tính khối lượng m I − I phía trên tiết diện I-I:
m I − I = γ .V
ADCT:
19

19


Khoa :Cơ Khí Động Lưc
Trong đó:

+ γ là khối lượng riêng vật liệu làm piston, với piston làm bằng hợp kim nhôm ta chọn

γ = 2,5 kg/d m 3 = 2,5. 103 .

kg/ m

3

+V là thể tích phần đầu piston phía trên mặt cắt I-I : V = V1 − V2 − V3
Trong đó: V1 là thể tích phần đầu piston phía trên mặt cắt I-I coi là đặc
a2
πD 2
V1 =

-

(C + 3a + 3a1 +

4

2

)

3,14.(0,108) 2
0, 005
V1 =
(0, 024 + 3.0, 003 + 3.0, 003 +
) = 4, 07.10−4
⇒
4
2

(m 3 )

- V 2 là thể tích phần rỗng của đầu piston phía trên mặt cắt I-I:
2

V2 =

π d2

(C + 3a + 3a1 +

4
d1 = D − 2t = 0,108 − 2.0,004 = 0,1
d2 = d1 −2S = 0,108 − 2.0,008 = 0,09 `

⇒

V2 =

a2
−δ)

2

3,14.(0, 09) 2
0, 005
(0, 024 + 3.0, 003 + 3.0, 003 +
− 0, 01) = 2,19.10 −4
4
2

(m)
(m)
(m3 )

- V3 là thể tích phần rãnh xecmăng phía trên mặt cắt I-I:
V3 = (3a +

a2 π
) ( D 2 − d12 )
2 4

0, 005 3,14
)
(0,1082 − 0, 09 2 ) = 3, 2.10 −5 = 0, 32.10 −4
2
4
Thể tích phần đầu piston là:

V3 = (3.0, 003 +

(m 3 )

⇒ V = V1 − V2 − V3 = (4, 07 − 2,19 − 0,32).10 −4 = 7, 29.10 −4 = 1,56.10 −4 = 15, 6.10 −5

(m3 )

Khối lượng phần đầu piston là:
mI − I = V γ = 15, 6.10−5.2,5.103 = 0, 039

(kg )

* Tính diện tích FI − I của tiết diện I-I:
ADCT:
FI − I =

π. 2
3,14
(d1 − d 22 ) =
(0,12 − 0, 09 2 ) = 1, 49.10 −3
4
4

(m 2 )

* Tính gia tốc lớn nhất của piston
ADCT:
J = Rω 2 .( cos α + λ . cos 2α )
20
20

Khoa :Cơ Khí Động Lưc
Trong đó: - λ là trông số kết cấu,

λ=

R
66
=
l
220 = 0.30
R=

S 132
=
= 66
2
2

-R là bán kính quay của trục khuỷu (mm),
(mm)
- ω là vận tốc góc của piston (rad/s) được xác định theo công thức
2.π .n
60
2.3,14.2300
⇒ω =
= 240, 7( rad / s)
60

ω=

Từ biểu thức tính gia tốc J ta nhận thấy J đạt giá trị cực đại khi α = 0 ⇒ cos α = 1 . Khi
đó ta có:
J max = R.ω 2 (1 + λ )
J max = 66.10−3.240, 7 2 (1 + 0,30) = 4971

⇒ σk =

(m / s 2 )

mI − I .J max 0,39.4971
=
= 1,3.106 ( N / m 2 ) = 1,3
−3
FI − I
1, 49.10

( MN / m 2 )

[ k]
Nhận xét thấy k
đầu piston thỏa mãn về sức bền kéo.
* Ứng suất nén:
Ứng suất nén tiết diện I-I được xác định theo công thức: Thay số ta được
σ = 1,3( MN / m2 ) < σ

σn =

= 10( MN / m2 ) ⇒

Pz

0, 0745
=.
= 5.10−5
−3
FI − I 1, 49.10

( MN / m 2 )

Đối với piston làm bằng hợp kim nhôm ta có σ n = 5.10 ( MN / m ) ⇒ σ n < [σ n ] = 25( MN / m )
vậy đầu piston thỏa mãn điều kiện chịu nén.
2.2.3. Tính sức bền thân piston
Để kiểm tra xem thân piston có đảm bảo bền không ta cần phải tính được áp suất nén
của thân piston lên vách xylanh sau đó so sánh với áp suất nén cho phép.
ADCT:
−5

K th =

N max
D.lth

2

2

( MN / m 2 )

Trong đó: - K th là áp suất tác dụng lên vách xylanh
- D là đường kính xilanh tính theo (cm)
- lth là chiều dài thân piston tính theo (cm)

lth = H − (C + 3a + 3a1 + a2 )
⇒ lth = 0.150 − (0, 024 + 3.0, 003 + 3.0, 003 + 0, 005) = 0,103 .

(cm)
21
21


Khoa :Cơ Khí Động Lưc
- N max là lực ngang cực đại được tính theo sơ đồ hình vẽ sau:

Hình 2.4 Sơ đồ tính lực ngang lớn nhất
N max = (0,8 ÷ 1,3) P∑ .F b

Trong đó :

P∑ = Pkt + p j

(MN)

tính theo đơn vị (atm)

Pkt là lực khí thể ( Pkt =P = 0,037)
z
pj

=(m1+mnp)j

(MN)
(N)

m1 khối lượng thanh truyền quy dẫn về đầu nhỏ
m1= 0,33.mtt= 0,3.3= 0,9
mnp = 2,5
Vậy
Do đó

pj

=(0,9 + 2,5).4971= 16901,4
−6

P∑ = (0, 0745 + 16901, 4.10 ).9,8 = 0,89

π .D 2 3,14.0,1082
=
= 0, 00916
4
4
N max = (0,8 ÷ 1,3) P∑ .F b = (0,8 ÷ 1.3).0,89.0, 00916 = 0, 0065 ÷ 0, 0105

Fb =

Chọn

N max = 0, 010

(kg)
(kg)
(N)

(atm)

(Cm2)
(MN)
(MN)

K th =

0,3
= 0, 4
0,108.0,103

(MN/m2)
22
22


Khoa :Cơ Khí Động Lưc
Nhận xét thấy K th < [ K th ] =0,3– 0,5(MN/m2). Vậy thân piston đảm bảo bền.

23
23