Đồ án khảo sát cơ cấu piston thanh truyền

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ GIAO THƠNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH: KĨ THUẬT CƠ KHÍ
CHUN NGÀNH: CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỀ TÀI:

KHẢO SÁT, MƠ PHỎNG ĐỘNG HỌC VÀ
PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT CƠ CẤU
PISTON – THANH TRUYỀN – TRỤC KHUỶU
ĐỘNG CƠ HR15DE

Người hướng dẫn: TS. NGUYỄN QUANG TRUNG
Sinh viên thực hiện: NGUYỄN NGỌC THẮNG
Số thẻ sinh viên: 103160208
Lớp: 16C4B

Đà Nẵng, 01/2021


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ GIAO THƠNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH: KĨ THUẬT CƠ KHÍ
CHUN NGÀNH: CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỀ TÀI:

KHẢO SÁT, MƠ PHỎNG ĐỘNG HỌC VÀ
PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT CƠ CẤU
PISTON – THANH TRUYỀN – TRỤC KHUỶU
ĐỘNG CƠ HR15DE

Người hướng dẫn: TS. NGUYỄN QUANG TRUNG
Sinh viên thực hiện: NGUYỄN NGỌC THẮNG
Số thẻ sinh viên: 103160208
Lớp: 16C4B

Đà Nẵng, 01/2021




TĨM TẮT

Tên đề tài: “Khảo sát, mơ phỏng và phân tích trạng thái ứng suất cơ cấu piston –
thanh truyền – trục khuỷu động cơ HR15DE”.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Ngọc Thắng
Số thẻ SV: 103160208
Lớp: 16C4B
Trong đề tài này em đi sâu tìm hiểu ứng dụng phần mềm Catia để thiết kế chi tết,
lắp ráp cơ cấu, mô phỏng động học và phân tích trạng thái ứng suất cơ cấu piston – thanh
truyền – trục khuỷu động cơ HR15DE.
Ở chương một em đã giới thiệu tổng quan về nhiệm vu, điều kiện làm việc, cấu tạo
và vật liệu chế tạo các chi tiết trong cơ cấu. Trong chương hai đã giới thiệu về động cơ
HR15DE như thông số kỹ thuật và một số hệ thống sử dụng trên động cơ. Qua chương

ba em tập trung khảo sát cơ cấu piston – thanh truyền – trục khuỷu động cơ HR15DE
về đặc điểm kết cấu, kích thước, nguyên lý, thứ tự làm việc của hệ thống cũng như tính
tốn các thơng số động học của cơ cấu. Ở chương bốn và chương năm bằng việc ứng
dụng phần mềm Catia để thiết kế các chi tiết trong hệ thống, sau đó lắp ráp, mô phỏng
quá trinh hoạt động của cơ cấu, bằng việc sử dụng dữ liệu tính tốn từ chương ba để áp
đặt điều kiện biên cho cơ cấu để phân tích trạng thái ứng suất tính bền kiểm tra biến
dạng cho hệ thống.


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

CỘNG HỊA XÃ HƠI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA: CƠ KHÍ GIAO THƠNG

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên:
Lớp: 16C4B

Nguyễn Ngọc Thắng
Khoa: Cơ khí Giao thơng

Số thẻ sinh viên: 103160208
Ngành: Kĩ thuật cơ khí

3. Tên đề tài đồ án:

Khảo sát, mô phỏng động học và phân tích trạng thái ứng suất cơ cấu piston –
thanh truyền – trục khuỷu động cơ HR15DE
2. Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện
3. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
Thông số xe Nissan Sunny và động cơ HR15DE.
4. Nội dung các phần thuyết minh và tính tốn:
− Nghiên cứu tổng quan về cơ cấu piston – thanh truyền – trục khuỷu động cơ đốt
trong.
− Nghiên cứu về động cơ HR15DE.
− Tính tốn các thơng số kích thước, động học cơ cấu piston - thanh truyền - trục
khuỷu động cơ HR15DE.
− Thiết kế 3D và mô phỏng cơ cấu piston – thanh truyền – trục khuỷu động cơ
HR15DE bằng phần mềm Catia
− Tính tốn cơ cấu khuỷu trục động cơ HR15DE, phân tích trạng thái ứng suất bằng
phần mềm Catia
− Kết luận.
5.Các bản vẽ, đồ thị: 8 bản vẽ
− Bản vẽ đồ thị động học cơ cấu piston – thanh truyền – trục khuỷu động cơ
HR15DE (A3)
− Bản vẽ lắp cơ cấu piston – thanh truyền – trục khuỷu động cơ HR15DE (A3)
− Bản vẽ chi tiết Piston động cơ HR15DE (A3)
− Bản vẽ chi tiết thanh truyền động cơ HR15DE (A3)
− Bản vẽ chi tiết trục khuỷu động cơ HR15DE (A3)
− Bản vẽ sơ đồ thuật tốn và điều kiện tính tốn(A3)
− Bản vẽ kết quả biến dạng của cơ cấu piston – thanh truyền – trục khuỷu (A3)


− Bản vẽ kết quả phân tích trạng thái ứng suất của cơ cấu piston – thanh truyền –
trục khuỷu (A3)
6. Họ tên người hướng dẫn: TS. Nguyễn Quang Trung

7. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 31/08/2020.
8. Ngày hoàn thành đồ án:
08/01/2021.

Đà Nẵng, ngày tháng năm 2020
Trưởng Bộ môn

Người hướng dẫn

KT Ơ tơ và MĐL

PGS. TS Dương Việt Dũng

TS. Nguyễn Quang Trung


LỜI NĨI ĐẦU
So với thế giới thì ngành cơng nghiệp ô tô của Việt Nam còn rất non trẻ, ngành
công nghiệp ô tô ở nước ta trước đây chủ yếu dừng lại ở việc sản xuất một số sản phẩm
phụ trợ và liên doanh với các thương hiệu nước ngoài để lắp ráp như: THACO, Hyundai
Thành Công nhưng đến năm 2017 với sự ra đời của Vinfast đã đánh dấu một cột mốc
rất quan trọng cho nền công nghiệp ô tô Việt Nam khi trở thành nhà sản xuất ô tô đầu
tiên của đất nước. Với khát khao được chung tay góp sức để tạo nên những chiếc ơ tơ
Made in Viet Nam trong tương lai em được thầy Nguyễn Quang Trung giao đề tài “
Khảo sát, mô phỏng và phân tích trạng thái ứng suất cơ cấu piston-thanh truyền-trục
khuỷu động cơ HR15DE”. Để giải quyết đề tài ngoài vận dụng những kiến thức đã được
học em đã ứng dụng phần mềm Catia để thiết kế, mô phỏng và phân tích trạng thái ứng
suất của cơ cấu. Cơ cấu piston-thanh truyền-trục khuỷu là một cơ cấu rất qua trọng của
động cơ vì vậy sau khi thực hiện đề tài sẽ giúp em tiếp cận được cách mà một Kỹ sư
tương lai ứng dụng công nghệ thông tin để thiết kế một chi tiết.

Được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Quang Trung, các thầy
cơ trong khoa cùng với việc tìm hiểu, tham khảo các tài liệu liên quan và vận dụng các
kiến thức được học, em đã cố gắng hoàn thành đề tài này. Mặc dù vậy, do kiến thức của
em có hạn, đề tài mới, phần mềm mới chưa được phổ biến ở Việt nam việc tìm kiếm tài
liệu gặp nhiều khó khăn nên đồ án sẽ khơng tránh khỏi những thiếu sót. Em mong các
thầy cơ góp ý, chỉ bảo thêm để kiến thức của em ngày càng hoàn thiện hơn.
Cuối cùng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn Nguyễn Quang
Trung cùng các thầy cô trong khoa và các bạn đã nhiệt tình giúp đỡ để em hồn thành
đồ án này.
Đà Nẵng, ngày 02 tháng 01 năm 2021
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Ngọc Thắng

i


CAM ĐOAN

Em xin cam đoan đây là đề tài tốt nghiệp do em thực hiện với sự hướng dẫn từ Thầy
giáo TS. Nguyễn Quang Trung. Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong đề tài này là
trung thực. Trong q trình thực hiện có tham khảo các số liệu và tài liệu hướng dẫn từ
các nguồn khác nhau có thể tin tưởng và được trích dẫn, chú thích, nguồn gốc trong
phần Tài liệu tham khảo.
Em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng về kết quả đồ án tốt nghiệp của mình.
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Ngọc Thắng

ii

MỤC LỤC

TÓM TẮT
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................. i
CAM ĐOAN ...................................................................................................................ii
MỤC LỤC .................................................................................................................... iii
DANH MỤC BẢNG VÀ HÌNH ẢNH .......................................................................... v
DANH SÁCH KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...................................................... viii
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU PISTON-THANH TRUYỀN TRỤC
KHUỶU ĐỘNG CƠ ...................................................................................................... 2
1.1. Nhóm piston ............................................................................................................. 2
1.1.1. Piston .................................................................................................................... 2
1.1.2. Chốt piston. ........................................................................................................... 4
1.1.3. Xéc – măng ........................................................................................................... 5
1.2. Nhóm thanh truyền ................................................................................................. 5
1.2.1. Thanh truyền ......................................................................................................... 6
1.2.2. Bạc lót thanh truyền .............................................................................................. 7
1.2.3. Bulong thanh truyền ............................................................................................. 7
1.3. Trục khuỷu .............................................................................................................. 8
1.3.1. Nhiệm vụ ............................................................................................................... 8
1.3.2. Điều kiện làm việc ................................................................................................. 8
1.3.3. Vật liệu chế tạo ...................................................................................................... 8
1.3.4. Cấu tạo trục khuỷu................................................................................................. 8
Chương 2: GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ HR15DE ................................................. 12
2.1. Thông số kỹ thuật của động cơ, phạm vi sử dụng ............................................. 12
2.1.1. Thông số kỹ thuật động cơ HR15DE ................................................................. 12
2.1.2. Phạm vi sử dụng động cơ HR15DE .................................................................... 14

2.2. Một số cơ cấu và hệ thống dùng trên động cơ ................................................... 15
2.2.1. Hệ thống phân phối khí động cơ HR15DE ......................................................... 15
2.2.2. Hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ HR15DE ................................................ 16
2.2.3. Hệ thống làm mát động cơ HR15DE .................................................................. 17
2.2.4. Hệ thống bôi trơn động cơ HR15DE ................................................................... 18
Chương 3: KHẢO SÁT CƠ CẤU PISTON-THANH TRUYỀN TRỤC KHUỶU
ĐỘNG CƠ HR15DE .................................................................................................... 19
3.1. Khảo sát cơ cấu piston-thanh truyền-trục khuỷu động cơ HR15DE .............. 19
iii


3.1.1. Đặc điểm nhóm Piston động cơ HR15DE ........................................................... 19
3.1.2. Đặc điểm nhóm thanh truyền động cơ HR15DE................................................. 20
3.1.3. Đặc điểm trục khuỷu động cơ HR15DE .............................................................. 21
3.2. Sơ đồ kết cấu và nguyên lý làm việc của cơ cấu Piston-Thanh truyền-trục
khuỷu động cơ HR15DE ............................................................................................. 23
3.2.1. Sơ đồ kết cấu cơ cấu piston-thanh truyền-trục khuỷu ......................................... 23
3.2.2. Nguyên lý hoạt động của cơ cấu piston-thanh truyền-trục khuỷu động cơ......... 23
3.3. Động học cơ cấu piston-thanh truyền- trục khuỷu động cơ HR15DE ............ 25
3.3.1. Xây dựng đồ thị công động cơ HR15DE ............................................................ 25
3.3.2. Động học của piston ............................................................................................ 29
3.3.3. Động học cơ cấu thanh truyền-trục khuỷu .......................................................... 31
Chương 4: THIẾT KẾ 3D VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC CƠ CẤU PISTON –
THANH TRUYỀN – TRỤC KHUỶU ĐỘNG CƠ HR15DE BẰNG PHẦN MỀM
CATIA V5R21.............................................................................................................. 41
4.1. Giới thiệu phần mềm CATIA V5R21 ................................................................. 41
4.2. Q trình thiết kế và mơ phỏng cơ cấu piston – thanh truyền – trục khuỷu
động cơ HR15DE bằng phần mềm CATIA V5R21 .................................................. 44
4.2.1. Mục đích .............................................................................................................. 44
4.2.2. Phương pháp ........................................................................................................ 45

4.3. Thiết kế 3D piston động cơ HR15DE .................................................................. 45
4.4. Thiết kế 3D nhóm thanh truyền động cơ H15DE .............................................. 47
4.5. Thiết kế 3D trục khuỷu động cơ HR15DE ......................................................... 50
4.6 Mô phỏng động học cơ cấu piston-thanh truyền-trục khuỷu động cơ ............. 54
4.6.1. Lắp ráp cơ cấu piston-thanh truyền-trục khuỷu động cơ HR15DE trong CATIA.54
4.6.2. Mơ phỏng q trình hoạt động của cơ cấu trong mơi trường Digital Mockup ... 56
Chương 5: PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT CƠ CẤU BẰNG CATIA . 60
5.1. Phương pháp ......................................................................................................... 60
5.2. Sơ đồ tính tốn ...................................................................................................... 60
5.2.1. Các giá trị lực của trường hợp trục khuỷu chịu lực pháp tuyến lớn nhất Zmax .... 61
5.2.2. Các giá trị lực của trường hợp trục khuỷu chịu lực tiếp tuyến lớn nhất Tmax ...... 62
5.2.3. Các giá trị lực của trường hợp trục khuỷu chịu lực ∑Tmax .................................. 62
5.3. Phân tích trạng thái ứng suất cơ cấu bằng bằng phần mềm CATIA .............. 63
KẾT LUẬN .................................................................................................................. 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 72

iv


DANH MỤC BẢNG VÀ HÌNH ẢNH

BẢNG 2.1. Thơng số động cơ HR15DE
BẢNG 3.1 Thông số kỹ thuật piston động cơ HR15DE
BẢNG 3.2 Thông số kỹ thuật thanh truyền động cơ HR15DE
BẢNG 3.3 Các thông số kết cấu của trục khuỷu động cơ HR15DE
BẢNG 3.4 Thứ tự làm việc của các xy lanh trong động cơ HR15DE
BẢNG 3.5 Bảng giá trị biểu diễn của đồ thị công
BẢNG 3.5 Giá trị biểu diễn của các điểm đặt biệt trên đồ thị công
BẢNG 3.6 Giá trị chuyển vị Sp theo góc quay trục khuỷu α
BẢNG 3.7 Giá trị vận tốc piston theo α

BẢNG 3.8 Bảng giá trị biểu diễn các lực T,N,Z theo α
BẢNG 3.9 Góc lệch cơng tác và thứ tự làm việc của các khuỷu trục
BẢNG 3.10 Bảng giá trị biểu diễn ΣT-α
BẢNG 5.1 Xác định (∑Ti-1)max khi chịu lực Zmax
BẢNG 5.2 Giá trị Pkt ở mỗi xy lanh khi αZmax=368o
BẢNG 5.3 Xác định (∑Ti-1)max khi chịu lực Tmax
BẢNG 5.4 Giá trị Pkt ở mỗi xy lanh khi αTmax=683o
BẢNG 5.5 Xác định (∑Ti-1)max khi chịu lực ∑T max
BẢNG 5.6 Giá trị Pkt ở mỗi xy lanh khi α∑Tmax=140o
HÌNH 1.1 Kết cấu piston
HÌNH 1.2 Các loại đỉnh piston
HÌNH 1.3 Cấu tạo chốt piston
HÌNH 1.4 Các phương án lắp chốt piston
HÌNH 1.5 Miệng xéc măng và tiết diện xéc măng
HÌNH 1.6 Xéc-măng khí và xéc-măng dầu.
HÌNH 1.7 Các dạng đầu nhỏ thanh truyền
HÌNH 1.8 Các dạng tiết diện thân thanh truyền
HÌNH 1.9 Bu lơng thanh truyền
HÌNH 1.10 Cấu tạo trục khuỷu liền
HÌNH 1.14 Cấu tạo đầu trục khuỷu
HÌNH 1.15 Kết cấu dẫn dầu bơi trơn chốt khuỷu
HÌNH 1.16 Các dạng má khuỷu
HÌNH 1.17 Các dạng đối trọng
HÌNH 1.18 Kết cấu đi trục khuỷu
HÌNH 1.19 Trục khuỷu ghép
v


HÌNH 2.1 Động cơ HR15DE với hộp số CVT.
HÌNH 2.2 Mẫu xe Nissan Sunny 2019

HÌNH 2.3 Mặt cắt động cơ HR15DE.
HÌNH 2.4 - Hệ thống cơ cấu phân phối khí VVEL.
HÌNH 2.5. Sơ đồ hệ thống phân phối khí điều khiển điện tử.
HÌNH 2.6 Sơ đồ hoạt động hệ thống J-EFI
HÌNH 2.7 Sơ đồ hệ thống làm mát cưỡng bức khép kín
HÌNH 2.8 Sơ đồ hệ thống bơi trơn trên động cơ HR15DE
HÌNH 3.1 Nhóm piston và mặt cắt ngang piston động cơ HR15DE
HÌNH 3.2 Nhóm thanh truyền động cơ HR15DE
HÌNH 3.3 Trục khuỷu động cơ HR15DE
HÌNH 3.4 Sơ đồ kết cấu cơ cấu piston-thanh truyền-trục khuỷu động cơ HR15DE
HÌNH 3.5 Sơ đồ nguyên lý làm việc cơ cấu piston-thanh truyền-trục khuỷu
HÌNH 3.6 Đồ thị cơng động cơ HR15DE
HÌNH 3.7 Đồ thị chuyển vị và vân tốc của piston động cơ
HÌNH 3.8 Đồ thị gia tốc piston
HÌNH 3.9 Sơ đồ lực và momen tác dụng lên cơ cấu piston-thanh truyền-trục khuỷu
HÌNH 3.10 Đồ thị lực qn tính -Pj
HÌNH 3.11 Đồ thị khai triển Pkt, Pj, P1
HÌNH 3.12 Đồ thị T,N,Z theo α
HÌNH 3.13 Đồ thị ΣT-α
HÌNH 4.1 Thiết kế 3D và lắp ghép trong CATIA
HÌNH 4.2 Xuất bản vẽ bằng CATIA
HÌNH 4.3 Phân tích trạng thái ứng suất bằng CATIA
HÌNH 4.4 Giao diện CATIA V5R21
HÌNH 4.5 Các bước tạo khối piston
HÌNH 4.6 Tạo rãnh xéc măng
HÌNH 4.7 Tạo váy piston và rãnh vát hơng piston
HÌNH 4.8 Tạo bề dày thân piston và bệ chốt piston
HÌNH 4.9 Tạo lỗ chốt piston
HÌNH 4.10 Piston động cơ HR15DE sau khi hồn thành
HÌNH 4.11 Xây dựng biên dạng thanh truyền

HÌNH 4.12 Tạo bề dày thân thanh truyền
HÌNH 4.13 Tạo tiết diện thân thanh truyền bằng lệnh Pocket
HÌNH 4.14 Tạo dường dầu bơi trơn chốt piston
HÌNH 4.15 Nắp đầu to thanh truyền, bạc lót và bulong thanh truyền
HÌNH 4.16 Lắp ghép nhóm thanh truyền trong mơi trường Assembly Design
HÌNH 4.17 Trục khuỷu động cơ sau khi hoàn thành
vi


HÌNH 4.18 Cửa sổ nhập đối tượng vào Assembly design
HÌNH 4.19 Các chi tiết sau khi được thêm vào Assembly Design
HÌNH 4.20 Hồn thành ràng buộc trục khuỷu và thanh truyền
HÌNH 4.21 Cơ cấu piston-thanh truyền-trục khuỷu sau khi hồn thành lắp ráp
HÌNH 4.22 Biểu diễn vị trí các chi tiết khi α =180o
HÌNH 4.23 Biểu diễn vị các chi tiết khi α =360o
HÌNH 4.24 Biểu diễn vị trí các cho tiết khi α = 540o
HÌNH 4.25 Biểu diễn vị trí các chi tiết khi α = 720o
HÌNH 5.1 Sơ đồ tính tốn lực tác dụng lên cơ cấu
HÌNH 5.2 Đặt kích thước lưới chia
HÌNH 5.3 Tạo ngàm cố định trục khuỷu
HÌNH 5.4 Cố đinh các ràng buộc giữa các chi tiết
HÌNH 5.5 Nhập giá trị lực khí thể tác dụng lên đỉnh piston
HÌNH 5.6 Nhập giá trị gia tốc cho nhóm Piston
HÌNH 5.7 Kết quả biến dạng trong trường hợp Zmax
HÌNH 5.8 Kết quả biến dạng trong trường hợp Tmax
HÌNH 5.9 Kết quả biến dạng trong trường hợp ΣTmax
HÌNH 5.10 Kết quả phân tích trạng thái ứng suất trường hợp Zmax
HÌNH 5.11 Mặt cắt trục khuỷu trường hợp Zmax
HÌNH 5.12 Kết quả phân tích trạng thái ứng suất trường hợp Tmax
HÌNH 5.13 Mặt cắt trục khuỷu trong trường hợp Tmax

HÌNH 5.14 Kết quả phân tích trạng thái ứng suất khi ΣTmax
HÌNH 5.15 Mặt cắt trục khuỷu trường hợp khi ΣTmax
HÌNH 5.16 Kết quả phân tích trạng thái ứng suất ở piston khi chịu Pkt max

vii


DANH SÁCH KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
KÝ HIỆU:
ε

Ne
Nmax

[-]
[kW]
[kW]

Tỷ số nén
Cơng suất hữu ích của động cơ
Cơng suất có ích cực đại

nN

[vòng/phút]

Số vòng quay ứng với cơng suất có ích cực đại

D
S

R

[mm]
[mm]
[mm]

Đường kính piston
Hành trình piston
Bán kính quay của trục khuỷu

ω
i
τ

[rad/s]
[-]
[kỳ]

Vận tốc góc trục khuỷu
Số xylanh
Số kỳ

Vh
Vc

[dm3]
[dm3]

Thể tích cơng tác
Thể tích buồng cháy

λ
mpt
mtt
θs
α1
α2
α3

[-]
[kg]
[kg]
[độ]
[độ]
[độ]
[độ]

Tham số kết cấu
Khối lượng nhóm piston
Khối lượng nhóm thanh truyền
Góc đánh lửa sớm
Góc mở sớm xupap nạp
Góc đóng muộn xupap nạp
Góc mở sớm xupap thải

α4
H
dcp
H’
l

d1
d2
h
dct
lct
dck
lck

[độ]
[mm]
[mm]
[mm]
[mm]
[mm]
[mm]
[mm]
[mm]
[mm]
[mm]
[mm]

Góc đóng muộn xupap thải
Chiều cao piston
Đường kính chốt piston
Bề rộng thân thanh truyền
Chiều dài thanh truyền
Đường kính trong đầu nhỏ thanh truyền
Đường kính trong đầu nhỏ thanh truyền
Bề dày thân thanh truyền
Đường kính cổ trục khuỷu

Chiều dài cổ trục khuỷu
Đường kính chốt khuỷu
Chiều dài chốt khuỷu
viii


hmk
bmk
po

[mm]
[mm]
[MN/m2]

Chiều rộng má khuỷu
Chiều dày má khuỷu
Áp suất khí nạp

pth
pr

[MN/m2]
[MN/m2]

Áp suất khí thải
Áp suất khí sót

pa
n1
n2

[MN/m2]
[-]
[-]

Áp suất cuối q trình nạp
Chỉ số nén đa biến trung bình
Chỉ số giãn nở đa biến trung bình

ρ
Cm

[-]
[m/s]

Tỉ số giản nở sớm
Tốc độ trung bình động cơ



[MN/(m2.mm)]

Tỷ lệ xích

Pkt

[MN/m2]

ÁP suất khí thể tác dụng lên đỉnh piston

ix


Khảo sát, mơ phỏng động học và phân tích trạng thái ứng suất cơ cấu piston-thanh truyền-trục khuỷu động cơ HR15DE

MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây ngành công nghiệp ô tô Việt Nam được chú trọng đầu
tư và phát triển một cách vô cùng mạnh mẽ. Ngành công nghiệp ô tô của nước ta đã
không dừng lại ở việc liên doanh lắp ráp, sản xuất các sản phẩm phụ trợ có giá trị kinh
tế thấp mà đã chuyển mình góp mặt trong danh sách các nước sản xuất ô tô của thế giới
với sự ra đời của hàng xe Vinfast. Để trở thành một nước sản xuất ô tô thực thụ thì đòi
hỏi chúng ta phải nắm bắt được cơng nghệ cốt lõi về chế tạo và vật liệu. Điều đó đặt ra
thách thức cho những kỹ sư ơ tơ phải có kiến thức về thiết kế ơ tơ và động cơ đốt trong
và nắm bắt được những công cụ hỗ trợ việc thiết kế chạy thử các chi tiết. Giúp cho công
việc của người thiết kế trở nên thuận lợi và tiết kiệm được rất nhiều thời gian.
Thị trường ô tô Việt Nam hiện tại và tương lai rất tiềm năng với các dòng sedan
hạng B khi tầng lớp trung lưu ngày càng nhiều và nhu cầu về một chiếc xe du lịch tiết
kiệm, nhỏ gọn ngày càng lớn cho đối tượng khách hàng này. Chính vì vậy việc nghiên
cứu chế tạo những động cơ cỡ nhỏ trang bị trên dòng xe này ngày càng cấp thiết. Để cấu
thành một động cơ đốt trong thì gồm có nhiều cơ cấu và hệ thống làm việc ăn khớp
chính xác với nhau như: hệ thống làm mát, hệ thống bôi trơn, hệ thống nạp thải và cơ
cấu piston – thanh truyền – trục khuỷu là một cơ cấu hết sức quan trọng trong động cơ
đốt trong.
Việc nghiên cứu, khảo sát, mô phỏng, phân tích trạng thái ứng suất của cơ cấu piston
– thanh truyền – trục khuỷu động cơ HR15DE bằng phần mềm Catia cùng các tài liệu
tham khảo, giáo trình giúp em hiều rõ hơn về kết cấu của các chi tiết, nguyên lý hoạt
động của cơ cấu và tầm quan trọng của các phần mềm hỗ trợ trong việc thiết kế, tính
bền các chi tiết. Trong q trình thực hiện đề tài giúp em ôn lại những kiến thức đã được
học về động cơ đốt trong cũng như hình dung được cách làm việc của một người Kỹ sư
thiết kế ô tô tạo điều kiện thuận lợi cho công việc trong tương lai, đáp ứng được nhu cầu

của nền công nghiệp chế tạo ô tô sau khi ra trường.

SVTH: Nguyễn Ngọc Thắng

GVHD: TS. Nguyễn Quang Trung 1


Khảo sát, mơ phỏng động học và phân tích trạng thái ứng suất cơ cấu piston-thanh truyền-trục khuỷu động cơ HR15DE

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU PISTON-THANH TRUYỀN
TRỤC KHUỶU ĐỘNG CƠ

1.1. Nhóm piston
Nhóm piston gồm có: piston, chốt piston, xéc măng khí, xéc măng dầu, vịng hãm
chốt.
Trong q trình làm việc của động cơ, nhóm piston có các nhiệm vụ chính sau đây:
Tạo thành buồng cháy tốt, bảo đảm bao kín buồng cháy, giữ khơng để khí cháy lọt xuống
cácte và dầu nhờn không sục lên buồng cháy.
Tiếp nhận lực khí thể Pz và truyền lực này cho thanh truyền để làm quay trục khuỷu đưa
cơng suất ra ngồi. Trong các q trình nén, piston nén khí nạp và trong quá trình thải,
piston làm nhiệm vụ như một bơm đẩy và quét khí.
1.1.1. Piston
a. Điều kiện làm việc:
Piston là một chi tiết máy quan trọng của động cơ đốt trong. Trong quá trinh làm việc
của động cơ, piston chịu tải trọng cơ học và tải trọng nhiệt rất lớn ảnh hưởng rất lớn đến
độ bền, tuổi thọ của piston.
Tải trọng cơ học: Chủ yếu là do lực khí thể và lực quán tinh gây nên. Trong quá trình
cháy áp suất khí thể tăng đột ngột có khi tới 10-12 MPa hoặc cao hơn nữa. Ngồi ra lực
qn tính tác dụng lên nhôm piston cũng rất lớn. Các lực này biến thiên theo chu kỳ nên
đã gay ra va đập dữ dội của các chi tiết máy hóm piston với xylanh và thanh truyền, làm

piston bị biến dạng đôi khi làm hỏng piston.
Tải trọng nhiệt: Do tiếp xúc với nhiệt độ rất cao trong quá trinh cháy (2300-2700 0K nên
nhiệt độ phần đỉnh piston thường rất cao ( khoảng 500-8000K). Nhiệt độ bình quân của
đỉnh và đầu piston gây ra những tác hại sau đây:
- Gây ra ứng suất nhiệt lớn có thể làm rạn nứt cục bộ, giảm độ bền piston
- Gây biến dạng nhiệt khiến Piston bị kẹt trong xylanh và làm tăng ma sát giữa Piston
và xylanh.
- Giảm hệ số nạp làm giảm công suất động cơ.
- Làm dầu nhờn chóng bị phân hủy
Đối với động cơ xăng, nhiệt độ đỉnh quá cao còn thường gây ra hiện tượng cháy
sớm và kích nổ.
Ma sát và ăn mòn hóa học: Trong q trình làm việc bề mặt thân piston thường làm việc
ở trạng thái ma sát nửa khô do thiếu dầu bôi trơn. Hơn nữa do Piston bị biết dạng trong
-

SVTH: Nguyễn Ngọc Thắng

GVHD: TS. Nguyễn Quang Trung 2


Khảo sát, mơ phỏng động học và phân tích trạng thái ứng suất cơ cấu piston-thanh truyền-trục khuỷu động cơ HR15DE

quá trinh làm việc nên ma sát căng lớn. Ngoài ra do đỉnh piston ln tiếp xúc với khí
cháy nên bị ăn mòn hóa học bởi các thanh phần a-xít sinh ra trong quá trinh cháy.
b. Vật liệu chế tạo piston.
Với động cơ đốt trong ngày nay thường sử dụng hai loại vật liệu chinh là hợp kim gang
và hợp kim nhơm.
c. Kết cấu của piston:
Piston gồm có ba bộ phận
chính:

-

-

Đỉnh piston: Là phần trên
cùng của piston, cùng với xy
lanh và nắp xy lanh tạo thành
buồng cháy.
Đầu piston bao gồm đỉnh
piston và vung đai lắp xéc
măng khí, xéc- măng dầu,
làm nhiệm vụ bao kín buồng

cháy.
- Thân piston: Phần cịn lại
của piston tinh từ xéc măng
dầu cuối cùng trên đầu
piston trở xuống.
d. Phân loại:
Theo dạng đỉnh piston

Hình 1.1. Kết cấu piston
A-Đỉnh piston; B-Đầu piston; C-Thân piston;
1-Rãnh xéc-măng khí; 2-Rãnh xéc-măng dầu; 3-Lỗ thoát
dầu làm mát; 4-Lỗ chốt piston

+ Đỉnh bằng: diện tích chịu nhiệt nhỏ, kết cấu đơn giản, thường gặp ở động cơ xăng.
+ Đỉnh lõm: có thể tạo xốy lốc nhẹ, tạo thuận lợi cho q trình HÌNH thành hỗn hợp
và đốt cháy. Tuy nhiên sức bền kém và diện tích chịu nhiệt lớn hơn so với đỉnh bằng.
+ Đỉnh chứa buồng cháy: thường gặp ở động cơ Diesel.

Hình 1.2 Các loại đỉnh piston
SVTH: Nguyễn Ngọc Thắng

GVHD: TS. Nguyễn Quang Trung 3


Khảo sát, mơ phỏng động học và phân tích trạng thái ứng suất cơ cấu piston-thanh truyền-trục khuỷu động cơ HR15DE

1.1.2. Chốt piston.
Là chi tiết nối Piston với thanh truyền.
a. Nhiệm vụ:
Truyền lực tác dụng của khí thể từ piston xuống thanh truyền. Chốt piston thường có
cấu tạo rỗng và được lắp lỏng với bệ chốt piston và đầu nhỏ thanh truyền.
b. Điều kiện làm việc:
Chốt piston chịu lực va đập, tuần hồn, nhiệt độ cao và điều kiện bơi trơn khó khăn.
Chốt piston cịn chịu ma sát dạng nửa ướt, chốt piston dễ bị mòn.
c. Cấu tạo:
Đa số chốt piston có cấu tạo đơn giản là hình trụ rỗng hoặc ngồi là hình trụ, cịn mặt
trong là lỗ thẳng, lỗ bậc, lỗ cơn để giảm trọng lượng.

Hình 1.3. Cấu tạo chốt piston
d. Vật liệu chế tạo:
Chốt piston được làm bằng thép hợp kim qua nhiệt luyện, mài và đánh bóng để nâng
cao khả năng chịu mài mịn bề mặt, đồng thời bên trong vẫn dẻo dai để chịu được tải
trọng thay đổi cũng như va đập.
e. Phân loại:
- Theo kiểu lắp ghép chốt:
+ Cố định chốt piston trên bệ chốt piston.
+ Cố định chốt piston trên đầu nhỏ thanh truyền.

+ Chốt piston lắp tự do.
- Theo hình dạng: bề mặt bên trong chốt có dạng hình trụ hoặc cơn

Hình 1.4 Các phương án lắp chốt piston
a) Chốt piston cố định với piston; b) Chốt piston cố định với đầu nhỏ thanh truyền;
c) Chốt piston lắp tự do
SVTH: Nguyễn Ngọc Thắng

GVHD: TS. Nguyễn Quang Trung 4


Khảo sát, mơ phỏng động học và phân tích trạng thái ứng suất cơ cấu piston-thanh truyền-trục khuỷu động cơ HR15DE

1.1.3. Xéc – măng
a. Nhiệm vụ:
Đảm bảo piston di động dễ dàng trong xylanh. Xéc – măng có 2 loại là Xéc – măng
khí và xéc – măng dầu. Xéc – măng khí làm nhiệm vụ bao kín buồng cháy tránh lọt khí
cịn xéc – măng dầu ngăn dầu bơi trơn từ hộp trục khuỷu sục lên buồng cháy.
b. Điều kiện làm việc:
Xéc – măng chịu tải trọng cơ học lớn (áp lực khí cháy), chịu lực quán tính lớn, có
chu kỳ và va đập. Ngồi ra xéc – măng còn chịu nhiệt độ cao, ma sát lớn, ăn mòn hóa
học và ứng suất lắp ghép ban đầu.
c. Cấu tạo:
Cấu tạo chung của xéc măng có dạng hình trịn, chỗ cắt là miệng, mặt ngoài và hai
mặt cạnh (trên và dưới) được mài nhẵn.

Hình 1.5 Miệng xéc măng và tiết diện xéc măng
a) Miệng cắt thẳng; b) Miệng cắt vát; c) Miệng cắt bậc
d. Phân loại:
Có hai loại xéc – măng là xéc – măng khí và xéc – măng dầu.

Hình 1.6 Xéc-măng khí và xéc-măng dầu.
1.2. Nhóm thanh truyền
Nhóm thanh truyền gồm có: Thanh truyền, bu lơng thanh truyền và bạc lót.
SVTH: Nguyễn Ngọc Thắng

GVHD: TS. Nguyễn Quang Trung 5


Khảo sát, mơ phỏng động học và phân tích trạng thái ứng suất cơ cấu piston-thanh truyền-trục khuỷu động cơ HR15DE

1.2.1. Thanh truyền
Thanh truyền là chi tiết nối với piston và trục khuỷu nhằm biến chuyển động tịnh tiến
của piston thanh chuyển động quay trơn của trục khuỷu.
a. Điều kiện làm việc:
Trong quá trình làm việc thanh truyền chịu tác dụng của các lực sau:
+ Lực khí thể trong xy lanh
+ Lực quán tinh chuyển động tịnh tiến của nhôm piston
+ Lực quán tinh của thanh truyền
Dưới tác dụng của lực đó thanh thanh truyền bị nén, uốn dọc, uốn ngang; đầu nhỏ thanh
truyền bị biến dạng méo; nắp đầu to bị uốn và kéo.
b. Vật liệu chế tạo:
Vật liệu chế tạo thanh truyền thường là thép cacbon và thép hợp kim. Thép cacbon
thường dùng phổ biến trong các động cơ tốc độ thấp (tinh tại, tàu thủy)
c. Kết cấu của thanh truyền:
Thanh truyền được chia làm ba phần:
❖ Đầu nhỏ thanh truyền: Đầu lắp ghép với chốt Piston
Đầu nhỏ thanh truyền có lỗ để lắp chốt piston. Cấu tạo đầu nhỏ thanh truyền phụ thuộc
vào phương pháp lắp ghép với chốt piston.
Nếu lắp chốt piston cố định, thì đầu nhỏ thanh truyền có lỗ để lắp bu lơng hãm chặt với

chốt.
Nếu lắp tự do, thì đầu nhỏ thanh truyền bao giờ cũng có bạc lót (Hình 1.9a).
Một số động cơ người ta làm vấu lồi trên đầu nhỏ (Hình 1.9b) để điều chỉnh trọng tâm
thanh truyền cho đồng đều giữa các xy lanh.
Để bơi trơn bạc lót và chốt piston có những phương án như dùng rãnh hứng dầu (Hình
1.9c) hoặc bơi trơn cưỡng bức do dẫn dầu từ đầu trục khuỷu dọc theo thân thanh truyền
(Hình 1.9a).
Ở động cơ hai kỳ, do điều kiện bơi trơn khó khăn,người ta thường làm các rãnh chứa
dầu ở bạc đầu nhỏ (Hình 1.9d) hoặc có thể dùng ổ bi kim thay cho bạc lót (Hình 1.9e).

Hình 1.7 Các dạng đầu nhỏ thanh truyền
SVTH: Nguyễn Ngọc Thắng

GVHD: TS. Nguyễn Quang Trung 6


Khảo sát, mơ phỏng động học và phân tích trạng thái ứng suất cơ cấu piston-thanh truyền-trục khuỷu động cơ HR15DE

❖ Đầu to thanh truyền: Đầu lắp ghép với chốt khuỷu
❖ Thân thanh truyền: Nối đầu nhỏ và đầu to.
Tiết diện thân thanh truyền.
+ Tiết diện hình chữ I: có sức bền đều theo hai phương, được dùng rất phổ biến từ
động cơ cỡ nhỏ đến động cơ cỡ lớn. (Hình 1.8 a,b,e,i)
+ Tiết diện hình chữ nhật, ơ van: có ưu điểm là dễ chế tạo, thường dùng ở động cơ
mơ – tơ, xuồng máy cỡ nhỏ. (Hình 1.8 c,d,g,h)

Hình 1.8 Các dạng tiết diện thân thanh truyền
1.2.2. Bạc lót thanh truyền
a. Cơng dụng:
Hạn chế sự mài mịn trực tiếp giữa cổ biên với đầu to thanh truyền, đồng thời tăng

tính kinh tế trong q trình sửa chữa.
b. Điều kiện làm việc
Khi làm việc bạc lót thanh truyền chịu lực ma sát lớn.
c. Cấu tạo bạc lót
Bạc lót thường được chế tạo bằng thép tấm uốn cong (gộp bạc), mặt trong có tráng
một lớp hợp kim chịu mòn là đồng- chì hoặc thiếc - chì (babít), chiều dày khoảng 0,15
- 0,50mm.
1.2.3. Bulong thanh truyền
a. Công dụng bu lông
Bu lông thanh truyền là chi tiết ghép nối hai nửa đầu to thanh truyền.
b. Điều kiện làm việc
Bu lông thanh truyền khi làm việc chịu tác dụng của các lực như: Lực xyết ban đầu,
lực qn tính của nhóm piston - thanh truyền. Các lực này ln ln thay đổi có tính
chu kỳ, nên bu lơng thanh truyền cần phải có độ bền cao.
SVTH: Nguyễn Ngọc Thắng

GVHD: TS. Nguyễn Quang Trung 7


Khảo sát, mơ phỏng động học và phân tích trạng thái ứng suất cơ cấu piston-thanh truyền-trục khuỷu động cơ HR15DE

c. Vật liệu chế tạo bu lông
Bu lông thanh truyền thường được chế tạo bằng thép hợp kim.

Hình 1.9 Bu lông thanh truyền
1.3. Trục khuỷu
1.3.1. Nhiệm vụ
Trục khuỷu là một trong những chi tiết quan trọng của động cơ, có nhiệm vụ tiếp
nhận chuyển động tịnh tiến của piston qua thanh truyền thành chuyển động quay để dẫn
động các bộ phận công tác như: máy bơm nước, máy phát điện, bánh xe chủ động của ô

tô, máy kéo.
1.3.2. Điều kiện làm việc
Khi động cơ làm việc, trục khuỷu chịu tác dụng của lực khí thể, lực quán tính
chuyển động quay. Các lực này rất phức tạp biến đổi theo chu kỳ gây ra dao động xoắn.
Vì vậy, trục khuỷu chịu uốn, xoắn và chịu mài mòn ở các cổ trục.
1.3.3. Vật liệu chế tạo
Trục khuỷu của động cơ cao tốc thường được chế tạo bằng thép hợp kim crôm, ni
ken.
Trục khuỷu của động cơ tốc độ thấp như động cơ tàu thuỷ và động cơ tĩnh tại, trục khuỷu
thường được chế tạo bằng thép các bon trung bình như C35, C40, C45.
Ngồi ra trục khuỷu cịn có thể chế tạo bằng gang graphít cầu.
1.3.4. Cấu tạo trục khuỷu
Có hai loại trục khuỷu: trục khuỷu liền và trục khuỷu ghép.
a. Trục khuỷu liền
Trục khuỷu liền (hình 1.13) là trục khuỷu có cổ trục, cổ biên, má khuỷu được chế
tạo liền thành một khối, không tháo rời được. Cấu tạo của trục khuỷu gồm các bộ phận
sau:

SVTH: Nguyễn Ngọc Thắng

GVHD: TS. Nguyễn Quang Trung 8


Khảo sát, mơ phỏng động học và phân tích trạng thái ứng suất cơ cấu piston-thanh truyền-trục khuỷu động cơ HR15DE

Hình 1.10 Cấu tạo trục khuỷu liền
❖ Đầu trục khuỷu:
Đầu trục khuỷu thường lắp đai ốc khởi động để quay trục khuỷu khi cần thiết hoặc
để khởi động cơ bằng tay quay. Trên đầu trục khuỷu có then để lắp puly dẫn động quạt
gió, máy phát điệnbơm nước của hệ thống làm mát, đĩa giảm dao động xoắn (nếu có) và

lắp bánh răng trục khuỷu để dẫn động trục cam và các cơ cấu khác. Ngoài ra, đầu trục
khuỷu còn có cơ cấu hạn chế di chuyển dọc trục và tấm chặn để không cho dầu nhờn lọt
ra khỏi đầu trục.

Hình 1.14 Cấu tạo đầu trục khuỷu
❖ Cổ trục chính
Cổ trục chính được đặt vào gối đỡ ở các te có và có bạc lót như ở đầu to thanh
truyền hoặc ổ bi. Cổ trục được gia cơng chính xác bề mặt đạt độ bóng cao và được nhiệt
luyện để nâng cao độ cứng. Số cổ trục có thể nhiều hơn hay ít hơn số xy lanh động cơ.
Phần lớn các động cơ có đường kính các cổ trục bằng nhau. Tuy nhiên, một số động cơ
cỡ lớn đường kính các cổ trục lớn dần từ đầu đến đuôi trục khuỷu.
Ví dụ: trục khuỷu động cơ xăng bốn kỳ có 4 xy lanh, thường làm ba cổ trục, còn
động cơ diesel có 4 xy lanh thường làm 5 cổ trục, tuy số cổ biên đều là 4.
❖ Chốt khuỷu (cổ biên)

SVTH: Nguyễn Ngọc Thắng

GVHD: TS. Nguyễn Quang Trung 9