Giáo trình Diesel tàu thủy (Phần 2)

o lực pháp tuyến Pn gây ra: kmax = Pn/Fc, Fc - tiết diện toàn bộ mặt tựa của guốc trượt. - Kiểm tra nỉa đầu trên biên: nỉa đầu trên biên được kiểm tra theo uốn và nén, do lực Pz gây ra tại tiết diện y-y: + Ứng suất nén: σnn = 0,5Pz/Fnn + Ứng suất uốn: σun = 0,5Pzl/W + Ứng suất tổng: σn = σnn + σun Tại trọng tâm của tiết diện bất kì nào (ví dụ tiết diên x-x) lực Pz/2 cũng có thể phân thành 2 thành phần: lực pháp tuyến Pn và lực tiếp tuyến Pt, nếu diện tích tiết diện là Fx và mô men chống uốn là W thì: Ứng suất nén: σnx = 0,5Pn/Fx; ứng suất uốn: σux = 0,5Pzl1/Wx; Ứng suất tiếp: τx = Pt/Fx Nên ứng suất tổng: ( ) 22 4 xuxnxtn τσσσ ++= Để tìm ứng suất kiểm tra lớn nhất thường tiến hành tại các tiết diện nguy hiểm nhất. d. Tính sức bền đầu to biên Đầu to biên có nắp dưới và bu long lắp ghép nên hình dáng bên ngoài phức tạp. Thông thường chỉ kiểm tra đối với nắp dưới. Tại vị trí điểm chết trên nửa trên đầu to biên chịu tác dụng của hợp lực lực quán tính khối lượng quán tính chuyển động tịnh tiến và lực quán tính chuyển động quay (không tính đến nắp đầu to biên). ( )[ ] ( ) ( )[ ]nbtppnbptkdbjdb mmmFRFRmmFRmPPP −++=−++=+= 22222 11 λωωλω Khi tính toán nắp đầu to biên loại rời người ta giả thiết: 72 - Nắp đầu to biên không tách rời nửa trên; - Bạc lót và đầu to biên đều biến dạng như nhau và được coi như một thanh cong có tiết diện không đổi (bằng tổng tiết diện tại mặt cắt B-B), ngàm một đầu ở A-A, bán kính cong bằng 1/2 khoảng cách giữa hai đường tâm bu long biên c; - Lực quán tính Pdb phân bố trên đầu to biên theo qui luật hàm côsin. Lực Pdb gây ra lực uốn lớn nhất tại tiết diện B-B của nắp đầu to biên, có thể dùng công thức gần đúng sau đây để tính mô men uốn và lực pháp tuyến: ( ) ( ) ⎭⎬ ⎫ += += 0 0 003,0522,0 2/00083,00127,0 α α dbB dbB PN cPM α0 - góc giữa đường tâm biên với tiết diện ngàm. Khi có bạc lót mô men uốn và lực pháp tuyến tác dụng lên nắp tại tiết diện B-B: nb B nb B FF NN II MM /1 ; /1 +=+= Ib, In - mô men quán tính của bạc và nắp tại tiết diện B-B; Fb, Fn - tiết diện của bạc và nắp tại tiết diện B-B. Ứng suất uốn tại tiết diện B-B của nửa dưới: nu db F N W M +=σ Wu - mô men chống uốn lấy với giá trị không đổi đối với toàn bộ nửa dưới. Ứng suất uốn tại tiết diện B-B khi lắp bạc lót, giả thiết α0 = 400: ( ) nbnbudbd FFIIW cP +++= 4,0 /1 023,0σ Khi vật liệu chống mòn tráng trực tiếp lên mặt trong nửa dưới biên: nu dbd FW cP 4,0023,0 +=σ Để đảm bảo điều kiện làm việc của mối ghép và sự hình thành màng dầu bôi trơn trong mối ghép, cần phải kiểm tra độ biến dạng hướng kính δdb của đầu to biên: ( )bndbdb IIE cP += 30024,0δ E - mô duyn đàn hồi của vật liệu chế tạo đầu to biên; δdb phải nhỏ hơn khe hở lắp ghép giữa cổ và bạc biên. Hình 3.42. Sơ đồ tính sức bền nửa dưới đầu to thanh truyền 73 3.5. BULÔNG BIÊN 3.5.1. Điều kiện làm việc và vật liệu chế tạo Bu lông biên là chi tiết đơn giản, dùng để lắp ghép hai nửa đầu to biên với nhau, nhưng đóng vai trò quan trọng tới sự làm việc tin cậy và an toàn của động cơ. Vì nếu bu lông biên bị đứt sẽ phá hoại nghiêm trọng không chỉ các chi tiết chuyển động mà cả cụm ống lót, xi lanh và hộp trục khuỷu động cơ. Thông thường chỉ dùng hai bu lông để lắp ghép hai nửa đầu to biên. Trong quá trình xiết chặt hai nửa đầu to biên, bu lông chịu lực kéo tĩnh. Lực này gây ra ứng suất kéo và xoắn bu lông. Trong quá trình hoạt động của động cơ bu lông biên chịu ứng suất thay đổi do lực quán tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay (không tính khối lượng nắp đầu to biên) gây ra. Từ đồ thị lực quán tính biểu diễn trình bày trên hình 3.24 ta thấy, đối với động cơ 4 kì bu lông biên chịu lực quán tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến lớn nhất ứng với thời điểm piston đến điểm chết trên đầu hành trình nạp, cuối hành trình xả. Đối với động cơ hai kì tác dụng đơn, lực khí thể lớn hơn nhiều so với lực quán tính, nên lực quán tính tác dụng lên bu lông biên rất nhỏ do khối lượng chuyển động tịnh tiến của nửa dưới đầu to biên gây nên. Lực tác dụng lên bu lông biên có tính chu kì, nên trong bu lông biên chịu ứng suất mỏi lớn, đặc biệt đối với trường hợp dùng tới 4 bu lông để lắp ghép một đầu to biên, nhưng lực xiết giữa chúng không đồng đều. Do điều kiện làm việc như vậy, vật liệu dùng để chế tạo bu lông biên là thép hợp kim. 3.5.2. Kết cấu bu lông biên Lực tác dụng lên bu lông biên có giá trị lớn và thay đổi có chu kì, đặc biệt là đối với động cơ 4 kì, vì thế bu lông biên được chế tạo không chỉ đảm bảo độ bền, độ cứng vững, mà còn có sức bền mỏi cao. Đường kính bu lông biên được thiết kế trên cơ sở lực quán tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến, chuyển động quay và độ cứng vững của cụm chi tiết. Chiều dài của nó phụ thuộc vào kích thước đầu to biên. Trên hình 3.43 trình bày một số dạng kết cấu bu lông biên được sử dụng phổ biến. Để tăng cường sức bền chống mỏi cho bu lông biên, tại chỗ thay đổi kích thước trên phần thân và từ phần thân tiếp đến phần ren đều có góc lượn nhằm giảm ứng suất tập trung. Trên thân bu lông biên đường kính được tăng lên ứng với chỗ tiếp giáp hai nửa đầu to và chỗ gần với phần gia công ren để vừa thuận tiện cho việc lắp ráp, Hình 3.43. Các dạng kết cấu bulông tanh truyền 74 vừa có tác dụng định vị. Để chống xoay bu lông trong quá trình xiết chặt ê cu người ta sử dụng vấu lồi, chốt hoặc cắt vát một phần mặt đầu bu lông. Sau khi xiết chặt ê cu để đề phòng hiện tượng nới lỏng thường dùng thêm ê cu hãm hoặc chốt chẻ. Trong trường hợp sử dụng bu lông cấy, sau khi siết chặt phải hãm bằng phanh hoặc dây thép, khi đó trên mũ bu lông có khoan lỗ để xuyên dây thép. Bu long biên chịu lực lớn nhất khi piston nằm ở điểm chết trên trong hành trình nạp hay xả. Lực tác dụng lên bu long biên tính theo công thức, MN: ( )[ ] zmmmFRPPP nbtpkdbjbb /1 22 −++=+= λω Lực xiết bu long biên phải đảm bảo sao cho trong quá trình làm việc mối ghép luôn luôn chặt, nhưng không quá lớn. Theo kinh nghiệm lực xiết bu long biên Px = (2 - 4)Pbb, lực này kéo bu long và nén đầu to biên, nên khi chịu lực Pbb bu long biên chỉ chịu thêm một phần của lực này χPbb. blbb bb FF F +=χ Fbb - diện tích phần đầu to lắp ghép với bu long bị biến dạng; Fbl - diện tích tiết diện bu long biên Tổng hợp lực tác dụng lên bu long biên: Ptb = Px+ χPbb = (2,15 - 4,25) Pbb Ứng suất kéo bu long biên trong quá trình làm việc: l tb k d P 025,0 πσ = d0l - đường kính chân ren hay đường kính nhỏ nhất trên thân bu long. Mô men xoắn bu long biên: tb xl d PxM πμ 5,0= μ = 0,1 - hệ số ma sát; dtb - đường kính trung bình của ren. Ứng suất xoắn: 25,0 d Pxd W M tb x xl xl πμτ ≈= Ứng suất tổng: 22 4 xlktl τσσ += 3.6. TRỤC KHUỶU VÀ BÁNH ĐÀ 3.6.1. Điều kiện làm việc và vật liệu chế tạo trục khuủy Trục khuỷu là một trong những chi tiết quan trọng của động cơ. Trong quá trình làm việc trục khuỷu chịu tác dụng của các lực: - Lực khí thể; - Lực quán tính của khối lượng tham gia chuyển động tịnh tiến và chuyển đôộng quay. Các lực này luôn thay đổi cả chiều và trị số theo góc quay trục khuỷu, nên tải trọng tác dụng lên biên có tính va đập. Các lực tác dụng gây nên ứng suất xoắn và uốn, đồng thời gây ra hiện 75 tượng dao động dọc và dao động xoắn làm rung động động cơ và mất cân bằng, ngoài ra các lực trên còn gây ra hao mòn bề mặt chuyển động tương đối với nhau. Do vậy, vật liệu trục làm việc trong điều kiện chịu mỏi. Kết cấu phức tạp của trục khuỷu cũng gây nên ứng suất tập trung các các chỗ chuyển tiếp giữa cổ trục với má khuỷu, má khuỷu với cổ biên, tại vị trí khoan lỗ dầu bôi trơn. Trong quá trình làm việc bề mặt cổ trục, cổ biên chịu áp lực lớn, có tính chất va đập, đặc biệt đối với động cơ diesel tăng áp cao, tỉ số nén lớn. Vật liệu để chế tạo thường là thép các bon và thép hợp kim. 3.6.2. Kết cấu trục khuỷu a. Yêu cầu và đặc điểm kết cấu trục khuỷu Hình dáng kết cấu trục khuỷu phụ thuộc số xi lanh, cách bố trí xi lanh, số kì và thứ tự làm việc của các xi lanh. Trục khuỷu có một hoặc nhiều khuỷu trục. Mỗi khuỷu trục gồm có cổ trục, cổ biên và má khuỷu, hình . Đường kính và chiều dài cổ trục, cổ biên được xác định trên cơ sở hệ lực, mô men tác dụng lên cơ cấu biên khuỷu và giới hạn bền của vật liệu chịu mòn của bạc, cũng như khả năng hình thành màng dầu bôi trơn giữa hai chi tiết chuyển động tương đối với nhau. Xét về tình hình chịu lực và mô men, thì điều kiện làm việc của cổ trục nặng nề hơn cổ biên và giá trị mô men tác dụng lên cổ trục tăng dần từ đầu tự do đến phía lai thiết bị tiêu thụ công suất của trục khuỷu. Nhưng để thuận tiện cho gia công, chế tạo và lắp ráp kích thước các cổ trục được chế tạo giống nhau, có một số động cơ đường kính cổ trục bằng cổ biên. Những động cơ có số xi lanh chẵn, cổ trục ở giữa thường làm dài hơn các cổ trục khác nếu hai cổ biên hai bên cạnh có góc lệch khuỷu 3600. Kích thước của trục khuỷu còn phụ thuộc vào khoảng cách giữa đường tâm hai xi lanh, chiều dày ống lót và phương pháp làm mát động cơ. Để giảm dao động của hệ trục đối với một số động cơ cao tốc có thể rút ngắn chiều dài trục bằng cách sử dụng trục lắp ghép có má khuỷu tròn để làm luôn cổ trục, khi đó trên ổ trục lắp ổ bi đũa thay cho bạc lót. Hình dáng trục khuỷu còn phụ thuộc số cổ trục: đối với động Hình 3.44. Kết cấu trục khuỷu nguyên Hình 3.45. Kết cấuđầu trục khuỷu 76 cơ diesel thường dùng loại đủ cổ trục, tức là số cổ nhiều hơn số khuỷu là 1; đối với động cơ công suất nhỏ do phụ tải tác dụng lên cổ trục nhỏ nên có thể sử dụng loại thiếu cổ trục. b. Cấu tạo của trục khuỷu Căn cứ vào loại động cơ và số xi lanh trục khuỷu đang được sử dụng hiện nay chia làm 3 loại: trục khuỷu nguyên, tổ hợp và phân đoạn. - Loại trục khuỷu nguyên dùng phổ biến cho nhiều loại động cơ. Với kiểu kết cấu này, cổ trục, cổ biên và má khuỷu của toàn bộ trục khuỷu được chế tạo liền với nhau thành một kết cấu thống nhất. - Loại ghép: các bộ phận của trục khuỷu được chế tạo rời, sau đó ghép lại với nhau. - Với động cơ cỡ lớn, trục khuỷu có thể được chế tạo thành từng đoạn sau đó lắp ghép lại với nhau. Trục khuỷu được chia thành: đầu trục khuỷu, cổ trục, cổ biên, má và đuôi. - Đầu trục khuỷu: là phần đầu tự do của trục khuỷu, trên phần đầu thường lắp bánh răng dẫn động bơm nước, bơm dầu nhờn, bánh răng dẫn động trục cam nhiên liệu , cam phối khí và các thiết bị phụ khác. Ngoài ra trên đầu trục còn lắp phớt chắn dầu, ổ chặn. Đối với một số động cơ để giảm dao động xoắn người ta con lắp bộ giảm dao động xoắn ở đầu trục khuỷu là nơi có biên độ dao động xoắn lớn nhất, hình 3.45. - Cổ trục: các cổ trục thường có đường kính và chiều dài giống nhau, được xác định trên cơ sở phụ tải cực đại và phụ tải trung bình tác dụng và điều kiện hình thành màng dầu bôi trơn, tuổi thọ và số lần sửa chữa lớn động cơ. - Cổ biên: đường kính cổ biên thường được chế tạo bằng đường kính cổ trục hoặc nhỏ hơn một ít. Chiều dài cổ biên phụ thuộc khoảng cách giữa hai đường tâm xi lanh, chiều dài cổ trục và phương pháp làm mát. Kích thước cổ biên cũng được xác định tương tự như cổ trục. Cổ trục và cổ biên được chế tạo rỗng để giảm khối lượng chung trục khuỷu, đồng thời giảm được khối lượng chuyển động quay. Ngoài ra cổ biên rỗng dùng để chứa dầu bôi trơn. Lỗ trong Hình 3.46. Kết cấu cổ trục khuỷu và cổ biên Hình 3.47. Kết cấu má trục khuỷu 77 cổ biên có thể chế tạo đồng tâm hay lệch tâm với cổ biên. Trên cổ biên có bố trí lỗ dầu bôi trơn. Lỗ dầu bôi trơn được đặt tại vị trí thuận tiện công nghệ gia công, khôngnhất thiết đặt tại vị trí chịu áp lực nhỏ nhất, vì trên bạc biên thường được phay một rãnh dầu có chiều rộng bằng lỗ dầu trên cổ biên, nên dầu được phân bố đều xung quanh cổ biên (xem hình .....). - Má khuỷu: là bộ phận nối cổ trục với cổ biên. Hình dáng má khuỷu phụ thuộc loại động cơ, áp suất khí thể và vòng quay động cơ. Đối với động cơ cao tốc cố gắng giảm khối lượng không cân bằng của má. Kết cấu má có nhiều kiểu dạng khác nhau. Chiều rộng, chiều dầy của má phụ thuộc hệ lực và mô men tác dụng, ngoài ra còn phụ thuộc vào kết cấu chung của hệ piston - cơ cấu biên khuỷu. Dạng phân bố vật liệu hợp lí nhất là dạng ô van, thường dùng cho động cơ cao tốc. Đối với động cơ có công suất lớn thường dùng hình chữ nhất, có độ cứng vững cao. Khi thiết kế người ta thường tăng độ trùng điệp để tăng độ cứng vững của má. - Đối trọng: Đối trọng có tác dụng cân bằng lực và mô men quán tính không cân bằng của động cơ; giảm phụ tải cho cổ trục, nhất là cổ trục giữa của động cơ 4 kì có 4, 6, 8 xi lanh. Động cơ cần phải lắp đối trọng để cân bằng và giảm mức độ rung động. Kích thước, khối lượng và hình dáng đối trọng được xác định trên cơ sở lực quán tính không cân bằng, kết cấu má khuỷu và kích thước hộp trục khuỷu, sao cho khi hoạt động đối trọng không va đập vào các chi tiết xung quanh. Để giảm kích thước của đối trọng, thì trọng tâm của nó được bố trí xa tâm quay, nên đối trọng thường có kết cấu dạng hình rẻ quạt. Đối với động cơ công suất nhỏ, trục khuỷu chế tạo bằng phương pháp đúc thì đối trọng có thể chế tạo liền. Đối với động cơ diesel tàu thuỷ, để thuận tiện cho công nghệ gia công, chế tạo và lắp ráp, cũng như sửa chữa, nói chung đối trọng đều được chế tạo rời sau đó lắp vào má khuỷu bằng bu lông. Trong quá trình làm việc phụ tải tác dụng lên bu lông rất lớn, để giảm tải tác dụng lên bu lông người ta tạo ra mối lắp ghép kiểu gờ - rãnh đuôi cá giữa đối trọng và má khuỷu. - Đuôi trục khuỷu: đuôi trục khuỷu thường lắp với các chi tiết máy của cơ cấu truyền dẫn công suất. Trên đuôi trục khuỷu có bố trí mặt bích để lắp bánh đà. Ngoài ra trên đuôi trục khuỷu có thể lắp các thiết bị sau: + Bánh răng dẫn động các cơ cấu phụ, bánh răng được chế tạo liền với trục hoặc chế tạo thành hai nửa rồi lắp ráp với trục. + Vành chắn dầu: được chế tạo thành hai nửa, lắp trên đuôi trục, ngăn không cho dầu rò lọt ra ngoài. Hình 3.48. Kết cấu đối trọng và cách lắp ráp 78 - Ren ốc hồi dầu: cũng có tác dụng ngăn không cho dầu bôi trơn rò lọt ra ngoài, ren ốc có chiều ngược với chiều quay trục khuỷu, thường được bố trí ngay sau vành chắn dầu. - Ổ chặn dọc trục: dùng để khống chế dịch chuyển chiều trục của trục khuỷu, thường được bố trí ở ổ trục cuối cùng gần bánh đà. c. Đường dẫn dầu bôi trơn Cổ trục, cổ biên trục khuỷu thường được bôi trơn cưỡng bức. Để dẫn dầu bôi trơn trên cổ trục và cổ biên lỗ dầu được khoan tại vị trí thuận lợi cho công nghệ gia công. Khi khoan lỗ dầu ứng suất mỏi sẽ tăng lên, nên phải bố trí lỗ dầu lệch khỏi mặt phẳng khuỷu một góc nào đó để giảm ứng suất tập trung tại vùng mép lỗ. d. Biện pháp nâng cao sức bền trục khuỷu - Biện pháp kết cấu: + Tăng độ trùng điệp giữa cổ trục và cổ biên + Tăng bán kính góc lượn giữa cổ với má + Tăng chiều dày và chiều rộng má + Khoan rỗng cổ trục, cổ biên để giảm lực li tâm + Khoét bỏ những vùng kim loại chịu ứng suất nghiêm trọng + Chú ý khi bố trí lỗ dầu bôi trơn - Biện pháp công nghệ: + Rèn khuôn để chế tạo trục khuỷu + Phun bi hay phun cát thạch anh Hình 3.49. Kết cấu khuỷu không có cổ trục Hình 3.50. Kết cấu trục khuỷu rỗng có đường dẫn dầu bôi trơn 79 để làm chai bề mặt + Tôi cao tần hay thấm ni tơ + Mài bóng bề mặt. 3.6.3. Tính sức bền của trục khuỷu Để năng cao tuổi thọ, tính tin cậy và hiệu quả khai thác trục khuỷu cần phải nắm được tình hình chịu lực và các nguyên nhân dẫn đến xuống cấp trong quá trình khai thác, từ đó tìm ra giải pháp khai thác hiệu quả hơn. Việc tính toán trục khuỷu nhằm nghiệm lại sức bền và khả năng hình thành màng dầu bôi trơn giữa hai bề mặt chuyển động tương đối với nhau, trên cơ sở kết cấu trục khuỷu đã được thiết kế sơ bộ hay trục khuỷu đang khai thác, nhưng tình hình chịu lực khác với khi thiết kế. Trục khuỷu có kết cấu phức tạp nên tính ứng suất thực tế rất khó khăn. Để đơn giản có thể dùng phương pháp phân đoạn để tính sức bền và dùng phương pháp tính hệ số an toàn khi trục khuỷu chịu tải trọng động. Trên cơ sở thống kê, các trục khuỷu đã chế tạo có tỉ lệ kết cấu như sau: - Đường kính cổ biên: dcb = (0,63 ÷ 0,75 )D - Đường kính cổ trục: dct = (0,65 ÷ 0,85 )D - Chiều dài cổ biên: lcb = (0,7 ÷ 0,8 )dcb - Chiều dài cổ trục: lcb = (0,6 ÷ 1 )dcb - Chiều dầy má khuỷu: tmk = (0,34 ÷ 0,4 )dcb - Chiều rộng má khuỷu: bmk = (1,3 ÷ 1,5 )dcb - Bán kính góc lượn giữa cổ biên với má khuỷu: ρm-cb = (0,1 ÷ 0,2)dct - Bán kính góc lượn giữa cổ trục với má khuỷu: ρm-ct = (0,07 ÷ 0,05)dct - Đường kính lỗ trong cổ trục và cổ biên : d0 = (0,5 ÷ 0,8 )dcb D - đường kính xi lanh, m. 3.6.3.1. Kiểm tra sơ bộ áp lực trên ổ trục Lực tác dụng lên ổ đỡ thay đổi có chu kì cả về độ lớn và chiều tác dụng, nên khi tính toán trục khuỷu ngoài tính độ bền còn phải xác định trị số áp lực lớn nhất kmax và áp lực trung bình ktb trong một chu kì tác dụng lên ổ trục. Đối với cổ biên: kmax = Qmax/dcblcb cbcb tb tb ld Qk = Đối với cổ trục: kmax = λtQmax/dctlct ctct tbt tb ld Qk 2 λ= 80 λt - hệ số phụ tải do hai cổ biên hai bên tác dụng, đối với động cơ diesel 4 kì λt ≤ 1,25; đối với động cơ diesel 2 kì λt ≤ 1,5. Qmax, Qtb - giá trị phụ tải cực đại và trung bình tác dụng lên cổ trục, cổ biên, được xác định trên cơ sở khai triển đồ thị lực tác dụng lên cổ trục, cổ biên (xem mục 1.3). Sau khi tính toán, giá trị kmax và ktb phải nhỏ hơn giá trị cho phép, đặc biệt đối với động cơ diesel có tăng áp cao hoặc động cơ diesel cao tốc cường hoá hay động cơ diesel kết cấu chữ V. Nếu giá trị kmax và ktb vượt giá trị cho phép, đối với khuỷu trục thiết kế cần phải lựa chọn lại kích thước cổ trục, cổ biên hay bố trí lại đối trọng; đối với trục khuỷu đang khai thác cần phải điều chỉnh lại góc cấp sớm nhiên liệu hay lượng nhiên liệu cấp cho chu trình. 3.6.3.2. Phương pháp tính sức bền trục khuỷu Trục khuỷu chịu tác dụng của tổng hợp lực khí thể và lực quán tính, giá trị của chúng thay đổi theo góc quay trục khuỷu và thời gian. Tuy nhiên, đối với động cơ diesel tàu thuỷ vòng quay hệ trục không lớn, nên khi xét tình hình chịu lực lớn nhất tác dụng lên trục khuỷu tức là không xét đến lực quán tính, còn đối với động cơ diesel cao tốc cần xét đến lực quán tính. Trục khuỷu được coi là một dầm đặt lên nhiều gối đỡ, trong quá trình làm việc chịu lực thay đổi theo thời gian, nhưng lực lớn nhất tác dụng lên cổ biên không đồng thời mà lệch nhau theo góc lệch khuỷu. Do vậy, khi tính toán có thể chia trục khuỷu ra thành các khuỷu trục để tính, với lực tác dụng là lực ứng với xi lanh đang nghiên cứu. Theo phương pháp này chiều dài mỗi đoạn khuỷu bằng khoảng cách giữa hai tâm điểm ổ trục và coi mỗi đoạn như một dầm tĩnh định đặt trên hai gối tựa và coi trục khuỷu là một dầm có độ cứng tuyệt đối và bệ máy không bị biến dạng. Thực tế, trong quá trình làm việc cả trục khuỷu và bệ máy đều bị biến dạng, nhưng khi tính toán ta phân ra từng khuỷu trục để tính, độ cứng vững của mỗi khuỷu trục tương đối lớn, nên có thể bỏ qua độ biến dạng. Khi tính sức bền thường tính cho khuỷu chịu tải trọng lớn nhất, mỗi khuỷu chịu tác dụng của các lực: - Tiếp tuyến T; Hình 3.51. Sơ đồ tính sức bền trục khuỷu Hình 3.52. Sơ đồ lực tác dụng khi khởi động động cơ 81 - Pháp tuyến Z; Lực quán tính li tâm của cổ biên C1 và khối lượng qui dẫn về đầu to C2, má khuỷu Pr1; Lực quán tính li tâm của đối trọng Pr2; Phản lực tiếp tuyến và pháp tuyến của các gối trục liền kề hai bên Z', Z'', T', T''; - Mô men xoắn tác dụng lên cổ phía trước M'k; M'k= ΣTi-1R; ΣTi-1 - tổng đại số các lực tiếp tuyến của các khuỷu đứng trước khuỷu thứ i; - Mô men xoắn tác dụng lên cổ phía sau M''k; M''k= ΣTiR = Mk + TR. Ứng suất lớn nhất phát sinh trong trục khuỷu có thể xảy ra trong 4 trường hợp chịu tải trọng sau đây: - Trường hợp khởi động, chịu pzmax - Trường hợp chịu lực tiếp tuyến Tmax - Trường hợp lực pháp tuyến Zmax - Trường hợp chịu mô men xoắn Mmax (chịu lực tiếp tuyến tổng lớn nhất ΣTmax). a. Tính cho trường hợp khởi động Trường hợp này giả thiết khuỷu trục nằm ở điểm chết trên, nên lực tác dụng lên khuỷu: Z0 = Z = pzmaxFpt; T= 0 Sơ đồ tính lực tác dụng trong trường hợp này như hình 3.2. Các phản lực xác định như sau: Z' = Zl''/l0 - Tính sức bền của cổ biên: Mô men uốn cổ biên: Mu = Z' l', nên ứng suất uốn: σu = Mu/Wu = Z' l'/Wu - Tính sức bền má khuỷu: Lực pháp tuyến Z gây ra ứng suất uốn và nén tại tiết diện A-A của má khuỷu. Ứng suất uốn của má: σu = Mu/Wux = Z' b'/(hb2/6) Ứng suất nén của má: σn = Z/2bh Ứng suất tổng: nu σσσ +=Σ - Tính sức bền cổ trục: Ứng suất uốn của cổ trục: σu = Z' b'/Wu b. Tính cho trường hợp khuỷu trục chịu lực Zmax Sơ đồ tính sức bền của khuỷu trục giới thiệu trên hình 3.3, vị trí của khuỷu nằm ở điểm chết trên, ứng với vị trí bắt đầu quá trình giãn nở. Lực tác dụng lên khuỷu trục lúc này là Zmax. Tại vị trí này lực Zmax được xác định: Zmax = PZmax - mtRω2(1+λ) Hình 3.53. Sơ đồ lực tác dụng khi chịu lực Zmax 82 Và : Z0 = Zmax - (C1 + C2) = PZmax - Rω2[mt (1+λ) + mcb + m2] Ngoài lực Z0 khuỷu trục còn chịu lực quán tính li tâm của má khuỷu Pr1 và lực quán tính li tâm của đối trọng Pr2, trong trường hợp này T = 0 vì α = 0. Từ đó xác định được phản lực tác dụng lên các gối trục phía trước Z’ và gối trục phía sau Z’’. Nếu khuỷu trục đối xứng thì: Z’ = Z’’ = Z0/2 + Pr2 – Pr1 Khi tính sức bền của một khuỷu nào đó của trục khuỷu động cơ nhiều xi lanh, ngoài lực Zmax ra, khuỷu đó còn chịu mô men xoắn do các khuỷu phía trước nó truyền đến. Vì vậy khuỷu trục chịu lực và mô men lớn nhất (Zmax và (Σ Zi-1) max) là khuỷu trục nguy hiểm nhất. Muốn biết khuỷu nào nguy hiểm nhất phải dựa vào đồ thị T = f(α) để xác định trị số của lực tiếp tuyến T ở các vị trí tính toán, sau đó lập bảng để tìm mô men lớn nhất (ΣTi-1R)max, cũng là khuỷu chịu lực tiếp tuyến (ΣTi-1)max lớn nhất. Ví dụ: xét đối với động cơ 4 kì, 6 xi lanh, góc công tác 1200, thứ tự làm việc 1-5-3-6-2-4. đồ thị biểu diễn quan hệ của lực tiếp tuyến T = f(α) ứng với một xi lanh biểu diễn trên hình 3.54. Dựa vào đồ thị xác định được giá trị T ứng với các góc quay α, do đó có thể xác định được ΣTi-1 tác dụng trên các khuỷu của động cơ khi các khuỷu chịu lực Zmax bằng phương pháp lập bảng (bảng 3.2). Nhìn vào bảng số liệu 3.2 ta thấy khuỷu số 2 có (ΣTi-1)max = 0,64 là giá trị lớn nhất, nên cần phải tính sức bền của khuỷu này. Như vậy, khuỷu trục nào khi nằm ở vị trí điểm chất trên cũng chịu tác dụng của lực Zmax, còn lực T = 0, nên khuỷu nào có (ΣTi-1)max lớn nhất thì khuỷu đó chịu lực lớn nhất. b1. Tính sức bền cổ biên Bảng 3.2. Bảng số liệu lực T ứng với góc quay trục khuỷu α0 00 1200 2400 3600 4800 6000 T (MN/m2) 0 0,92 -0.62 0 0,64 -0,63 Hình 3.54. Đồ thị quan hệ giữa lực tiếp tuyến theo góc quay trục khuỷu 83 - Ứng suất uốn cổ biên: ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ − −+== cb cbcb rr u u u d d cPaPlZ W M 44 21 32 ''' δπσ - Ứng suất xoắn cổ biên: k i k k x W RT W M 1' −Σ==τ ; Wk = 2 Wu – mô đuyn chống xoắn của cổ biên - Ứng suất tổng cổ biên: 22 4 ku τσσ +=Σ b2. Tính sức bền cổ trục. Bảng 3.3. Bảng số liệu xác định khuỷu chịu (ΣTi-1)max Khuỷu số 00 1200 2400 3600 4800 6000 1 T = 0 ΣTi-1 = 0 0,92 -0.62 0 0,64 -0,63 2 -0,62 0 0,64 -0,63 T = 0 ΣTi-1 =0,64 0,92 3 0,64 -0,63 T = 0 ΣTi-1 = 0,02 0,92 -0,62 0 4 0,92 -0,62 0 0,64 -0,63 T = 0 ΣTi-1 =0,29 5 -0,63 T = 0 ΣTi-1 = -0,33 0,92 -0,62 0 0,64 6 0 0,64 -0,63 T = 0 ΣTi-1= 0,34 0,92 -0,62 Tính sức bền cổ trục thường tính ứng với tiết diện chỗ chuyển tiếp giữa cổ trục và má khuỷu (đây là tiết diện nguy hiểm nhất). - Ứng suất uốn cổ trục: 32 '' 3 ctu u u d bZ W M πσ == , đối với cổ trục đặc - Ứng suất xoắn cổ trục: Hình 3.55. Đồ thị tổng lực tiếp tuyến theo góc quay trục khuỷu 84 32 ' 3 1 ct i k k x d RT W M πτ −Σ== - Ứng suất tổng khi cổ trục chịu uốn và xoắn: 22 4 ku τσσ +=Σ b3. Tính sức bền má khuỷu. Trong quá trình làm vịêc, má khuỷu chịu uốn và nén theo trục x-x và y-y - Ứng suất nén má khuỷu: bh PZ r n 2'−=σ - Ứng suất uốn trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng khuỷu trục (uốn quanh trục y-y): 6 ' 2 1 bh RT W M W M i uy k uy y uy u −Σ===σ - Ứng suất uốn trong mặt phẳng khuỷu trục (uốn quanh trục x-x): ( ) 6 '' 2 2 bh caPbZ W M r ux x ux u −+==σ - Ứng suất tổng khi má chịu uốn và xoắn: yuxuu σσσσ ++=Σ c. Tính cho trường hợp khuỷu trục chịu lực tiếp tuyến lớn nhất Tmax: Trong trường hợp này, vị trí tính toán ứng với góc α = αTmax (góc αTmax tìm trên đồ thị T= f(α) ứng với vị trí T = Tmax). Ở vị trí này (αTmax) cũn