Đồ án môn học thiết kế ôtô phân phối khí

CHƯƠNG 5
Chương 5 :

HỆ THỐNG PHỐI KHÍ

HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÍ

5.1 – NHIỆM VỤ VÀ YÊU CẦU CỦA CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ :
Trong động cơ Diesel cơ cấu phân phối khí dùng để thay đổi khí, thải sạch
khí thải ra khỏi xylanh và nạp đầy khí hổn hợp hoặc không khí mới vào xylanh
để động cơ được làm việc liên tục.
Như vậy hệ thống nạp thải được thiết kế cần đảm bảo các yêu cầu sau:
- Đóng mở đúng thời gian qui định.
- Độ mở lớn để dòng khí dể lưu thông.
- Đóng kín, xupap thải không mở trong quá trình nạp.
- Ít mòn tiếng gõ do các chi tiết kim loại va đập nhỏ.
- Dễ điều chỉnh, sửa chửa và giá thành chế tạo thấp.
- Bố trí cơ cấu phân phối khí động cơ đốt trong theo hai phương án chính sau:
- Cơ cấu phân phối khí dùng van trượt
- Cơ cấu phân phối khí dùng xúpap
Cơ cấu phân phối khí dùng xupap thì có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, giá
thành thấp, làm việc tốt nên cơ cấu phân phối khí được thiết kế là cơ cấu phân
phối khí xupap.
5.2 - KẾT CẤU CỦA CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ DÙNG XUPAP :
5.2.1 - Phương án bố trí xupap:
Các động cơ đốt trong có cơ cấu phân phối khí dùng xupap thì có hai
phương án. Bố trí xupap đặt và xupap treo.
a) Khi thiết kế theo phương án xupap đặt, trước hết ta thấy rằng chiều cao
của động cơ giảm xuống rất nhiều, kết cấu của nắp xylanh rất đơn giản, dẫn
động của xupap dễ dàng hơn, nhưng do buồng cháy không gọn, diện tích truyền
nhiệt lớn nên tính kinh tế của động cơ kém, tiêu hao nhiên liệu nhiều do buồng

cháy quá lớn.Khi động cơ làm việc ở tốc độ cao hệ số nạp giảm làm giảm mức
độ cường quá của động cơ. Đồng thời khó tăng được tỷ số nén, nhất là lúc tỉ số
nén động cơ lớn hơn 7,5 rất khó bố trí buồng cháy. Vì vậy, phương án bố trí
xupap đặt chỉ thích hợp cho động cơ có tỉ số nén thấp. Vậy khi tỉ số nén động cơ
RV70  = 24 là không hợp với điều kiện và yêu cầu thiết kế.
b) Khi thiết kế cơ cấu phân phối khí xupap treo. Khi ấy động cơ rất gọn, diện
tích của mặt truyền nhiệt nhỏ vì vậy giảm được tổn nhiệt lúc đó hiệu suất của
động cơ rất lớn. Ngoài ra khả năngchống kích nổ tăng lên rõ rệt, cơ cấu này còn
làm cho dạng đường nạp thải thanh thoát hơn khiến sức cản khí động giảm nhỏ
đồng thời ta có thể bố trí xupap hợp lý hơn tăng được tiết diện lưu thông của
dòng khí.Với những điều kiện phân tích trên thì hệ số nạp có thể tăng lên
SVTH: TRẦN THANH LIÊM, NGUYỄN THÀNH LONG

TRANG 104


CHƯƠNG 5

HỆ THỐNG PHỐI KHÍ

khoảng 5-7%, lúc đó tỉ số nén của động cơ rất lớn là 24 và hiệu suất máy cũng
tăng. Những ưu điểm trên đã nói lên tính ưu việc của cơ cấu phân phối khí theo
kiểu xupap treo và tỉ số nén của phương án này rất phù hợp với phương án thiết
kế.
Động cơ RV70 có cơ cấu phân phối khí theo kiểu xupap treo để phù hợp với
nhu cầu thiết kế là nhỏ gọn và đạt công suất cao nhất.
5.2.2 - Phương án dẫn động xupap:
Để dẫn động xupap có hai phương án thiết kế:
Bố trí trục cam trên nắp xylanh để dẫn động trực tiếp hoặc dẫn động qua đòn
bẩy.

Bố trí trục cam ở hộp trục khuỷu hoặc ở thân máy để dẫn động gián tiếp qua
con đội đũa đẩy, đòn bẩy….
Với cách dẫn động trực tiếp xupap tuy không cần đến các chi tiết trung gian
như con đội đũa đẩy… nhưng lúc này cơ cấu dẫn động trục cam trở nên phức tạp.
Còn với cách bố trí ở thân máy, lúc này xupap được dẫn động gián tiếp qua
con đội, đũa đẩy, đòn đẩy… Các đũa đẩy được bố trí dọc theo xy lanh, cách bố trí
trục cam và dẫn động như vậy làm cho kết cấu động cơ rất gọn, với phương án
thiết kế này được chọn.
5.2.3 - Phương án bố trí xupap trên nắp xylanh :
Thiết kế cơ cấu xupap khi đã có thể bố trí theo nhiều kiểu khác nhau cách bố
trí phụ thuộc vào buồng cháy. Vì động cơ RV70 có kiểu buồng cháy gián tiếp
nên khi bố trí cần phân bố bề mặt để bố trí vòi phun của buồng cháy phụ.
Động cơ tính toán được thiết kế sử dụng 2 xupap trên 1 xylanh. Xupap được
bố trí hai bên, ống thải và ống nạp được bố trí về hai phía làm cho dạng đường
thải, đường nạp thanh thoát hơn và nhiệt độ của khí thải không ảnh hưởng đến
quá trình nạp (không làm nóng dòng không khí nạp), có thể nạp được đầy hơn.
5.2.4 - Phương án dẫn động trục cam:
Trục cam được bố trí trên thân máy thường được dẫn động bằng bánh răng.
Trên các loại động cơ hiện có thông thường có hai dẫn động chính theo hai
phương án:
- Dẫn động bánh răng
- Dẫn động xích răng
a) Phương án dẫn động bằng bánh răng : có ưu điểm rất lớn là kết cấu đơn giản,
do cặp bánh răng phân phối khí thường dùng bánh răng nghiêng nên ăn khớp êm
và bền. Phương án này có nhược điểm là khi khoảng cách trục cam và trục
khuỷu quá lớn thì phải dùng thêm bánh răng trung gian, điều này làm cho thân
máy trở nên phức tạp vì phải lắp thêm trục trung gian, cơ cấu dẫn động trở nên
SVTH: TRẦN THANH LIÊM, NGUYỄN THÀNH LONG

TRANG 105

CHƯƠNG 5

HỆ THỐNG PHỐI KHÍ

cồng kềnh và khi làm việc có tiếng ồn, nên trong trường hợp này động cơ trở
nên phức tạp.
b) Phương án dẫn động bằng xích răng : Có ưu điểm là gọn nhẹ có thể dẫn động
trục cam ở khoảng cách lớn, phương án này có nhược điểm là rất đắt do giá
thành chế tạo xích dẫn động cao, ngoài ra còn gây tiếng ồn rất lớn khi vận hành.
Vậy phương án này không thích hợp do đó ta chọn phương án dẫn động bằng
bánh răng.
Động cơ tính toán RV70 có công suất nhỏ, khoảng cách giữa trục khuỷu và
trục cam không lớn nên ta chọn phương án thiết kế là dẫn động bánh răng. Khi
thiết kế hệ thống bánh răng này, bánh răng phải có ổ chắn dọc trục để chịu lực
chiều trục và khống chế độ giơ dọc trục, khi lắp ghép phải đảm bảo khe hở ăn
khớp của các bánh răng vào khoảng 0,1mm-0,25mm, để bánh răng không bị kẹt
khi thân máy giản nở do nhiệt.
5.2.5 - Kết cấu các chi tiết trong các cơ cấu phân phối khí :
a) Xupap :
Trong quá trình làm việc, mặt
nấm xupáp chịu phụ tải động vàphụ
tải nhiệt rất lớn. Lực khí thể tác
dụng trên diện tích mặt nấm xupap
có thể lên đến 1000020000N. Do
xupap trực tiếp tiếp xúc khí cháy
nên xupap chịu nhiệt rất lớn, nhiệt
độ xupap thải có thể đạt tới nhiệt độ
550-600C.

Hình 4.17 : Kết cấu xupap
Ngoài ra do trong nhiên liệu có lưu huỳnh nên khi cháy tạo thành axit ăn
mòn mặt nấm xupap. Vì vậy vật liệu dùng để chế tạo xupap thải phải có sức
bền cơ học cao, chịu nhiệt tốt, chống lại ăn mòn hóa học… có thể dùng các
hợp kim như X9C2; 4X9C2…
Để nâng tính chống mài mòn, chống rỉ của mặt nấm xupap thải người ta
thường mạ lên mặt nấm xupap một lớp hợp kim cứng ( hợp kim Coban ) dày
khoảng 1,5-2,5mm.
Xupap nạp do được dòng khí nạp làm mát nên nhiệt độ vào khoảng 300400C. Vì vậy vật liệu chế tạo xupap nạp thường dùng các loại thép hợp kim
Crôm hay Crôm-Niken: 40X, 40XH…
Kết cấu xupap gồm ba phần chính: Nấm xupap, thân xupap, đuôi xupap.
* Nấm xupap :

SVTH: TRẦN THANH LIÊM, NGUYỄN THÀNH LONG

TRANG 106


CHƯƠNG 5

HỆ THỐNG PHỐI KHÍ

Mặt làm việc quan trọng của phần nấm xupap là mặt côn có góc của hai
xupap là:
- Xupap hút: h= 30
- Xupap thải: h= 45
Còn góc mặt côn của nắp xylanh thường lớn hơn mặt côn trên mặt nấm 0,51, để xupap có thể tiếp xúc với đế theo vòng tròn ở mép ngoài của mặt côn.
Như vậy mới có thể đảm bảo tiếp xúc kín dù mặt nấm có bị biến dạng nhỏ.
Khi thiết kế cần tính toán đường kính xupap sao cho thích hợp với đường kính
buồng đốt.

Theo các thông số của xupap động cơ RV70 :
Chọn đường kính xupap hút : Dh = 31 mm
Chọn đường kính xupap thải : Dth = 27,5 mm
Như vậy bề rộng mặt côn của xupap là:
Xupap hút : bh = (0,05-0,12)Dh , choïn bh = 0,11.Dh = 3,41 mm
Xupap thải : bth= (0,05-0,12)Dt , chọn bth=0,11. Dt =3,025 mm
Chiều dầy của nấm xupap:
Xupap hút : ah = (0,05-0,12)Dh , chọn ah = 3,3 mm
Xupap thải: at = (0,05-0,12)Dh , chọn at = 3,3 mm

xupáp thải

xupáp nạp

SVTH: TRẦN THANH LIÊM, NGUYỄN THÀNH LONG

TRANG 107


CHƯƠNG 5

HỆ THỐNG PHỐI KHÍ

* Thân xupap :
Thân xupap thiết kế phải có đường kính sao cho đảm bảo dẫn hướng tốt, tản
nhiệt nhanh và chịu được lực nghiêng khi xupap đóng mở. Do phải đảm bảo tiết
diện lưu thông của dòng khí và đảm bảo dòng khí gọn nhẹ nên thân xupap cũng
không làm quá lớn. Thân xupap có đường kính vào khoảng:
dt = (0,16-3,5)Dh = 7 mm
Còn chiều dài của thân tùy thuộc vào khoảng cách bố trí xupap, kết cấu máy

và nắp xylanh. Chiều dài xupap trong động cơ RV70 là:
L = 79,7 mm
* Đuôi xupap :
Phần đuôi xupap thông thường có dạng đặc biệt để có thể lắp với đóa
chặn, lò xo và móng hãm. Để giảm mòn mặt đầu của đuôi xupap, người ta lắp
thêm mũ chụp đuôi xupap. Mũ chụp được nhiệt luyện đạt độ cứng 55-60 HRC,
bề mặt mũ chụp tiếp xúc với cò mổ được thấm than để chống mòn.
b) Lò xo xupap :
Nhiệm vụ của lò xo xupap gồm có việc đảm bảo cho độ kín sát cần thiết
của xupap ,giữ không cho xupap rời khỏi ổ đặt khi nạp (lò xo xupap thoát ) và để
tiếp thu lực quán tính. Như vậy vật liệu chế tạo lò xo là dây thép có đường kính
35mm, có độ cứng 3242HRC.
Lò xo thiết kế là lò xo xoắn ốc hình trụ, hai đầu lò xo quấn xích nhau cà
mài phẳng để lắp ghép. Số vòng công tác của lò xo (là số vòng không kể hai
vòng đầu) ở đây chọn số vòng công tác là 8,5 thường từ 4-10. Số vòng công tác
càng ít, mỗi vòng của lò xo biến dạng càng nhiều (nếu đảm bảo độ mở xupap
như nhau) vì vậy lò xo chịu ứng suất xoắn càng lớn. Ngược lại nếu số vòng công
tác nhiều quá, lò xo quá dài, độ cứng của lò xo giảm, tần số dao động của lò xo
thấp dể bị cộng hưởng sinh ra va đập với mặt cam.
+ Số vòng công tác của lò xo : 6 vòng.
+ Đường kính lò xo : 22 mm
+ Chiều dài tự do của lò xo : 35,4mm.
c) Trục cam :
Trục cam dùng để dẫn động xupap đóng mở theo đúng qui luật nhất định, trục
cam gồm các phần cam thải, cam nạp và các cổ trục.
Vật liệu chế tạo trục cam theo thiết kế là15MH hoặc thép cacbon thành phần
cacbon trung bình như thép 40 hoặc 45.
Khi thiết kế các bề mặt ma sát đều thấm cacbon và tôi cứng, độ thấm này
khoảng 2mm, lúc này độ cứng các bề mặt có thể đạt được HRC 30-45
1. Khi thiết kế trục cam có hai phương án chính để thiết kế là:

- Các cam liền với trục.
SVTH: TRẦN THANH LIÊM, NGUYỄN THÀNH LONG

TRANG 108


CHƯƠNG 5

HỆ THỐNG PHỐI KHÍ

- Các cam làm rời, sau đó lắp trên trục bằng then hay bằng đai ốc.
Đối với cam chế tạo liền với trục thì trục cam có đường kính nhỏ hơn đường
kính ổ trục, và khi lắp thường lắp theo kiểu luồn qua các cổ trục toàn thân máy.
Với phương án thiết kế này làm cho dạng cam chế tạo đơn giản và gọn nhẹ, khi
động cơ làm việc sẽ không có ứng suất tập trung ở bất kỳ điểm nào trên toàn
trục cam.

E

E

Cam
thải

Cam
nạp

Cam
nhiên
liệu

Trục Cam

Còn đối với phương án thiết kế cam rời, đường kính trục cam sẽ có đường
kính lớn hơn trục và khi động cơ hoạt động sẽ sinh ra ứng suất tập trung tại các
cổ trục và khi lắp ráp cam rời rất phức tạp, kích thước cam chế tạo rất lớn, ngoài
ra để định vị cam lên trục phải dùng đến ống lót, sau đó phải dùng đai ốc để
hãm chặt cam với ống lót. Với phương án này chế tạo trục cam rất phức tạp và
không đảm bảo độ an toàn khi động cơ làm việc.
Như vậy chọn phương án chế tạo cam liền với trục phù hợp nhất đối với động
cơ thiết kế nhỏ gọn theo yêu cầu.
Tính góc lệch của hai đỉnh cam khác tên của một xylanh, góc lệch này phụ
thuộc vào góc mở sớm, đóng muộn của xupap nạp và xupap thải. Ta có:
1
 0,5  (360  1   2  1  2 )
4

= 1050

Trong đó:
 : Góc giữa đỉnh cam nạp và đỉnh cam thải tính theo góc quay của
trục khuỷu.
1 : Góc mở sớm của xupap nạp.
 2 : Góc đóng muộn của xupap nạp.
1 : Góc mở sớm của xupap thải.
SVTH: TRẦN THANH LIÊM, NGUYỄN THÀNH LONG

TRANG 109

CHƯƠNG 5

HỆ THỐNG PHỐI KHÍ

 2 : Góc đóng muộn của xupap thải.
 1 20 ;  2 45 ;  1 50 ;  2 15

d) Cổ trục ổ trục cam :
Trục cam của cơ cấu phân phối khí dẫn động gián tiếp thường lắp trong ổ trục
trong thân máyKhi lắp trục cam và thân máy, lắp theo kiểu đưa từ phía đầu thân
máy đến cuối thân máy. Do vậy khi chế tạo đường kính cổ trục (như các vấu
cam, bánh răng dẫn động bơm dầu hoặc bộ chia điện…) để khi lắp trục cam
không bị vướng bởi các bộ phận ấy. Trong khi thiết kế, để dể lắp trục cam các
cổ trục cam có đường kính nhỏ dần từ đầu đến cuối trục cam.
Khi lắp trục cam vào thân máy có một lớp bạc lót bằng thép hay đồng, mặt
trong tráng hợp kim banhit hoặc bạc ống bằng hợp kim nhôm.
Các đường kính cổ trục:
Cổ 1 :  22mm
Cổ 2 :  33mm
e) Con đội :
Con đội là chi tiết máy truyền lực trung gian, đồng thời con đội chịu lực
nghiêng do cam phối khí gây ra trong quá trình dẫn động xupap, khiến cho xupap
có thể hoàn toàn không chịu lực nghiên.
Kết cấu của con đội gồm hai thành phần: Phần dẫn hướng (thân con đội) và
phần mặt tiếp xúc với cam phối khí. Thân con đội có dạng hình trụ, mặt tiếp xúc
có ba phương án thiết kế sau:
a. Con đội hình trụ.
b.Con đội con lăn.
c. con đội thủy lực.
Con đội hình trụ rỗng. Thân con đội to, mặt tiếp xúc với lỗ dẫn hướng lớn nên

ít hao mòn. Phần lõm tiếp xúc với đầu đũa đẩy thường có bán kính lớn hơn bán
kính cầu của đầu đũa đẩy khoảng từ 0,2 0,3mm. Mặt tiếp xúc của con đội hình
trụ là mặt cầu có bán kính khá lớn R=750mm để tránh hiện tượng mòn vẹt mặt
con đội ( hoặc mặt cam ) khi đường tâm con đội không thẳng góc với đường tâm
trục cam.
Con đội con lăn có thể dùng cho tất cả dạng cam, nhưng thường dùng cho
cam tiếp tuyến và cam lõm. Lúc này ma sát giữa cam và con đội là ma sát lăn
nên lực ma sát rất nhỏ. Nhưng nhược điểm chính của con đội con lăn là kết cấu
phức tạp, lúc này giá thành chế tạo động cơ sẽ rất cao, như vậy phương án thiết
kế này không chọn.
Con đội thủy lực : Đối với con này cơ cấu phân phối khí không tồn tại khe hở
nhiệt nên không gây va đập giữa các chi tiết máy trong cơ cấu phân phối khí do
đó tránh được tếng gõ vì thế giảm được tiếng ồn cho động cơ. Nhưng nhược
SVTH: TRẦN THANH LIÊM, NGUYỄN THÀNH LONG

TRANG 110


CHƯƠNG 5

HỆ THỐNG PHỐI KHÍ

điểm của con đội này là kết cấu rất phức tạp và giá thành cũng rất cao nên ta
không thể chọn con đội dạng này.
Con đội trong cơ cấu phối khí của động cơ RV70 được chọn thiết kế là
con đội hình trụ.
f) Đũa đẩy :
Đũa đẩy trong động cơ cần thiết kế là một thanh thép tròn nhỏ dài và rỗng
dùng để tÿÿyền lực ÿÿÿÿcon đÿÿÿÿÿÿÿđòn đẫy. Hai đầu đũa đẩy hàn gÿÿn với
các ÿÿàu tiÿ xúc. Tiếp xÿÿÿÿvới con đội có mặt tiếp xúc là hình cầu, tiếp xúc

với vít điều chỉnh của đòn bẩy là mặt cầu lõm.
Đũa đẩy làm bằng thép cacbon có thành phần trung bình. Hai đầu tiếp xúc
làm bằng thép cacbon với thành phần cacbon thấp, hàn gắn với đầu đũa đẩy rồi
tôi đạt độ cứng HRC 5060.
g) Đòn bẩy (cò mổ) :
Đòn bẩy là chi tiết truyền lực trung gian, một đầu tiếp xúc với đũa đẩy,
một đầu tiếp xúc với đuôi xupap. Khi trục cam nâng con đội lên, đẩy đẩy một
đầu đòn bẩy đi lên, đầu kia của đòn bẩy nén lò xo xupap xuống và mở xupap.
Do có đòn bẩy, xupap mở đóng theo đúng pha phân phối khí.Trong động cơ cần
thiết kế này đòn bẩy được chế tạo bằng phương pháp rèn khuôn.
Đầu tiếp xúc với đũa đẩy có vít điều chỉnh. Sau khi điều chỉnh khe hở
nhiệt, vít này được hãm chặt bằng đai ốc. Đầu tiếp xúc với đuôi xupap có mặt
tiếp xúc hình trụ được tôi cứng. Mặt ma sát giữa trụ và bạc lót ép trên đòn bẩy
được bôi trơn bằng dầu nhờn từ phần rỗng của trục ra, và trong thân đòn bẩy
cũng có khoang lỗ để dẫn dầu từ bạc lót đến bôi trơn mặt tiếp xúc với đuôi
xupap của vít điều chỉnh.
5.3 - XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CHỦ YẾU CỦA CƠ CẤU PHÂN PHỐI
KHÍ :
5.3.1 - Xác định kích thước của tiết diện lưu thông:
Tiết diện lưu thông của xupap có ảnh hưởng đối với chất lượng thay đổi
khí của quá trình thải và nạp trong động cơ bốn kỳ. Dựa vào các thông số chọn
trên tính toán tiết diện lưu thông của xupap theo giả thiết lưu động ổn định của
dòng khí đi qua họng đế của xupap. Coi dòng khí nạp (hoặc thải) có tốc độ bình
quân và tốc độ của piston thay đổi.
Căn cứ vào điều kiện lưu động ổn định và liên tục của dòng khí ta có:
v k .i. f . v p . F p . (*)
(công thức [15-11,trang 225,2,tập 2])
k

k

p

Trong đó:
vk: tốc độ trung bình của dòng khí chảy qua họng đế xupap (m/s)

f

k

: tiết diện lưu thông của họng đế xupap (cm3)

SVTH: TRẦN THANH LIÊM, NGUYỄN THÀNH LONG

TRANG 111


CHƯƠNG 5

HỆ THỐNG PHỐI KHÍ
2

f

k



 .d h
4

 : mật độ dòng khí ở họng xupap;
 : mật độ dòng khí ở trong xylanh xupap;
k

p

coi

 
k

p

vp : Tốc độ bình quân của piston;

v
S :hành trình piston.
n : số vòng quay trục khuỷu.

F

p

p



S .n 0,075.2400


6m / s
30
30

: diện tích đỉnh piston.
2

 . D 3,14.8 2
2
F p  4  4 50,24cm

D :đường kính xylanh.

* Đối với xupap nạp :
- Tiết diện lưu thoâng :
2

.d h

3,14.2,86 2
f k  4  4 6,42cm 2
Với dh = 2,86 cm : đường kính họng xupap nạp.
- Tốc độ bình quân của dòng khí qua họng đế xupap theo công thức
.
50,24
p Fp
(*):
vk  i. 6 2.6,42 23,47m / s
f



k

* Đối với xupap thải :
Tương tự cách tính trên ta được tốc độ lưu động của dòng không khí thải:
vk =

6.50,24
2.4,945

= 30,48 m/s

Theo công thức [15-5,trang 256, 2, tập 2] ta có công thức thức tính tiết diện lưu
thông
2
fk1 =  .h.(d h . cos   h. sin  . cos  )

với

 góc côn ở mặt nấm xupap
+Xupap nạp  = 300
+Xupap thải  = 450

SVTH: TRẦN THANH LIÊM, NGUYỄN THÀNH LONG

TRANG 112


CHƯƠNG 5

HỆ THỐNG PHỐI KHÍ
h hành trình của xupap h = 5 mm
Tiết diện lưu thông cho hành trình nạp
fk1

=  .h(0,866.d h  0,357.h)
= 3,14.5(0,866.28,6 + 0,357.5)
= 418,3 mm2 =4,183cm2

Tiết diện lưu thông cho hành trình thải
fk1

=  .h(0,707.d h  0,353.h)
= 2.3,14.5(0,707.25,1 + 0,353.5)
= 306,3 mm2 = 3,063 cm2

Ta có khi đường kính và góc côn xupap đã xác định thì tiết diện lưu
thông tức thời của xupap được quyết định bởi quy luật động học của cam phối
khí và pha phân phối khí.
5.3.2 - Xác định biên dạng cam (cam lồi) :
Khi chọn dạng cam, cần phải xét các điểm sau :
- Dạng cam phải đảm bảo cơ cấu phối khí có trị số” thời gian- tiết diện” lớn
nhất nghóa là khả năng lưu thông dòng khí lớn nhất. Vì vậy yêu cầu cam phải mở
xupap thật nhanh giữ cho xupap mở ở vị trí lớn nhất thật lâu và khi đóng thì đóng
thật nhanh xupap.
- Dạng cam phải thích hợp để giai đoạn mở và đóng xupap có gia tốc và vận
tốc nhỏ nhất. Do đó cơ cấu phối khí làm việc êm, ít va đập và hao mòn
- Dạng cam phải đơn giản và dể chế tạo
Thiết kế dạng cam có thể theo hai phương pháp :

* Lựa chọn qui luật chuyển động của cam (chủ yếu là qui luật gia tốc) rồi từ
đấy tích phân hai lần để tìm qui luật độ nâng xupap biến thiên theo góc quay của
trục cam.
Phương pháp này có ưu điểm là có thể thực hiện bất kỳ qui luật chuyển động
nào ta cho là tốt nhất, nghóa là các qui luật chuyển động có gia tốc khi mở, đóng
xupap nhỏ nhất như qui luật gia tốc theo hình sin, cosin... Nhược điểm lớn nhất
cơ bản của phương pháp này là dạng cam ứng với qui luật lý tưởng trên rất khó
gia công vì mặt cam có dạng đường cong hết sức phức tạp. Tuy vậy ngày nay khi
thiết kế các loại động cơ cao tốc, người ta vẫn thường thiết kế theo phương pháp
này. Vì vậy theo phương pháp này thì loại động cơ cần thiết kế với tốc độ trung
bình thì không phù hợp với yêu cầu nên không chọn.
* Phương pháp thứ hai là định sẵn dạng cam, mặt cam là tập hợp những cung
tròn, cung parabol hoặc đường thẳng... để dễ gia công. Sau đó căn cứ vào qui
luật nâng đã định, đạo hàm hai lần đối với góc quay của trục cam để tìm qui luật
SVTH: TRẦN THANH LIÊM, NGUYỄN THÀNH LONG

TRANG 113


CHƯƠNG 5

HỆ THỐNG PHỐI KHÍ

gia tốc rồi kiểm tra xem có phù hợp với yêu cầu về gia tốc của cơ cấu phân phối
khí hay không.
Phương pháp thứ hai này có ưu điểm là đảm bảo tính công nghệ gia công trục
cam được đơn giản. Vì vậy tuyệt đại bộ phận động cơ đốt trong tố độ thấp và
trung bình đều dùng cam định hình theo phương pháp thiết kế thứ hai. Như thế
phương pháp này ưu điểm của nó phù hợp với yêu cầu thiết kế nên được chọn .

Hình 5.21: Sơ đồ tính toán biên dạng cam dẫn động xupap
Căn cứ vào các thông số động cơ (n, s, D, loại động cơ, kỳ…) qua đó lựa
chọn pha phân phối khí. Từ đó xác định được góc làm việc của cam (góc ).
- Đối với cam nạp (tính theo góc quay của trục cam)
180    1   2 180  20  45
n 

122,5
2
2

- Đối với cam thải:

180    1   2 180  50  15
n 

122,5
2
2

Theo sơ đồ bố trí chung để xác định bán kính lưng cam (bán kính cung chuẩn)
R1.
R1 

dc
16
 (0,5 1)   0.82 8,82mm
2
2

Với dc: Đường kính trục cam.
Vẽ tọa độ vuông góc qua tâm O, vẽ bán kính OA và OB làm thành với tung
độ góc /2.
Từ điểm vòng tròn R1 cắt tung độ (điểm E) xác định EC=h
Chọn vòng đỉnh cam r = 3,1mm rồi vẽ vòng đỉnh cam (tâm O1) qua điểm C

SVTH: TRẦN THANH LIÊM, NGUYỄN THÀNH LONG

TRANG 114


CHƯƠNG 5

HỆ THỐNG PHỐI KHÍ

Trên phương kéo dài của bán kính AO và A’O vẽ cung tiếp tuyến ngoài với 2
đường tròn R1 và r tại A và A’(cung có bán kính  ).
Khi đã xác định R1, h,  và r, bán kính cung tiếp tuyến ngoài  có thể
xác định từ quan hệ tam giác vuông O1MO2
D = R1 + h - r
= 8,82 + 5,5 - 3,1 = 11,22mm
(O1O2)2 = (O1M)2 +(MO2)2
Do đó ta có:

   r  2  D sin  

2




    R1   D cos 
2  
2



2

D 2  r 2  R1  2 R1D cos
 



2 R1  r  D cos 
2


2


2 42mm

5.3.3 - Tính toán lò xo :

(chiều dài tự do)

LÒ XO XUPÁP

Tính đến khả năng hạ thấp áp suất trong xylanh đến 0,2kg/cm 2, ta có độ
lớn tối thiểu của lực lò xo bảo đảm đủ để tránh xupap tự động mở

Fmin

 .d h2
3,14.2,44 2 .0,8

(1  0,2) 
37,4 N
4
4

Lực nén lớn nhất của lò xo khi xupap mở hoàn toàn (tính theo tài liệu 3,
trang 395):
Ppmax = K.Mn.a.ld.2/ln = 1,4.148.15,75.34.1832.106/21 = 177N
Với a = r0 + htmax - min = 19 + 5,25 – 8,5 = 15,75 mm
K =1,4 : hệ số an toàn
Mn : Khối lượng của tất cả các thành phần chuyển động của hệ thống phân
phối khí
SVTH: TRẦN THANH LIÊM, NGUYỄN THÀNH LONG

TRANG 115


CHƯƠNG 5

HỆ THỐNG PHỐI KHÍ

Mn = mp + mc + mm + 1/3mlx = 148 (cân thực tế các chi tiết của cơ cấu)
mp, mc, mm, mlx : lần lượt là khối lượng của xupap, chén chặn, móng hãm,
lò xo.
Lực nén nhỏ nhất của lò xo:

Ppmin = K.Mn(r0 - min )ld.2/ln
= 1,4.148.(19 –8,5).34.1832.10–6/21 = 118N > Fmin
Lực nén nhỏ nhất của lò xo thỏa mãn điều kiện xupap thải không mở
trong quá trình nạp.
Độ cứng của lò xo được tính theo công thức sau:
c = MnK.2 = 148.1,4.1832.10-6 = 6,93KN/m
Biến dạng nhỏ nhất của lò xo:
fmin = (r0 - min )ld/ln = (19-8,5).34/21=17mm
Biến dạng lớn nhất của lò xo:
fmax = fmin +hmax = 17 + 8,5 = 25,5mm
Vì là quá trình tính toán kiểm nghiệm nên ta lấy các thông số kích thước lò
xo của động cơ để thực hiện quá trình tính toán kiểm tra bền.
Đường kính vòng lò xo : D = 22mm
Đường kính dây lò xo : d =
Số vòng lò xo

2,9mm

: n =6 vòng

Chiều dài tự do của lò xo: l = 35,4mm
Ứng suất xoắn giới hạn khi xoắn nằm trong khoảng []=450650MN/m2,
ứng suất bền []= 3500MN/m2
Ứng suất xoắn lò xo được tính theo công thức [15-71,trang 281, tập 2, 2] như sau:
 

 .8.Pmax .D 1,18.8.177.22.10  9

540 MN / m 2
3

3
9
 .d
 .2,9 .10

với  : hệ số hiệu đính biến thiên theo tỉ số D/d
20
D
 0,5
 0,5
2,7
 d

1,18
D
20
 0,75
 0,75
d
2,7

Giá trị ứng suất xoắn thỏa mãn điều kiện bền.
5.3.4 -Tính sức bền của các chi tiết máy chủ yếu trong cơ cấu phân phối khí :
a. Tính sức bền trục cam:
SVTH: TRẦN THANH LIÊM, NGUYỄN THÀNH LONG

TRANG 116


CHƯƠNG 5

HỆ THỐNG PHỐI KHÍ

* Ứng suất uốn:
Khi tính sức bền của trục cam, ta coi trục cam như một dầm có tiết diện đồng
đều đặt tự do trên hai gối tựa như :

Hình 5.25 : Trục cam dẫn động xupap
Trong quá trình làm việc, trục cam chịu uốn và chịu xoắn. Nếu bỏ qua lực
ma sát và trọng lực (vì lực này rất nhỏ so với các lực khác) thì lực tác dụng lên
trục cam được tính theo công thức sau:
pT max Pot  Pjt  Pkt

Trong đó:
Pot : Lực nén ban đầu của lò xo (ở trang thái xupap đóng kín)
Pjt : Lực quán tính của cơ cấu phân phối khí khi bắt đầu mở xupap
(quy dẫn về tâm con đội)
- Tính lực nén ban đầu của lò xo:
Pot Pkxp
Pkxp

P

kxp

: Lực khí thể

 .d 2

h ( P  P )  3,14.0,0286

r
a
4
4

2

(0,1  0,015) 5,457.10  5 MN

- Tính lực quán tính của cơ cấu phân phối khí bắt đầu mở xupap.
Pjt mot.jt

Trong đó :
mot : Khối lượng của cơ cấu phân phối khí khi qui dẫn về đường
tâm xupap
jt : Gia tốc của con đội
Khi qui dẫn khối lượng của cơ cấu phân phối khí về đường tâm con đội khối
lượng qui dẫn được tính theo công thức sau:

1
  l xp
mot  m xp  m dlx  m mh  mlx  
3
 l c


2


l

  mcd  m db  I nb . 2

lc


Với:
mxp : khối lượng của xupap; mxp = 80g
mđlx : khối lượng của đóa lò xo : mđlx = 20g
mmh : khối lượng của móng hãm : mmh = 10g
mcđ : khối lượng của con đội : mcđ =65g
SVTH: TRẦN THANH LIÊM, NGUYỄN THÀNH LONG

TRANG 117


CHƯƠNG 5

HỆ THỐNG PHỐI KHÍ

mlx : khối lượng của lò xo : mlx = 50g
mđb : khối lượng đòn bẩy : mđb = 70g
lxp : chiều dài từ tâm trục đòn bẩy đến tâm xupap
lxp=0,0325mm
lc : chiều dài từ tâm trục đòn bẩy đến tâm con đội
l xp
lc



0,0325

1,5
0,0215

Tỉ số cánh tay đòn của đòn bẩy

Iđb : moment quán tính của đòn bẩy với trục quay
Iđb=mđb. lxp2
=>
mot
=(80+20+10+50/3). 1,62+65+70+70.0,03252
=459,34=0,4593kg
- Tính gia tốc của con đội jt:
Khi con đội trượt một vị trí bất kỳ nào đó ứng với góc , chuyển vị của con
đội hình nấm có thể xác định theo quan hệ sau:
h=ab=aO-R1=r-Dcos-R1
Tốc độ của con đội bằng đạo hàm hai vế của phương trình trên theo đối với
thời gian, ta có công thức tính tốc độ của con đội:
 

dh
dt



dh d
.
 D sin 
d dt

Gia tốc của con đội bằng đạo hàm hai vế của phương trình trên theo đối với

thời gian, ta có công thức tính tốc độ của con đội hình nấm:
j 

d 
dt



d d
.
 2 (  R1)cos
d dt

Khi  =0, gia tốc đạt trị số cực ñaïi:
jmax (  R1)2k
2 .n

k = 2.60 = 2.2400/120 = 125,6 (1/s) : tốc độ góc trục cam
Với :

D 2  r 2  R12  2 R1 D cos




2


2( R1  r  D cos )
2

Trong đó :
D : khoảng cách từ tâm trục cam đến tâm của vấu cam D = 13 mm.
r : bán kính vấu cam , r = 3,1 mm.
R1 : bán kính trục cam; R1 = 11 mm.
 : góc phân phối khí;  = 130.
=>  = 42 mm
=> jmax = (42 -11).(125,6)2=489,036 m/s2
pjt = mot.jt = 0,4593.489,036 = 0,002246 MN
- Tính lực khí thể Pkt tác dụng lên mặt nấm xupap thải qui dẫn về đường tâm
con đội.
SVTH: TRẦN THANH LIÊM, NGUYỄN THAØNH LONG

TRANG 118


CHƯƠNG 5

HỆ THỐNG PHỐI KHÍ

Ta có lực khí thể tác dụng lên xupap thải:
d h2
Pkxpt 

4

( Pr  Pr ) 3,14.(0,0275) 2 (0,1  0,015) 50,46.10  5 MN

Qui daãn về tâm con đội:
Pkxpt 

50,46.10  5.0,0215
3,34.10  5 MN
0,0325

Vậy lực tác dụng lên trục cam là:
Pmax = 5,457.10-5MN+0,002246MN+3,34.10-5MN= 2334 N
Lúc đó moment uốn trục cam:
M u max Pt max

l2
l1
l

Với: l : khoảng cách giữa hai tâm gối tựa; l=96 mm
l1: khoảng cách giữa tâm gối tựa đến tâm vấu cam thứ nhất
l1=26,5mm
l2: khoảng cách giữa tâm gối tựa thứ haiđến tâm vấu cam
64,5 mm
M u max 2334.

l2

64,5.26,5
0.0415MN .m
96

Vậy ứng suất trục cam là:
M
M u max

 u  u max 
MN / m 2
 2 d0 4
Wu
d [1 
]
32
d
Với :
d: đường kính trục cam d = 16 mm.
d0: đường kính phần rỗng trục cam d0 = 5
u 

0,0415
MN
166,8 2
4
m

3,14
 5  
.0,016 2  1  
 

32
 16  


- Tính độ võng cho phép:
Độ võng của trục cam khi chịu uốn xách định theo công thức sau:

f 

2l2
PT.l 2 .l 2
64.PT l1
1
2
2

2.E.J.l
3..E.l(d 4  d 4
0)

Trong đó:
PT : lực tác dụng lên trục cam PT=2334.10-6 MN
E : môđuyn đàn hồi của vật liệu chế tạo trục cam. Đối với thép có
thể chọn E=(22,2)105MN/m2
Vậy: f 

64.2334.10  6 .0,0265 2 .0,0645 2
0,0000037mm 0,037 mm
3.3,14.2,2.10 5.0,096.0,016 4  0,005 4 

Độ võng cho phép trục cam nằm trong khoảng 0,05..0,1 mm
* Ứng suất tiếp xúc trên trục cam:
SVTH: TRẦN THANH LIÊM, NGUYỄN THÀNH LONG

TRANG 119

=

CHƯƠNG 5

HỆ THỐNG PHỐI KHÍ

Trong quá trình làm việc, trên mặt cam và con đội xuất hiện ứng xuất tiếp
xúc. Ứng suất tiếp xúc tính theo các công thức sau:
 tx 0,418

PTmã E 1
1
(
 )
b
1 R

Trong đó:
PTmax : lực tác dụng lên cam (MN); PT=2334.10-6 MN.
E : môđuyn đàn hồi vật liệu (MN/m2).
1 = 0,042m : bán kính của cung ngoại tiếp của cam (m).
b = 11 mm.
R = 8 : bán kính trục cam
 tx 0,418

2334.10-6 .2,2.10 5
1
1
(


) 1101,6 MN / m 2
0,011
0,042 0,008

tx thỏa mãn điều kiện áp suất tiếp xúc nằm trong khoảng
[tx]=400  1200 MN/m2
b. Tính sức bền của xupap:
Tính sức bền của mặt nấm xupap
dùng công thức tính Bắck, coi mặt
nắp xupap như một đóa tròn đặt tự do
trên đế tựa hình trụ. Ứng suất uốn
mặt nấm xupap xác định theo công
thức sau:

Hình 5.27 : Sơ đồ tính bền xupap.

Trong đó:

1 d 2 MN
 u  Pz 2 ( 2 )
m
4 

Pz : áp suất khí thể lớn nhất (MN/m2); Pz=9,64(

MN
)
m2

d : đường kính trung bình của nấm xupap; d = 25mm

 : chiều dầy trung bình của mặt nấm;  = 4 mm
MN
1
25 2
MN
 u  .9,64. 2 94,14 2 <    120 2 .
m
4
4
m

SVTH: TRẦN THANH LIÊM, NGUYỄN THÀNH LONG

TRANG 120