Đồ án Kết cấu và tính toán động cơ - Đặng Thế Anh

LỜI NÓI ĐẦU Sau khi được học 2 môn chính của ngành động cơ đốt trong (Nguyên lý động cơ đốt trong, Kết cấu và tính toán động cơ đốt trong ) cùng một số môn cơ sơ khác (sức bền vật liệu, cơ lý thuyết, vật liệu học,... ), sinh viên được giao làm đồ án môn học kết cấu và tính toán động cơ đốt trong. Đây là một phần quan trọng trong nội dung học tập của sinh viên, nhằm tạo điều kiện cho sinh viên tổng hợp, vận dụng các kiến thức đã học để giải quyết một vấn đề cụ thể của ngành. Trong đồ án này, em được giao nhiệm vụ tính toán và thiết kế....... của động cơ Zil130 . Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã cố gắng tìm tòi, nghiên cứu các tài liệu, làm việc một cách nghiêm túc với mong muốn hoàn thành đồ án tốt nhất. Tuy nhiên, vì bản thân còn ít kinh nghiệm cho nên việc hoàn thành đồ án lần này không thể không có thiếu sót. Cuối cùng, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy, cô đã tận tình truyền đạt lại những kiến thức quý báu cho em. Đặc biệt, em xin gởi lời cảm ơn đến thầy PGS.TS Trần Văn Nam đã quan tâm cung cấp các tài liệu, nhiệt tình hướng dẫn trong quá trình làm đồ án. Em vô cùng mong muốn nhận được sự xem xét và chỉ dẫn của thầy. Sinh viên Đặng Thế Anh MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1 1.PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG CÁC ĐỒ THỊ TRONG BẢN VẼ ĐỒ THỊ ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC. 3 1.1.XÂY DỰNG ĐỒ THỊ CÔNG. 3 1.1.1. Xây dựng đường cong áp suất trên đường nén. 3 1.1.2. Xây dựng đường cong áp suất trên đường giãn nở. 4 1.1.3. Lập bảng tĩnhây dựng đường cong áp suất. 1.1.4. Xác định các điểm đặc biệt và hiệu chỉnh đồ thị công 5 1.2. XÂY DỰNG ĐỒ THỊ CHUYỂN VỊ PISTON BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒ THỊ BRICK. 8 1.3. XÂY DỰNG ĐỒ THỊ VẬN TỐC. 10 1.4. XÂY DỰNG ĐỒ THỊ GIA TỐC THEO PHƯƠNG PHÁP TÔLÊ. 12 1.5. XÂY DỰNG ĐỒ THỊ LỰC QUÁN TÍNH, LỰC KHÍ THỂ, HỢP LỰC P1. 14 1.5.1. Đồ thị lực quán tính. 14 1.5.2. Đồ thị lực khí thể. 15 1.5.3. Đồ thị hợp lực P1. 15 1.6. XÂY DỰNG ĐỒ THỊ LỰC TIẾP TUYẾN T, LỰC PHÁP TUYẾN Z, LỰC NGANG N. 16 1.7. XÂY DỰNG ĐỒ THỊ VECTƠ PHỤ TẢI TÁC DỤNG LÊN CHỐT KHUỶU. 21 1.8. TRIỂN KHAI ĐỒ THỊ PHỤ TẢI Ở TOẠ ĐỘ CỰC THÀNH ĐỒ THỊ Q-â. 23 1.9. XÂY DỰNG ĐỒ THỊ VECTƠ PHỤ TẢI TÁC DỤNG TRÊN ĐẦU TO THANH TRUYỀN. 26 1.10. XÂY DỰNG ĐỒ THỊ MÀI MÒN CHỐT KHUỶU. 30 2. ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU VÀ TÍNH TOÁN SỨC BỀN NHÓM PISTON THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ ZIL-130. 31 2.1. NHÓM PISTON. 31 2.1.1. Piston. 31 2.1.2. Chốt piston. 39 2.1.3. Xécmăng. 44 2.2. NHÓM THANH TRUYỀN. 50 2.2.1. Thanh truyền. 50 2.2.2. Bulông thanh truyền. 66 2.2.3.Bạc lót đầu to thanh truyền. 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 98 1.PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG CÁC ĐỒ THỊ TRONG BẢN VẼ ĐỒ THỊ ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC: 1.1. XÂY DỰNG ĐỒ THỊ CÔNG: Xây dựng đường cong áp suất trên đường nén. Ta có: phương trình đường nén đa biến: p.Vn1 = conts, do đó nếu gọi x là điểm bất kỳ trên đường nén thì:
Từ đó rút ra :
Đặt:
Khi đó, áp suất tại điểm bất kỳ x:
[MN/m2] Ở đây:
- áp suất cuối quá trình nén. Trong đó: pa - áp suất đầu quá trình nén. - Động cơ không tăng áp: pa = (0,8 ÷ 0,9)pk Chọn: pa = 0,85pk Trong đó: pk- áp suất trước xúpáp nạp Chọn pk = p0 = 0,1[MN/m2] Vậy:
[MN/m2] ( - tỷ số nén, ( =6,5 n1- chỉ số nén đa biến trung bình. - Động cơ xăng buồng cháy thống nhất: n1 = (1,34(1,38). Chọn n1 = 1,35. ( pc = 0,085.6,51,35 = 1,064 [MN/m2]. Xây dựng đường cong áp suất trên đường giãn nở. Phương trình của đường giãn nở đa biến là:
, do đó nếu gọi x là điểm bất kỳ trên đường giãn nở thì:
Từ đó rút ra:
n Ở đây: pz - áp suất cực đại, pz = 4,4 [MN/m2]. Vz = (.Vc Trong đó: (- tỷ số giãn nở sớm, ( = 1 n2- chỉ số giãn nở đa biến. - Đối với động cơ xăng: n2 = (1,23(1,34). Chọn n2 = 1,25 Ta đặt:
Suy ra:
[MN/m2] Lập bảng tính : Từ công thức (1.1) và (1.2), kết hợp với việc chọn các thể tíchVnx và Vgnx, ta tìm được các giá trị áp suất pnx, pgnx. Việc tính các giá trị pnx, pgnx được thực hiện trong bảng sau: Bảng 1.1. Các điểm áp suất trên đường nén và đường giãn nở Vx  i  Đường nén  Đường giãn nở     in1  1/in1  pc.(1/in1)  in2  1/in2  pz.rn2.(1/in2)   Vc  1  1.0000  1.0000  1.0640  1.0000  1.0000  4.4000   1.5Vc  1.5  1.7287  0.5785  0.6155  1.6600  0.6024  2.6506   2.0Vc  2.0  2.5491  0.3923  0.4174  2.3784  0.4204  1.8500   2.5Vc  2.5  3.4452  0.2903  0.3088  3.1436  0.3181  1.3997   3.0Vc  3.0  4.4067  0.2269  0.2415  3.9482  0.2533  1.1144   3.5Vc  3.5  5.4262  0.1843  0.1961  4.7872  0.2089  0.9191   4.0Vc  4.0  6.4980  0.1539  0.1637  5.6569  0.1768  0.7778   4.5Vc  4.5  7.6179  0.1313  0.1397  6.5541  0.1526  0.6713   5.0Vc  5.0  8.7823  0.1139  0.1212  7.4767  0.1337  0.5885   5.5Vc  5.5  9.9883  0.1001  0.1065  8.4227  0.1187  0.5224   6.0Vc  6.0  11.2332  0.0890  0.0947  9.3905  0.1065  0.4686   6.5Vc  6.5  12.5151  0.0799  0.0850  10.3787  0.0964  0.4239   Xác định các điểm đặc biệt và hiệu chỉnh đồ thị công. Vẽ hệ trục tọa độ (V, p) với các tỷ lệ xích: (v= 0,0061 [lít/mm] (p= 0,022 [MN/m2.mm]. Xác định các điểm đặc biệt: -Điểm r (Vc;pr) Ở đây: Vc- thể tích buồng cháy:
Trong đó: Vh- thể tích công tác:
[mm3] = 0,807 [l] Khi đó:
[l] pr- áp suất khí sót, phụ thuộc vào loại động cơ Tốc độ trung bình của piston:
[m/s] Như vậy động cơ đang khảo sát là động cơ ô tô và máy kéo, do đó áp suất khí sót pr được xác định [1]: pr = (1,05÷1,1).p0 Trong đó: p0- áp suất khí trời Vì động cơ không tăng áp, có lắp bình tiêu âm trên đường thải nên thay p0 ở trên bằng áp suất trên đường thải pth,với [1]: pth =(1,02÷1,04).p0 Chọn: pth = 1,04p0 và pr = 1,08pth Vậy: Pr = 1,08.pth = 1,08.1,04.p0 = 1,08.1,04.0,1= 0,112[MN/m2]. Vậy: r (0,1467[l]; 0,11232[MN/m2]) - Điểm a (Va;pa) Trong đó : Va =(. Vc = 6,5.0,1467= 0,9536 [l]. ( a (0,9536[l];0,085[MN/m2]). - Điểm b (Vb; pb) Ở đây: pb - áp suất cuối quá trình giãn nở
Do
nên:

[MN/m2]. ( b (0,9536[l];0,424[MN/m2]). - Điểm c (Vc; pc) ( c (0,1467[l];1,064[MN/m2]). - Điểm y (Vc; pz) ( y (0,1467[l];4,4[MN/m2]) - Điểm z (Vz; pz) Với Vz = (.Vc = 1. 0,1467= 0,1467 [l]. ( z (0,1467 [l];4,4[MN/m2]) Nối các điểm trung gian của đường nén và đường giãn nở với các điểm đặc biệt, sẽ được đồ thị công lý thuyết. Dùng đồ thị Brick xác định các điểm : - Đánh lửa sớm c’ (180). - Mở sớm b’(670), đóng muộn r’’ (470) xupáp thải. - Mở sớm r’ (310), đóng muộn a’ (830) xupáp nạp. Hiệu chỉnh đồ thị công : Động cơ Diesel lấy áp suất cực đại bằng pz. Xác định các điểm trung gian: - Trên đoạn cy lấy điểm c’’ với c’’c = 1/3 cy. - Trên đoạn ba lấy điểm b’’ với bb’’ = 1/2 ba. Nối các điểm c’c’’....... và đường giãn nở thành đường cong liên tục tại ĐCT và ĐCD và tiếp xúc với đường thải, ta sẽ nhận được đồ thị công đã hiệu chỉnh.
Hình 1.1 Đồ thị công 1.2.XÂY DỰNG ĐỒ THỊ CHUYỂN VỊ PISTON BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỒ THỊ BRICK: Vẽ vòng tròn tâm O, bán kính R = S/2 = 95/2 = 47,5 [mm]. Chọn tỷ lệ xích: (s = 0,7197 [mm/mm]. Giá trị biểu diễn của R là :
[mm]. Từ O lấy đoạn OO’ dịch về phía điểm chết dưới một đoạn :
Ở đây: (- thông số kết cấu; ( = 0,24. (
[mm]. Giá trị biểu diễn là :
[mm]. Muốn xác định chuyển vị của piston ứng với góc quay trục khuỷu là â ta làm như sau: từ O’ kẻ đoạn O’M song song với đường tâm má khuỷu OB như hình 1.1. Hạ MC thẳng góc với AD. Theo Brick đoạn AC = x. Thật vậy, ta có thể chứng minh điều này rất dễ dàng. Từ hình 1.1 ta có : AC = AO - OC = AO - (CO’ - OO’) = R - MO’.Cos( + R.(/2 Coi:
Thay quan hệ trên vào công thức tính AC, sau khi chỉnh lý ta có :
Hình 1.2. Đồ thị Brick
Hình 1.3. Đồ thị chuyển vị vận tốc 1.3.XÂY DỰNG ĐỒ THỊ VẬN TỐC: Tỷ lệ xích : (v = (.(s Ở đây: (- tốc độ góc của trục khuỷu,
(
[mm/s.mm] Vẽ nữa vòng tròn tâm O có bán kính R1: R = R1.( = 47,5.366,52 = 17409,7 [mm/s]. Giá trị biểu diễn của R1 là :
[mm]. Vẽ vòng tròn tâm O có bán kính R2:
[mm/s]. Giá trị biểu diễn của R2 là:

[mm]. Chia nữa vòng tròn R1 và vòng tròn R2 thành n phần đánh số 1, 2, 3, ..., n và 1’, 2’, 3’, ..., n’ theo chiều như hình 1.2 (n = 18). Từ các điểm 0, 1, 2, 3, ... kẻ các đường thẳng góc với AB kẻ từ 0, 1’, 2’, 3’, ... tại các điểm O, a, b, c, ... Nối O, a, b, c, ... bằng đường cong ta được đường biểu diễn trị số vận tốc. Các đoạn thẳng a1, b2, c3, ... nằm giữa đường cong O, a, b, c với nữa đường tròn R1 biểu diễn trị số của vận tốc ở các góc ( tương ứng; điều đó có thể chứng minh dễ dàng. Từ hình1.2, ở một góc ( bất kỳ ta có : bb’ = R2.sin2( và b’2 = R1.sin(. Do đó :
Hình 1.4. Đồ thị xác định vận tốc của piston.
Hình 1.5. Đồ thị vận tốc 1.4.XÂY DỰNG ĐỒ THỊ GIA TỐC THEO PHƯƠNG PHÁP TÔLÊ: Chọn tỷ lệ xích (J = 0,7197.(2 = 0,7197.366,522 = 96682,274 [mm/s2.mm]. Lấy đoạn thẳng AB = S = 2R = 95 (mm). Giá trị biểu diễn là:
[mm]. Tính jmax, jmin [2]: +
[mm/s2]. +
[mm/s2]. Từ A dựng đoạn thẳng AC thể hiện jmax . Giá trị biểu diễn của jmax là:
[mm]. Từ B dựng đoạn thẳng BD thể hiện jmin . Giá trị biểu diễn của jmin là:
[mm]. Nối CD cắt AB ở E Lấy EF [2]:
[mm/s2]. Giá trị biểu diễn của EF là :
[mm]. Nối CF và DF. Phân các đoạn CF và DF thành các đoạn nhỏ bằng nhau ghi các số 1, 2, 3, 4, ... và 1’, 2’, 3’, 4’, ... như hình 1.3. Nối 11’, 22’, 33’, v.v... Đường bao của các đoạn thẳng này biểu thị quan hệ của hàm số j=f(x). Diện tích F1 = F2. Hình 1.6. Đồ thị Tôlê.
Hình 1.7. Đồ thị gia tốc 1.5. XÂY DỰNG ĐỒ THỊ LỰC QUÁN TÍNH Pj, LỰC KHÍ THỂ Pkh, LỰC TỔNG P1: 1.5.1. Đồ thị lực quán tính Pj. Cách xây dựng hoàn toàn giống đồ thị gia tốc, ta chỉ thay các giá trị Jmax, Jmin và -3(R(2 bằng các giá trị Pmax, Pmin, -3(R(2.m. Ở đây: m- khối lượng chuyển động tịnh tiến của cơ cấu khuỷu trục thanh truyền [2]: m = mnp + m1. Trong đó: m1- khối lượng tập trung tại đầu nhỏ thanh truyền. m1 có thể xác định sơ bộ theo công thức kinh nghiệm sau đây [2]: m1 = (0,275(0,35)mtt Chọn m1 = 0,3. mtt = 0,3.2,5 = 0,75 [kg]. mpt- khối lượng nhóm piston, mpt = 1,7 [kg]. ( m = 1,7 + 0,75 = 2,45 [kg]. Lực quán tính Pjmax :
Ở đây: FP- diện tích đỉnh piston.
[mm2]. (
[MN/m2]. Lực quán tính Pjmin:
[MN/m2]. Từ A dựng đoạn thẳng AC thể hiện (-Pjmax). Giá trị biểu diễn của (-Pjmax) là:
[mm]. Từ B dựng đoạn thẳng BD thể hiện (-Pjmin). Giá trị biểu diễn của (-Pjmin) là:
[mm]. Nối CD cắt AB ở E. Lấy EF [2]:
[MN/m2]. Giá trị biểu diễn của EF là:
[mm]. Nối CF và DF. Phân các đoạn CF và DF thành các đoạn nhỏ bằng nhau ghi các số 1, 2, 3, 4, ... và 1’, 2’, 3’, 4’, ... như hình 1.4. Nối 11’, 22’, 33’, v.v... Đường bao của các đoạn thẳng này biểu thị quan hệ của hàm số -Pj=f(s). Diện tích F1 = F2. Hình 1.8. Đồ thị lực quán tính. 1.5.2. Đồ thị lực khí thể Pkt Kết hợp đồ thị Brick và đồ thị công như ta đã vẽ ở trên ta có cách vẽ như sau : Từ các góc 0, 100, 200, 300, ..., 1800 tương ứng với kỳ nạp của động cơ 1900, 2000, 2100, ..., 3600 tương ứng với kỳ nén của động cơ 3700, 3800, 3900, ..., 5400 tương ứng với kỳ cháy - giãn nở của động cơ 5500, 5600, 5700, ..., 7200 tương ứng với kỳ thải của động cơ trên đồ thị Brick ta gióng các đoạn thẳng song song với trục p của đồ thị công sẽ cắt đường biểu diễn đồ thị công tương ứng các kỳ nạp, nén, cháy - giãn nở, thải của động cơ và lần lượt đo các giá trị được tính từ điểm cắt đó đến đường thẳng song song với trục V và có tung độ bằng p0, ta đặt sang bên phải bản vẽ các giá trị vừa đo ta sẽ được các điểm tương ứng các góc 00, 100, 200, 300, ..., 7100, 7200 và lần lượt nối các điểm đó ta sẽ được đồ thị lực khí thể Pkt cần biểu diễn. 1.5.3. Đồ thị lực tác dụng lên chốt piston P1. Lực tác dụng lên chốt piston là hợp lực của lực quán tính và lực khí thể: P1 = Pkt + Pj Từ đồ thị lực quán tính và lực khí thể đã vẽ ở trên, theo nguyên tắc cộng đồ thị ta sẽ được đồ thị P1 cần biểu diễn.
Hình 1.9 Đồ thị khai triển 1.6. XÂY DỰNG ĐỒ THỊ LỰC TIẾP TUYẾN T, LỰC PHÁP TUYẾN Z, LỰC NGANG N, ĐỒ THỊ TỔNG T. Các công thức để tính toán T, Z, N được chứng minh như sau: Hình 1.10. Hệ lực tác dụng trên cơ cấu khuỷu trục thanh truyền giao tâm . Ở đây: p1 = pkh + pJ p1 = P1/Fp pJ = PJ/Fp Phân p1 thành hai thành phần lực:
Trong đó: ptt -lực tác dụng trên đường tâm thanh truyền. N- lực ngang tác dụng trên phương thẳng góc với đường tâm xy lanh. Từ quan hệ lượng giác ta có thể xác định được trị số của ptt và N.

Phân ptt thành hai phân lực: lực tiếp tuyến T và lực pháp tuyến Z (sau khi đã dời xuống tâm chốt khuỷu ) ta cũng có thể xác định trị số của T và Z bằng các quan hệ sau:

Lập bảng tính T, N, Z tương ứng với các góc quay trục khuỷu ( = 00, 100, 200, ..., 7200 và ( = arcsin((.sin(). Chọn tỷ lệ xích (T = (Z =(N =0,0312 [MN/m2.mm], (( = 2 [độ/mm]. Sử dụng các công thức (1.7), (1.8), (1.9), ta tính được các giá trị T, Z, N ứng với các góc â. Bảng 1.2. Giá trị T, Z, N ứng với các góc â Tỷ lệ xích T = Z = N = P = 0,022 [MN/m2.mm]. a (độ)  a (rad)  b (rad)  a+b (độ)  P1 (mm)  Sin(a+b)  T (mm)  Cos(a+b)  Z (mm)  tgb