Tiểu luận tính toán nhiệt, động lực học trục khuỷu – thanh truyền, kiểm nghiệm bền các chi tiết chủ yếu

TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

GVHD: Nguyễn Quốc Sỹ

LỜI MỞ ĐẦU
Ngành công nghiệp ô tô đã ra đời từ rất lâu, rất nhiều quốc gia tích cực thúc đẩy
ngành ô tô này một cách mạnh mẽ. Và có thể nói, đây là một ngành cho thấy sự phát
triển của đất nước, tiện nghi, lợi ích cho con người. Nhận thức được điều này, Đảng và
Nhà nước đã tích cực thúc đẩy sự phát triển, tập trung vào ngành ô tô, từng bước phát
triển và tiến tới sản xuất ô tô trong nước mà không cần nhập khẩu.
Môn “Đồ án tính toán kết cấu động cơ đốt trong” là một trong những môn học
đóng vai trò quan trọng trong việc thiết tập cơ sở khoa học để thiết kế, tính toán và
kiểm nghiệm các chi tiết trong động cơ nhằm tối ưu hóa các đặc tính của động cơ mà
vẫn có thể bảo vệ môi trường, phù hợp với nhu cầu con người. Đồng thời thể hiện độ
mạnh mẽ và bên bỉ trong từng chi tiết động cơ.
Môn học này cũng là môn cơ sở, là bước đệm đầu tiên cho ngành công nghiệp ô
tô ra đời. Xuất phát từ những điều kiện trên, với môn học này, nhóm chúng em đã
được thầy giáo giao đề tài: “ Tính toán nhiệt, động lực học trục khuỷu – thanh truyền,
kiểm nghiệm bền các chi tiết chủ yếu” trong động cơ : SSANGYONG MUSSO E23.
Trong quá trình thực hiện đê tài này, được sự hướng dẫn của thầy Hà Thanh
Liêm, cũng như những giáo viên khác. Nhóm chúng em nay đã hoàn thành đề tài của
mình.
Do điều kiện về thời gian cũng như hạn chế về trình độ chuyên môn của bản
thân, thêm vào đó vấn đề nghiên cứu này khá mới mẻ so với nhóm chúng em nên đề
tài cũng không thể tránh khỏi sai sót. Vì vậy, em mong nhận được sự đóng góp, bổ
sung của thầy để nhóm chúng em hiểu rõ hơn và có thể nâng cao nhận thức hơn.
Nhóm chân thành cảm ơn!
TP.HCM, Ngày 8 tháng 5 năm 2019
Nhóm thực hiện: Nhóm 1
Nguyễn Ngọc Thắng 15079621
Đặng Lê Trí Toàn

15073581

Nguyễn Thành Nam

15035061

1
Nhóm 1


TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

GVHD: Nguyễn Quốc Sỹ

Ý KIẾN CỦA GIÁO VIÊN

.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................

.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................

2
Nhóm 1


TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

GVHD: Nguyễn Quốc Sỹ

Mục Lục
CHƯƠNG 1 : TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG..............................3
1.1 Giới thiệu chung.......................................................................................................3
1.1.1 Mục đích tính toán.............................................................................................3
1.1.2 Chế độ tính toán.................................................................................................3
1.2 Các thông số cho trước của động cơ.........................................................................4
1.3 Chọn các thông số tính toán nhiệt............................................................................5
1.4 Tính toán nhiệt.........................................................................................................6
CHƯƠNG 2: DỰNG ĐẶC TÍNH NGOÀI ĐỘNG CƠ…………………………15
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ PISTON- TRỤC KHUỶU – THANH
TRUYỀN.................................................................................................................... 13
3.1 Phân tích động học cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền............................................17

3.2 Động học của piston (phân tích theo phương pháp giải tích).................................17
3.2.1 Chuyển vị của piston........................................................................................17
3.2.2 Tốc độ piston...................................................................................................18
3.2.3 Gia tốc piston..................................................................................................18
CHƯƠNG 4 : TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU TRỤC KHUỶUTHANH TRUYỀN....................................................................................................19
4.1 Mục đích chung......................................................................................................23
4.2 Sơ đồ lực và mômen tác động lên cơ cấu trục khuỷu- thanh truyền động cơ một
xylanh..........................................................................................................................23
4.3 Lực khí thể.............................................................................................................24
4.4 Lực quán tính các chi tiết chuyển động..................................................................25
4.5 Hệ lực tác dụng trên cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền..........................................26
CHƯƠNG 5 : TÍNH TOÁN NGHIỆM BỀN CÁC CHI TIẾT CHÍNH CỦA
ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG.........................................................................................30
5.1 Khái quát................................................................................................................31
5.2 Tính toán các chi tiết chính của nhóm piston.........................................................32
5.3 Tính toán thanh truyền...........................................................................................37
5.4 Tính bền trục khuỷu...............................................................................................40

3
Nhóm 1


TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

GVHD: Nguyễn Quốc Sỹ

CHƯƠNG 1 : TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
1.1 Giới thiệu chung
1.1.1 Mục đích tính toán
Tính toán nhiệt động cơ đốt trong (ĐCĐT) chủ yếu là xây dựng trên đồ thị

công chỉ thị của một động cơ cần được thiết kế thông qua việc tính toán các thông
số nhiệt động học của chu trình công tác trong động cơ gồm các quá trình :
Nạp - nén - (cháy + dãn nở) - thải
Mỗi quá trình được đặc trưng bởi các thông số trạng thái là nhiệt độ , áp
suất, thể tích của môi chất công tác (MCCT) ở đầu và cuối quá trình. Trên cơ sở lý
thuyết nhiệt động học kỹ thuật, nhiệt động hóa học , lý thuyết động cơ đốt trong ,
xác định giá trị của các thông số nêu trên.
Tiếp theo, ta tính các thông số đánh giá tính năng của chu trình gồm các
thông số chỉ thị và thông số có ích của chu trình như : áp suất chỉ thị trung bình p i,
áp suất có ích trung bình pω, công suất chỉ thị Ni, công suất có ích Ne, …
Cuối cùng, bằng kết quả tính toán nói trên xây dựng đồ thị công chỉ thị của
chu trình công tác và đây là các số liệu cơ bản cho bước tính toán động lực học và
thiết kế sơ bộ cũng như thiết kế kỹ thuật toàn bộ động cơ.
Trong tính toán kiểm nghiệm động cơ cho trước , việc tính toán nhiệt có thể
được thay thế bằng cách đo đồ thị công thực tế trên băng thử công suất động cơ
nhờ các phương tiện , các công cụ đo , ghi có kĩ thuật cơ điện tử và tin học hiện
đại. tuy nhiên, với phương pháp tính toán dựa trên cơ sở lý thuyết nhiệt động hóa
học trong ĐCĐT, người ta cũng có thể tiến hành khảo sát những chỉ tiêu động lực
và chỉ tiêu kinh tế của các động cơ đã có sẵn này với kết quả đáng tinh cậy.
1.1.2 Chế độ tính toán
Chế độ làm việc của động cơ được đặc trưng bằng các thông số cơ bản như
công suất có ích , mô men xoắn có ích , tốc độ quay và nhiều thông số khác. Các
thông số ấy có thể ổn định hoặc thay đổi trong phạm vi rộng tùy theo công dụng
của động cơ.
Mỗi chế độ làm việc của động cơ có ảnh hưởng đến tính kinh tế, hiệu quả,
tuổi thọ , sức bền của các chi tiết và các chỉ tiêu khác.
Chế độ được chọn để tính toán gọi là chế độ tính toán. Chế độ tính toán là
những chế độ ảnh hưởng đến sức bền và tuổi thọ của các chi tiết đối với từng loại
động cơ cụ thể và chế độ phụ tải. Do đó việc chọn chế độ tính toán phải được cân
nhắc kĩ.

4
Nhóm 1


TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

GVHD: Nguyễn Quốc Sỹ

Đối với động cơ tĩnh tại, chế độ tính toán thường là chế độ công suất định
mức.
Đối với động cơ trên xe , người ta thường tính đối với cả hai chế độ mô men
xoắn có ích lớn nhất và công suất có ích lớn nhất ( đối với động cơ xăng) hoặc
công suất có ích định mức ( đối với động cơ diesel).
Đối với động cơ cao tốc , chế độ tính là chế độ công suất lớn nhất thường
được chọn để tính , vì ở đó các lực khí thể và quán tính đều lớn. các chế độ tính
toán phải tiến hành đối với phụ tải toàn phần ứng với lượng cung cấp nhiên liệu
lớn nhất , vì ở đó trạng thái nhiệt của động cơ và phụ tải cơ học cao nhất.
Những chế độ tính toán khác như : chế độ tải cục bộ, khi thay đổi thành phần
hỗn hợp cháy , thay đổi góc đánh lửa hoặc góc phun nhiên liệu sớm chỉ được tiến
hành khi cần khảo sát riêng biệt.
Thông thường, người ta giả thiết rằng động cơ làm việc ổn định ở chế độ
tính toán.
Nhưng thực nghiệm cho thấy là ở cùng một chế độ làm việc của động cơ các
chu trình xảy ra không hoàn toàn giống nhau. Giá trị của áp suất lớn nhất và áp
suất trung bình có thể chênh lệch nhau khoảng 5%-10%. Điều này do các yếu tố
như điều kiện khí động của quá trình nạp, sự biến động của quá trình cung cấp
nhiên liệu , tạo hỗn hợp và khí cháy…
Chi phối. Như vậy, các số liệu ban đầu và kết quả tính toán thu được cũng
chỉ là những giá trị trung bình mà thôi.

1.2 Các thông số cho trước của động cơ
Môi trường sử dụng động cơ: môi trường bình thường.
Kiểu, loại động cơ: SSANGYONG MUSSO E23, Vh=2293 cm
Số kỳ τ: 4
Số xilanh i: 4
Cách bố trí các xilanh: thẳng hàng
Đường kính xilanh, D= 8.72 (cm)
Hành trình piston, S= 9,592 (cm)
Công suất thiết kế, Ne = 102,9 (kW)
Số vòng quay thiết kế , n = 5300(v/ph)
Tỷ số nén, ε = 10,4
5
Nhóm 1


TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

GVHD: Nguyễn Quốc Sỹ

Kiểu buồng cháy và phương pháp tạo hỗn hợp: Buồng cháy thống nhất
Kiểu làm mát: Làm mát bằng
Suất tiêu thụ nhiên liệu có ích : (g/kW.h)
Góc mở sớm và đóng muộn của xupáp nạp và thải:
α1= 45o
α2= 30o
α3= 40o
α4= 55o
Chiều dài thanh truyền, L = 171.1 (mm)
Khối lượng nhóm piston, mnp = 0.6129 (kg)
Khối lượng nhóm thanh truyền, mtt = 1494.03(kg)

1.3 Chọn các thông số tính toán nhiệt
1.3.1 Áp suất không khí nạp(po)
Po = 0,1013 MN/m2
1.3.2 Nhiệt độ không khí nạp mới
To = (Tkk + 273) với tkk =29oC
To = (29 + 273) = 302 (K)
1.3.3 Áp suất không khí nạp trước xupap nạp
Pk = Po = 0,1013 (MN/m2) (tăng áp trung bình)
1.3.4 Nhiệt độ khí nạo trước xupap nạp

1.3.5 Áp suất cuối quá trình nạp
Pa= 0,875.0,1013= 0,0886 (MN/m2)
1.3.6 chọn áp suất khí sót
Pr= 0,11 (MPa)
1.3.7 Nhiệt độ khí sót
Tr= 1050 (K)
6
Nhóm 1


TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

GVHD: Nguyễn Quốc Sỹ

1.3.8 Độ tăng nhiệt độ khí nạp mới

1.3.9 Chọn hệ số nạp thêm

1.3.10 Chọn hệ số quét buồn cháy
Vc = 0

1.3.11 Chọn hệ số hiệu đính tỷ nhiệt
với
1.3.12 Hệ số tác dụng nhiệt tại điểm Z

1.3.13 Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm b ()

1.3.14 Chọn hệ số dư lượng không khí

1.3.15 Chọn hệ số điền đầy đồ thị công

1.3.16 Tỷ số tăng áp

1.4 Tính toán nhiệt
1.4.1 Quá trình nạp ( )

Hệ số khí sót γr:

7
Nhóm 1


TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

GVHD: Nguyễn Quốc Sỹ

Nhiệt độ cuối quá trình nạp:

1.4.2 Quá trình nén
Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của khí nạp mới:

Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản phẩm cháy:

10-3T
Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp khí trong quá trình nén:

Xác định chỉ số nén đa biến trung bình n1:

n1 = 1,377
Áp suất quá trình nén pc:

Nhiệt độ cuối quá trình nén Tc:

1.4.3 Quá trình cháy:
Lượng không khí lý thuyết để đốt cháy 1kg nhiên liệu Mo:

Lượng khí nạp mới thực tế nạp vào xy lanh :
8
Nhóm 1


TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

GVHD: Nguyễn Quốc Sỹ

Lượng sản vật cháy M2:

Hệ số biến đổi phân tử khí lý thuyết βo:

Hệ số biến đổi phân tử khí thực tế β:

Hệ số biến đổi phân tử khí tại điểm βz:

=
Tổn thất nhiệt lượng do cháy không hoàn toàn:
=6144 KJ/Kg.nl
Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của môi chất tại điểm z:

Nhiệt độ cuối quá trình cháy Tz:

Tz = 2366,927 (K)
Áp suất cuối quá trình cháy pz:

1.4.4 Tính toán quá trình dãn nở
Tỷ số dãn nở đầu:
Tỷ số dãn nở sau:
Chỉ số dãn nở đa biến trung bình n2:
9
Nhóm 1


TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

GVHD: Nguyễn Quốc Sỹ

Mà
n2 1 =
Giải ra: n2 1 = 0,26 => n2 = 1,255
Nhiệt độ cuối quá trình dãn nở Tb = 1410,2448 (K )
Áp suất cuối quá trình dãn nở :

Kiểm nghiệm nhiệt độ khí sót Tr:

Sai số cho phép:

1.4.5 Tính toán các thông số đặc trưng của chu trình
Áp suất chỉ thị trung bình tính toán :

Áp suất chỉ thị trung bình thực tế pi: pi = φd. = 0,97.1,177= 1,141 (MPa)
Áp suất tổn thất cơ khí pm:
pm =a + b.vp + (pr -pa)
Mà:

Áp suất có ích trung bình pe:

Hiệu suất cơ giới :

Xác định hiệu suất chỉ thị :

Xác định hiệu suất có ích :
10
Nhóm 1


TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

GVHD: Nguyễn Quốc Sỹ

Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị gi:

Suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge:

Tính toán thông số kết cấu động cơ:
Tính thể tích công tác vh:

Tính đường kính piston:

Hành trình piston:

1.4.5 Vẽ đồ thị công
Chọn tọa độ vuông góc:
Xác định các điểm đặc biệt của đồ thị công:

Có :vz =vc = 0,0564 ( lít), vb = va = 0,5864 ( lít)
Dựng đường cong nén:

Dựng đường cong dãn nở:

11
Nhóm 1


TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

GVHD: Nguyễn Quốc Sỹ

Đường nén pn
(MN/m2)

Đường dãn nở pdn
(MN/m2)

2,227

8,174

80

1,012

5,271

100

1,376

3,924

120

0,787

3,169

140

0,637

2,611

160

0,529

2,209

180

0.451

1,905

200

0.389

1,669

220

0,342

1,481

240

0,303

1,328

260

0,272

1,201

280

0.245

1,094

300

0,223

1,003

320

0,204

0,925

340

0,188

0,858

360

0,173

0,798

380

0,161

0,746

400

0,150

0,699

420

0,140

0,658

440

0,132

0,621

460

0,123

0,587

480

0,116

0,556

500

0,110

0,529

520

0,105

0,503

540

0,099

0,479

0,0886

0,433

V (cm3)

12
Nhóm 1


TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

GVHD: Nguyễn Quốc Sỹ

.

13
Nhóm 1


TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

GVHD: Nguyễn Quốc Sỹ

14
Nhóm 1


TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

GVHD: Nguyễn Quốc Sỹ

CHƯƠNG 2: DỰNG ĐẶC TÍNH NGOÀI ĐỘNG CƠ
2.1. Khái quát
Đặc tính ngoài là đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của các chỉ tiêu như công suất
có ích Ne, momen xoắn có ích Me, lượng tiêu thụ nhiên liệu trong 1 giờ G nl và suất tiêu
thụ nhiên liệu có ích ge vào tốc độ của trục khuỷu n (v/ph) khi thanh răng bơm cao áp
chạm vào vít hạn chế (đối với động cơ Diesel) hoặc bướm ga mở hoàn toàn (đối với
động cơ xăng).
Đồ thị này được dùng để đánh giá sự thay đổi các chỉ tiêu chính của động cơ
khi tốc độ trục khuỷu thay đổi và chọn vùng tốc độ sử dụng 1 cách hợp lí khi khai
thác.
Đặc tính ngoài được dựng bằng các phương pháp như thực nghiệm, công thức
kinh nghiệm hoặc bằng việc phân tích lý thuyết. Ở đây giới thiệu phương pháp dựng
bằng các công thức kinh nghiệm của Ley-dec-man. Dạng đường đặc tính phụ thuộc
vào nhiều yếu tố khác nhau như kiểu động cơ, phương pháp tạo hỗn hợp… nên ta xét
riêng đối với từng trường hợp cụ thể.
2.2. Thứ tự dựng các đường đặc tính đối với động cơ diesel
Phương pháp tính các thông số và dựng các đường đặc tính đối với động cơ
diesel cũng tương tự như đối với động cơ xăng. Riêng các biểu thức dùng để tính toán
thì tùy theo phương pháp tạo hỗn hợp của động cơ.
Đối với động cơ diesel có buồng cháy thống nhất (không phân chia):
kW
MNm
g/kWh
kg/h
Trong đó:

Nedm – công suất định mức thu được trong tính toán (kW)
ndm – tốc độ quay ứng với công suất định mức (v/ph)

, – momen xoắn có ích (Nm) và suất tiêu hao nhiên liệu có ích (g/kWh)
ở tốc độ quay định mức ndm
Ne, Me, ge – giá trị tương ứng của công suất có ích, momen xoắn có ích
và suât tiêu hao nhiên liệu có ích ứng với từng tốc độ quay trung gian được
chọn trước
n – giá trị của biến số được chọn trước, v/ph

ne

Ne(kW)

Me(MN)

ge(g/kWh)

Gnl(kg/h)
15

Nhóm 1


TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800

2000
2200

36.715
62.148
90.658
121.014
151.986
182.342
210.852
236.285
257.412
273.000

876.494
989.116
1082.152
1155.601
1209.464
1243.740
1258.430
1253.534
1229.050
1184.981

GVHD: Nguyễn Quốc Sỹ
178.270
164.626
153.248
144.133

137.283
132.698
130.376
130.320
132.528
137.000

6.545
10.231
13.893
17.442
20.865
24.196
27.490
30.793
34.114
37.401

16
Nhóm 1


TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

GVHD: Nguyễn Quốc Sỹ

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐỘNG HỌC CƠ CẤU PISTONTRỤC KHUỶU –THANH TRUYỀN
3.1 Phân tích động học cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền
Trong động cơ đốt trong kiểu piston cụm chi tiết chuyển động chính(piston,
thanh truyền, trục khuỷu) làm việc trên nguyên tắc sau:

Nhóm piston chuyển động tịnh tiến qua lại truyền lực khí thể cho thanh
truyền.
Nhóm thanh truyền là chi tiết chuyển động trung gian, có chuyển động phức
tạp để biến chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục
khuỷu.
Trục khuỷu là chi tiết máy quan trọng nhất, có chuyển động quay và truyền
công suất của động cơ ra ngoài để dẫn động các máy công tác khác.

3.2 Động học của piston (phân tích theo phương pháp giải tích)
Với giả thuyết trục khuỷu quay với vận tốc góc ω=const, thì góc quay trục
khuỷu α tỉ lệ thuận với thời gian, còn tất cả các đại lượng động học là các hàm phụ
thuộc vào biến số α.
Tuy nhiên, giả thuyết này đối với động cơ cao tốc hiện đại cho sai số không
đáng kể vì trị số dao động của vận tố góc (ω)do độ không đồng đều của momen
động cơ gây ra khi động cơ làm việc ở chế độ làm việc rất nhỏ.
3.2.1 Chuyển vị của piston
Giới thiệu sơ đồ cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền loại thông dụng. Khi trục
khuỷu quay một góc α thì piston dịch chuyển được một khoảng S p so với vị trí
ban đầu (ĐCT). Chuyển vị của piston trong xilanh động cơ tính bằng công thức
sau:
Sp=R[(1-cosα)+λ/4(1-cos2α)]
17
Nhóm 1


TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

GVHD: Nguyễn Quốc Sỹ

Đây làphương trình chuyển động của cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền, biểu diễn

bằng khoảng trượt của piston phụ thuộc vào α, R (bán kính quay trục khuỷu)
và λ =R/L
Bảng thông số chuyển vị piston

αo
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
360

Sp

SpI

0.000
6,183
23,679
46,163
69,385
86,253

0.000
1,558
4,675
6,257
4,683
1,566

92,385
86,253
69,385
46,310
23,206
6,257
0

0
1,549
4,666
6,237
4,692
1,573
0

SpII
0.000
7,741
27,754
52,4
73,941
87,745

92,39
9
87,802
74,051
52,547
27,898
7,832
0

Biểu đồ chuyển vị piston

18
Nhóm 1


TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

GVHD: Nguyễn Quốc Sỹ

3.2.2 Tốc độ piston
Ta xác định phương trình tốc độ chuyển động của piston là hàm phụ thuộc
vào góc quay trục khuỷu λ, bằng cách vi phân biểu thức theo thời gian.
, Vì:

,

(3.2)
Nhận xét:Từ phương trình (3.2) ta thấy tốc độ piston là tổng hai hàm điều
hòa cấp I và cấp II với chu kỳ điều hòa của cấp II bằng hai lần chu kỳ điều hòa
của hàm cấp I.

Vp = VpI + VpII
Trong đó : VpI = Rωsinα ,
Bảng thông số tốc độ của piston

αo
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
360

Vp
0
12,814
2,199
25,641
22,214
12,850
0
-12,779
-22,179
-25,641

-22,240
-12.885
0

VpI
0
22,199
22,214
0
-22,179
-22,240
0
22,158
22,261
0
-22,138
-22,281
12.969

VpII
0
35,014
44,419
25,641
0,0408
-9,39
0
-9,378
0,086
-25,641

-44,378
-35,166
0

Đồ thị biểu diễn gia tốc của piston

19
Nhóm 1


TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

GVHD: Nguyễn Quốc Sỹ

3.2.3 Gia tốc piston
Lấy đạo hàm công thức 3,2 đối với thời gian , ta có công thức tính gia tốc
piston:

(3.3)
Từ công thức (3.3) , cho thấy gia tốc piston là tổng của hai hàm điều hòa cấp
I và cấp II:

Trong đó: ,
Bảng thông số gia tốc của piston

αo

Đồ thị
gia tốc

3.3. Thiết
piston ,
truyền
3.3.1.
cấu

0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
360

Jp
14231,51
12326,74
7122,296
0
-7102,66
-12315,4
-14231,5
-12338
-7141,91

0
7083,014
12301,02
14231,44

JpI

JpII

3842,507
1923,2
-1913,72
-3842,5
-1927,32
1912,414
3842,488
1933,607
-1907,1
-3842,46
-1938,89
1901,788
3842,429

18079,02
14249,76
5204,577
-3842,5
-9030,98
-14403
-10389

-10404,4
-9049,01
-3812,46
5144,121
14205,81
18073,87

biểu diễn
của piston

kế kết cấu
thanh
Thiết kế kết
piston

20
Nhóm 1


TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

GVHD: Nguyễn Quốc Sỹ

 Tính toán chi tiết cụm piston


Độ dày đỉnh piston:

Chọn = 6 mm
 Chiều cao piston:

H = (0.8 – 1.3).D = (69.76 – 113.36)
Chọn H  90mm
 Khoảng cách C từ đỉnh piston đến xecmang thứ nhất:
C= (0.5 - 1.5)=(3 – 9)mm
Chọn C  7 mm
 Chiều dày S của phần đầu:
S = (0.05 – 0.1).D = (4.36 – 8.72)
Chọn S  6mm
 Vị trí chốt piston (H-h):
Chọn h1  45mm
 Đường kính chốt piston
Chọn
 Đường kính bệ chốt
Chọn

dp

d cp

:

:

 Đường kính lỗ chốt d 0 :
Chọn = 14 mm


Chiều dày phần thân s1 : s1  2  5mm

Chọn s1  5mm

 Số xéc măng khí: 2 �4
Chọn số xéc măng khí bằng 3
 Chiều dày hướng kính t của xéc măng khí:

Chọn t= 3.5 mm
 Chiều cao a của xéc măng khí: a  2, 2 �4(mm)
Chọn a=2,5 mm
 Chiều dày bờ rãnh xéc măng a1 : a1 �a
Chọn a1 = 2.5 mm


Chiều dài chốt piston

lcp

:

l

Chọn cp = 70 mm
 Chiều dài đầu nhỏ thanh truyền:
21
Nhóm 1


TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

GVHD: Nguyễn Quốc Sỹ

Chọn

3.3.2. Thiết kế kết cấu thanh truyền
 Khoảng cách hai tâm của hai đầu thanh truyền

Đường kính bên trong của đầu nhỏ thanh truyền



 Đường kính ngoài của đầu nhỏ thanh truyền
.
Chọn
 Đường kính chốt quay dc.p = (0.56 – 0.75).B = (41.44 – 55.5)
Chọn dc.p = 48 mm
 Khoảng cách giữa hai bulong thanh truyền:
dc.p = (62.4 – 84)
Chọn
 Bề dày đầu lớn= (0.45 – 0.95).dc.p = (21,6 – 45.6)
Chọn = 25 mm

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU TRỤC KHUỶUTHANH TRUYỀN
4.1 Mục đích chung
Phần tính toán động lực học của đồ án nhằm xác định quy luật biến thiên của
lực khí thể , lực quán tính và lực tác dụng lên piston cũng như các lực tiếp tuyến
tác dụng lên bề mặt cổ trục khuỷu ( chốt khuỷu). Trên cơ sở đó sẽ xây dựng đồ thị
vectơ lực ( phụ tải) tác dụng lên bề mặt cổ khuỷu , cổ trục và bạc đầu to thanh
truyền. từ các đồ thị vectơ phụ tải ta biết được một cách định tính tình trạng chịu
lực của bề mặt và mức độ đột biến của tải thông qua hệ số va đập.
4.2 Sơ đồ lực và mômen tác động lên cơ cấu trục khuỷu- thanh truyền động
cơ một xylanh
Quy ước chiều quay và dấu:
Chiều quay của động cơ quy ước là “+” nếu động cơ quay theo chiều kim

đồng hồ nhìn từ phía bánh đà trở lại.
Dấu của các lực và mômen tác dụng quy ước như hình :

22
Nhóm 1


TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

GVHD: Nguyễn Quốc Sỹ

Sơ đồ lực và mômen tác dụng lên động cơ
Quy ước dấu tác dụng lên piston
Pkt- lực khí thể tác dụng lên đỉnh piston
Pj -lực quán tính của khối lượng các chi tiết chuyển động thẳng
pƩ- lực tổng cộng tác dụng lên đỉnh piston
N- lực ngang tác dụng lên vách xy lanh có hướng vuông góc với đường tâm
xylanh
Ptt -lực dọc theo đường tâm thanh truyền
Z -lực pháp tuyến theo hướng từ tâm chốt đến cổ trục khuỷu
T- lực tiếp tuyến vuông góc với lực pháp tuyến
Mq -mômen quay của trục khuỷu
Ml- mômen lật của động cơ
4.3 Lực khí thể
Để xét lực và mômen tác dụng lên cơ cấu , trước hết ta xét lực tác dụng lên
piston. Các lực này bao gồm lực khí thể p kt , lực quán tính chuyển động tịnh tiến
Pj.
Lực khí thể được tạo bởi sự chênh lệch áp suất giữa mặt trên và mặt dưới
đỉnh piston và được xác định như sau:
, MN

Trong đó:
23
Nhóm 1


TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

GVHD: Nguyễn Quốc Sỹ

Po -áp suất phía dưới đỉnh piston
Pkt- áp suất khí trong xylanh động cơ
Fp- diện tích tiết diện của piston
D- đường kính danh nghĩa của piston
Các trị số áp suất tương ứng biến thiên liên tục và phụ thuộc vào nhiều yếu
tố như tốc độ piston , mức độ lọt khí , cản trở khí của bộ chế hòa khí và bầu lọc. ta
có thể chọn sơ bộ như sau :
Giai đoạn cửa quét và cửa nạp đóng : (0,13 – 0,18)MPa
Giai đoạn cửa quét đóng , cửa nạp mở : (0,12 – 0,15)MPa
Giai đoạn cửa quét mở , cửa nạp đóng: (0,12 – 0,15)MPa
Việc chọn như vậy sẽ làm kết quả tính lực khí thể chính xác hơn song sẽ
phức tạp cho việc tính toán. Vì vậy ta thường chọn po là áp suất môi trường . khi
xác định hiệu suất cơ khí ta chọn về phía thấp hơn để tính cả tiêu tốn công suất
dẫn động bơm nén khí quét vào công tổn hao cơ khí.
Lực p kt được coi như tập trung thành một véctơ tác dụng dọc theo phương
đường tâm xylanh và cắt đường tâm chốt piston bỏ qua hệ số chênh lệch a để đơn
giản việc tính toán.
Lực khí thể là đại lượng thay đổi theo góc quay trục khuỷu : P kt = f(α) , xác
định được từ áp suất khí thể pkt ở phần tính toán nhiệt của động cơ ở chế độ công
suất cực đại Nemax hoặc công suất có ích định mức Neđm.
4.4 Lực quán tính các chi tiết chuyển động

Lực quán tính được xác định theo công thức sau
Pqt = m.J
Trong đó:
m – khối lượng các chi tiết chuyển động
J – gia tốc chuyển động các chi tiết
4.4.1 Khối lượng cơ cấu trục khuỷu –thanh truyền
Khối lượng nhóm piston ( các chi tiết chuyển động thẳng):
mnp = mp + mx + mc + …. , kg
trong đó:
24
Nhóm 1


TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

GVHD: Nguyễn Quốc Sỹ

mnp- khối lượng nhóm piston
mp- khối lượng piston
mx- khối lượng xéc măng
mc- khối lượng chốt piston và khóa hãm

mnp

=

mp

+

mcp

+

mxm

=

470.09+106.9+8.98

x

4=

612.9(g)

Khối lượng Pittong

25
Nhóm 1