Đồ án Thiết kế máy 2021 Bơm bánh răng bôi trơn động cơ Audi 2.0

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Viện Cơ khí động lực

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MÁY
Đề 2021.NDT08: Thiết kế hệ thống dẫn động bơm dầu bôi trơn động cơ Audi 2.0

Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Duy Tiến

Họ và tên
BÙI ĐÌNH TRÍ

MSSV
20185926
Hà Nội, 7/2021

Mã lớp
705801


MỤC LỤC
Lời nói đầu......................................................................................................................... 1
CHƯƠNG I. TÍNH TỐN HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG BƠM DẦU BÔI TRƠN..........14
2.1.3. Xác định momen xoắn trên 2 trục.................................................................15
2.3. Tính tốn thiết kế trục chủ động của bơm dầu...................................................22
2.3.1. Chọn vật liệu....................................................................................................22
2.3.2. Xác định tải trọng tác dụng lên trục..............................................................23
2.3.3. Xác định đường kính trục sơ bộ.....................................................................23
2.3.4. Xác định khoảng cách giữa các gối đỡ và điểm đặt lực................................24
2.3.5. Xác định đường kính và chiều dài các đoạn trục..........................................26
2.3.6. Tính kiểm nghiệm trục về độ bền mỏi...........................................................29
2.3.7. Kiểm nghiệm trục về độ bền tĩnh...................................................................32

2.4. Tính tốn mối ghép then.......................................................................................33
2.5. Tính tốn thiết kế ổ...............................................................................................34
2.5.1. Chọn vật liệu lót ổ...........................................................................................34
2.5.2. Chọn các thơng số kết cấu..............................................................................34
2.5.3. Tính kiểm nghiệm ổ........................................................................................35
2.6.2. Lắp ghép trục - ổ trượt...................................................................................39
KẾT LUẬN...................................................................................................................... 40
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................................40


Lời nói đầu
Đồ án Thiết kế máy là một mơn học quan trọng đối với sinh viên ngành Cơ khí. Môn
học giúp sinh viên tổng hợp, xâu chuỗi, vận dụng những kiến thức đã học trong các môn
học trước như: Nguyên lý máy, Chi tiết máy, Dung sai và kĩ thuật đo, Đồ hoạ kĩ thuật,…để
hoàn thành đồ án. Hơn nữa, mơn học giúp sinh viên có cái nhìn thực tế q trình tính tốn
thiết kế ra một sản phẩm máy. Trong q trình hồn thành đồ án, mơn học cũng giúp sinh
viên rèn luyện kĩ năng trong việc sử dụng các phần mềm thiết kế cơ khí như AutoCad,
SolidWorks, NX,…Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, các phần mềm ngày
càng hiện đại, giúp cho quá trình tính tốn thiết kế trở lên nhanh chóng và chính xác hơn.
Em xin chân thành cảm ơn thầy ThS Nguyễn Duy Tiến cùng các quý thầy cô khác đã
chỉ dẫn tận tình em trong quá trình thực hiện đồ án. Do đây là bản thiết kế kĩ thuật đầu tiên,
với sự hiểu biết còn hạn chế nên dù đã cố gắng tham khảo tài liệu và bài giảng song bài
làm khơng thể tránh khỏi thiếu sót. Em kính mong được sự hướng dẫn và chỉ bảo tận tình
của các thầy cô để giúp sinh viên ngày càng tiến bộ hơn.
Sinh viên thực hiện
Bùi Đình Trí

1

CHƯƠNG I. TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG BƠI TRƠN CỦA ĐỘNG CƠ ĐỐT
TRONG NÓI CHUNG VÀ ĐỘNG CƠ AUDI 2.0 NĨI RIÊNG
1.1. Tổng quan về hệ thống bơi trơn trên động cơ đốt trong
1.1.1. Nhiệm vụ của hệ thống bôi trơn
- Bơi trơn bề mặt có chuyển động trượt giữa cá chi tiết nhằm giảm ma sát do đó giảm mài
mòn – tang tuổi thọ cho chi tiết.
- Làm sạch bề mặt của các chi tiết. Trong quá trình làm việc, bề mặt các chi tiết ma sát
với nhau tạo ra các mạt sát. Nếu chi tiết không được làm sạch các mạt sắt có thể gây
xước bề mặt chi tiết. Dầu bôi trơn sẽ cuốn trôi mạt sắt sau đó được giữ lại ở phần tử lọc
và ốc xả dầu có từ tính ở đáy cacte.
- Làm mát một số chi tiết. Dầu bôi trơn được dẫn tới các chi tiết có nhiệt độ cao nhằm tản
nhiệt cho chi tiết đó. Chính vì vậy mà dầu bơi trơn bị nóng và cần phải có cơ cấu làm
mát cho dầu bơi trơn.
- Bao kín khe hở. Dầu làm kín khe hở giữa các chi tiết piston – xylanh – xec măng tránh
lọt khí từ buồng cháy xuống cacte.
- Chống oxy hóa (kết gỉ). Nhờ những chất phụ gia trong dầu mà dầu có chức năng chống
oxy hóa.
- Giảm thời gian chạy rà. Sau khi gia công, các chi tiết đều có chất lượng bề mặt nhất
định. Chúng là hậu quả của các tác động hố lý trong q trình gia cơng để lại. Do đặc
điểm này tình trạng tiếp xúc ban đầu giữa hai bề mặt lắp nghép với nhau chưa thể hồn
hảo, diện tích tiếp xúc thực khá thấp, dẫn đến áp suất phân bố tại các điểm tiếp xúc đó
cao hơn nhiều so với áp suất trung bình, độ kín khít bị giảm đồng thời khả năng truyền
nhiệt cũng bị giảm đi rất mạnh. Vì vậy để tạo điều kiện cho cặp chi tiết ma sát bước vào
giai đoạn làm việc chính thức cần có thời kỳ chuyển tiếp gọi là chạy rà sau khi lắp ráp
hoặc sửa chữa, nhằm cải thiện chất lượng bề mặt theo hướng san phẳng các nhấp nhơ,
làm tăng diện tích tiếp xúc thực.
1.1.2. Thông số dầu bôi trơn
1.1.2.1. Chỉ số SAE
Đây là chỉ số phân loại dầu theo độ nhớt của hiệp hội kỹ sư ô tô Hoa Kỳ (Society of
Automobile Engineers) ban hành tháng 6 – 1989. Chỉ số độ nhớt SAE được chia làm hai

loại là độ nhớt đơn cấp (SAE – 40; SAE – 50; SAE – 10W; SAE – 15W) và độ nhớt đa cấp
(SAE – 15W/40; SAE – 10W/40). Chỉ số càng lớn nghĩa là độ nhớt càng cao.
Loại đơn cấp là loại chỉ có một chỉ số độ nhớt. Ví dụ: SAE – 40; SAE – 10W… Độ
nhớt thường giảm nhanh theo nhiệt độ dầu. Cấp độ nhớt có chữ W (Winer) dựa trên cơ sở
độ nhớt ở nhiệt độ thấp tối đa (nhiệt độ khởi động từ -30 đến -5 oC) còn cấp độ nhớt khơng
có chữ W dựa trên cơ sở độ nhớt ở nhiệt độ cao.
Loại đa cấp là loại có hai chỉ số độ nhớt (SAE – 20W/50; SAE – 10W/40…) Ví dụ:
SAE – 20W/50 ở nhiệt độ thấp có cấp độ nhớt giống như loại đơn cấp SAE – 20W còn ở
2


nhiệt độ cao cấp độ nhớt giống loại đơn cấp SAE – 50. Dầu có chỉ số độ nhớt đa cấp cáo
pham vi nhiệt đô môi trường sử dụng rộng hơn loại đơn cấp.
1.1.2.2. Chỉ số API
API là chỉ số đánh giá chất lượng dầu nhớt của Viện hóa dầu Hoa Kỳ (American
Petroleum Institute). Chỉ số API cho biết cấp chất lượng dầu nhớt khác nhau theo chủng
loại động cơ. Người ta phân thành hai loại.
Dầu chuyên dụng là loại dầu chỉ dùng cho một trong hai loại động có là xăng hay
diesel. Vi dụ, hai loại dầu API - SH và API - CE chữ số thứ nhất sau dấu “-” chỉ loại động
có sử dụng dầu: S cho động có xâng cịn C cho động có diesel; chữ số thứ hai chi cấp chất
lượng tăng đàn theo thứ tự chữ cái (al- phabet).
Dầu đa dụng là loại dầu bơi tron có thể dùng cho cả động có xăng và dicsel. Vi dụ, dầu
có chi số API- SG/CD có nghĩa dùng cho động co xăng với cấp chất lượng G cịn dùng cho
động có diesel với cấp chất lượng D. Chỉ số cho động cơ nào (S hay C) viết trước dấu “/”
có nghĩa ưu tiên dùng cho động cơ đó. Dối với ví dụ này, dầu ưu tiên dùng cho động có
xăng.
1.1.3. Các loại hệ thống bơi trơn
1.1.3.1. Bôi trơn vung té
Khi động cơ làm việc các chi tiết chuyển động
như trục khuỷu, thanh truyền sẽ vung té dầu ở cacte

lên các bề mặt chi tiết cần bôi trơn. Ngoài ra một
phần dầu vung té ở dạng sương mù sẽ rơi vào hay
đọng bám vào kết cấu hứng dầu. Ở một số động cơ
thanh truyền còn được chế tạo thêm chi tiết gáo múc
dầu để vung té được nhiều dầu hơn. Đây là phương
pháp bôi trơn đơn giản tuy nhiên khơng đảm bảo bơi
trơn an tồn cho động cơ vì khó đảm bảo đủ lưu
lượng dầu bơi trơn cho các bề mặt chi tiết. Đồng thời
nó chỉ bơi trơn được các chi tiết tiếp xúc trực tiếp
Hình 1-1. Bơi trơn vung té
với khoang cacte. Vì vậy mà kiểu bôi trơn vung té
chỉ là kiểu bôi trơn phụ trong hệ thống bôi của động cơ đốt trong.
1.1.3.2. Bôi trơn bằng dầu pha trong nhiên liệu
Phương pháp này chỉ được sử dụng cho động cơ xăng hai kỳ. Dầu được pha với xăng
theo một tỉ lệ nhất định từ 1/20 đến 1/25. Dầu được pha cùng nhiên liệu như vậy có rất
nhiều khuyết điểm. Khuyết điểm lớn nhất là dầu bị đốt cùng nhiên liệu sẽ xuất hiện muội
than và thải ra ngồi mơi trường gây ơ nhiễm mơi trường. Động cơ hai kỳ có nhiều khuyết
điểm về tiết kiệm nhiên liệu, ô nhiễm môi trường so với động cơ 4 kỳ nên nó khơng cịn
được sử dụng rộng rãi, chỉ sử dụng trên động cơ tàu thuỷ, vì thế mà kiểu bơi trơn pha cùng
nhiên liệu cũng khơng cịn sử dụng nữa.
3


1.1.3.3. Bôi trơn cưỡng bức
Hầu hết các động cơ đốt trong ngày nay đều sử dụng phương pháp bôi trơn cưỡng bức.
Dầu trong hệ thống bôi trơn được bơm đẩy đến các bề mặt ma sát với áp suất nhất định do
đó hồn tồn có thể đủ lưu lượng để đảm bảo bôi trơn, làm mát rửa sạch.
Hệ thống bôi trơn cưỡng bức được phân thành hai loại là bôi trơn cacte ướt và bôi trơn
cacte khô.
a. Hệ thống bôi trơn cacte ướt

Bơm dầu được dẫn động từ trục khuỷu bằng bộ truyền bánh răng. Dầu trong cacte
được hút vào bơm qua phao hút dầu. Phao hút dầu có lưới chắn để lọc sơ bộ những tạp chất
có kích thước lớn. Ngồi ra, phao có khớp tùy động nên ln ln nổi trên mặt thống để
hút được dầu, kể cả khi ĐC bị nghiêng. Sau bơm, dầu có áp suất cao (có thể đến 10
kG/cm2) chia thành hai nhánh.

1. Cácte dầu
2. Phao hút dầu
3. Bơm
4. Van an toàn bơm dầu
5. Bầu lọc thơ
6. Van an tồn lọc dầu
7. Đồng hồ báo áp suất dầu

Hình 1-2. Hệ thống bơi trơn cacte ướt
9. Đường dầu bôi trơn trục khuỷu
10. Đường dầu bôi trơn trục cam
11. Bầu lọc tinh
12. Két làm mát dầu
13. Van khống chế lưu lượng dầu qua két làm mát
14. Đồng hồ báo nhiệt độ dầu
15. Nắp rót dầu
4


8. Đường dầu chính

16. Que (thước) thăm dầu

Một nhánh đến két làm mát, tại đây dầu được làm mát rồi trở về cacte. Nhưng không

phải tất cả dầu đều qua két làm mát, chỉ có dầu nóng mới được làm mát. Vì dầu bơi trơn
hoạt động tốt nhất ở nhiệt độ cũng khơng q nóng cũng khơng q lạnh, nếu tất cả dầu
đều được đi làm mát thì sẽ khơng bao giờ dầu làm việc ở trạng thái tốt nhất. Việc chỉ cho
dầu nóng đi qua kết làm mát đều nhờ van khống chế lưu lượng dầu. Khi động cơ mới khởi
động, dầu vẫn còn nguội, độ nhớt cao nên dầu khó đi qua két làm mát. Lúc này áp suất
trước van khống chế lưu lượng dầu lớn dẫn đến van được mở, dầu quay chở lại cate. Còn
khi nhiệt độ dầu tăng lên khoảng 80 ˚C, độ nhớt giảm, van khống chế lưu lượng dầu sẽ
đóng hồn tồn để dầu đi qua két làm mát.
Một nhánh tiếp theo dầu đi qua bầu lọc thơ đến đường dầu chính. Từ đường dầu chính,
dầu theo các đường nhánh đi bơi trơn trục khuỷu, thanh truyền, trục cam… sau đó quay trở
lại cacte. Một lượng dầu nhỏ khoảng 15 - 20% lượng dầu đi đến bầu lọc tinh rồi mới quay
về cacte.
Lọc thô lọc các cặn bẩn cỡ milimet, lọc tinh lọc cặn cỡ micromet. Các phần tử lọc của
lọc tinh rất nhỏ nên tổn thất lớn dầu đi qua bị giảm áp. Vì vậy mà lọc tinh khơng đực đặt
ngay sau bơm tránh việc không cung cấp đủ áp suất dầu cho hệ thống bơi trơn, ngồi ra
chất lược dầu sau khi qua lọc thô cũng dduur đảm bảo để đi bôi trơn các chi tiết. Lọc tinh
chỉ là hệ thống lọc phụ nhằm cải thiện dầu bôi trởn nên tốt hơn.
Van an tồn của bơm (hay cịn gọi là van điều áp) có nhiệm vũ giữ cho áp suất dầu sau
bơn ở một mức độ ổn định. Nếu lượng dầu quá lớn – thừa thì van này sẽ mở để lượng dầu
thừa quay trở lại đường trước bơm.
Van an toàn bầu lọc thô hoạt động khi bầu lọc thô bị tắc. Dầu sẽ không đi vào bầu lọc
nữa mà lúc này van an toàn sẽ mở để lượng dầu đi trực tiếp vào đường dầu chính.
Các van an tồn lắp trên hệ thống bơi trơn đều có mục đính chung là điều chỉnh áp suất
ở mức độ phù hợp. Nếu áp suất quá cao sẽ rất hại cho máy, có thể dẫn đến hỏng cá joong,
phớt làm kín.
Khi động cơ làm việc với hệ thống bôi trơn này, dầu sẽ bị hao hụt do bay hơi và các
nguyên nhân khác nên phải thường xuyên kiểm tra lượng dầu trong cacte bằng thước thăm
dầu. Khi dầu ở vạch dưới MIN, phải bổ sung hoặc thay dầu.
Bơi trơn cacte khơ có cấu tạo đơ giản, gọn gàng. Tuy nhiên do toàn bộ dầu đều chứa
trong cacte nên chiều cao của động cơ tăng lên. Ngồi ra dầu ln tiếp xúc với khí cháy ở

nhiệt độ cao do lọt khí làm giảm tuổi thọ của dầu.
b. Hệ thống bôi trơn cacte khô

5


Hệ thống bôi trơn cacte khô khác với hệ thống bơi trơn cacte ướt ở chỗ có thêm một
đến hai bơm làm nhiệm vụ chuyển dầu từ cacte qua két làm mát ra thùng chứa bên ngoài
động cơ. Từ đây dầu được lấy đi bôi trơn giống như hệ thống bôi trơn cacte ướt.
Hệ thống bôi trơn cacte ướt khắc phục đươc các khuyết điểm của bơi trơn cacte khơ.
Vì dầu chủ yếu ở thùng chứa dầu nên cacte thấp, dẫn đến động cơ cũng thấp, từ đó hạ thấp
được tọa độ trọng tâm của động cơ. Ngoài ra dầu ít tiếp xúc trực tiếp với khí cháy do lọt
khí, nên tuổi thọ của dầu không bị giảm. Tuy nhiên kết cấu phức tạp hơn, phải có khơng
gian để đặt thùng chứ dầu. Vì vậy nó chỉ phù hợp với dịng xe tải.

Hình 1-3. Hệ thống bơi trơn cacte khơ
1. Cácte
2. Bơm chuyển
3. Thùng dầu
4. Lưới lọc sơ bộ
5. Bơm dầu đi bôi trơn
6. Bầu lọc dầu
7. Đồng hồ báo áp suất dầu

8. Đường dầu chính
9. Đường dầu bơi trơn trục khuỷu
10. Đường dầu bôi trơn trục cam
11. Bầu lọc tinh
12. Đồng hồ báo nhiệt độ dầu (nhiệt kế)
13. Két làm mát dầu

1.1.4. Một số bộ phận chính
1.1.4.1. Bơm dầu
a. Bơm bánh răng ăn khớp ngoài

6


1. Thân bơm
2. Bánh răng bị động
3. Rãnh giảm áp
4. Bánh răng chủ động
5. Đường dầu ra
6. Đường dầu vào
7. Đệm làm kín
8. Nắp van điều chỉnh
9. Tấm đệm điều chỉnh
10. Lị xo
11. Van bi

Hình 1-4. Bơm dầu bánh răng ăn khớp ngoài
Đây là loại bơm đơn giản nhưng rất thông dụng. Bánh răng chủ động 4 được dẫn động
từ trục khuỷu hay trục cam. Khi bánh răng quay, dầu từ đường dầu áp suất thấp đươc
guồng dầu sang đương áp suất cao. Để tránh hiện tượng chèn dầu giữa các răng vào khớp,
nên trên mặt nắp bơm có phay rãnh triệt áp 3. Khi áp suất trên đường ra vượt quá chế độ
cho phép, áp lực dầu thắng lực lị xo, van an tồn mở ra hồi dầu về đường áp suất thấp.
b. Bơm bánh răng ăn khớp trong
1. Thân bơm
2. Bánh răng bị động
3. Đường dẫn dầu vào

4,7. Rãnh dẫn dầu
5. Trục dẫn động
6. Bánh răng chủ động
7. Đường dẫn dầu
Hình 1-5. Bơm dầu bánh răng ăn khớp trong
Bơm bánh răng ăn khớp trong thường dung trong động cơ ô tô du lịch do yêu cầu kết
cấu gọn nhẹ. Loại bơn mày làm việc tương tự như bánh răng ăn khớp ngoài theo nguyên lý
guồng dầu, tuy nhiên với thể tích guồng thay đổi.
c. Bơm phiến trượt
7


1. Thân bơm.
2. Đường dầu vào.
3. Cánh gạt.
4. Đường dầu ra.
5. Rơto.
6. Trục dẫn động.
7. Lịxo.

Hình 1-6. Bơm cánh gạt
Roto 5 lắp lệch tâm với thân bơm 1, có các rãnh lắp các phiến trượt 3. Khi roto quay, do
lực li tâm và lực ép của lò xo 7, phiến trượt 3 luôn luôn tỳ sát vào bề mặt bỏ bơm 1 tạo
thành các khơng gian kín và do đó guồng dầu từ đường dầu áp suất thấp 2 sang đường dầu
áp suất cao 4. Bơm phiến trượt có ưu điểm là rất đơn giản, nhỏ gọn nhưng lại có nhược
điểm là mài mòn bề mặt tiếp xúc giữa phiến trượt và thân bơm rất nhanh.
1.1.4.2. Lọc dầu
a. Bầu lọc thấm
Bầu lọc thấm được dung rất rộng rãi cho động cơ đốt trong. Nguyên lý làm việc của
bầu lọc thấp như sau: dầu có áp suất cáo thấm qua các khe hở nhỏ của phần tử lọc, các tạp

chất có kích thước lớn hơn kích thước khe hở sẽ bị giữ lại. Vì vậy dầu được lọc sạch. Bầu
lọc thấm có nhiều dạng kết cấu phần tử lọc khác nhau.
1. Thân bầu lọc
2. Đường dầu vào
3. Nắm bầu lọc
4. Đường dầu ra
5. Phần tử lọc
6. Lưới của phần tử lọc
Hình 1-7. Bầu lọc thấm
dùng lưới lọc

8


1. Nắp bầu lọc
2. Đường dầu ra
3. Thân bầu lọc
4. Đường dầu ra

Hình 1-8. Bầu lọc thấm dùng tấm kim loại
5. Phiến lọc
6. Phiến gạt
7. Phiến cách

Bầu lọc thấm có cấu tạo đơn giản, dễ thay thế, tuy nhiên nó khơng có khả năng tái chế.
Vì vậy sau khi làm việc một thời gian, bầu lọc thấm sẽ bị tắc và khơng cịn chức năng lọc
và phải thay thế cả bầu lọc.
b. Bầu lọc li tâm
1. Thân bầu lọc
2. Đường dầu về cácte

3. Đường dầu vào lọc
4. Van an toàn
5. Đường dầu đi bơi trơn
6. Vịng bi đỡ
7. Rơto
8. Nắp bầu lọc
9. Vít điều chỉnh
10. Ống lấy dầu sạch
11. Lỗ phun
Hình 1-10. Bầu lọc ly tâm
9


Nguyên lý làm việc: Dầu có áp suất cao theo đường 3 vào rôto 7 của bầu lọc. Rôto
được lắp trên vịng bi đỡ 6 và trên rơto có các lỗ phun 11. Dầu trong rôto khi phun qua lỗ
phun 11 tạo ra ngẫu lực làm quay rôto (đạt 5.000 6.000 vịng/phút), sau đó chảy về cacte
theo đường 2. Dưới tác dụng của phản lực, rôto bị nâng lên và tỳ vào vít điều chỉnh 9. Do
ma sát với bề mặt trong của rôto nên dầu cũng quay theo. Cặn bẩn trong dầu có tỷ trọng
cao hơn dầu sẽ văng ra xa sát vách rôto nên dầu càng gần tâm rôto càng sạch. Dầu sạch
theo đường ống 10 đến đường dầu 5 đi bôi trơn.
Ưu điểm:
- Do không dùng lõi lọc nên khi bảo dưỡng không phải thay các phần tử lọc.
- Khả năng lọc tốt hơn nhiều so với lọc thấm dùng lõi lọc.
- Tính năng lọc ít phụ thuộc vào mức độ cặn bẩn bám trong bầu lọc.
c. Bộ lọc từ tính
Ở loại bầu lọc này thường nút thao dầu ở đáy cácte có gắn một thanh nam châm
vĩnh cửu gọi là bộ lọc từ tính. Do hiệu quả lọc mạt sắt của nam châm rất cao nên loại lọc
này được sử dụng rất rộng rãi.
1.2. Hệ thống bôi trơn của động cơ Audi 2.0
1.2.1. Sơ lược về động cơ Audi 2.0

Động cơ Audi 2.0 là động cơ 4 kỳ được thiết kế với 4 xi lanh, mỗi xilanh có 4 xupap,
sử dụng nhiên liệu xăng và diesel. Động cơ chạy xăng đầu tiên được sản xuất năm 2004 có
tên là EA113 TFSI, sau đó là EA888 TFSI với các thế hệ 1,2,3. Vòi phun xăng được bố trí
để nhiên liệu được phun trực tiếp vào trong động cơ. Việc phun nhiên liệu trực tiếp như
động cơ diesel nên Turbor tăng áp được áp dụng. Các dòng xe sử dụng động cơ xăng là:
Audi A3/S3, Audi A4, Audi A5,… Phiên bản động cơ sử dụng dầu diesel sản xuất năm
2004 đó là Audi 2.0 TDI PD EA188. Động cơ được trang bị hệ thống phun nhiên liệu trực
tiếp Pumpe Duse (PD): vòi phun nhiên liệu được điều khiển bằng cơ cấu cam dẫn động từ
trục khuỷu. Nâng cấp từ EA188 đó là Audi 2.0 TDI CR EA189 trang bị hệ thống phun
nhiên liệu trực tiếp Common Rail (CR): vịi phun được điều khiển bằng điện nên khơng
gây ồn như PD và dần được thay thế cho PD. Các dịng xe chạy động cơ diesel điển hình
như: Audi TT Coupe 2.0 TDI quattro M k II, SEAT Toledo Mk3, Audi Q5,…
1.2.2. Đặc điểm hệ thống bôi trơn trên động cơ Audi 2.0

Hình 1-11. Bố trí xupap, vịi phun và kết cấu piston ĐC
Audi 2.0 TFSI
10


Hệ thống bôi trơn của động cơ Audi 2.0 là hệ thống bôi trơn cate ướt, sử dụng bầu lọc
thấm. Dầu bơi trơn được bơm đến các vị trí cần bôi trơn như trên nắp xi lanh, thân xi lanh.
Trên nắp xi lanh thường là cơ cấu phối phí: trục cam, vấu cam, xupap. Ở thân xi lanh đó là
bề mặt tiếp xúc giữa xéc măng – xi lanh, cơ cấu piston – thanh truyền, trục khuỷu – thanh
truyền, trục turbo tăng áp trục cam, trục turbo tăng áp. Tuỳ các phiên bản động cơ mà kết
cấu bơm dầu và cách dẫn động bơm khác nhau. Bơm dầu sử dụng thường là bánh răng (ăn
khớp trong hoặc ăn khớp ngoài) hoặc bơm cánh gạt được dẫn động từ trục khuỷu bằng bộ
truyền xích hoặc bánh răng.

Hình 1-12. Sơ đồ hệ thống bôi trơn động cơ Audi 2.0 TDI Common Rail
A. Ổ trượt trục cam

B. Cơ cấu điều khiển xupap

C. Ổ trượt trục khuỷu

1. Két dầu

2. Vít tháo dầu

3. Bơm

4. Van điều chỉnh áp suất 5. Két làm mát dầu

6. Lọc tinh

7. Van nối tắt

9. Công tắc áp suất dầu

8. Van giữ áp

11. Vòi phun dầu làm mát piston 14.Bơm chân không

15. Turbo tăng áp
11


16. Đường dầu hồi

17. Màn lọc thô

18. Bộ hạn chế lưu lượng

Do bơm dầu được dẫn động từ trục khuỷu nên tốc độ của bơm phụ thuộc vào tốc độ động
cơ. Với một máy bơm dầu thông thường, lưu lượng dầu tăng lên khi tốc độ động cơ tăng
lên. Các vị trí cần bơi trơn khơng thể xử lý lượng dầu dư thừa này, vì vậy mà áp suất dầu
tăng lên. Thông thường áp suất dầu bôi trơn thường nằm trong khoảng 2 - 4 bar tuỳ vào tốc
độ động cơ. Nếu áp suất dầu tăng cao quá vượt qua khoảng này thì sẽ khơng đảm bảo u
cầu bơi trơn, gây tổn hại cho động cơ. Để khắc phục vấn đề này, trên các động cơ Audi,
bơm dầu được thiết kế để tự động kiểm soát áp suất dầu quá cao. Tuỳ thuộc vào kết cấu
bơm dầu được sử dụng mà kết cấu tự động điều chỉnh được thiết kế sao cho phù hợp.

Hình 1 – 13. Kết cấu bơm dầu và điều chỉnh trên động cơ Audi 2.0 TFSI EA288

Trên động cơ Audi 2.0 TFSI EA288 sử dụng bơm cánh gạt. Một phần dầu ở cửa ra có áp
suất cao được trích một phần trở lại để kiểm sốt việc xảy ra áp suất quá cao. Áp lực dầu
12


lớn tác dụng lên piston điều chỉnh và bề mặt điều chỉnh, áp lực này thắng sức căng của lò
xo điều chỉnh làm thay đổi độ lệch tâm giữa rôto và vịng điều chỉnh. Việc này có tác dụng
làm giảm áp suất dầu trở về khoảng cho phép mặc dù tốc độ động cơ tăng.

13


CHƯƠNG I. TÍNH TỐN HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG BƠM DẦU BƠI TRƠN
2.1. Tính tốn cơng suất, khoảnh cách trục, momen xoắn trên trục
Bảng 2.1. Dữ liệu đã cho
TT

Thông số

Ký hiệu

Giá trị

Đơn vị

1

Tốc độ trục khuỷu động cơ

nđc

2500

v/ph

2

Lưu lượng dầu bôi trơn do bơm cung cấp lên hệ
thống

Vdầu

1.10-3

m3/s

3

Áp suất dầu bôi trơn do bơm cung cấp

pdầu

0,75

MN/m2

4

Số răng của bánh răng chủ động

Z1

40

răng

5

Tỷ số truyền của cặp bánh răng dẫn động bơm
dầu

k

1,35

-

ηb

0,75 ÷
0,8

-

Hiệu suất cơ giới của bơm dầu

ηm

0,85 ÷
0,9

-

8

Modul răng*

m

2

9

Góc nghiêng răng*

β

30

6
7

Hiệu suất cơ của bơm dầu

o

2.1.1. Xác định công suất bơm dầu
Chọn: Hiệu suất bơm dầu ηb = 0, 75
Hiệu suất cơ giới bơm dầu ηm = 0,85
Xác định công suất bơm dầu:

Vdầu.pdầu 1.10−3.0,75.103
Pdầu = P2 =
=
= 1,18(kW)
ηb.ηm
0,75.0,85
⇒ PĐC = P1 =

P2 1,18
=
= 1,39(kW)
ηm 0,85

2.1.2. Xác định khoảnh cách 2 trục (trục khuỷu và trục chủ động của bơm dầu)
Khoảng cách 2 trục (trục khuỷu và trục chủ động của bơm dầu) tính theo cơng thức

m(Z1 + Z2 )
aw = L =
2cosβ
14


Tỷ số truyền đã cho:

k=

n2 1 Z1
1
= =
= 1,35 ⇒ u =
= 0,74
n1 u Z2
1,35

=> Số bánh răng bánh chủ động dẫn động bơm dầu Z2 =

Z1 40
=
= 29,63
k 1,35

Chọn Z2= 30
Thay vào cơng thức tính khoảng cách trục

aw =

m(Z1 + Z2 ) 2.(40 + 30)
=
= 80,82
2cosβ
2.cos300

Lấy aw= 81 mm
2.1.3. Xác định momen xoắn trên 2 trục
=> Tốc độ trục chủ động của bơm dầu n2 = k.n1 = 1,35.2500 = 3375(v/ ph)
=> Momen xoắn trên trục khuỷu

T1 = 9,55.106.

P1
1,39
= 9,55.106.
= 5309,8(Nmm)
n1
2500

=> Momen xoắn trên trục chủ động của bơm dầu

T2 = 9,55.106.

P2
1,18
= 9,55.106.
= 3338,97(Nmm)
n2
3375

2.2. Tính tốn thiết kế cặp bánh răng dẫn động
2.2.1. Chọn vật liệu
Bảng 6.1 trang 92 Tài liệu [2]
• Vật liệu bánh răng đầu ra trục khuỷu:
Nhãn hiệu thép: thép 45
Nhiệt luyện : tôi cải thiện
Độ rắn
: HB = 192÷240→Chọn độ cứng HB1=220 (MPa)
Giới hạn bền :
Giới hạn chảy : σch1 = 450(MPa)
• Vật liệu bánh răng chủ động của bơm:
Nhãn hiệu thép: thép 45
Nhiệt luyện : thường hóa
Độ rắn
: HB = 170÷217→Chọn độ cứng HB2=210 (MPa)
Giới hạn bền : σ b2 = 600(MPa)
Giới hạn chảy : σch2 = 340(MPa)
15


2.2.2. Xác định ứng suất cho phép
Ứng suất tiếp xúc cho phép σ H 

σ0H lim

σH  =
.ZR ZvK xHK HL
SH
Ứng suất uốn cho phép σ F 

σ0F lim

σF  =
.Y R YsK xF K FL K FC
SF
+: Hệ số xét đến độ nhám của mặt bánh răng khi làm việc.
+: Hệ số xét đến ảnh hưởng của vận tốc vịng.
+: Hệ số xét đến ảnh hưởng của kích thước bánh răng.
+: Hệ số tuổi thọ.
+ Y R : Hệ số xét đến ảnh hưởng của độ nhám mặt lượn chân răng.
+ YS : Hệ số xét đến độ nhậy của vật liệu đối với tập trung ứng suất.
+ K FC : Hệ số ảnh hưởng xét đến đặt tải.
Chọn sơ bộ: ZRZvZxH = 1; YRYSKxF =1
Tra bảng 6.2 trang 94 Tài liệu [2]
• Bánh răng đầu ra trục khuỷu

SH1 = 1,1

SF1 = 1,75
σ 0
= 2HB1 + 70 = 2.220+ 70 = 510 (MPa)
 H lim1
σ0 = 1,8HB = 1,8.220 = 396 (MPa)
1
 F lim1
• Bánh răng dẫn động bơm dầu

SH2 = 1,1


SF2 = 1,75
σ 0
= 2HB1 + 70 = 2.210+ 70 = 490 (MPa)
 H lim2
σ 0
= 1,8HB1 = 1,8.210 = 378 (MPa)
 F lim2
16


KHL và KFL lần lượt là hệ số tuổi thọ xét đến ảnh hưởng của thời hạn phục vụ và chế độ tải
trọng của bộ truyền.

K HL = mH

NH0
;
NHE

K FL = mF

NF0
NFE

Trong đó:
+ mH, mF lần lượt bậc đường cong mỏi khi thử về ứng suất tiếp xúc và uốn, do bánh răng
có HB< 350
→ mH = 6, mF = 6
+ NHO – số chu kỳ thay đổi ứng suất cơ sở khi thử về tiếp xúc

NH0 = 30HB12,4 = 30.2202,4 = 12558439,82 ≈ 12,56.106
1

2,4
2,4
6
NH02 = 30HB2 = 30.210 = 11231753,46 ≈ 11,23.10
+ NFO – số chu kỳ thay đổi ứng suất cơ sở khi thử về tiếp uốn
NFO = 4.106 đối với tất cả các thép
+ : Số chu kỳ thay đổi ứng suất tương đương.
c – số lần ăn khớp trong một vòng, c = 1;
n – số vòng quay bánh răng trong một phút;
– tổng thời gian làm việc của bánh răng đang xét, t∑ = 5000h

N FE = NHE = N1 = 60cn1t∑ = 60.1.2500.5000 = 750.106
1
⇒ 1
6
N FE2 = NHE2 = N2 = 60cn2t∑ = 60.1.3375.5000 = 1012,5.10
NHE > NH0 → lấy NHE = N H0 → K HL = 1
1

1

1

1

1

NFE > N F0 → lấy NFE = N F0 → K FL = 1
1
1
1
1
1

NHE > NH0 → lấy NHE = NH0 → K HL = 1
2
2
2
2
2
NFE > N F0 → lấy NFE = NF0 → K FL = 1
2
2
2
2
2

17



σ0H lim
510
1
σH  =
.ZR ZvK xHK HL =
.1.1= 463,63 (MPa)

1
SH
1,1
 1 
1

0
σF lim

396
1


σ
=
.Y R YsK xF K FCK FL =
.1.1= 226,29(MPa)
  F1 
1
S
1
,75
F1

⇒
σ0H lim

490
2
 σH2  = S .ZR ZvK xH K HL 2 = 1,1 .1.1= 445,45(MPa)

H2


σ0
 σ  = F lim2 .Y Y K K K = 378 .1.1= 216,00(MPa)
R s xF FC FL 2
  F2 
SF
1,75

2
• Ứng suất tiếp xúc cho phép của bộ truyền

 σ H  + σ H 
463,63+ 445,45
σH  =  1   2  =
= 454,54(MPa)
2
2
• Ứng suất tiếp xúc khi quá tải với bánh răng tôi cải thiện

 σH  = 2,8.max( σ ch1,σ ch2 ) = 2,8.450 =1260( MPa)
max

• Ứng suất uốn khi quá tải với HB < 350
σ F  = 0,8.σch1 = 0,8.450 = 360( MPa)
 1  max
σ F  = 0,8.σch2 = 0,8.450 = 360( MPa)
 2  max
2.2.3. Xác định các thông số cơ bản của bộ truyền

Theo dữ liệu đã cho ta có
Z1 = 40
n1 = 2500 (v/ph)

Z2 = 30
n2 = 3375 (v/ph)

m=2
β = 30o
u21 = 0,74

• Góc ăn khớp α tw

 tan200 
 tanα 
α t = α tw = arctan
=
arctan
= 22,80

ữ
0ữ
cos
cos30

ã Gúc nghiờng ca răng trên trục cơ sở

(

)

β b = arctan( cosα t .tanβ ) = arctan cos22,80.tan300 = 28,020

• Chiều rộng vành răng bw
Tra bảng 6.6 trang 97 Tài liệu [2] ta được
18


ψ ba = 0,25 =

bw
⇒ bw = 0,25.aw = 0,25.81= 21(mm)
aw

ψ bd = 0,58ψ ba.(u + 1) = 0,58.0,25.(0,74 + 1) = 0,25
• Đường kính vịng chia, đường kính vịng lăn

mZ1
2.40
=
= 92(mm)
cosβ cos300
mZ2
2.30
d2 = dw2 =
=
= 70(mm)
cosβ cos300
d1 = dw1 =

Vận tốc vòng của bánh răng

Tra bảng 6.13 trang 106 Tài liệu [2] với bánh răng trụ nghiêng và v = 12 m/s chọn cấp
chính xác (CCX) của bộ truyền là CCX = 7
Từ thông tin trang 91, 92
Ra = 1,25÷0,63 (μm) → ZR = 1
HB < 350 → Zv= 0,85.v0,1 = 0,85. 120,1=1,09
KxH: hệ số xét đến ảnh hưởng của kích thước bánh răng, KxH = 1
YR là hệ số ảnh hưởng độ nhám mặt lượn chân răng. Chọn YR = 1
YS: hệ số xét đến độ nhạy của vật liệu với sự tập trung ứng suất
YS = 1,08 – 0,0695.ln(m) =1,08-0,0695.ln2=1,03
KxF: hệ số xét đến ảnh hưởng của kích thước bánh răng đến độ bền uốn.
KxF =1
Thay số ta được:

 σH  = σ H  ZR ZV K xH = 454,54.1.1,09.1 = 495,45 ( MPa)
sb
 σF1  = σ F1  Y R Y SK xF = 226,29.1.1,03.1= 233,08( MPa)
sb
 σF2  = σF2  Y R YSK xF = 216.1.1,03.1= 222,48 (MPa)
sb

19


2.2.4. Kiểm nghiệm bộ truyền bánh răng
2.2.4.1. Kiểm nghiệm về độ bền tiếp xúc

σH = ZM ZH Zε .

2T1K H (ut + 1)
bwutdw12

≤ σH 

• ZM – Hệ số kể đến vật liệu của bánh răng ăn khớp (tra bảng 6.5 trang 96 Tài liệu [2])
ZM = 274
• ZH – Hệ số kể đến hình dạng bề mặt tiếp xúc
• Zε – Hệ số kể đến sự trùng khớp của răng. Phụ thuộc hệ số trùng khớp ngang ε α và hệ số
trùng khớp dọc εβ.


 1 1 

 1 1 
0
εα = 1,88− 3,2 +
÷ cosβ = 1,88− 3,2 + ÷ cos30 = 1,47
 40 30  


 Z1 Z2  

bW sinβ 21.sin300
εβ =
=
= 1,67 > 1
mπ
2.π
• KH – Hệ số tải trọng khi tính về tiếp xúc

KH = KHβ KHα KHv
+ KHβ: hệ số kể đến sự phân bố không đều của tải trọng trên chiều rộng vành răng (bảng
6.7 trang 98 Tài liệu [2])
=> KHβ = 1,0
+ KHα: hệ số kể đến sự phân bố không đều của tải trọng trên các cặp răng đồng thời ăn
khớp (tra bảng 6.14 trang 107 Tài liệu [2]) với: CCX = 7, v = 12 (m/s)
=> KHα = 1,07
+ KHv = hệ số kể đến tải trọng động xuất hiện trong vùng ăn khớp,
Tra bảng phụ lục 2.3 trang 250 Tài liệu [2] với bánh răng trụ răng nghiêng và v = 12 (m/s)
được cấp chinh xác của bộ truyền là: CCX = 7
=> KHv = 1,08
=>

⇒ σH = ZM ZH Zε .

2T1K H (ut + 1)
bwutdw12

= 274.1,57.0,82.

2.5309,8.1,16.(0,74 + 1)
= 142,40(MPa)
21.0,74.922

σH < [σH] = 531,81 (MPa)
20


=> Thỏa mãn điều kiện bền
2.2.4.2. Kiểm nghiệm độ bền uốn

Ứng suất uốn sinh ra tại chân răng không vượt quá giá trị cho phép

2T1K F Yε Yβ Y F1
≤  σF1 
σ F1 =
bwdw1m


σ = σ F1Y F2 ≤ σ 
 F2 
 F2
Y F1


trong đó:
+ Y ε : Hệ số kể đến sự trùng khớp của răng

Yε =

1
1
=
= 0,68
ε α 1,47

+ Yβ : Hệ số kể đến độ nghiêng của răng

Yβ = 1−

β

30
= 1−
= 0,79
140
140

+ YF1, YF2: hệ số dạng răng của bánh 1 và 2, phụ thuộc vào số răng tương đương (

zv1 = Z1 / cos3 β vaøzv2 = Z2 / cos3 β ) và hệ số dịch chỉnh tra trong bảng 6.18 trang 109
Tài liệu [2]

zv1 = Z1 / cos3 β =

40
= 62
cos3 300

zv2 = Z2 / cos3 β =

30
= 46
cos3 300

Theo bảng 6.18 với bánh răng không dịch chỉnh ta được:
YF1 = 3,62 ;

YF2 = 3,65

+ KF: Hệ số tải trọng khi tính về uốn

K F = K Fβ K Fα K Fv

21


với K Fβ là hệ số kể đến sự phân bố khơng đều tải trọng trên vành răng khi tính về uốn, tra
bảng 6.7 trang 98 Tài liệu [2]

⇒ K Fβ = 1,01

K Fα là hệ số kể đến sự phân bố không đều tải trọng cho các đôi răng đồng thời ăn
khớp khi tính về uốn, tra bảng 6.14 trang 107 Tài liệu [2] :
Bánh răng trụ răng nghiêng, cấp chính xác CCX=7, vận tốc v= 12 m/s

⇒ K Fα = 1,22

K Fv là hệ số kể đến tải trọng động xuất hiện trong vùng ăn khớp khi tính về uốn: tra
bảng Phụ lục 2.3 trang 250 Tài liệu [2]
=> KFv= 1,27
⇒ K F = K Fβ K Fα K Fv = 1,01. 1,22.1,27 = 1,56

Thay vào công thức tính ứng suất uốn:

σ F1 =

2T1K F Yε Yβ Y F1

=

σ F2 =

bwdw1m
2.5309,8.1,56.0,68.0,79.3,62
= 8,34(MPa)
21.92.2

σF1Y F2 8,34.3,65
=
= 8,41(MPa)
Y F1
3,62

Ứng suất cho phép: σF1  = 226,29 MPa; σF2  = 216,00 MPa
Ta thấy

σF1 < σF1  vaøσF2 < σF2 

=> Thoả mãn điều kiện bền uốn

2.3. Tính tốn thiết kế trục chủ động của bơm dầu
2.3.1. Chọn vật liệu
Nhãn thép: Thép C45
Chế độ nhiệt luyện: Tôi cải thiện
22


Độ rắn:

HB = 192÷240

Giới hạn bền:

σ b = 750(MPa)

Giới hạn chảy:
Ứng suất xoắn cho phép  τ  = 12 ÷ 20MPa=> Chọn  τ  = 12MPa
2.3.2. Xác định tải trọng tác dụng lên trục
Chọn chiều quay và hướng nghiêng của bánh
răng 1 (nghiêng phải), bánh răng 2 (nghiêng trái)
như hình vẽ để tổng hợp các lực tác dụng lên trục
nhỏ nhất.

là

Các lực tác dụng lên trục:
uur
uuu
r
•Lực vịng Ft1 = −Ft2 : ngược chiều với chiều
quay của bánh 1
uuu
r
uuur
• Lực dọc trục Fa1 = −Fa2 : song song với trục
quay xác định theo quy tắc bàn tay phải
uur
uur
• Lực hướng tâm Fr1 = − Fr2 : hướng vào tâm

Hình 2-1. Minh hoạ bánh răng ăn khớp

bánh răng
Các thông số đã cho và tính được:
T1=5309,8 Nmm ; α tw = 22,80 ;
dw1=92 mm ; β = 300
Từ đó tính được các lực tác dụng lên trục
Ft2 = Ft1 =

2T1 2.5309,8
=
= 115,43(N)
dw1
92

Fr2 = Fr1 = Ft2.

tanα tw
tan22,80
= 115,43.
= 56,03(N)
cosβ
cos300

Fa2 = Fa1 = Ft2.tanβ = 115,43.tan300 = 66,64 (N)
2.3.3. Xác định đường kính trục sơ bộ
Momen xoắn trên trục dẫn động bơm đã tính T2= 3338,97 Nmm
Cơng thức xác định đường kính trục sơ bộ:
23