TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HCM KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG BỘ MÔN ÔTÔ – MÁY ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Sinh viên thực hiện : Nguyễn Đức Thắng. MSSV : G0904613 Ngành đào tạo : ôtô – máy động lực. Ngƣời hƣớng dẫn : Thầy Nguyễn Đình Hùng. ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT LỰC Chƣơng 1 : Phân tích điều kiện làm việc và yêu cầu của hệ thống phát lực. I. Nhiệm vụ, điều kiện làm việc và yêu cầu của piston. II. Nhiệm vụ, điều kiện làm việc và yêu cầu của chốt piston. III. Nhiệm vụ, điều kiện làm việc và yêu cầu của xéc măng. IV. Nhiệm vụ, điều kiện làm việc, nhiệm vụ và yêu cầu của thanh truyền. V. Nhiệm vụ, điều kiện làm việc, nhiệm vụ và yêu cầu của trục khuỷu. Chƣơng 2 : Chọn phƣơng án thiết kế. I. Cấu tạo chung của hệ thống phát lực. II. Phân loại cách bố trí xi lanh trong động cơ. III. Chọn phƣơng án thiết kế. IV. Sơ đồ cấu tạo của hệ thống phát lực. V. Nguyên lý làm việc của hệ thống phát lực. Chƣơng 3 : Tính và chọn các thông số bố trí chung của hệ thống phát lực. I. Tính toán nhiệt cho động cơ. II. Tính toán động lực học cơ cấu thanh truyền – trục khuỷu – piston. III. Tính và chọn các thông số của piston. IV. Tính và chọn các thông số của thanh truyền. V. Tính và chọn các thông số của trục khuỷu. Chƣơng 4 : Thiết kế tính toán các cụm, các chi tiết của hệ thống phát lực. I. Tính toán và thiết kế kỹ thuật trục khuỷu. 1. Tính sức bền theo các phân đoạn. a. Trƣờng hợp khởi động. b. Trƣờng hợp khuỷu trục chịu lực Z max . c. Trƣờng hợp khuỷu trục chịu lực tiếp tuyến lớn nhất T max . 2. Phƣơng pháp tính sức bền trục khuỷu khi xét đến ảnh hƣởng của phụ tải động. a. Hệ số an toàn của cổ trục khuỷu. b. Hệ số an toàn của chốt khuỷu. c. Hệ số an toàn của má khuỷu. Chƣơng 5 : Quy trình tháo, lắp, điều chỉnh, bảo dƣỡng và sửa chữa hệ thống phát lực. I. Quy trình tháo, lắp hệ thống phát lực. II. Các dạng hỏng thƣờng gặp và quy trình bảo dƣỡng sữa chữa hệ thống phát lực. Chƣơng 1 : PHÂN TÍCH ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC VÀ YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG PHÁT LỰC. I. Nhiệm vụ , điều kiện làm việc và yêu cầu của piston. 1. Nhiệm vụ của piston.  Kết hợp với xi lanh và nắp máy tạo thành buồng cháy.  Nhận áp lực của khí cháy và truyền lực qua thanh truyền tới trục khuỷu ở kỳ cháy giãn nở.  Tiếp nhận lực quán tính của bánh đà qua trục khuỷu, thanh truyền để thực hiện hành trình hút, nén, xả. Riêng đối với động cơ 2 kỳ piston còn làm nhiệm vụ đóng mở các cửa hút, cửa xả. 2. Điều kiện làm việc. Piston có điều kiện làm việc rất nặng nhọc, vừa chịu tải trọng cơ học, vừa chịu tải trọng nhiệt. Ngoài ra piston còn chịu ma sát và ăn mòn.  Tải trọng cơ học : Trong quá trình cháy, khí hỗn hợp cháy sinh ra áp suất rất lớn trong buồng cháy, trong chu kỳ công tác áp suất khí thể thay đổi rất lớn vì vậy lực khí thể có tính chất va đập.  Tải trọng nhiệt : Trong quá trình cháy Piston trực tiếp tiếp xúc với sản vật cháy có nhiệt độ rất cao (2300 ÷ 2800 0 K). Nhƣ vậy nhiệt độ của Piston và nhất là nhiệt độ phần đỉnh Piston cũng rất cao khoảng (2300 ÷ 2800 0 K).  Ma sát và ăn mòn : Trong quá trình làm việc, Piston chịu ma sát khá lớn do thiếu dầu bôi trơn và lực ngang N ép Piston vào xy lanh, ma sát càng lớn do biến dạng của Piston. Mặt khác, do thƣờng xuyên tiếp xúc trực tiếp với sản vật cháy có các chất ăn mòn nhƣ các hơi axit nên piston còn chịu ăn mòn hóa học. 3. Yêu cầu của Piston.  Đủ bền để chịu áp suất cháy của hỗn hợp khí tác dụng lên piston khoảng 40 bar trong quá trình cháy.  Càng nhẹ càng tốt để giảm quán tính khi thay đổi hƣớng và trong chuyển động.  Giản nở càng ít cảng tốt và phải làm mát tốt, có tính dẫn nhiệt tốt để giải phóng nhiệt và đảm bảo làm mát ở đỉnh piston vì nơi đây tiếp xúc với khí cháy.  Có ống dẫn hƣớng tốt để piston có thể di chuyển tự do trong xi lanh để tránh va chạm, hoạt động tốt khi nóng cũng nhƣ khi lạnh.  Dầu bôi trơn phải đủ độ nhớt để làm giảm ma sát với thành xi lanh và không để bị rít gây bó nghẹt khi chuyển động. II. Nhiệm vụ, điều kiện làm việc và yêu cầu của chốt piston. 1. Nhiệm vụ của chốt piston.  Nối xylanh với thanh truyền.  Truyền lực tác dụng từ piston đến thanh truyền và ngƣợc lại.  Tuy có kết cấu đơn giản nhƣng chốt piston có vai trò quan trọng để đảm bảo điều kiện làm việc bình thƣờng của động cơ. 2. Điều kiện làm việc. Chốt piston làm việc trong điều kiện tải trọng cơ học, tải trọng nhiệt, tải trọng va đập cao. 3. Yêu cầu của chốt piston. Phải đảm bảo có độ bền cơ, nhiệt cao, có khả năng chịu tải trọng va đập. III. Nhiệm vụ, điều kiện làm việc và yêu cầu của xécmăng. 1. Nhiệm vụ.  Xécmăng có nhiệm vụ bao kín buồng cháy, ngăn không cho khí cháy lọt xuống cạcte và dầu bôi trơn sục lên buồng cháy. 2. Điều kiện làm việc. Xécmăng làm việc trong điều kiện sau :  Chịu nhiệt độ cao: Do tiếp xúc trực tiếp với khí cháy, truyền nhiệt từ piston đến vách và do ma sát với xilanh. Nhiệt độ của xécmăng khí thứ 1 > 600 0 K, các xécmăng khí khác >400 0 K, xécmăng dầu >300 0 K.  Chịu lực va đập lớn: Chịu tác dụng của lực khí thể và lực quán tính.  Chịu mài mòn: Công ma sát giữa xécmăng và xilanh chiếm 50-60% công tổn thất cơ giới của động cơ, do đó ma sát giữa xécmăng và xilanh rất lớn. Bên cạnh đó, khả năng bôi trơn giữa xécmăng và thành xi lanh là rất kém. 3. Yêu cầu của xécmăng.  Phải đƣợc làm khít và làm kín thật tốt để ngăn chặn khí cháy lọt vào carter động cơ cũng nhƣ chặn nhớt bôi trơn không vào buồng cháy.  Tính chịu mòn tốt ở điều kiện ma sát tới hạn.  Có hệ số ma sát nhỏ đối với bề mặt xilanh.  Có sức bền và độ đàn hồi cao và ổn định trong điều kiện nhiệt độ cao.  Có khả năng rà khít với mặt xilanh một cách nhanh chóng. IV. Nhiệm vụ, điều kiện làm việc và yêu cầu của thanh truyền. 1. Nhiệm vụ.  Biến chuyển động tịnh tiến của piston thành cđ quay tròn của trục khuỷu.  Nhận lực của piston biến thành momen của trục khuỷu.  Ngƣợc lại nhận lực quán tính quay tròn của trục khuỷu truyền chuyển động cho piston để thực hiện các quá trình công tác tiếp theo . 2. Điều kiện làm việc.  Thanh truyền là chi tiết nối pittông với trục khuỷu. Nó có tác dụng truyền lực tác dụng trên pittông xuống trục khuỷu, để làm quay trục khuỷu.  Khi ĐC làm việc, thanh truyền chịu tác dụng của các lực:  Lực khí thể trong xylanh.  Lực quán tính chuyển động tịnh tiến của nhóm pittông.  Lực quán tính của thanh truyền.  Đầu nhỏ thanh truyền bị biến dạng dƣới tác dụng lực quán tính chuyển động tịnh tiến.  Thân thanh truyền chịu nén dƣới tác dụng của lực khí thể và chịu uốn trong mặt phẳng lắc của thanh truyền dƣới tác dụng của lực quán tính.  Đầu to thanh truyền chịu lực quán tính của nhóm piston và thanh truyền.  Khi động cơ làm việc lực khí thể và lực quán tính thay đổi theo chu kỳ cả về trị số và hƣớng. Do đó tải trọng tác dụng lên thanh truyền là tải trọng thay đổi và có tính chất va đập. 3. Yêu cầu của thanh truyền.  Đầu to thanh truyền phải có độ cứng vững lớn để bạc lót không bị biến dạng.  Kích thƣớc nhỏ gọn.  Chỗ chuyển tiếp giữa thân và đầu to phải có góc lựa lớn.  Dễ lắp ghép cụm piston-thanh truyền với trục khuỷu.  Đối với bạc lót đầu to thanh truyền thì :  Có tính chống mòn tốt.  Có độ cứng thích hợp và độ dẻo cần thiết.  Chóng rà khít với bề mặt trục.  Ở nhiệt độ cao, sức bền giảm ít.  Truyền, dẫn nhiệt tốt, ít giãn nở.  Giữ đƣợc dầu bôi trơn. V. Nhiệm vụ, điều kiện làm việc và yêu cầu của trục khuỷu. 1. Nhiệm vụ.  Trục khuỷu nhận lực tác dụng từ piston tạo momen kéo các máy công tác và nhận năng lƣợng của bánh đà, sau đó truyền cho thanh truyền và piston thực hiện các quá trình làm việc của động cơ.  Dẫn động các cơ cấu khác nhƣ :trục cam ,bơm nƣớc ,bơm nhớt ,máy phát điện ,máy nén điều hòa không khí … 2. Điều kiện làm việc. Trạng thái làm việc: Trục khuỷu làm việc trong điều kiện rất nặng: chịu lực khí thể, lực quán tính, … Các lực này có trị số lớn và biến đổi theo chu kỳ gây ra ứng suất uốn và xoắn, đồng thời gây ra hiện tƣợng dao động dọc và dao động xoắn. Ngoài ra, trục khuỷu còn chịu va đập và chịu xoắn, chịu mài mòn lớn (khó bôi trơn ở tốc độ cao). 3. Yêu cầu của trục khuỷu.  Có sức bền, cứng vững lớn.  Trọng lƣợng nhỏ và ít mòn.  Độ chính xác gia công cao, bề mặt làm việc cần có độ bóng và cứng cao.  Không xảy ra hiện tƣợng dao động cộng hƣởng trong phạm vi họat động của động cơ.  Kết cấu trục khuỷu phải đảm bảo tính cân bằng tốt (tĩnh và động).  Dễ chế tạo. Chƣơng 2 : CHỌN PHƢƠNG ÁN THIẾT KẾ. I. Một số phƣơng án thiết kế. 1. Piston:  Đỉnh bằng: Dễ chế tạo, thƣờng dùng cho động cơ xăng.  Đỉnh lõm: Phần đỉnh piston đƣợc khoét lõm theo các hình dạng: chỏm cầu, loại này làm cho hỗn hợp hòa trộn đều dùng cho các loại động cơ Diezel có buồng cháy phụ.  Đỉnh lồi: Lực đƣợc phân bố đều xung quanh, khả năng chịu lực tốt. Loại này khó chế tạo, diện tích tiếp xúc nhiệt lớn, truyền nhiệt khó, loại này ít dùng. 2. Thanh truyền:  Kết cấu của thân thanh truyền có nhiều loại :  Loại a và b: đƣợc dùng phổ biến hiện nay.  Loại c và d: thƣờng dùng trong động cơ tốc độ thấp. Loại này dể chế tạo, nhƣng sử dụng vật liệu không hợp lý.  Loại e: thƣờng dùng trong động cơ nhiều hàng xilanh vì có bán kính chuyển tiếp lớn.  Loại g và h: thƣờng dùng trong động cơ nhỏ, vì kết cấu đơn giản.  Loại i: loại này có ƣu điểm là tăng độ cứng vững và dễ khoan đƣờng dầu. 3. Trục khuỷu: Có các dạng trục khuỷu sau:  Trục khuỷu nguyên:  Loại này thƣờng dùng trong các động cơ cỡ nhỏ, và trung bình, dễ chế tạo hơn trong các loại trục khuỷu, do đó tùy từng loại động cơ mà ta sử dụng trục khuỷu phù hợp với kết cấu của động cơ đó.  Trục khuỷu ghép:  Trục khuỷu ghép thƣờng chế tạo riêng thành từng bộ phận. Cổ trục, má khuỷu, chốt khuỷu ghép lại với nhau hoặc làm cổ trục riêng rồi ghép với khuỷu. Loại này thƣờng dùng trong các động cơ cỡ lớn nhƣng cũng có lúc ngƣời ta dùng trong các động cơ cỡ nhỏ nhƣ xe mô tô, động cơ xăng cỡ nhỏ,động cơ cao tốc có công suất lớn.  Trục khuỷu thiếu cổ:  Đặc điểm kết cấu trục khuỷu loại này là kích thƣớc nhỏ gọn nên có thể rút ngắn chiều dài của thân máy và giảm khối lƣợng động cơ.  Trục khuỷu loại này có độ cứng vững kém, vì vậy khi thiết kế cần chú ý đến kích thƣớc cổ trục, chốt khuỷu, đồng thời tăng chiều dày và chiều rộng má khuỷu để tăng độ cứng vững cho trục khuỷu.  Loại này thƣờng dùng trong động cơ xăng, ô tô máy kéo và động cơ diezel có công suất nhỏ do phụ tải tác dụng lên cổ trục nhỏ 4. Chọn phƣơng án thiết kế.  Ta chọn loại phƣơng án sau :  Piston: chọn loại có đỉnh lõm.  Thanh truyền : chọn loại có kết cấu chữ I.  Trục khuỷu : Chọn loại trục khuỷu nguyên.  Động cơ diezel 4 xilanh, thẳng hàng, đặt thẳng đứng. 5. Sơ đồ cấu tạo. S D Piston Chốt piston Thanh truyền Trục khuỷu Bánh đà 6. Nguyên lý làm việc.  Khi động cơ hoạt động, piston nhận áp lực khí do quá trình cháy tạo nên trọng xilanh, biến chuyển động tịnh tiến của piston, qua thanh truyền thành chuyển động quay của trục khuỷu làm quay máy công tác.  Góc lệch công tác : 0 4 180* 180* 180 4i       Vì vậy các trục khuỷu đặt lệch nhau 180 0 .  Thứ tự làm việc : 1 – 3 – 4 – 2 . 1 4 2 3 1, 4 2, 3  Diễn biến hoạt động trong từng xi lanh. 0 0 180 0 360 0 720 0 1 3 4 2 Nổ Xả Hút Nén Nén Nổ Xả Hút Hút Nén Nổ Xả Xả Hút Nén Nổ Chƣơng 3: TÍNH VÀ CHỌN CÁC THÔNG SỐ BỐ TRÍ CHUNG CỦA HỆ THỐNG PHÁT LỰC I. Tính toán nhiệt cho động cơ. Bảng thông số tính toán nhiệt của động cơ. STT Thông số Giá trị Đơn vị 1 Công suất N e /n N 67,5/4000 Kw/(v/ph) 2 Tỷ số nén ε 17 3 Moment động cơ Me/n 195/2200 Nm/(v/ph) 4 Áp suất không khí nạp p 0 0,1013 MN/m 2 5 Nhiệt độ không khí nạp mới T 0 300 0 K 6 Áp suất khí nạp trƣớc supap nạp p k 0,1013 MN/m 2 7 Nhiệt độ khí nạp trƣớc xupap nạp T k 300 0 K 8 Áp suất cuối quá trình nạp p a 0,095 MN/m 2 9 Áp suất khí sót p r 0,115 MN/m 2 10 Nhiệt độ khí sót T r 750 0 K 11 Độ tăng nhiệt độ khí nạp mới T 10 0 C 12 Hệ số nạp thêm  1 1,03 13 Hệ số quét buồng cháy  2 1 14 Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt  t 1,11 15 Hệ số lợi dụng tại điểm Z (ξ z ) 0,7 16 Hệ số lợi dụng tại điểm b (ξ b ) 0,8 17 Hệ số dƣ lƣợng không khí α 1,75 18 Hệ số điền đầy đồ thị công φ d 0,9 19 Tỷ số tăng áp  1,6 20 Hệ số nạp η v 0,9217 21 Hệ số khí sót γ r 0,0296 22 Nhiệt độ cuối quá trình nạp T a 324,4467 0 K 23 Tỷ nhiệt mol đẳng tích TB khí nạp mới v mc 20,4857 kJ/kmol K 24 Tỷ nhiệt mol đẳng tích TB sản phẩm cháy '' v mc 21,4872 kJ/kmol K 25 Tỷ nhiệt mol đẳng tích TB hỗn hợp khí trong quá trình nén ' v mc 20,5145 kJ/kmol K 26 Chỉ số nén đa biến trung bình n 1 1,36 27 Áp suất quá trình nén p c 4,4785 MN/m 2 28 Nhiệt độ cuối quá trình nén T c 899,7151 0 K 29 Lƣợng không khí lý thuyết M 0 0,49 Kmol kk/kgnl 30 Lƣợng khí nạp mới M 1 0,86 Kmol kk/kgnl 31 Lƣợng sản vật cháy M 2 0,89 Kmol kk/kgnl 32 Hệ số biến đổi β 0 1,0349 33 Hệ số biến đổi phân tử lý thuyết β 1,0658 34 Hệ số biến đổi phân tử khí tai β z 1,0296 35 Phần nhiên liệu đã cháy tại điểm z x z 0,875 36 Tỷ nhiệt mol đẳng tích TB '' vz mc 20,511 37 Nhiệt độ cuối quá trình cháy T z 2194,781 0 K 38 Áp suất cuối quá trình cháy p z 7,1656 MN/m 2 39 Tỷ số giãn nở đầu ρ 1,5689 40 Tỷ số giãn nở sau δ 10,8292 41 Chỉ số đa biến TB n 2 1,26 42 Nhiệt độ cuối quá trình giãn nỡ T b 1181,398 0 K 43 Áp suất cuối quá trình giãn nỡ p b 0,3562 MN/m 2 44 Kiểm nghiệm hệ số khí sót T r /T r 3,76 % 45 Áp suất chỉ thị TB p i ’ 1,0489 MN/m 2 46 Áp suất chỉ thị TB thực tế p i 0,944 MN/m 2 47 Áp suất tổn thất cơ khí p m 0,2631 MN/m 2 48 Áp suất có ích TB p e 0,6809 49 Hiệu suất chỉ thị η i 0,5099 50 Hiệu suất cơ giới η m 0,7213 51 Hiệu suất có ích η e 0,3678 52 Suất tiêu hao nhiên liệu g i 165,99 g/kW.h 53 Suất tiêu hao nhiên liệu có ích g e 230,1394 g/kW.h 54 Thể tích công tác cho 1 xi lanh V h 0,7435 lít 55 Đƣờng kính piston D 98,21 mm 56 Hành trình piston S 98,21 mm 57 Sai số đƣờng kính piston D/D 0,21 % Vẽ đồ thị công chỉ thị - Thể tích cuối hành trình nén h c V 0.7435 V 0.0465 ε 1 17 1     (lít) - Thể tích cuối quá trình nạp a h c V V V 0.7435 0.0465 0.79     (lít). - Dạng đường cong nén 1 n xn a axn V V pp          . cấu tạo của hệ thống phát lực. V. Nguyên lý làm việc của hệ thống phát lực. Chƣơng 3 : Tính và chọn các thông số bố trí chung của hệ thống phát lực. I. Tính. sửa chữa hệ thống phát lực. I. Quy trình tháo, lắp hệ thống phát lực. II. Các dạng hỏng thƣờng gặp và quy trình bảo dƣỡng sữa chữa hệ thống phát lực. Chƣơng