Bài tập lớn Động cơ đốt trong song hành

Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Khoa Cơ khí – Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí THUYẾT MINH BÀI TẬP LỚN NGUYÊN LÝ MÁY Máy: Động Cơ Đốt Trong Song Hành(1) Phương án:5 Họ và tên sinh viên: Nguyễn Thành Nam Mã số: DTK0851010698 Lớp sinh viên: K44CCM6 Lớp học phần: 44C Email liên hệ: thanhnam240390@gmail.com Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS. Vũ Quý Đạc Thái Nguyên, năm 2011 Muc lục trang: Lời nói đầu… 4 Phần 1: Tổng hợp và phân tích động học cơ cấu phẳng 5 1. Tính bậc tự do... 5 2. Phân tích chuyển động của cơ cấu… 6 3. Tổng hợp động học cơ cấu… 6 4. Phân tích động học cơ cấu… 7 Phần 2: Phân tích áp lực khớp động của nhóm (4.5) bằng phương pháp vẽ và tính Mcb trên khâu dẫn bằng phương pháp di chuyển khả dĩ 16 1.Phân tích áp lực khớp động của các nhóm (4,5)và (2,3) 16 2.tính mômen cân bằng trên khâu dẫn 24 Lời nói đầu Nguyên Lý Máy là một trong những môn học cơ sở rất quan trọng cho các chuyên ngành cơ khí. Việc hoàn thành bài tập lớn là một khâu rất quan trọng trong quá trình học tập môn học Nguyên Lý Máy, nó giúp cho người sinh viên hiểu sâu hơn về những kiến thức của môn học. Qua thời gian học tập, em đã được giao bài tập lớn về “động cơ đốt trong song hành”. Với bài tập lớn này, qua một thời gian tìm hiểu tài liệu kết hợp với sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo PGS.TS. Vũ Quý Đạc và các thầy cô trong tổ môn đến nay em đã hoàn thành về cơ bản bài tập lớn của mình. Mặc dù em đã cố gắng học hỏi để làm tốt bài tập lớn của mình, nhưng do kiến thức còn hạn chế nên bài tập lớn của em không tránh khỏi những sai sót.Vậy em rất mong đợc sự chỉ bảo và giúp đỡ của các thầy cô để bài tập lớn cũng như kiến thức của em được hoàn chỉnh hơn. Em xin chân thành cảm ơn!. Thái Nguyên, ngày 24 tháng 3 năm 2011 Sinh viên: Nguyễn Thành Nam Phần I - Tổng hợp và phân tích động học cơ cấu phẳng 1. Tính bậc tự do của cơ cấu . Ta có công thức tính bậc tự do của cơ cấu là: W = 3n-(c+2t)+Rtd-S W: số bậc tự do của cơ cấu n =5 :số khâu động t =7 : số khớp thấp c =0 : số khớp cao Rtd =0: số ràng buộc thụ động S =0: số bậc tự do thừa . Þ W= 3.5-(0+2.7)+0-0=1 Vậy cơ cấu có một bậc tự do. Từ lược đồ cơ cấu ta thấy khâu 1 quay quanh khớp O1 với vận tốc góc 1và ta chọn khâu 1 làm khâu dẫn. * Phân loại cơ cấu . Ta thấy cơ cấu bao gồm khâu 1 và 2 nhóm atxua loại 2 Nhóm 1: gồm 2 khâu: khâu 2 và khâu 3 Nhóm 2: gồm 2 khâu: khâu 4 và khâu 5 Þ Đây là cơ cấu loại 2 2.Phân tích chuyển động của cơ cấu. Cơ cấu động cơ đốt trong song hành là cơ cấu tay quay con trượt chính tâm. Dùng cơ cấu này trong động cơ để biến chuyển động qua lại của pistons thành chuyển động quay của trục khuỷu và từ chuyển động này để dẫn đến máy công tác. Trong động cơ đốt trong song hành này khâu dẫn (trục khuỷ) có chuyển động là chuyển động quay tròn quanh một trục cố định mà giả thiết là đều. Con trượt 3 (pistons) và con trượt 5 (pistons) chuyển động tịnh tiến thẳng . Thanh truyền 2 và 4 chuyển động song phẳng 3. Tổng hợp động học cơ cấu Xác định kích thước động của các khâu trong cơ cấu Từ thông số dã cho ta có : LAS2= LCS4= 0,35L= 0,35.27,58 = 9,653(mm) = 0,0096 (m) Để vẽ được cơ cấu ta chọn đoạn biểu diễn O1A=50(mm) Chọn tỉ lệ xích chiều dài là: ® Bảng kích thước động các khâu Đoạn biểu diễn O1A AC AB CD AS2 CS4 Giá trị thực (m) 0,0475 0,095 0,171 0,171 0,05985 0,05985 Giá tri biểu diễn (mm) 50 100 180 180 63 63 4. Phân tích động học cơ cấu 4.1.Vẽ họa đồ chuyển vị Trên phương thẳng đứng lấy điểm O1 làm tâm, dựng đường tròn tâm O1 bán kính R=50 mm . Chia dường tròn làm 8 phần đều nhau tương ứng với các điểm A1 ,A2 ,…A8 theo chiều quay w1 bắt đầu từ điểm chết trên, các điểm C1 ,C2 ,…C8 lần lượt đối xứng với các điểm A1 , A2 ,…A8. Lần lượt từ các điểm A1 ,A2 ,…A8 , vẽ cung tròn bán kính AiB =180 mm ,cắt đường thẳng đứng đi qua O tại B. Ta được 8 vị trí tương ứng của con trượt 3 (điểm B). Tương tự với các điểm C1 ,C2 ,…C8 vẽ cung tròn bán kính CiB =180 mm , cắt đường thẳng đứng đi qua O tại C. Ta được 8 vị trí tương ứng của con trượt 5 (điểm D). Trong xilanh có 2 điểm chết : điểm chết trên ứng với vị trí B1D5 và điểm chết dưới ứng với vị trí B5 D1 . vì đây là động cơ đốt trong song hành nên 2 pistons 3 và 5 cùng thực hiện ở hai điểm chết .khi pistons 3 nằm ở điểm chết trên thì pistons 5 nằm ở điểm chết dưới và sau nửa vòng quay của trục khuỷu thì pistons 3 ở điểm chết dưới còn pistons 5 ở điểm chết trên. 4.2 Xác định vận tốc tại vị trí 4 Vận tốc góc của khâu 1 Chọn tỉ xích vẽ họa đồ vận tốc là ta chọn pa1 = O1A Þ Þ Ta có : phương vuông góc với O1A có Chiều phù hợp Trị số (1) , có phương vuông góc với AB Trị số chưa biết , có phương thẳng đứng Trị số chưa biết Phương trình (1) còn 2 ẩn chưa biết là trị số của và , hai ẩn này sẽ đươc xác định bằng phương pháp vẽ. phương vuông góc với O1C , có Chiều phù hợp Trị số (2) , có phương vuông góc với DC Trị số chưa biết , có phương thẳng đứng Trị số chưa biết Phương trình (2) còn 2 ẩn chưa biết là trị số của và , hai ẩn này sẽ đươc xác định bằng phương pháp vẽ. Trọng tâm S2 và S4 được xác định bằng định lí đồng dạng thuận * Vẽ họa đồ vận tốc Chọn điểm P là gốc của họa đồ vận tốc, khi đó ta dựng các véctơ có phương vuông góc với O1A, có chiều phù hợp chiều và có độ dài là . Từ mút véctơ ta kẻ 1 đường thẳng theo phương vuông góc với AB biểu diễn cho phương của véctơ .Tiếp theo từ gốc p của họa đồ vận tốc ta kẻ một dường thẳng theo phương thẳng đứng biểu diễn cho phương của véctơ . Khi đó giao điểm của 2 đường thẳng này cắt nhau tại đâu thì điểm đó chính là điểm . Vận tốc của trọng tâm S2 của khâu 2 được xác định bằng phương pháp đồng dạng thuận. Theo đầu bài ta có: Dựng họa đồ vận tốc điểm C, D Từ gốc p của họa đồ vận tốc ta dựng các véctơ có phương vuông góc với với O1C, có chiều phù hợp chiều và có giá trị là . Từ mút véctơ ta kẻ 1 đường thẳng theo phương vuông góc với CD biểu diễn cho phương của véctơ . Tiếp theo từ gốc p của họa đồ vận tốc ta kẻ một dường thẳng theo phương thẳng đứng biểu diễn cho phương của véctơ . Khi đó giao điểm của 2 đường thẳng này cắt nhau tại đâu thì điểm đó chính là điểm . Vận tốc của trọng tâm S4 của khâu 4 được xác định bằng phương pháp đồng dạng. Theo đầu bài ta có: Vận tốc các điểm: Xác định vận tốc góc khâu 2: Xác định vận tốc góc khâu 4: Bảng vận tốc góc của các khâu quay Vận tốc góc Trị số (rad/s) Chiều quay 230,38 Ngược chiều kim đồng hồ 46,0 Ngược chiều kim đồng hồ 46,0 Theo chiều kim đồng hồ 4.3 Xác định gia tốc của các điểm: Chọn điểm π là gốc của họa đồ gia tốc Chọn tỉ xích vẽ họa đồ gia tốc Chọn Ta có: (vì ) được xác định bằng phương pháp dựng hình học (dựng trên họa đồ vị trí): , (3) được xác định bằng phương pháp dựng hình học(dựng trên họa đồ vị trí): , phương BA Trị số phương thẳng đứng Trị số chưa biết. Phương trình (3) còn lại 2 ẩn là trị số của và , 2 ẩn này sẽ được xác định bằng phương pháp vẽ. được xác định bằng phương pháp dựng hình học(dựng trên họa đồ vị trí): , (4) , được xác định bằng phương pháp dựng hình học(dựng trên họa đồ vị trí): , hướng CD Trị số phương thẳng đứng Trị số chưa biết. Phương trình (4) có 2 ẩn có thể giải bằng phương pháp vẽ. *Vẽ họa đồ gia tốc: Từ gốc họa đồ π ta dựng 1 véctơ ( chuyển từ họa đồ chuyể n vị sang) biểu diễn véctơ gia tốc . Từ mút véctơ vẽ véctơ ( chuyển từ họa đồ chuyển vị sang) biểudiễn cho véctơ gia tốc . Từ mút véctơ kẻ đường vuông góc với AB biểu diễn phương của véctơ .Tiếp theo, từ gốc họa đồ gia tốc ta kẻ một đường thẳng theo phương thẳng đứng biểu diễn cho véctơ gia tốc. 2 đường này cắt nhau tại đâu thì điểm đó chính là điểm. Gia tốc trọng tâm của khâu 2 được xác định bằng phương pháp đồng dạng. Theo bài ta có: Từ gốc họa đồ ta dựng 1 véctơ ( chuyển từ họa đồ chuyển vị sang) biểu diễn véctơ gia tốc . Từ mút véctơ vẽ véctơ ( chuyển từ họa đồ chuyển vị sang) biểudiễn cho véctơ gia tốc . Từ mút véctơ kẻ đường vuông góc với CD biểu diễn phương của véctơ . Tiếp theo, từ gốc họa đồ gia tốc ta kẻ một đường thẳng theo phương thẳng đứng biểu diễn cho véctơ gia tốc. 2 đường này cắt nhau tại đâu thì điểm đó chính là điểm. Gia tốc trọng tâm của khâu 4 được xác định bằng phương pháp đồng dạng: Theo bài ta có: Gia tốc của các điểm tại vị trí 4: Gia tốc góc Bảng gia tốc góc của các khâu Gia tốc góc Trị số Chiều Ngược chiều kim đồng hồ Theo chiều kim đồng hồ Phần 2: Phân tích áp lực khớp động của nhóm (4.5) bằng phương pháp vẽ và tính Mcb trên khâu dẫn bằng phương pháp di chuyển khả dĩ 1.Phân tích áp lực khớp động của các nhóm (4,5) và (2,3) - Xác định khối lượng các khâu - Xác định tâm va đập và lần lượt trên khâu 2 và khâu 4 (ở vị trí số 4) chuyển động song phẳng -Xác định điểm đặt lực quán tính Gọi điểm đặt lực quán tính trên khâu 2 là P và điểm đặt lực quán tính trên khâu 4 là Q Tại trọng tâm S4 của khâu 4 ta kẻ phương song song với . tại tâm va đậpta kẻ phương song song với .2 phương này gặp nhau ở đâu thì đó chính là điểm Q. cùng phương , ngược chiều với . Tương tự Tại trọng tâm S2 của khâu 2 ta kẻ phương song song với . tại tâm va đậpta kẻ phương song song với .2 phương này gặp nhau ở đâu thì đó chính là điểm P. cùng phương , ngược chiều với . -Xác định giá trị các lực quán tính cùng phương , ngược chiều với , cùng phương , ngược chiều với - Xác định lực tác động lên pistons Để xác định lực tác động lên pistons ta phải dựa vào biểu đồ công và các quá trình làm việc của động cơ Chọn tỷ xích đồ thị chỉ thị công VÏ ®å thÞ chØ thÞ c«ng Ta biết cứ sau 2 vòng quay của trục khuỷu động cơ ( tay quay) hoàn thành một chu kỳ sinh công.Dựa vào đồ thị chỉ thị công và vì đây là động cơ đốt trong song hành do đó quá trình phối hợp chuyển động giữa 2 pistons: 1-5 5-9 9-13 13-1 Pistons 3 Hút Nén Nổ Xả Pistons 5 Nén Nổ Xả Hút Như vậy ứng với vị trí số 4 , pistons 3 đang là hành trình hút , pistons 5 đang là hành trình nén, lần lượt dóng sang đồ thị chỉ thị công ta dược giá tri áp suất p3=2,5 (N/cm2), p5=13,87 (N/cm2) Vậy lực tác động lên pistons 3 và pistons 5 là: P3 có phương thẳng đứng ,hướng lên trên P5 có phương thẳng đứng , hướng xuống dưới (dấu – vì áp suất ngược chiều chuyển động của pistons) 1.2 Phân tích áp lực khớp động của các nhóm (4,5) Tách nhóm atxua (4,5) Đặt các lực ta có phương trình cân bằng lực : (*) Phương trình trên còn 3 ẩn đó là chiều và độ lớn của và độ lớn của ,để khử tiếp ẩn của phương trình (*) ta tách khâu 4 và phân tích : Viết phương trình momen cho điểm D ta được: Phương trình (*) được viết lại : ` Phương trình trên còn 2 ẩn là trị số của và ta giải được bằng phương pháp vẽ Chọn tỉ xích vẽ đa giác lực: Vẽ họa đồ lực: Chọn 1 điểm e bất kì.từ điểm e vẽ biểu diễn cho, từ mút của , vẽ biểu diễn cho , từ mút của , vẽ biểu diễn cho , từ mút của , vẽ biểu diễn cho, từ mút của, vẽ biểu diễn cho, từ mút của vẽ biểu diễn cho vectơ, từ điểm k vẽ 1 đường thẳng theo phương của vectơ , từ điểm e vẽ 1 đường thẳng theo phương của , hai đường này cắt nhau ở đâu thì đó là điểm n, biểu diễn cho, biểu diễn cho , biểu diễn cho , chiều từ phải sang trái Để xác định điểm đặt của ta tách riêng khâu 5: Vậy có điểm đặt tại trọng tâm khâu 5( S5 ≡D5) , chiều như trên hình vẽ đa giác lực. , chiều như trên hình vẽ đa giác lực. 1.3 Phân tích áp lực khớp động của các nhóm (2,3) Tách nhóm atxua (2,3) Đặt các lực ta có phương trình cân bằng lực : (**) Phương trình trên còn 3 ẩn đó là chiều và độ lớn của và độ lớn của ,để khử tiếp ẩn của phương trình (**) ta tách khâu 2 và phân tích : Viết phương trình momen cho điểm B ta được: Phương trình (**) được viết lại : ` Phương trình trên còn 2 ẩn là trị số của và ta giải được bằng phương pháp vẽ Vẽ đa giác lực Chọn 1 điểm o bất kì.từ điểm o vẽ biểu diễn cho, từ mút của , vẽ biểu diễn cho , từ mút của , vẽ biểu diễn cho, từ mút của , vẽ biểu diễn cho, từ mút của , vẽ biểu diễn cho, từ mút của , vẽ biểu diễn cho , từ mút của ,vẽ 1 đường thẳng theo phương của vectơ , từ điểm e vẽ 1 đường thẳng theo phương của , hai đường này cắt nhau ở đâu thì đó là điểm n’, biểu diễn cho , biểu diễn cho , biểu diễn cho , chiều từ phải sang trái Để xác định điểm đặt của ta tách riêng khâu 3: Vậy có điểm đặt tại trọng tâm khâu 3( S3 ≡B3) , chiều như trên hình vẽ đa giác lực , chiều như trên hình vẽ đa giác lực 2 . Tính mô men cân bằng trên khâu dẫn Tính mô men cân bằng trên khâu dẫn bằng phương pháp lực :Tách riêng khâu dẫn. Lấy mô men đối với O1 ta có: Tính mô men cân bằng trên khâu dẫn bằng phương pháp dựa trên nguyên lý di chuyển khả dĩ : Xoay họa đồ vận tốc vẽ trong phần phân tích động học cơ cấu đi 90° theo chiều ω1.Đặt các lực trọng lượng khâu, lực quán tính, lực phát động tác dụng trên hai pistons vào mút các véc tơ vận tốc của điểm đặt lực tương ứng trên họa đồ vận tốc đã xoay giữ nguyên phương chiều của chúng Giả sử cùng chiều ω1 . Lấy mô men với gốc họa đồ p ta có: Dấu – có nghĩa là mô men cân bằng ngược chiều ω1. So sánh kết quả của hai phương pháp