Tính toán kiểm nghiệm bền cho piston

Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án môn học
Khoa :Cơ Khí Động Lưc

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN
…………………………… ………….………………
…………………………… ………….………………
…………………………… ………….………………
…………………………… ………….………………
…………………………… ………….………………
…………………………… ………….………………
…………………………… ………….………………
…………………………… ………….………………
…………………………… ………….………………
…………………………… ………….………………
…………………………… ………….………………
…………………………… ………….………………
…………………………… ………….………………
…………………………… ………….………………
…………………………… ………….………………
…………………………… ………….………………
…………………………… ………….………………
…………………………… ………….………………
…………………………… ………….………………
…………………………… ………….………………
…………………………… ………….………………
…………………………… ………….………………
…………………………… ………….………………
…………………………… ………….………………
SVTH :Phạm Hữu Tài
Lớp : LK8LC.1 Đ 1
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án môn học

Khoa :Cơ Khí Động Lưc

LỜI NÓI ĐẦU
Ngành công nghiệp ôtô hiện nay đang phát triển mạnh, nó là một ngành công
nghiệp có vai trò quan trọng trong nền kinh tế của một đất nước. Chính vì vậy việc đào tạo
kỹ sư trong nghành cũng hết sức quan trọng. trong khi đó môn học “lý thuyết ôtô” chiếm vi
trí quan trọng trong trương trình đào tạo kỹ sư nghành ôtô máy kéo. Môn học “lý thuyết
ôtô” cung cấp cho sinh viên những kiến thức cơ bản thuộc lĩnh vực lý thuyết ôtô, liên quan
đến sự phát triển của nghành ôtô trong sự đổi mới của đất nước hiện nay. Đồng thời cũng
đề cập đến các vấn đề liên quan đến sự phát triển kỹ thuật mới của ngành ôtô trên thế giới
hiện nay.
Nhận thấy tầm quan trọng và cần thiết của môn học này nên khoa động lực của
trường ĐHSPKT Hưng Yên đã giao cho các sinh viên của mình nhiệm vụ làm đồ án tính
toán thiết kế ôtô về “lý thuyết ôtô”. việc tính toán thiết kế lý thuyết ôtô đã giúp các sinh
viên hiểu rõ hơn và sâu sắc hơn về các bộ phận chi tiết của ôtô điều đó đảm bảo cho sự an
toàn khi xe chuyển động, sự tiết kiệm nhiên liệu hay tính kinh tế khi vận hành được dễ
dàng hơn.
Em xin cám ơn khoa động lực của trường ĐHSPKT Hưng Yên và đặc biệt là thầy
Khổng Văn Nguyên đã giúp đỡ và chỉ bảo tận tình cho em hoàn thành bản thiết kế đồ án
môn học về “Tính toán kiểm nghiệm bền cho piston” sau đây là bản thiết kế đồ án của
em.
Em chân thành cảm ơn!
Hưng Yên; ngày tháng … năm, 2012
Sinh viên thực hiện
Phạm Hữu Tài
SVTH :Phạm Hữu Tài
Lớp : LK8LC.1 Đ 2
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án môn học
Khoa :Cơ Khí Động Lưc

MỤC LỤC
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…………………………………………………….… 5
1.1.4. kết cấu của Piston………………………………………………… … 6
1.2. Chốt Piston………………………………………………………………… 10
1.2.1.Nhiệmvụ……………………………………………………………… …….10
1.2.2. Điều kiện làm việc……………………………………………………… …10
1.2.3. Vật liệu chế tạo………………………………………………………… ….10
1.2.4. Kết cấu và các kiểu lắp ghép chốt piston……………………………… … 10
1.3. Xéc măng………………………………………………………………… ….12
1.3.1. Nhiệm vụ……………………………………………………………… … 12
1.3.2. Điều kiện làm việc của xéc măng………………………………………… 12
1.3.3. Vật liệu và công nghệ chế tạo phôi xéc măng……………………… …… 12
1.3.4. Kết cấu của xéc măng………………………………………………… ……14
Phần II: Xác định các thông số cần thiết
2.1. Thông số ban đầu, thông số chọn của piston và xécmăng…………………… 16
Phần II: Tính toán kiểm nghiệm bền cho Piston……………… ………… …….18
3.1. Tính sức bền của đỉnh piston…………………………,,………………… … 18
3.2. Tính toán sức bền đầu Piston……………………… ……………… ……….21
3.3. Tính sức bền của thân Piston………………………………………… …… 24
3.4. Tính sức bền bệ chốt Piston……………………………………… ………… 25
3.5. Tính khe hở giữa Piston và xilanh………………………………… …………26
Phần kết luận……………………………………………………………… …… 27
Tài liệu tham khảo………………………………………………………… …… 28
SVTH :Phạm Hữu Tài

Lớp : LK8LC.1 Đ 3
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án môn học
Khoa :Cơ Khí Động Lưc

PHẦN I
MÔ TẢ KHÁI QUÁT CHUNG VỀ NHÓM PISTON
1.1. Pistông
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 là 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, píston 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
do lực khí thể P
z
và lực quán tính P
j
gây nên áp suất khí thể tăng đột ngột P
z
=10 ÷ 12
(MPa). Các lực này biến thiên theo chu kỳ nên gây ra va đập dữ dội của các chi tiết máy,
của nhóm piston,xilanh. thanh truyền, làm cho piston bị biến dạng và gây hỏng.
b. Tải trọng nhiệt
Do tiếp xúc với nhiệt độ ở quá trình cháy đạt 2700
0
C K và gây ra tác hại sau:
- Gây ra ứng suất nhiệt lớn làm rạn nứt cục bộ, giảm độ bền của piston

- Gây ra biến dạng làm piston bị bó kẹt trong xilanh và tăng ma sát giữa piston
và xilanh .
- Giảm hệ số nạp làm giảm công suất động cơ
- Dầu nhờn chóng bị phân hủy
- Động cơ xăng gây ra hiện tượng cháy sớm và cháy kích nổ
SVTH :Phạm Hữu Tài
Lớp : LK8LC.1 Đ 4
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án môn học
Khoa :Cơ Khí Động Lưc

c. Ma sát và ăn mòn hoá học
Piston làm việc thường ở trạng thái nửa khô, thiếu dầu bôi trơn nên ma sát lớn. Ngoài
ra đỉnh piston luôn tiếp xúc với khí cháy nên bị ăn mòn hóa học bởi các thành phần sinh ra
trong quá trình cháy. Do vậy yêu cầu khi thiết kế piston cần đảm bảo:
- Dạng piston tạo thành buồng cháy tốt nhất
- Tản nhiệt tốt để tránh kích nổ và bó kẹt
- Có trọng lượng nhỏ để giảm lực quán tính
- Đủ bền và đủ độ cứng vững để tránh biến dạng quá lớn
- Đảm bảo bao kín buồng cháy để công suất động cơ không giảm và ít tiêu hao
dầu nhờn.
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, gang 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. Tuy nhiên gang rất
nặng nên lực quán tính của piston lớn do đó gang chỉ dùng ở những động cơ tốc độ thấp.
Mặt khác hệ số dẫn nhiệt của gang nhỏ nên nhiệt độ đỉnh piston cao.
-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.

Tuy nhiên hợp kim nhôm có hệ số giãn nở dài lớn nên khe hở giữa piston và xylanh phải
lớn để tránh bó kẹt. Do đó lọt khí nhiều từ buồng cháy xuống hộp trục khuỷu, động cơ khó
khởi động và có tiếng gõ khi piston đổi chiều.
-Ở nhiệt độ cao sức bền của pittông giảm khá nhiều. Ví dụ khi nhiệt độ tăng từ
K
o
288
lên
K
o
623
sức bền của hợp kim nhôm giảm 65% đến 70% trong khi đó sức bền
của gang chỉ giảm 18% đến 20%. Mặt khác piston làm bằng hợp kim nhôm chịu mòn kém
và đắt.
SVTH :Phạm Hữu Tài
Lớp : LK8LC.1 Đ 5
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án môn học
Khoa :Cơ Khí Động Lưc

1.1.4. Kết cấu của piston
Pittông gồm có 4 phần chính:
Hình 1.1: Sơ đồ kết cấu piston.
a. Đỉnh piston : Là phần trên cùng của piston, cùng với xylanh và nắp xylanh tạo thành
buồng cháy.
Các dạng đỉnh piston của động cơ xăng và động cơ điêzel thường dùng giới thiệu
trên hình 1.1. Có thể chia dạng đỉnh thành 3 loại lớn: đỉnh bằng, đỉnh lồi và đỉnh lõm.
Hình 1.2: Các dạng đỉnh piston
- Đỉnh bằng (hình 1.2 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 điezel có buồng cháy dự bị hoặc xoáy lốc.

SVTH :Phạm Hữu Tài
Lớp : LK8LC.1 Đ 6
a b c
d e f
g h i
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án môn học
Khoa :Cơ Khí Động Lưc

- Đỉnh lồi (hình 1.2 b). 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, xupáp treo (như động cơ Craysow, plinut…) và trong các động cơ xăng hai kỳ
công suất nhỏ như PD-10, Solex…
- Đỉnh lõm (hình 1.2 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 1.2 e)
+Phải tận dụng được xoáy lốc của không khí trong quá trình nén, hìng (1.2
c,f):buồng cháy omega;hình (2g) buồng cháy đenta; hình (1.2 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
SVTH :Phạm Hữu Tài
Lớp : LK8LC.1 Đ 7
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án môn học
Khoa :Cơ Khí Động Lưc

- Tạo rãnh ngăn nhiệt ở đầu piston để giảm nhiệt lượng truyền cho xécmăng
thứ nhất
- Làm mát đỉnh piston
Hình 1.3:Rãnh ngăn nhiệt ở phần dầu 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 lực ngang N
max
giảm để hai bên chịu lực N của piston và xylanh
mòn đều.
SVTH :Phạm Hữu Tài
Lớp : LK8LC.1 Đ 8
a b
b
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án môn học
Khoa :Cơ Khí Động Lưc

Trạng thái biến dạng của piston giới thiệu trên hình 1.4.
Hình 1.4: Trạng thái biến dạng của chốt piston.
Hình 1.4.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 1.4.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 1.4.c là trạng thái biến dạng của piston khi thân chịu tác động của lực ngang
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 90
0
÷
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 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 piston 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.
SVTH :Phạm Hữu Tài
Lớp : LK8LC.1 Đ 9
a b c
N
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án môn học
Khoa :Cơ Khí Động Lưc

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
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:
Hình 1.5: Chốt piston
- Mặt trong có dạng hình trụ (hình 1.5a) 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 1.5b, 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
SVTH :Phạm Hữu Tài
Lớp : LK8LC.1 Đ 10
a
b
c d
e
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án môn học
Khoa :Cơ Khí Động Lưc

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:
Hình 1.6: Các kiểu lắp ghép chốt piston.
Hình a.Lắp cố định chốt piston trên đầu nhỏ thanh truyền.
Hình b. Lắp cố định chốt piston trên bệ chốt.
Hình c. Lắp tự do chốt piston.
*Cố định chốt trên đầu nhỏ thanh truyền (Hình 1.6a)
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 1.6b)
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 (hình1. 6c)
- 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
SVTH :Phạm Hữu Tài
Lớp : LK8LC.1 Đ 11
a b c
c
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án môn học
Khoa :Cơ Khí Động Lưc

giãn nở nhiều hơn chốt piston nên chốt pittông 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
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 píttông 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
loại 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 (mm), có thể tăng tuổi thọ của
xécmăng này lên 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.Xécmăng 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:
SVTH :Phạm Hữu Tài
Lớp : LK8LC.1 Đ 12
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án môn học
Khoa :Cơ Khí Động Lưc

Hình 1.7: Kết cấu xéc măng khí

- Loại tiết diện hình chữ nhật(hình 1.7 i): 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.
- Loại có mặt côn
β
(hình 1.7b) 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 piston
đi xuống sẽ có tác dụng như một lưỡi cạo để gạt dầu.
-Loại xécmăng có tiết diện hình thang –vát (hình 1.7 g), có tác dụng giũ muội than
khi xécmăng co bóp do đường kính xylanh không hoàn toàn đồng đều theo phương dọc
trục, do đó 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 1.7.d) dễ chế tạo nhưng dễ lọt khí và sục
dầu qua miệng. Loại vát( hình 1.7.e) có thể khắc phục phần nào nhược điểm trên. Loại bậc
( hình 1.7f) bao kín tốt nhưng khó chế tạo.
SVTH :Phạm Hữu Tài
Lớp : LK8LC.1 Đ 13
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án môn học
Khoa :Cơ Khí Động Lưc

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:
Hình1.8: 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.
Kết cấu của xécmăng dầu như hình vẽ:

Hình 1.9: Kết cấu xéc măng dầu
SVTH :Phạm Hữu Tài
Lớp : LK8LC.1 Đ 14
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án môn học
Khoa :Cơ Khí Động Lưc

- 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 pittông 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.
SVTH :Phạm Hữu Tài
Lớp : LK8LC.1 Đ 15
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án môn học
Khoa :Cơ Khí Động Lưc

PHẦN II
XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CẦN THIẾT
2.1. Thông số ban đầu, thông số chọn và thông số tham khảo của piston, chốt piston
và xéc măng.
Các thông số ban đầu (dựa theo tài liệu tính toán ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG phần II )
stt Thông số ban đầu
Công thức tính toán Kết quả
1 Áp suất khí thể
P =5,97 MPa = 5,97 MN/
2
m
5,97.
6

10
N/
2
m
2 Đường kính piston
D = 120 mm = 120.
3
10
−

m
0,12 m
3 Thông số kết cấu
λ
= R/L=60/255 0,235
4 Cấp chính xác 1/1000
b.Các thông số chọn cơ bản của piston, chốt và xéc măng
Stt Các thông số chọn Công thức tính toán Lựa chọn
1 Chiều dầy đỉnh píton
δ
= (0,1÷0,2)D
024,0012,012,0)2,01,0( ÷=÷=
δ
0,015 m
2 Khoảng cách C từ đỉnh
piston đến xéc măng khí
C =
015,0)21()21(
÷=÷
δ

0,024 m
3 Chiều dầy của phần đầu S = (0,05÷0,1)D = (0,05:0,01)0,12 =
(0,006÷0,012) 0,010 m
4 Chiều cao H của piston H = (1,0÷1,6)D = (1÷1,6)0,12
H = (0,12÷0,192) 0,150 m
5 Vị trí của chốt piston đến
chân pittông
H-h = (0,5÷1,2)D =(0,5÷1,2)0,12
H-h = 0,06÷ 0.144
h = H- 0,04= 0.15- 0.04
0,090 m
0,060 m
6 Đường kính chốt piston
ch
d

= (0,3÷0,45)D = (0,3÷0,45)0,12

ch
d
= 0,036÷0,054
0,038 m
7 Đường kính lỗ trên chốt
0
d
= (0,6÷0,8)
ch
d
= (0,6÷0,8)0,04

0
d
= 0,024÷0,032
0,024 m
8 Đường kính bệ chốt

b
d
= (1,3÷1,6)
ch
d
=(1,3÷1,6)0.04
=0,052:0,064
0,062 m
9 Chiều dày phần thân
1
S
= (0,002÷0,005)
0,004 m
SVTH :Phạm Hữu Tài
Lớp : LK8LC.1 Đ 16
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án môn học
Khoa :Cơ Khí Động Lưc

10 Số xéc măng khí 3
11 Số xéc măng dầu 1
12 Chiều dày hướng kính t
của xéc măng khí
3
10.45,5

22
12,0
22
1
−
=== Dt
0,005 m
13 Chiều cao của xéc măng
khí
a = 3 mm 0,003 m
14 Chiều dày bề rãnh xéc
măng khí
a
2
= 3 mm 0,003 m
15 Chiều cao của xécmăng
dầu
a
2
= 5 mm 0,005 m
SVTH :Phạm Hữu Tài
Lớp : LK8LC.1 Đ 17
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án môn học
Khoa :Cơ Khí Động Lưc

PHẦN III
TÍNH TOÁN, KIỂM NGHIỆM BỀN
Hình2.1:Kích thước các phần của piston
A. 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
z
p
phân bố đều.
- Tính lực khí thể tác dụng lên đỉnh piston.
Sơ đồ tính toán lực như hình 21.
Áp dụng công thức:
pzz
FpP .
=
Trong đó: -
p
F
là diện tích đỉnh piston được tính theo công thức:
4
.
2
D
F
p
π
=

(
2
m
)
Với D là đường kính đỉnh piston, D = 120 (mm) = 0,12(m)
SVTH :Phạm Hữu Tài
Lớp : LK8LC.1 Đ 18
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án môn học
Khoa :Cơ Khí Động Lưc

-
z
p
là áp suất khí thể (Mpa)
Ta có :
0674,0
4
)12,0.(14,3
.97,5
2
==
z
P

(MN)
Hình 3.1: Sơ đồ tính sức bền đỉnh piston
* Trên nửa đỉnh piston có những lực sau đây tác dụng:
- Lực khí thể
2
z

P
. Lực này tác dụng lên trọng tâm của nửa hình tròn cách trục x-x một
đoạn
1
y


0255,0
14,3
12,0
.
3
2
.
3
2
1
===
π
D
y
(m)
- Phản lực của lực khí thể
2
z
P
phân bố trên nửa đường tròn đường kính
i
D
, đặt lên

trọng tâm của nửa đường tròn và cách truc x-x một đoạn
2
y
:

0382,0
14,3
12,0
2
===
π
D
y
(m)
Do đó mô men uốn đỉnh
u
M
: (trang 53/ II)
( )
12
2
yy
P
M
z
u
−=
( )
0004,00255,00382,0
2

0674,0
=−=
(m)
Mô đun chống uốn
u
W
của tiết diện x-x: (trang 53/ II)
SVTH :Phạm Hữu Tài
Lớp : LK8LC.1 Đ 19
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án môn học
Khoa :Cơ Khí Động Lưc


6
22
10.5,4
6
)015,0.(12,0
6
.
−
===
δ
D
W
u
(m
3
)
Do đó ứng suất uốn của đỉnh piston: (10-1/53II)

89,88
10.5,4
0004,0
6
===
−
u
u
u
W
M
σ

)/(
2
mMN
Chọn vật liệu làm piston là nhôm, đỉnh có gân tăng bền nên ta có

[ ]
18025 ÷=
u
σ

)/(
2
mMN
Nhận xét thấy
[ ]
uu
σσ

<
nên đỉnh piston thỏa mãn điều kiện bền.
SVTH :Phạm Hữu Tài
Lớp : LK8LC.1 Đ 20
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án môn học
Khoa :Cơ Khí Động Lưc

B. Tính sức bền đầu piston
Hình 3.2: Sơ đồ tính bền đỉnh 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
II
m
−
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
k
σ
: (10-5/54 II)
Áp dụng công thức:
II
II
II
jI
k
F
jm

F
P
−
−
−
==
max
.
σ

)/(
2
mMN

Trong đó: +
II
m
−
là khối lượng phía trên tiết diện I-I (kg).
+
max
j
là gia tốc lớn nhất của piston (
2
/ sm
)
+
II
F
−

là diện tích tiết diện I-I
)(
2
m
- Tính khối lượng
II
m
−
phía trên tiết diện I-I:
SVTH :Phạm Hữu Tài
Lớp : LK8LC.1 Đ 21
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án môn học
Khoa :Cơ Khí Động Lưc

Áp dụng công thức:
Vm
II
.
γ
=
−
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
3
m
= 2,5.10

3
(kg/m
3
)
+V là thể tích phần đầu piston phía trên mặt cắt I-I : V =
321
VVV −−
Trong đó:
1
V
là thể tích phần đầu piston phía trên mặt cắt I-I coi là đặc

)
2
33(
4
2
1
2
1
a
aaC
D
V +++=
π

⇒
4
2
1

10.03,5)
2
005,0
003,0.3003,0.3024,0(
4
)12,0.(14,3
−
=+++=V

)(
3
m
-
V
2
là thể tích phần rỗng của đầu piston phía trên mặt cắt I-I:
-
)
2
33(
4
2
1
2
2
2
δ
π
−+++=
a

aaCV
d
Trong đó:
d1 = D−2t = 0,12−2.0,0055 = 0,11 (m)
d2 = d1 −2S = 0,11− 2.0,01 = 0,09 (m)

⇒
5
2
2
10.75,18)015,0
2
005,0
003,0.3003,0.3024,0(
4
)09,0.(14,3
−
=−+++=V

)(
3
m
-
3
V
là thể tích phần rãnh xecmăng phía trên mặt cắt I-I:
)(
4
)
2

3(
2
1
2
2
3
dD
a
aV
−+=
π


⇒
522
3
10.08,2)11,012,0(
4
14,3
)
2
005,0
003,0.3(
−
=−+=
V

)(
3
m

Thể tích phần đầu piston là:

55
321
10.47,2910).08,275,183,50(
−−
=−−=−−=⇒
VVVV

)(
3
m
SVTH :Phạm Hữu Tài
Lớp : LK8LC.1 Đ 22
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án môn học
Khoa :Cơ Khí Động Lưc

Khối lượng phần đầu piston là:

73,010.5,2.10.47,29
35
===
−
−
γ
Vm
II

)(kg
* Tính diện tích

II
F
−
của tiết diện I-I:
Áp dụng công thức:

3222
2
2
1
10.14,3)09,011,0(
4
14,3
)(
4
−
−
=−=−= ddF
II
π

)(
2
m
* Tính gia tốc lớn nhất của piston
Áp dụng công thức:

( )
αλαω
2cos.cos.

2
+= RJ
Trong đó: -
λ
là thông số kết cấu:
l
R
=
λ

255
60
=
=0,235
-
ω
là vận tốc góc của piston (rad/s) được xác định theo công thức

)/(157
60
1500.14,3.2
60
2
srad
n
==⇒
=
ω
π
ω

Từ biểu thức tính gia tốc
J
ta nhận thấy
J
đạt giá trị cực đại khi
1cos0
=⇒=
αα
. Khi
đó ta có:

)1(.
2
max
λω
+=
RJ
49,1826)235,01(157.10.60
23
max
=+=
−
J

)/(
2
sm
Ứng suất kéo sinh ra: (10.5/54 II)
296,4
10.14,3

49,1826.73,0
.
3
max
===⇒
−
−
−
II
II
k
F
Jm
σ

)/(
2
mMN

Nhận xét thấy
[ ]
⇒=<=
)/(10)/(296,4
22
mMNmMN
kk
σσ
đầu piston thỏa mãn về sức bền
kéo.
* Ứng suất nén: (10.5/54 II)

Ứng suất nén tiết diện I-I được xác định theo công thức, thay số ta được
46,21
10.14,3
0674,0
3
===
−
−II
z
n
F
P
σ

)/(
2
mMN

Đối với piston làm bằng hợp kim nhôm ta có
n
σ
)/(46,21
2
mMN
=
[ ]
)/(25
2
mMN
nn

=<⇒
σσ
vậy đầu piston thỏa mãn điều kiện chịu nén.
SVTH :Phạm Hữu Tài
Lớp : LK8LC.1 Đ 23
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án môn học
Khoa :Cơ Khí Động Lưc

C. 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.
Áp dụng công thức: (10-7/55 II)
th
th
lD
N
K
.
max
=

MN/m
2
Trong đó: -
th
K
là áp suất tác dụng lên vách xylanh
- D là đường kính xilanh tính theo (m)
-
th

l
là chiều dài thân piston tính theo (m)
-
max
N
là lực ngang cực đại được tính theo sơ đồ hình vẽ sau
103,0)005,0003,0.3003,0.3024,0(15,0
)33(
21
=+++−=⇒
+++−=
th
th
l
aaaCHl

(m)

Hình 2.4: Sơ đồ tính lực ngang lớn nhất

SVTH :Phạm Hữu Tài
Lớp : LK8LC.1 Đ 24
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án môn học
Khoa :Cơ Khí Động Lưc


∑
÷=
PN )3,18,0(
max

(MN)
Trong đó:
jkt
pPP
+=
∑
tính theo đơn vị (atm)

kt
P
là lực khí thể (
kt
P
=P
z
= 0,0674) (MN)

j
p
=(m
1
+m
np
)j (N)
m
1
khối lượng thanh truyền quy dẫn về đầu nhỏ
m
1

= 0,31.m
tt
= 0,31.4,1= 1,27 (kg)
m
np
=3,2 (kg)
Vậy:
j
p
=(1,27 + 3,2).1826,49 = 8164,41(N) = 8,16441 (MN)
Do đó:
23,816441,80674,0(
=+=
∑
P
(atm)

011,0
4
12,0.
4
.
22
===
ππ
D
F
b

041,023,8.005,0)3,18,0(

max
==÷=
∑
PN
(MN)
K
th =
0,041
3,19
0,12.0,107
=
(MN/m
2
)
Nhận xét thấy
th
K
<
[ ]
th
K
=0,3
÷
0,5(MN/m
2
). Vậy thân piston đảm bảo bền.
C. Tính sức bền bệ chốt piston
Đối với bệ chốt piston ta cần tính áp suất nén để kiểm tra xem có đảm bảo điều kiện
bôi trơn không.
Áp suất nén trên bệ chốt piston được xác định theo công thức: (10-8/55 II)

1
2 ld
P
K
ch
z
b
=
(MN/m
2
)
Trong đó: -
ch
d
là đường kính ngoài của chốt piston,
ch
d
= (0,3÷0,45)D (m)
Ta có
)054,0036,0( ÷=
ch
d
chọn d
ch
= 0,04 (m)
-
1
l
là chiều dài bệ chốt tiếp xúc với chốt:

036,0
3
11,0
33
1
1
====
d
l
l
cp

)(m
634,24
036,0.038,0.2
.0674,0
==
b
K
(MN/m
2
)
Đối với chốt lắp tự do, piston làm bằng hợp kim nhôm ta có:
[ ]
3020 ÷=
b
K

)/(
2

mMN
SVTH :Phạm Hữu Tài
Lớp : LK8LC.1 Đ 25