1. PHÂN TÍCH KẾT CẤU VÀ THIẾT KẾ TRỤC KHUỶU

1.1. ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC VÀ VẬT LIỆU CHẾ TẠO

Trục khuỷu chịu tải trọng bởi áp lực của khí, lực quán tính của các phần chuyển động tính tiến và chuyển động quay. Các lực tác dụng có tính chất chu kỳ gây nên dao động xoắn.

Trục khuỷu là một chi tiết phức tạp nhất về mặt cấu tạo và sản xuất, do đó lựa chọn vật liệu chế tạo trục khuỷu là rất quan trọng. Kim loại chế tạo trục khuỷu cần phải có tính chống mài mòn, chống mỏi và chịu tải trọng va đập cao. Vì động cơ thiết kế thuộc loại cỡ trung bình nên ta chọn thép 45 làm vật liệu chế tạo.

1.2. KẾT CẤU TRỤC KHUỶU

Trục khuỷu của động cơ tiếp nhận tải trọng lớn nên có nhiều gối đỡ. Ta thiết kế 5 gối đỡ chính.

Trục khuỷu gồm những phần sau :

Hình 2 : Phác hoạ kết cấu trục khuỷu

1: chốt khuỷu. 2 : cổ trục khuỷu. 3 : đối trọng. 4 : má khuỷu

5 : mặt bích để lắp bánh đà.

1.2.1 Đầu trục

Trên đầu trục có lắp đai ốc khởi động, puly dẫn động quạt gió, bơm nước, bộ phận chắn dầu và bánh răng phân phối

Hình 3 : Kết cấu đầu trục khuỷu

1-Then bán ngyệt, 2-Bánh răng dẫn động trục cam.

3-Vành chặn

1.2.2 Cổ trục

Tất cả các cổ chính có cùng một đường kính, từ cổ chính dầu bôi trơn theo các lổ khoan trong má để đi bôi trơn các cổ biên. Các chỗ chuyển tiếp của cổ chính và cổ biên đến má trục có góc lượn.

Để giảm bớt trọng lượng của các phần không được cân bằng và của cả trục nói chung ta chế tạo trục khuỷu có cổ biên rỗng.

Hình 4 : Kết cấu cổ trục và cổ chốt.

1.2.3 Má khuỷu

Má khuỷu là bộ phần nối liền cổ trục và cổ chốt. Để lợi dụng vật liệu hợp lý và phân bố đồng đều áp suất ta chọn thiết kế dạng má khuỷu hình ô van.

1.2.4 Đuôi trục khuỷu

Đuôi trục khuỷu là nơi truyền công suất ra ngoài và trên đuôi trục khuỷu có lắp bánh đà.

Ta chọn phương pháp lắp bánh đà lên đuôi bằng mặt bích. Ở đuôi trục khuỷu ta bố trí các bộ phận sau :

- Bánh đà

- Đệm chắn di động dọc trục

- Ngoài ra còn có thể có bộ phận khác như vành hắt dầu, ren hồi dầu v.v...

1.2.5 Đối trọng

Đối trọng dùng để :

- Cân bằng các lực và mômen quán tính không cân bằng của động cơ, chủ yếu là lực và mômen quán tính ly tâm.

- Giảm phụ tải cho ổ trục nhất là ổ giữa và tránh biến dạng của trục khuỷu khi làm việc.

Đối trọng được đúc liền với má khuỷu.

6.2.6 Bánh đà

Hình 5 : Kết cấu đầu trục khuỷu với bánh đà

9-Bánh đà 11-Mayor, 20-Bánh rang khởi động

Bánh đà có nhiệm vụ làm đồng đều tốc độ góc của động cơ đến mức cần thiết cho phép. Trong quá trình làm việc, bánh đà có nhiệm vụ tích năng lượng ( khi mômen quay lớn hơn mômen cản) và phóng năng lượng ( khi mômen cản lớn hơn mômen quay ). Ngoài ra, bánh đà là nơi ghi ký hiệu ĐCT, ĐCD, góc đánh lửa.

Bánh đà được chế tạo bằng gang xám, ta chế tạo bánh đà dạng đĩa, loại này có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo. Vành ngoài của bánh đà được ép lên một vành răng khởi động.

1.2.6 Bạc lót

Ta dùng bạc lót mỏng vì có ưu điểm sau :

Thích hợp dễ dàng với điều kiện sản xuất hàng loạt theo các cốt sửa chữa quy định. Điều này cho phép lắp lẫn bạc lót mà không cần nguyên công cạo bạc

Do không cần cạo bạc nên giảm được thời gian sửa chữa, mặt khác ít tốn nguyên liệu.

Khi lắp ghép bạc mỏng, mặt lưng bạc tiếp xuc tốt với đầu to tạo điều kiện truyền nhiệt tốt

Giảm được kích thước đầu to thanh truyền, tạo khả năng tăng đường kính chốt khuỷu.

2. Các kích thước chọn

a. Cổ trục khuỷu

Đường kính cổ trục:

dct = (0,65 ÷ 0,80)D trang (129-KCVTTĐCĐT tập 2)

dct = 0,74.D = 0,74 94,7 = 70,1 (mm)

Chiều dài cổ trục:

lct = 0,31.D = 0,31 94,7 = 29,5 (mm)

b. Chốt khuỷu

dnch = 0,64.D = 0,64.94,7= 60 (mm)

lch = 0,57. dch = 0,57.60 = 34 (mm) trang 130 KCVTT tập 2)

dtch = 0,34. dch = 0,34.60 = 20,5 (mm)

TÍNH BỀN TRỤC KHUỶU

3.1. XÁC ĐỊNH KHỐI LƯỢNG CHUYỂN ĐỘNG QUAY THEO BÁN KÍNH R CỦA MÁ KHUỶU

Hình 6 : Sơ đồ tính khối lượng má khuỷu

Khối lượng má khuỷu mm xác định theo công thức sau :

mm = Fm.b

Trong đó :

Fm : diện tích phần má khuỷu có bán kính r

b : chiều dày má khuỷu, b = 0,26D = 0,26 94,7 = 24,5 (mm)

: khối lượng riêng của vật liệu trục khuỷu. = 7852

Nếu ta coi phần diện tích má khuỷu có bán kính r gần như 1 hình chữ nhật có diện tích a’.b’ với :

a’ = 1,2.D = 1,2.94,7 = 113,64 (mm) : chiều rộng má khuỷu

b’ = r = ( : độ trùng điệp cổ chốt và cổ trục)

= - 47,35 = 18 (mm)

r = = 26,04 (mm)

Vậy Fm = a’.b’ = a’.r = 113,64.24,6 = 2959,47 (mm) = 0,00295947 (m2)

mm = Fm.b mm = 0,0029.24,6.10-3.7852 = 0,5721 (kg)

Để phần khối lượng má mm cùng quay với bán kính R ta phải quy dẫn thành khối lượng tương đương đặt tại các tâm chốt khuỷu, khối lượng quy dẫn được tính như sau :

mmR = mm. = 0,5721. = 0,314 (kg)

3.2. KHỐI LƯỢNG CHỐT KHUỶU

Khối lượng chốt khuỷu được xác định theo công thức :

mch = (l + b1 + b2) .

Trong đó :

mch : khối lượng chốt khuỷu vận động quay với bán kính R

Dn, dt : đường kính ngoài và trong của chốt khuỷu

Dn = 60 mm = 0,060 m

Dt = 20,6 mm = 0,0206 m

l : chiều dài làm việc của chốt khuỷu, lch = 34,5(mm) =0,0345 m

b1, b2 : chiều dài của má khuỷu, b1, b2 = 24,6 (mm) = 0,0246 m

: khối lượng riêng của vật liệu chế tạo trục khuỷu

mch = (0,0602 - 0,02062) (0,0345 + 24,6 + 24,6).7852 = 1,678 kg

3.3. LỰC LY TÂM C1 VÀ C2

C1 = mch.R.2 = 1,678.(47,35.10-3).446.12.10-6= 0,0158 (MN)

C1 : lực ly tâm của chốt khuỷu quy về đầu to :

C2 = m2.R.2 = 0,7.mtt.R.2

=0,7.1,02.0,04735.446.12.10-6 = 0,006728 (MN)

C2 : lực ly tâm của khối lượng thanh truyền quy dẫn về tâm chốt khuỷu :

3.4. LỰC QUÁN TÍNH LY CỦA MÁ KHUỶU VÀ ĐỐI TRỌNG

Pr1 : lực quán tính ly tâm của má khuỷu quy về tâm chốt khuỷu

Pr1 = mmR. R.2 = 0,3146.(47,35.10-3). 446.12.10-6 = 0,00296 (MN)

Pr2 : lực quán tính ly tâm của đối trọng

Pr2 = mđt. Rđt.2

mđt : trọng khối của đối trọng :

mđt = = 1,9933 (kg)

rđt : bán kính quay của đối trọng :

rđt = R = 47,35.10-3 (m)

Pr2 = 1,9933.(47,35.10-3). 446.12. 10-6 = 0,0187839 ( kg)

3.5. SƠ ĐỒ TÍNH TOÁN VÀ XÁC ĐỊNH PHẢN LỰC GỐI ĐỠ

Hình 7 : Sơ đồ tính phản lực gối đỡ

Vị trí Zmax xuất hiện tại = 370o có giá trị đo 76,64 mm

Lực Zmax đo được tính như sau :Zmax = 76,64.mp.Fp = 76,64.0,025. 7043,5.10-6 = 0,1349 (MN)

Do đó : Zo = Zmax - (C1 + C2)C1 + C2 = 0,01581 + 0,006728123 = 0,022546765 (MN)

Zo = Zmax - (C1 + C2) = 0,1349 - 0,022546765= 0,1124 (MN)

Vì khuỷu đối xứng nên :

Z’ = Z” = - Pr1 + Pr2 =

= 0,0720221 (MN)

Ngoài Zmax, khuỷu còn bị xoắn bởi các khuỷu trước nó góc công tác của động cơ là 180o, thứ tự làm việc 1-3-4-2. Ta có thể xác định giá trị lực T ở góc quay như sau:

o 370 550 10 190

T(mm) 13,2 -4,97 -11,79 -4,21

Đem nhân với tỉ lệ xích mT = 0,025

o 370 550 10 190T(Mn/m2) 0,33 -0,12425 -0,29475 -0,10525

Ta lập bảng xác định TI-1max

370 550 10 1901 T = 0

0,33-0,12425 -0,29475 -0,10525

2-0,12425 -0,29475 -0,10525

T = -0,1050,33

3-0,10525

T = -0,4190,33

-0,12425 -0,29475

4-0,29475 -0,10525

T = -0,5240,33

-0,12425

TI-1max 0 -0,419 -0,52425 -0,10525

Ta thấy khuỷu thứ 4 có TI-1max nên ta tính toán cho khuỷu này.

3.6. TÍNH SỨC BỀN CHỐT KHUỶU

- Ứng suất uốn chốt khuỷu

Trong đó:

Với

Z’=0,0720221 (MN)

l’ = lct2 + lm + lch =

= .0,02937 + 0,00246 + = 0,0565 (m)

Pr1 = 0,0029653 (MN)

Pr2 = 0,018784 (MN)

dn ch = 0,060608 (m)

dt ch = 0,0206067 (m)

lm = b (bề rộng má khuỷu) =0,024622

a = c = = 0,0295843 (m)

=

= (MN.m)

= (m3)

=> u = = 141,4

(MN/m3)

= 141,4 < [ u ]chốt khuỷu = 80 160

- Ứng suất xoắn chốt khuỷu

x =

Trong đó

= = = -0,00017 (MN.m)

=> x =

- Ứng suất tổng cộng :

=

< [ ]chốt khuỷu = 80 160

Vậy chốt khuỷu đủ bền

3.7. TÍNH SỨC BỀN CỔ TRỤC KHUỶU

Khi tính bền cổ trục ta tính cho khuỷu bên phải vì nó chịu lực lớn hơn.

- Ứng suất uốn cổ trục :

uct =

Z’ = 0,072022 (MN)

l’’ = lct + lm = .0,029357 + .0,024622 = 0,02699 (m)

dct = 0,070=> = = 0,02699 = 0,0019438 (MNm)

= = (m3)

uct = = = 57,533

- Ứng suất xoắn cổ trục :

xct = = -2,587

- Ứng suất tổng cộng tác dụng lên cổ trục :

= = 57,765

< [ ]cổ trục = 60 120

Vậy cổ trục khuỷu đủ bền

3.8. TÍNH BỀN MÁ KHUỶU

Má khuỷu chịu uốn và chịu nén trong hai mặt phẳng vuông góc với nhau : mặt phẳng khuỷu của tiết diện và mặt phẳng thẳng góc với mặt phẳng khuỷu.

-Ứng suất nén má :

n =

Trong đó:

Z’ = 0,072022 (MN)

Pr2 =0,018784 (MN)

b: chiều dày má khuỷu, b = 0,024622 (m)h: chiều cao má khuỷu, h = 0,14205 (mm)

n=

- Ứng suất uốn trong mặt phẳng khuỷu :

u= (MN/m3)

= = (MN.m)

= = (m3)

u=

Ứng suất uốn trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng khuỷu :

uy= = -2,111510971

- Ứng suất tổng cộng :

= n + = =131,5

< [ ]max má khuỷu = 120 180

Vậy má khuỷu đủ bền.

LIỆU THAM KHẢO

1. Trần Văn Tế

Kết Cấu Và Tính Toán Động Cơ Đốt Trong

Đại học bách khoa Hà nội - 1995

2. Nguyễn Tất Tiến

Nguyên lý Động Cơ Đốt Trong

NXB Giáo dục - 2000

3. Hồ Thanh Giảng

Công nghệ chế tạo phụ tùng ôtô máy kéo

NXB Giao thông vận tải - 1999

4. V.N. Bôntinski

Lý thuyết, kết cấu và tính toán động cơ máy kéo, ôtô - Tập I

Nhà xuất bản nông nghiệp - 1984

MỤC LỤCTrang

1. VẼ ĐỒ THỊ CÔNG...............................................................................................11.1. Xây dựng đường cong áp suất trên đường nén..............................................11.2. Xây dựng đường cong áp suất trên đường giãn nở........................................11.3. Xác định điểm đặc biệt..................................................................................1

2. ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU KTTT......................................32.1. Xác định độ dịch chuyển của Piston (x) bằng phương pháp đồ thị Brick.....32.2. Xác định vận tốc piston bằng phưpưng pháp đồ thị......................................32.3. Giải gia tốc bằng đồ thị Tô-lê........................................................................4

3. ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU KTTT....................................................................53.1. Khối lượng tham gia chuyển động thẳng......................................................5

3.1.1. Khối lượng nhóm Piston và thanh truyền............................................53.2. Khối lượng tham gia chuyển động quay........................................................63.3. Lực quán tính chuyển động thẳng.................................................................6

4. KHAI TRIỂN CÁC ĐỒ THỊ...............................................................................64.1. Khai triển đồ thị P-V thành P-....................................................................64.2. Cộng đồ thị....................................................................................................7

5. LẬP BẢNG TÍNH LỰC TÁC DỤNG LÊN CHỐT KHUỶU...........................76. PHÂN TÍCH KẾT CẤU VÀ THIẾT KẾ TRỤC KHUỶU..............................18

6.1. Điều kiện làm việc và vật liệu chế tạo.........................................................186.2. Kết cấu trục khuỷu.......................................................................................18

6.2.1. Đầu trục .............................................................................................196.1.2. Cổ trục................................................................................................196.2.3. Má khuỷu...........................................................................................196.2.4. Đuôi trục khuỷu.................................................................................196.2.5. Đối trọng............................................................................................196.2.6. Các kích thước chọn...........................................................................20

7. TÍNH BỀN TRỤC KHUỶU...............................................................................207.1. Xác định khối lượng chuyển động quay theo bán kính r của má khuỷu.....207.2. Khối lượng chốt khuỷu................................................................................217.3. Lực ly tâm C1 và C2.....................................................................................217.4. Lực quán tính tâm của má khuỷu và đối trọng............................................227.5. Sơ đồ tính toán và xác định phản lực gối đỡ...............................................227.6. Tính sức bền trục khuỷu..............................................................................237.7. Tính sức bền cổ trục....................................................................................247.8. Tính bền má khuỷu......................................................................................25

8. TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................27