Tính toán và thiết kế ô tô về nhóm piston ( bản vẽ + thuyết minh)

§å ¸n m«n häc:TÝnh to¸n vµ thiÕt kÕ « t«
2.2 Các thông số chọn cơ bản của piston, chốt và xéc măng
Chọn kích thước cơ bản của piston, chốt piston, xéc măng theo bảng 16
/Trang 51[I]
- Chiều dày đỉnh piston:
δ=(0,1÷0,2).D
=(0,1÷0,2).D=(0,1÷0,2).105=10,5 21 (mm)
Chọn =15 (mm)
- Khoảng cách C từ đỉnh piston đến xéc măng khí thứ nhất:
C (1÷2).δ
=(1÷2).15=15 30 (mm)
Chọn =20 (mm)
- Chiều dày S của phần đầu:
S (0,05÷0,1).D
S (0,05÷0,1).105=5,25 10,5 (mm)
Chọn =10,5 (mm)
- Chiều cao H của piston:
H (1,0÷1,6).D
H (1,0÷1,6).105=105 168 (mm)
Chọn H=125 (mm)
- Vị trí của chốt piston (đến chân piston H-h:
H-h (0,5 1,2).D
H-h (0,5 1,2).105=52,5 126 (mm)
Chọn -h=55 (mm)
 h=70 (mm)
- Đường kích chốt piston d
cp
:
d
cp
(0,3÷0,45).D

GVHD: Khæng V¨n Nguyªn Trang 18
SVTH: TrÇn Quang Nguyªn
§å ¸n m«n häc:TÝnh to¸n vµ thiÕt kÕ « t«
(0,3÷0,45).105=31,5 47,25 (mm)
Chọn d
cp
=35 (mm)
- Đường kính bệ chốt d
b
:
d
b
=(1,3÷1,6).d
cp
d
b
=(1,3÷1,6).35=45,5 56 (mm)
Chọn d
b
=46 (mm)
- Đường kính lỗ chốt d
0
d
0
=(0,6÷0,8).d
ch
d
0
=(0,6÷0,8).35=21 28 (mm)
Để đảm bảo điều kiện bền chọn d

0
=14 (mm)
- Chiều dày phần thân s
1
:
s
1
=(2 5) (mm)
Chọn s
1
=5 (mm)
- Số xéc măng khí:
=3 4
Chọn số xéc măng khí =3
- Chiều dày hướng kính t của xéc măng khí:
t= D
= 105=4,77 4,2 (mm)
Chọn t=4,2 (mm)
- Chiều cao a của xéc măng khí:
a=2,2 4 (mm)
Chọn a=2,5 (mm)
- Số xéc măng dầu:
=1 3
Chọn số xéc măng dầu =1
- Chiều dày bờ rãnh xéc măng a
1
:
a
1
a

GVHD: Khæng V¨n Nguyªn Trang 19
SVTH: TrÇn Quang Nguyªn
§å ¸n m«n häc:TÝnh to¸n vµ thiÕt kÕ « t«
Chọn a
1
=2,5mm
- Chiều dài chốt piston l
cp
:
l
cp
=(0,8 0,9)D
=(0,8 0,9)105=84 94,5 (mm)
Chọn chiều dài chốt piston l
cp
=90 (mm)
- Chiều dài đầu nhỏ thanh truyền l
đ
:
l
đ
=(0,33 0,45)D
=(0,33 0,45)105=34,65 47,25 (mm)
Chọn chiều dài đầu nhỏ thanh truyền l
đ
=35 (mm)
GVHD: Khæng V¨n Nguyªn Trang 20
SVTH: TrÇn Quang Nguyªn
Đồ án môn học:Tính toán và thiết kế ô tô
Bng thụng s kớch thc c bnca piston, cht piston, xộc mng

STT Thụng s Ký hiu Giỏ tr n v
1
Chiu dy nh piston
15 mm
2 Khong cỏch t nh piston n xộc
mng khớ th nht
C 20 mm
3 Chiu dy ca phn u S 10,5 mm
4 Chiu cao ca piston H 125 mm
5 V trớ ca cht piston (n chõn piston ) H-h 55 mm
6 ng kớch cht piston d
cp
35 mm
7 ng kớnh b cht d
b
46 mm
8 ng kớnh l cht d
0
14 mm
9 Chiu dy phn thõn s
1
5 mm
10 S xộc mng khớ 3
11 Chiu cao ca xộc mng khớ a 2,5 mm
12 Chiu dy hng kớnh ca xộc mng khớ t 4,2 mm
13 S xộc mng du 1
14 Chiu dy b rónh xộc mng a
1
2,5 mm
15 Chiu cao ca xộc mng du a

2
5 mm
16 Chiu di cht piston l
cp
90 mm
17 Chiu di u nh thanh truyn l

35 mm
Phn 3
Tớnh toỏn kim nghim bn nhúm piston
GVHD: Khổng Văn Nguyên Trang 21
SVTH: Trần Quang Nguyên
Đồ án môn học:Tính toán và thiết kế ô tô
3.1. Tớnh kim nghim piston
3.1.1. Tớnh kim nghim bn nh piston
Trong thc th vic kim nghim chớnh xỏc nh piston khỏ khú khn.
n gin trong tớnh toỏn ta kim nghim nh piston vi nhng gi thit nht nh.
p dng cụng thc Back kim nghim cho piston vi gi thit:
-Coi nh piston mt a trũn cú chiu dy ng u t t do trờn mt tr
rng
-Coi ỏp sut khớ th p
z
phõn b u trờn nh (hỡnh ).
Lc khớ th P
z
=p
z
.F
p
v phn lc ca nú gõy un nh piston ti tit din x-x

Tớnh lc khớ th ln nht tỏc dng lờn piston:
P
zmax
=p
zmax
.F
p
Trong ú: p
zmax
- ỏp sut khớ th ln nht
F
p
-din tớch nh piston,c tớnh theo cụng thc :
=> lc khớ th ln nht tỏc dng lờn piston:
P
zmax
= p
zmax
.
=8,1. =0,07 01 (MN/m
2
)
*Trờn na piston cú nhng lc tỏc dng sau õy:
GVHD: Khổng Văn Nguyên Trang 22
SVTH: Trần Quang Nguyên
§å ¸n m«n häc:TÝnh to¸n vµ thiÕt kÕ « t«
-Lực khí thể .Lực này tác dụng lên trong tâm của nửa hình tròn các trục
x-x một đoạn : 0,0223 (m)
-Phản lực khí thể phân bố trên nử đường tròn đường kính D
i

,cũng có trị
số bằng ,tác dụng tại trong tâm của nửa đường tròn,cách trục x-x một đoạn
Coi D
i
xấp xỉ bằng D ta có:
0,0034 (m)
Do đó đỉnh chịu mô men uốn:
GVHD: Khæng V¨n Nguyªn Trang 23
SVTH: TrÇn Quang Nguyªn
§å ¸n m«n häc:TÝnh to¸n vµ thiÕt kÕ « t«
3,9070.10
-4
(MN.m)
Mô đun chống uốn của đỉnh :
(m
3
)
Ứng suất uốn của đỉnh piston:
99,2250 (MN/m
2
)
Với piston gang đỉnh có gân: [σ
u
] 90 200 (MN/m
2
)
Ta có σ
u
=99,2250 MN/m
2

<[σ
u
]
Vậy đỉnh piston đảm bảo điều kiện bền
3.1.2.Tính kiểm nghiệm bền đầu piston
GVHD: Khæng V¨n Nguyªn Trang 24
SVTH: TrÇn Quang Nguyªn
§å ¸n m«n häc:TÝnh to¸n vµ thiÕt kÕ « t«
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
:
Theo công thức 10-5/Trang 54 [I] ta có
(MN/m
2
)

Trong đó: m
I-I
là khối lượng phía trên tiết diện I-I (kg)
j

max
là gia tốc lớn nhất của piston (m/s
2
)
F
I-I
là diện tích tiết diện I-I (m
2
)
Tính khối lượng m
I-I
phía trên tiết diện I-I:
Áp dụng công thức:
m
I-I
= .V
Trong đó:

γ
là khối lượng riêng vật liệu làm piston, với piston làm bằng nhôm ta chọn
GVHD: Khæng V¨n Nguyªn Trang 25
SVTH: TrÇn Quang Nguyªn
§å ¸n m«n häc:TÝnh to¸n vµ thiÕt kÕ « t«
γ
= 7 kg/d
3
m
= 7.
3
10

(kg/
3
m
)
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

10.2038,3)
2
004,0
0025,0.30025,0.302,0(
4
)105,0.(14,3
−
=+++=V

)(
3
m

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

0966,00042,0.2105,02
1
=−=−=
tDd
(m)

0756,00105,0.2105,02
12
=−=−=
Sdd
(m)

)

2
33(
4
.
2
1
2
2
2
δ
π
−+++=
a
aaC
d
V

5
2
2
10.8754,9)015,0
2
004,0
0025,0.30025,0.302,0(
4
)0756,0.(14,3
−
=−+++=⇒ V
)(
3

m

3
V
là thể tích phần rãnh xecmăng phía trên mặt cắt I-I

(m
3
)
(m
3
)
Thể tích phần đầu piston là:
V=V
1
- V
1
- V
1

=3,2038.10
-4
-9,8754.10
-5
- =2,0899.10
-4
(m
3
)
Khối lượng phần đầu piston là:

m
I-I
= .V (kg)
=7.10
3
. 2,0899.10
-4
=1,463 (kg)
Tính diện tích
II
F
−
của tiết diện I-I
Áp dụng công thức:
0028,0)0756,00966,0(
4
14,3
)(
4
222
2
2
1
=−=−=
−
ddF
II
π

)(

2
m
Tính gia tốc lớn nhất của piston
Áp dụng công thức:
( )
αλαω
2cos.cos.
2
+= RJ
Trong đó:
R là bán kính quay của trục khuỷu (mm), R = 0.13/2 =0,0650 (m)
GVHD: Khæng V¨n Nguyªn Trang 26
SVTH: TrÇn Quang Nguyªn
§å ¸n m«n häc:TÝnh to¸n vµ thiÕt kÕ « t«
l=0,22

λ
là thông số kết cấu: λ=R/l =0,0650/0,22=0,2955(m)
ω
là vận tốc góc của pittông (rad/s) được xác định theo công thức

)/(8554,240
60
2300.14,3.2
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
8,4884)2955,01(8554,240.0,0650
2
max
=+=
J

)/(
2
sm
Ứng suất kéo sinh ra áp dụng theeo công thức 10.5(I)

2516200

0028,0
8,4884.463,1
.
max
===⇒
−
−
II
II
k
F
Jm
σ
(N/m
2
)
Nhận xét thấy
[ ]
⇒=<=
)/(10)/(5162,2
22
mMNmMN
kk
σσ
đầu piston thỏa mãn về sức
bền kéo.
Ứng suất nén:
Ứng suất nén tiết diện I-I được xác định theo công thức 10.6(I)

6951,24

0028,0
0701.0
.
===
−II
z
n
F
P
σ
(MN/m
2
)
Đối với piston làm bằng gang ta có
n
σ
)/(6951,24
2
mMN=
[ ]
)/(25
2
mMN
nn
=<⇒
σσ

vậy đầu piston thỏa mãn điều kiện chịu nén.
3.2.3 Tính sức bền thân piston
Để kiểm tra xem thân piston có đảm bảo bền không ta cần phải tính được áp suất

nén của thân piston lên vách xylanh sau đó so sánh với áp suất nén cho phép.
Áp dụng công thức: (10-7/55 I)

)/(,
.
2
max
mMN
lD
N
K
th
th
=
Trong đó:
th
K
là áp suất tác dụng lên vách xylanh

th
l
là chiều dài thân piston
0860,0)004,00025,0.30025,0.3020,0(125,0
)33(
21
=+++−=⇒
+++−=
th
th
l

aaaCHl
. (m)
max
N
là lực ngang cực đại được tính theo công thức
N
max
=(0,8 1,3)P
zmax
.F
p
, (MN)
Chọn N
max
=1,3. P
zmax
.F
p
=1,3.0.0701.0.0087
GVHD: Khæng V¨n Nguyªn Trang 27
SVTH: TrÇn Quang Nguyªn
Đồ án môn học:Tính toán và thiết kế ô tô
=0,0316MN
(MN/m
2
)
Nhn xột thy
th
K
<

[ ]
th
K
= 0,3 0,5. Vy thõn Piston m bo bn.
3.1.4. Tớnh sc bn b cht piston
i vi b cht Piston ta cn tớnh ỏp sut nộn kim tra xem cú m bo iu
kin bụi trn khụng.
p sut nộn trờn b cht Piston c xỏc nh theo cụng thc: 10-8 (I)

1
2 ld
P
K
ch
z
b
=

(MN/m
2
)
Trong ú:

ch
d
l ng kớnh ngoi ca cht Piston,
ch
d
= 0,035 (m)

1
l
l chiu di b cht tip xỳc vi cht:
03,0
3
09,0
3
1
===
cp
l
l
(m)

3991,33
03,0.035,0.2
0701.0
==
b
K
(MN/m
2
)
i vi cht lp c nh, Piston lm gang ta cú[K
b
]=20 40 (MN/m
2
)
nhn xột thy
[ ]

<=
bb
KmMNK
)2
/(3991,33
b cht Piston m bo bn.
3.1.5. Tớnh khe h gia piston v xylanh
Núi chung khe h liờn quan rt nhiu n kh nng truyn dn nhit qua vỏch
xylanh.
Nu coi nhit trung bỡnh ca xylanh l
0
100
C thỡ khe h lp rỏp Piston phi la
chn sao cho nh ca Piston khụng vt quỏ 300
0
C i vi ụng c xng.
Khe h núng khi Piston trng thỏi lm vic xỏc nh theo cụng thc kinh nghim
sau õy:
D.


=


Trong ú :



l khe h tng i ca Piston
khe h gia Piston v xylanh phn nh Piston

0025,0002,0 ữ=




4
10.1,2105,0.002,0.

==

=

D


(m)
khe h gia Piston v xylanh phn thõn Piston
0015,0001,0 ữ=

th


4
10.05,1105,0.001,0.

==

=

D

thth

(m)
GVHD: Khổng Văn Nguyên Trang 28
SVTH: Trần Quang Nguyên
§å ¸n m«n häc:TÝnh to¸n vµ thiÕt kÕ « t«
3.2. Tính kiểm nghiệm chốt piston
Chốt piston làm việc trong trạng thái chịu uốn, chịu cắt, chịu va đập và biến
dạng. Trạng thái chịu lực của chốt trên theo sơ đồ hình
3.2.1. Ứng suất uốn
Nếu coi chốt piston như một dầm đặt tự do trên hai gối đỡ, lực tác dụng có
thể phân bố theo hình 3.4.
Khi chịu lực khí thể, chốt bị uốn lớn nhất ở tiết diện giữa chốt. Mômen uốn
chốt có thể xác định theo công thức
GVHD: Khæng V¨n Nguyªn Trang 29
SVTH: TrÇn Quang Nguyªn
§å ¸n m«n häc:TÝnh to¸n vµ thiÕt kÕ « t«

Mô dun chống uốn của tiết diện chốt piston bằng:
0,1d
cp
3
(1-α
4
) (m
3
)
Trong đó:
l - Khoảng cách giữa hai gối đỡ. m
l

đ
- Chiều dày đầu nhỏ thanh truyền. m
d
cp
- Đường kính chốt piston. m
d
0
- Đường kính lỗ rỗng của chốt m
Nếu coi chiều dài chốt piston l
cp
3l
1
và l
1
l
đ
thì ứng suất uốn có thể tính theo công
thức 10-11/Trang 63 [I]

150,3970 (MN/m
2
)
Với chốt piston làm bằng vật liệu thép hợp kim có [σ
u
]=150 250 (MN/m
2
)
Ta có σ
u
=150,3970(MN/m

2
)< [σ
u
]
Vậy chốt piston đảm bảo điều kiện bền uốn
3.2.2. Ứng suất cắt
Chốt piston chịu cắt ở tiết diện I-I Ứng suất cắt xác định theo công thức 10-
15/Trang63 (I)
(MN/m
2
)
GVHD: Khæng V¨n Nguyªn Trang 30
SVTH: TrÇn Quang Nguyªn
§å ¸n m«n häc:TÝnh to¸n vµ thiÕt kÕ « t«
Trong đó F
cp
là tiết diện ngang của chốt ,m

9,6211.10
-4
(m

)
36,45 (MN/m
2
)
Với chốt piston làm bằng vật liệu thép hợp kim ta có [
u
]=50 60 (MN/m
2

)
Ta có:
u
=36,45MN/m
2
<[
u
] Vậy chốt piston đảm bảo điều kiện bền cắt
3.2.3. Áp suất tiếp xúc với đầu nhỏ thanh truyền
Áp dụng công thức 10-17/Trang 63 (I)
22,26 (MN/m
2
)
Đối với chốt lắp tự do [K
đ
]=20-35MN/m
2
K
đ
< [K
đ
] Vậy áp suất tiếp xúc thỏa mãn điều kiện
3.2.4. Độ biến dạng tương đối
Khi chịu lực do chốt rỗng,thường bị biến dạng hình ôvan.Nếu độ biến dạng lớn có
thể gây bó kẹt.
Độ biến dạng trên tiết diện ngang tính theo công thức 10-18/Trang64 (I)

Trong đó:
k-Hệ số hiệu đính xác định theo
GVHD: Khæng V¨n Nguyªn Trang 31

SVTH: TrÇn Quang Nguyªn
§å ¸n m«n häc:TÝnh to¸n vµ thiÕt kÕ « t«
k=[1,5-15( -0,4)
3
]
k=1,5
E-Môđun đàn hồi của thép ; E=2.10
5
MN/m
2
.1,5
6,6826.10
-6
(MN/m
2
)
Độ biến dạng tương đối tính theoo công thức 10-19/Trang 64 [I]

3.2.5. Ứng suất biến dạng

Do sự biến dạng thành hình ô van nên trong tiết diện piston sản sinh ứng suất biến
dạng Trên các điểm 1,2,3,4 có ứng suất lớn nhất
GVHD: Khæng V¨n Nguyªn Trang 32
SVTH: TrÇn Quang Nguyªn
Đồ án môn học:Tính toán và thiết kế ô tô
ng sut bin dng c tớnh theo cụng thc 10-20, 10-21, 10-22, 10-23/Trang 64,
65 [I]
Ti im 1 ca mt ngoaig ( =0 ) ng sut kộo :
Ti im 3 ca mt ngoi ( =90 ) ng sut nộn :

Ti im 2 ca mt trong ( =0 ) ng sut nộn :
)
Ti im 4 ca mt trong ( =90 ) ng sut kộo :

Ta cú :[
max
]= 60 170 MN/m
2
GVHD: Khổng Văn Nguyên Trang 33
SVTH: Trần Quang Nguyên
§å ¸n m«n häc:TÝnh to¸n vµ thiÕt kÕ « t«
Theo tính toản ở điểm 2 có ứng suất nén lớn nhất và điểm 4 có ứng suất kéo lớn
nhất
σ
max
= MN/m
2
<[σ
max
]=170 MN/m
2
Vậy chốt piston đảm bảo điều kiền biến dạng
3.3. Tính kiểm nghiệm xecmăng
Kích thước xéc măng khí có liên quan mật thiết với ứng suất của xéc măng là chiều
dày t
Chiều dày xéc măng t được chuẩn hóa.Có thể xác định trong phạm vi :
D/t=20 40 và A/t=2,5 4
Trong đó : D- đường kính xylanh
A-độ hở miệng xéc măng ở trạng thái tự do
D=0,105m ; t=0,0042 => D/t=25

Chọn A/t=3,với t=4,2mm => A=12,6 mm=0,0126m
3.3.1 Ứng suất uốn xéc măng ở trạng thái làm việc
Theo công thức 10-35/Tr77 [I] ta có:
GVHD: Khæng V¨n Nguyªn Trang 34
SVTH: TrÇn Quang Nguyªn
§å ¸n m«n häc:TÝnh to¸n vµ thiÕt kÕ « t«
(Mn/m
2
)

Trong đó:
C
m
-hệ số phân bố áp suất không đẳng áp,C
m
=1,74-1,87;chọn C
m
=1,8
ξ – Hệ số điều chỉnh ξ =0,196
E-mô đun đàn hồi của gang hợp kim E=1,20.10
5
MN/m
2
=> =245,2031 (MN/m
2
)
σ
u1
=245,2031 MN/m
2

<[ σ
u1
]=300 400MN/m
2
3.3.2. Ứng suất uốn xéc măng khi nắp vào piston
Theo công thức 10-36/Tr77 [I] ta có:

Trong đó:
m-hệ số lắp ghép
m=1 nếu lắp bằng tay
m=2 nếu lắp bằng kìm chuyên dùng
m=3 nếu lắp bằng 3 tấm đệm

(MN/m
2
)
σ
u2
= MN/m
2
<[ σ
u2
]=400 450MN/m
2
3.3.3. Ứng suất gia công phôi xéc măng:
GVHD: Khæng V¨n Nguyªn Trang 35
SVTH: TrÇn Quang Nguyªn
§å ¸n m«n häc:TÝnh to¸n vµ thiÕt kÕ « t«
σ
u3

=(1,25 1,3)σ
u1
(MN/m
2
)
Chọn σ
u3
=1,25σ
u1
=306,5038 (MN/m
2
)
σ
u3
=306,5038MN/m
2
<[ σ
u3
]=400MN/m
2
3.3.4. Áp suất bình quân trên mặt xéc măng tác dụng lên mặt xy lanh
Theo công thức 10-37/Tr77 [I] ta có:


0.1579 (MN/m
2
)
3.3.5. Quy luật phân bố áp suất không đẳng áp của xéc măng
Dạng đường cong áp suất p= p
tb

có thể xác định theo hệ sô
GVHD: Khæng V¨n Nguyªn Trang 36
SVTH: TrÇn Quang Nguyªn