Đồ án Tính toán và thiết kế nhóm piston thanh truyền của động cơ IFE

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 nhóm piston thanh truyền của động cơ IFE . Đây là một nhóm chi tiết chính, không thể thiếu trong động cơ đốt trong. Nó dùng để tiếp nhận lực khí thể do khí cháy sinh ra, biến chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu. 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 gửi lời cảm ơn đến thầy Dương Việt Dũng 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 Hoàng Thắng I). PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG CÁC ĐỒ THỊ TRONG BẢN VẼ ĐỒ THỊ ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC. 1. VẼ ĐỒ THỊ CÔNG: 1.1. Các thông số cho trước: + Công suất động cơ : Ne= 85 (kW). + Số vòng quay: n= 5490 (vòng/ph). + Tỷ số nén:  9.4 + Đường kính xilanh: D= 90(mm) + Hành trình piston: S= 84 (mm) + Tham số kết cấu: 0.26 + Áp suất cực đại: Pz= 5.8 (MN/m2) + Khối lượng nhóm piston: mnp= 0.8 (Kg) + Khối lượng nhóm thanh truyền:
+ Góc phun sớm:
+ Góc phân phối khí:
+ Thứ tự làm việc của động cơ: 1- 3- 4-2. 1.2. Các thông số chọn: + Áp suất môi trường:
+ Chỉ số nén đa biến trung bình :
+ Chỉ số giãn nở đa biến trung bình :
. + Áp suất cuối quá trình nạp : - Động cơ không tăng áp: pa = (0,8; 0,9)pk
Chọn: pa = 0,806pk .
Trong đó: pk- áp suất trước xupáp nạp Chọn pk = p0 = 0,098[MN/m2] Vậy:
. [MN/m2] + Đối với động cơ Xăng tỷ số giãn nở sớm bằng:
+ Aïp suất cuối quá trình giãn nở :
+ Chọn áp suất khí sót : phụ thuộc vào loại động cơ Như vậy động cơ đang khảo sát là động cơ tốc độ cao, do đó áp suất khí sót pr được xác định [1]: . Vì động cơ không tăng áp Vậy chọn: Pr = 0,105(MN/m2) + Thể tích công tác :
1.3. Vẽ đồ thị công: Để vẽ đồ thị công ta cần xác định các điểm trên đường nén và đường giãn nở. 1.3.1. Xây dựng đường cong áp suất trên đường nén: Ta xác định các điểm trên đường nén với chỉ số nén đa biến n1. Ta có phương trình đường cong nén đa biến :
Nếu gọi x là điểm bất kỳ trên đường nén thì:
Suy ra :
Đặt :
(
1.3.2. Xây dựng đường cong áp suất trên giãn nở: - Ta có phương trình của đường cong giãn nở đa biến :
Gọi x là điểm bất kỳ trên đường giãn nở thì:
- Suy ra :
Với
; Đặt :
Thì ta có:
1.3.3. Lập bảng xác định các điểm trên đường nén và đường giãn nở: Cho i tăng từ
từ đó ta lập bảng xác định các điểm trên đường nén và đường giãn nỡ. 1.3.4.Xác định các điểm đặc biệt: Lập bảng: i 


  1  0.0636  1.6468  5.8000   1.4  0.0891  1.0456  3.8086   1.8  0.1145  0.7448  2.7819   2.2  0.1400  0.5680  2.1647   2.6  0.1654  0.4533  1.7568   3  0.1909  0.3737  1.4690   3.4  0.2163  0.3156  1.2563   3.8  0.2417  0.2716  1.0932   4.2  0.2672  0.2373  0.9646   4.6  0.2926  0.2099  0.8610   5  0.3181  0.1875  0.7757   5.4  0.3435  0.1690  0.7046   5.8  0.3690  0.1535  0.6444   6.2  0.3944  0.1403  0.5928   6.6  0.4199  0.1289  0.5483   7  0.4453  0.1191  0.5094   7.4  0.4708  0.1105  0.4752   7.8  0.4962  0.1029  0.4449   8.2  0.5217  0.0962  0.4180   8.6  0.5471  0.0902  0.3938   9  0.5726  0.0848  0.3721   9.4  0.5980  0.0800  0.3524   - Sau khi xác định được các điểm đặc biệt và các điểm trung gian ta tiến hành vẽ đồ thị công theo trình tự sau : - Vẽ hệ trục toạ độ P - V theo tỷ lệ xích : (V = 0.00299 (l/mm) (P = 0,029 (MN/m2/mm) - Theo cách chọn tỷ lệ xích như trên toạ độ của các điểm đặc biệt và trung gian là : +Điểm đặt biệt là: r(21,3;3,6207) b(200; 5,800) a(200; 2.75) c(21,3; 56,7859) z(21,3; 200) - Nối tất cả các điểm trung gian của đường nén và đường giãn nở với các điểm đặc biệt ta được đồ thị công lý thuyết. 2.TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU KHUỶU TRỤC THANH TRUYỀN: Động cơ đốt trong kiểu piston thường có tốc độ lớn nên việc nghiên cứu tính toán động học và động lực học của cơ cấu khuỷu trục thanh truyền là cần thiết, mục đích là để tìm quy luật vận động của chúng và để xác định lực quán tính tác dụng lên các chi tiết tác dụng lên cơ cấu trục khuỷu thanh truyền dùng để tính toán cân bằng các chi tiết và tính toán mòn động cơ. 2.1.Động học của cơ cấu khuỷu trục thanh truyền: Cơ cấu khuỷu trục thanh truyền thuộc loại giao tâm, là cơ cấu mà đường tâm xylanh trực giao với đường tâm khuỷu trục tại 1 điểm. (hình vẽ). Với : R : bán kính quay của trục khuỷu. l : chiều dài thanh truyền. S : hành trình piston.
: tham số kết cấu. ( : vận tốc góc của trục khuỷu (rad/s). x : độ dịch chuyển của piston tính từ ĐCT ứng với góc quay ( của khuỷu trục. ( : góc lắc của thanh truyền ứng với góc ( O : giao điểm của đường tâm xylanh và đường tâm khuỷu trục. B : giao điểm của đường tâm thanh truyền và đường tâm chốt khuỷu. A : giao điểm của đường tâm thanh truyền và đường tâm chốt piston. 2.1.1.Xác định độ dịch chuyển (x) của piston bằng phương pháp đồ thị Brích: Chuyển vị x của piston tuỳ thuộc vào vị trí của khuỷu trục, x thay đổi theo góc quay ( của khuỷu trục. - Theo phương pháp giải tích chuyển dịch x của piston được tính theo công thức: .
. -Giải x bằng phương pháp đồ thị Brích cho phép ta xác lập được mối quan hệ thuận nghịch giữa chuyển vị x của piston với góc quay ( của trục khuỷu một cách thuận lợi và khá chính xác. + Các bước tiến hành vẽ đồ thị như sau: - Vẽ nữa vòng tròn tâm 0 bán kính R/
, đường kính
- Chọn tỉ lệ xích (S sao cho
(
[mm/mm]. (
178.7234 (mm). - Lấy về phía bên phải tâm 0 (phía ĐCD) trên AB một đoạn 00’ sao cho:

- Từ
kẻ các tia từ trái sang phải ứng với các góc từ
, các tia này cắt nữa vòng tròn Brích tương ứng tại các điểm từ
. - Vẽ hệ trục toạ độ vuông góc
phía dưới nữa vòng tròn(O; R/
), trục
thẳng đứng dóng từ A xuống biểu diễn giá trị
từ
với tỉ lệ xích:
, trục
nằm ngang biểu diễn giá trị S với tỉ lệ xích: µs=0.47mm/mm). - Từ các điểm chia
trên nữa vòng tròn Brích ta dóng các đường thẳng song song với trục
. Và từ các điểm chia trên trục
ứng với các giá trị
ta kẻ các đường nằm ngang song song với
. Các đường này tương ứng với các góc cắt nhau tại các điểm 1’,2’,3’,...,18’.Nối các điểm này lại ta đựơc đường cong biểu diễn độ dịch chuyển của piston (x) theo ( :
2.1.2. Giải vận tốc v của piston bằng phương pháp đồ thị: - Theo phương pháp giải tích ta tính gần đúng vận tốc của piston là:
. + Các bước tiến hành xây dựng đồ thị: - Vẽ nữa vòng tròn tâm O bán kính
và 1đường tròn đồng tâm O có bán kính :
. Với :
.
.
. Ta chọn tỷ lệ xích
sao cho giá trị vẽ bán kính nữa vòng tròn
. -Từ đó suy ra:
(mm/s.mm). ( bán kính: +
+
. - Chia đều nữa vòng tròn bán kính
, và vòng tròn bán kính
ra 18 phần bằng nhau. Như vậy ứng với góc ( ở nữa vòng tròn bán kính
thì ở vòng tròn bán kính
sẽ là
, 18 điểm trên nữa vòng tròn bán kính r1 mỗi điểm cách nhau
và trên vòng tròn bán kính r2 mỗi điểm cách nhau là
. Đánh số thứ tự điểm chia trên nữa vòng tròn
ta đánh số từ 0,1,2,...,18 theo chiều ngược kim đồng hồ, còn trên vòng tròn bán kính
ta đánh số 0’,1’,2’,...18’ theo chiều kim đồng hồ, cả hai đều xuất phát từ tia OA. - Từ các điểm chia trên 1/2 vòng tròn bán kính
ta dóng các đường thẳng vuông góc với đường kính AB, và từ các điểm chia trên vòng tròn bán kính r2 ta kẻ các đường thẳng ngang song song với AB, các đường kẻ này sẽ cắt nhau tương ứng theo từng cặp 0-0’;1-1’;...;18-18’ tại các điểm lần lượt là 0, a, b, c, ... Nối các điểm này lại bằng 1 đường cong ta được đường biểu diễn trị số tốc độ, các đoạn thẳng đứng nằm giữa đường cong với nữa đường tròn r1 biểu diễn trị số tốc độ ở các góc ( tương ứng , phần giới hạn của đường cong này và 1/2 vòng tròn lớn gọi là giới hạn vận tốc của pis ton. - Vẽ hệ toạ độ vuông góc v - s trùng với hệ toạ độ trục thẳng đứng 0v trùng với trục 0Từ các điểm chia trên đồ thị Brích, ta kẻ các đường thẳng song song với trục 0v và cắt trục 0s tại các điểm 0,1,2,3,..,18, từ các điểm này ta đặt các đoạn thẳng 00’’, 11’’, 22’’, 33’’, ... ,1818’’ song song với trục 0v có khoảng cách bằng khoảng cách các đoạn tương ứng nằm giữa đường cong với nữa đường tròn bán kính r1 mà nó biểu diển tốc độ ở các góc ( tương ứng. Nối các điểm 0’’,1’’,2’’,...,18’’ lại với nhau ta có đường cong biểu diễn vận tốc piston v=f(s). 2.1.3. Giải gia tốc J bằng đồ thị Tôlê: - Theo phương pháp giải tích lấy đạo hàm của vận tốc theo thời gian ta có công thức để tính gia tốc của piston :
. + Giải gia tốc của piston bằng phương pháp đồ thị thường dùng phương pháp Tôlê. Các bước tiến hành như sau : - Vẽ hệ trục J - s. Lấy đoạn thẳng AB trên trục 0s, AB = S/
= 178,7234 (mm). - Tại A dựng đoạn thẳng AC về phía trên AB, với:
=17491,2868(m/s2) - Từ B dựng đoạn thẳng BD về phía dưới AB, với:
=-10272,6605(m/s2) - Nối CD cắt AB tại E, dựng EF về phía dưới AB một đoạn :
=-10827,93944(m/s2) -Chọn tỷ lệ xích :
. (
.
.
. - Nối đoạn CF và DF, ta phân chia các đoạn CF và DF thành 8 đoạn nhỏ bằng nhau và ghi số thứ tự cùng chiều, chẳng hạn như trên đoạn CF: C,1,2,3,...,7,F ; trên đoạn FD: F,1’,2’,3’,...,7’,D’. Nối các điểm chia
Đường bao của các đoạn này là đường cong biểu diễn gia tốc của piston

Hình 1.4. Đồ thị Tôlê. 2.2. Động lực học cơ cấu khuỷu trục thanh truyền: Tính toán động lực học cơ cấu khuỷu trục thanh truyền nhằm mục đích xác định các lực do hợp lực của lực quán tính và lực khí thể tác dụng lên các chi tiết trong cơ cấu ở mỗi vị trí của khuỷu trục để phục vụ cho việc tính toán sức bền, nghiên cứu trạng thái mài mòn của các chi tiết máy và tính toán cân bằng động cơ. Trong quá trình làm việc của động cơ, cơ cấu khuỷu trục thanh truyền chịu tác dụng của các lực sau: Lực quán tính do các chi tiết có khối lượng chuyển động ; Lực khí thể ; trọng lực ; Lực ma sát. Trừ trọng lực ra, chiều và trị số của các lực khác đều thay đổi theo vị trí của piston trong các chu kỳ công tác của động cơ. Trong các lực nói trên lực quán tính và lực khí thể có trị số lớn hơn cả, nên trong quá trình tính toán ta chỉ xét đến hai loại lực này. 2.2.1. Xác định khối lượng: 2.2.1.1. Khối lượng tham gia chuyển động thẳng: Các chi tiết máy trong cơ cấu khuỷu trục thanh truyền tham gia vào chuyển động tịnh tiến bao gồm các chi tiết trong nhóm piston và khối lượng của thanh truyền quy dẩn về đầu nhỏ thanh truyền. Ta có:
Trong đó:
: khối lượng nhóm piston.
.
: khối lượng thanh truyền tham gia chuyển động tịnh tiến quy dẫn về đầu nhỏ thanh truyền. m1 = (0,275 ( 0,35).
. Ta chọn :
. Vậy khối lượng các chi tiết tham gia chuyển động tịnh tiến là :
. 2.2.1.2. Khối lượng các chi tiết tham gia chuyển động quay: Khối lượng tham gia chuyển động quay trong cơ cấu khuỷu trục thanh truyền gồm phần khối lượng nhóm thanh truyền quy dẩn về đầu to, khối lượng khuỷu trục gồm có khối lượng chốt khuỷu và khối lượng má khuỷu quy dẩn về tâm chốtï khuỷu.
Trong đó :
: khối lượng chuyển động quay của thanh truyền quy dẫn về đầu to thanh truyền.

:khối lượng của khuỷu trục. Khuỷu trục có kết cấu 2 má khuỷu như nhau
Trong quá trình tính toán, thiết kế và để xây dựng các đồ thị được tiên lợi thì người ta thường tính toán khối lượng chuyển động tịnh tiến và khối lượng chuyển động quay của cơ cấu khuỷu trục thanh truyền thường tính trên đơn vị diện tích đỉnh piston. - Diện tích đỉnh piston :
. -Khối lượng các chi tiết tham gia chuyển động tịnh tiến tính trên đơn vị diện tích đỉnh piston là:
2.2.2.Xác định lực quán tính các chi tiết tham gia chuyển động tịnh tiến: - Lực quán tính các chi tiết tham gia chuyển động tịnh tiến:
. Suy ra

Đoạn E’F’
. -Ta vẽ đồ thị -
theo phương pháp đồ thị Tôlê nhưng với tỷ lệ xích:
Đồ thị
này vẽ chung với đồ thị công p-v nhưng trục ngang lấy bằng po.
.
.
. - Cách vẽ tiến hành như đối với đồ thị (j - s). 2.2.3. Khai triển các đồ thị: 2.2.3.1. Khai triển đồ thị p - V thành p - (: - Vẽ hệ trục toạ độ vuông góc p -
trục hoành 0
lấy bằng giá trị po , trên trục 0
ta chia 10o một ứng với tỷ lệ xích:
. 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 5500, 5600, 5700, ..., 7200 tương ứng với kỳ thải của động cơ - Từ các điểm chia trên đồ thi Brick dóng các đường thẳng song song với 0p và cắt đồ thị công tại các điểm trên đường biểu diễn các quá trình nạp, nén, cháy-giản nỡ và thải. Qua các giao điểm này ta kẻ các đường ngang song song với trục hoành sang hệ trục toạ độ p-
. - Từ các điểm chia trên trục 0
kẻ các đường song song với trục 0p, những đường này cắt các đường dóng ngang tại các điểm ứng với các góc chia của đồ thị Brick và phù hợp với quá trình làm việc của động cơ. Nối các giao điểm này lại ta có đường cong khai triển đồ thị p -
với tỷ lệ xích : µP =0.029(MN/m2.mm). µα =2(0/mm) 2.2.3.2 .Khai triễn đồ thị Pj - V thành Pj -
: Cách khai triễn đồ thị này giống như cách khai triễn đồ thị p -V thành p -
nhưng giá trị của Pj trên đồ thị p - V khi chuyển sang đồ thị p -
phải đổi dấu. 2.2.3.3. Cộng đồ thị p -
và Pj -
được P1 -
: Cộng các giá trị
với
ở các trị số góc ( tương ứng ta vẽ được đường biểu diễn hợp lực của lực quán tính và lực khí thể
:
(MN/m2). 2.2.4. Xây dựng đồ thị lực tiếp tuyến T, lực pháp tuyến Z, lực ngang N: - Ta có : + Lực tiếp tuyến tác dụng lên chốt khuỷu:
. +Lực pháp tuyến tác dụng lên chốt khuỷu:
. +Lực ngang tác dụng lên phương thẳng góc với đường tâm xylanh:
. - Ta lập bảng tính
theo giá trị góc (. +
ta xác định được trên đồ thị tương ứng với các giá trị của (. + Xác định các giá trị
: Ta có các giá trị
,
,
phụ thuộc vào giá trị
cho trong bảng phụ lục sách Kết Cấu và Tính Toán Động Cơ tập I. Sau khi lập bảng xác định các giá trị
. Ta vẽ đồ thị
theo ( trên hệ trục toạ độ vuông góc chung (
- (). Với tỷ lệ xích :
.
(độ/mm). Bảng tính
  P1 (MN/m2)  tg()  N (MN/m2)  ()  Cos()  Sin()  cos()  T  Z   0  -3.0  0.0000  0.0000  0.0000  1.0000  0.000  1.000  0.0000  -3.0244   10  -3.0  0.0452  -0.1333  0.2197  0.9760  0.218  0.999  -0.6436  -2.8824   20  -2.7  0.0893  -0.2439  0.4381  0.9056  0.424  0.996  -1.1634  -2.4834   30  -2.4  0.1311  -0.3138  0.6540  0.7937  0.608  0.992  -1.4683  -1.9156   40  -1.9  0.1695  -0.3266  0.8660  0.6478  0.762  0.986  -1.4887  -1.2660   50  -1.4  0.2032  -0.2873  1.0732  0.4773  0.879  0.980  -1.2675  -0.6885   60  -0.9  0.2311  -0.2005  1.2743  0.2922  0.956  0.974  -0.8516  -0.2602   70  -0.3  0.2520  -0.0828  1.4685  0.1021  0.995  0.970  -0.3371  -0.0346   80  0.2  0.2649  0.0468  1.6552  -0.0843  0.996  0.967  0.1821  -0.0154   90  0.6  0.2693  0.1671  1.8338  -0.2600  0.966  0.966  0.6208  -0.1671   100  1.0  0.2649  0.2636  2.0043  -0.4200  0.908  0.967  0.9341  -0.4323   110  1.3  0.2520  0.3268  2.1667  -0.5612  0.828  0.970  1.1071  -0.7507   120  1.5  0.2311  0.3480  2.3215  -0.6822  0.731  0.974  1.1302  -1.0544   130  1.6  0.2032  0.3351  2.4694  -0.7825  0.623  0.980  1.0477  -1.3166   140  1.7  0.1695  0.2905  2.6114  -0.8627  0.506  0.986  0.8792  -1.4998   150  1.7  0.1311  0.2277  2.7484  -0.9237  0.383  0.992  0.6713  -1.6181   160  1.8  0.0893  0.1568  2.8816  -0.9664  0.257  0.996  0.4534  -1.7043   170  1.8  0.0452  0.0796  3.0122  -0.9916  0.129  0.999  0.2275  -1.7489   180  1.8  0.0000  0.0000  3.1416  -1.0000  0.000  1.000  0.0000  -1.7582   190  1.8  -0.0452  -0.0793  3.2710  -0.9916  -0.129  0.999  -0.2265  -1.7411   200  1.8  -0.0893  -0.1563  3.4016  -0.9664  -0.257  0.996  -0.4519  -1.6988   210  1.7  -0.1311  -0.2283  3.5348  -0.9237  -0.383  0.992  -0.6728  -1.6219   220  1.7  -0.1695  -0.2912  3.6718  -0.8627  -0.506  0.986  -0.8810  -1.5029   230  1.7  -0.2032  -0.3367  3.8137  -0.7825  -0.623  0.980  -1.0527  -1.3228   240  1.5  -0.2311  -0.3519  3.9617  -0.6822  -0.731  0.974  -1.1428  -1.0661   250  1.3  -0.2520  -0.3337  4.1165  -0.5612  -0.828  0.970  -1.1304  -0.7665   260  1.0  -0.2649  -0.2774  4.2789  -0.4200  -0.908  0.967  -0.9833  -0.4551   270  0.7  -0.2693  -0.1865  4.4494  -0.2600  -0.966  0.966  -0.6927  -0.1865   280  0.3  -0.2649  -0.0741  4.6280  -0.0843  -0.996  0.967  -0.2882  -0.0244   290  -0.2  -0.2520  0.0479  4.8146  0.1021  -0.995  0.970  0.1950  -0.0200   300  -0.7  -0.2311  0.1536  5.0089  0.2922  -0.956  0.974  0.6525  -0.1993   310  -1.1  -0.2032  0.2252  5.2100  0.4773  -0.879  0.980  0.9937  -0.5398   320  -1.5  -0.1695  0.2487  5.4171  0.6478  -0.762  0.986  1.1334  -0.9639   330  -1.7  -0.1311  0.2207  5.6292  0.7937  -0.608  0.992  1.0327  -1.3473   340  -1.7  -0.0893  0.1515  5.8451  0.9056  -0.424  0.996  0.7229  -1.5432   350  -1.4  -0.0452  0.0621