Bài giảng Kết cấu và tính toán động cơ đốt trong - Chương 1: Động học cơ cấu khuỷu trục thanh truyền

BÀI GIẢNGKẾT CẤU VÀ TÍNH TOÁN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONGThời gian: 60 tiết (3 tín chỉ)Dùng cho lớp: VB2 XQS3KHOA ĐỘNG LỰCBỘ MÔN ĐỘNG CƠNỘI DUNGChương 1. Động học cơ cấu khuỷu trục thanh truyền (CCKTTT)Chương 2. Động lực học CCKTTTChương 3. Cân bằng và dao động xoắn của động cơChương 4. Các chế độ làm việc và phương pháp tính sức bền các chi tiếtChương 5. Nhóm chi tiết cố địnhChương 6. Nhóm pít tôngChương 7. Nhóm thanh truyềnChương 8. Trục khuỷu và Bánh đàChương 9. Cơ cấu phối khí (CCPK)Chương 10. Các hệ thống trên động cơ - Hệ thống bôi trơn - Hệ thống làm mát - Hệ thống sấy nóng và khởi động TÀI LIỆU THAM KHẢO1. Kết cấu và Tính toán động cơ đốt trong (tập 1, 2); Lại Văn Đinh- Vy Hữu Thành, NXB Học viện KTQS, 1996 - 2003.2. Kết cấu và Tính toán động cơ đốt trong (tập 1, 2, 3); Hồ Tấn Chuẩn, Nguyễn Đức Phú, Trần Văn Tế, Nguyễn Tất Tiến; NXB Đại học và Trung học chuyên nghiệp, 1979.3. ATLAT động cơ đốt trong (tập 1, 2), Bộ môn Động cơ - Khoa Động lực, NXB Học viện KTQS, 2003. 4. Động cơ đốt trong; Phạm Minh Tuấn, NXB KHKT 2005. 5. Đại cương động cơ đốt trong, Lại Văn Định, NXB Học viện KTQS, 2007.6. Nguyên lý, kết cấu và khai thác các hệ thống phun xăng trên động cơ ô tô hiện đại. Hà Quang Minh. Học viện KTQS. 1999.7. Hệ thống phun xăng điện tử dùng trên xe du lịch. Hoàng Xuân Quốc. NXB KHKT. 1996.8. Automotive Handbook, BOSCH (1996), Cambridge, USA.9. Hướng dẫn Đồ án môn học ĐCĐT. Vy Hữu Thành, Vũ Anh Tuấn. NXB Học viện KTQS, 1999.Giáo viên phụ tráchTS Lương Đình Thi, 4/, BM Động cơ, Khoa Động lực, HVKTQS. 0974.922.757. Thidongluc33@yahoo.com.KS Đào Duy Tùng, 2/, BM Động cơ, Khoa Động lực, HVKTQS. 0987.752.224. CHƯƠNG 1. ĐỘNG HỌC CCKTTT 1.1. Động học CCKTTT giao tâm1.2. Động học CCKTTT lệch tâm1.3. Động học CCKTTT có TT chính – phụCCKTTTCCKTTT giao tâmCCKTTT lệch tâmCCKTTT có TT chính – phụAĐCTĐCDSpAA’A’’BOe21SLSplRlEĐộng học CCKTTTĐộng học pít tôngĐộng học thanh truyềnĐộng họcChuyển vịVận tốcGia tốcĐộng học trục khuỷuChú thích:ĐCT- điểm chết trên (A)ĐCD- điểm chết dưới (A’)R - bán kính quay của khuỷu trụcl - chiều dài thanh truyềnβ - góc giữa đường tâm TT và đường tâm XLα - góc giữa đưòng tâm má khuỷu với đường tâm XLS = AA’ = 2R – Hành trình của pistonλ = R/l - hệ số kết cấuAĐCTĐCDSp Giả thiết: - Tốc độ quay của TK ω = const (n = const ). - Các chi tiết cứng vững tuyệt đốiSơ đồ nguyên lý CCKTTT giao tâm1.1. Động học CCKTTT giao tâmA’1.1.1.1. Chuyển vị của pít tông Chuyển vị Sp tính từ ĐCT:Sp = AB = AO - (DO + BD) = (l + R) - (R.cosα + l.cosβ) (1.1) (1.2) λ là thông số đặc trưng của mỗi động cơ. Khi tăng λ sẽ giảm được chiều cao động cơ, nhưng có nhiều nhược điểm:  λ  thanh truyền ngắn   β max  dễ kẹt pít tông trong XL.  λ   lực ngang N   tổn thất ma sát và mài mòn XL Động cơ ô tô - máy kéo : λ = 1/3  1/41.1.1. Động học pít tôngASp (1.3) Việc sử dụng công thức (1.2) không thuận tiện vì Sp phụ thuộc vào cả α và β. Trong tính toán nguời ta mong muốn Sp chỉ là hàm của α . Có thể dùng công thức gần đúng để xác định Sp: Theo (1.3), Sp được chia thành: Sp = SpI + SpIIChuyển vị cấp 1: Sp1 = R(1 - cosα)Chuyển vị cấp 2 : Sp2 = (Rλ/4).(1 - cos2α)(1.4)1.1.1.2. Vận tốc của pít tông (1.6) Vp cũng được chia thành: Vp = Vp1 + Vp2 Vận tốc cấp 1: Vp1 = R.ω.sinα Vận tốc cấp 2 : Vp2 = (R.λ.ω.sin2α)/2 Đạo hàm công thức (1.3) theo thời gian ta có biểu thức gần đúng của vận tốc: Đạo hàm công thức (1.2) theo thời gian ta có biểu thức vận tốc chính xác:(1.5) Tốc độ trung bình của pít tông Vptb: (1.7) Vptb xác định mức độ cao tốc của động cơ, đồng thời còn đặc trưng cho mức độ phụ tải nhiệt, phụ tải cơ học và mức độ mài mòn của các chi tiết. Dựa theo Vptb để phân loại : - Vptb = 3,5 – 6,5 m/s : động cơ tốc độ thấp - Vptb = 6,5 – 9,0 m/s : động cơ tốc độ trung bình - Vptb > 9,0 m/s : động cơ tốc độ cao Động cơ ô tô – xe tăng, thiết giáp – máy kéo: Vptb = 8 15 m/s Góc quay TK ứng với tốc độ piston lớn nhất Jp = R.ω2(cosα + λ.cos2α) (1.9)Giá trị của (cosα + λ.cos2α) được tính sẵn dưới dạng bảng hoặc sử dụng các chương trình phần mềm trên máy tính (Excel, Matlab). Jp được chia thành: Jp = Jp1 + Jp2 Gia tốc cấp 1: Jp1 = R.ω2.cosα Gia tốc cấp 2 : Jp2 = R.ω2.λ.cos2α1.1.1.3. Gia tốc của pít tông Đạo hàm công thức (1.6) theo thời gian ta có biểu thức gần đúng của gia tốc: Đạo hàm công thức (1.5) theo thời gian ta có biểu thức gia tốc chính xác:(1.8)Đồ thị chuyển vị, vận tốc và gia tốc của pít tông theo góc quay trục khuỷu Thanh truyền chuyển động song phẳng phức tạp trong mặt phẳng vuông góc với đường tâm TK. Đầu to TT quay tròn quanh đường tâm TK với tốc độ góc ω. Đầu nhỏ TT chuyển động tịnh tiến cùng với pít tông. Tốc độ góc của TT:(1.11) Chuyển vị góc của thanh truyền:Ta có: sinβ = R/l.sinα = λ.sinα β = arcsin (λ.sinα) (1.10)1.1.2. Động học thanh truyền(1.12) Gia tốc góc của TT:1.1.2. Động học thanh truyền1.1.3. Khảo sát động học pít tông bằng phương pháp đồ thịXác định chuyển vị pít tông bằng phương pháp vòng tròn BricAC = AO – OC = AO – (CO’ – OO’) = R – MO’.cosα + R.λ/2 (1.13)MO’  R + R.λ/2.cosα; thay vào (1.12):AC = R.[(1 – cosα) + λ/4.(1 – cos2α)] = Sp§CT§CDABMOO'D9001800000S = 2RSpS = 2RR/2SpCCách triển khai quan hệ Sp = f() bằng phương pháp BricXác định vận tốc pít tông bằng phương pháp 2 vòng tròn đồng tâmde260’7’6’5’4’abcBA01345783’2’1’fXác định vận tốc của pít tông theo bằng 2 vòng tròn đồng tâmXác định gia tốc pít tông bằng phương pháp Tôlê ( ≤ 1/4)ABR2(1-)SR2(1+)ĐCT-3R2EF1’2’3’D4’4321CF1F2Xác định gia tốc của pít tông theo bằng PP Tô lêXác định gia tốc pít tông bằng phương pháp 2 vòng tròn đồng tâmB8A76543e21bcd7’06’5’4’3’2’1’0aXác định gia tốc của pít tông theo bằng 2 vòng tròn đồng tâmChú thích:A - điểm chết trênA’’ - điểm chết dướiR - bán kính quay của khuỷu trụcl - chiều dài thanh truyềnβ - góc giữa đường tâm TT và đường tâm XLα - góc giữa đưòng tâm má khuỷu với đường tâm XLSL – hành trình pít tông = R/l - hệ số kết cấue - độ lệch tâmk = e/R – hệ số lệch tâm, k = 0,05 – 0,2AA’A’’BOe21SLSplRlE1.2. Động học CCKTTT lệch tâmSơ đồ nguyên lý CCKTTT lệch tâmGiả thiết:- Tốc độ góc của TK ω = const.- Các chi tiết cứng vững tuyệt đối2 dạng lệch tâmđường tâm xi lanh cắt đường tâm trục khuỷu nhưng không đi qua đường tâm chốt pistonđường tâm xi lanh không cắt đường tâm trục khuỷuQuy ước: Góc quay trục khuỷu được bắt đầu tính từ đường thẳng đi qua đường tâm trục khuỷu và song song với đường tâm xi lanhCác điểm chết:- α1 : góc quay trục khuỷu ứng với ĐCT- α2 : góc quay trục khuỷu ứng với ĐCDƯu điểm:San đều lực ngang tác dụng lên xi lanh (mòn đều)Hành trình tăng  Vh tăng, ηv tăng  Ne tăngPha nạp tăng (180 – α1 + α2; α2 > α1)  ηv tăng  Ne tăngQuá trình cháy gần đẳng tích hơn (chu trình đẳng tích)Pha nén giảm (180 + α1 – α2), Vpt cuối quá trình nén cao hơn, pc, Tc cao hơnVpt gần ĐCD cuối hành trình nạp cao hơn, hiệu ứng nạp quán tính tốt hơn Nhược điểm:Lực quán tính tăngTính toán các quá trình phức tạp1.2.1.1. Hành trình của pít tông:1.2.1. Động học pít tôngAA’A’’BOe21SLSplRlESL > Sp(1.14)1.2.1.2. Chuyển vị của pít tông:AA’A’’BOe21SLSplRlE(1.15)(1.16)1.2.1.3. Vận tốc của pít tông:cos)sin(úûùêëé+=bbawRCông thức gần đúng (đạo hàm 1.16 theo thời gian):Công thức chính xác (đạo hàm 1.15 theo thời gian):(1.17)(1.18)1.2.1.4. Gia tốc của pít tông:Công thức chính xáccoscoscos)cos(322úûùêëé++==balbbawRdtdVJplpl(1.19)Công thức gần đúng(1.20)Góc quay của TK ứng với vị trí ĐCTGóc quay của TK ứng với vị trí ĐCD1.2.2. Động học thanh truyền1.2.2.1. Chuyển vị góc của thanh truyền:1.2.2.2. Vận tốc góc của thanh truyền:cr = arcsin[(sin-k)] (1.21)(1.22)(1.23)1.2.2.3. Gia tốc góc của thanh truyền:(1.24)(1.25)1.3. Động học CCKTTT động cơ kiểu chữ V Phân loại CCKTTT động cơ kiểu V theo quan điểm động học: Loại 1: Động cơ kiểu V có động học hai dãy giống nhau: TT đồng dạng, TT hình nạng – trung tâm. Dùng công thức của CCKTTT động cơ một hàng xi lanh.Loại 2: Động cơ kiểu chữ V có động học hai dãy khác nhau: TT chính – phụ. Động học dãy chính giống động cơ một hàng xi lanh, động học dãy phụ khác và được xác định ở phần sau.Sơ đồ nguyên lý CCKTTT động cơ kiểu V thanh truyền chính - phụChú thích:ĐCT - điểm chết trên ở dãy phụ, B’C – vị trí chốt phụR - bán kính quay của khuỷu trụcL - chiều dài thanh truyền chínhl - chiều dài thanh truyền phụr – khoảng cách từ tâm đầu to TT chính đến chốt phụβ1 - góc giữa đường tâm TT phụ và đường tâm XL phụ1 - góc giữa đưòng tâm má khuỷu với đường tâm XL phụ - góc nhị diện1 – góc giữa đường tâm TT chính với đoạn thẳng nối tâm đầu to với chốt phụGiả thiết:- Tốc độ góc của TK  = const.- Các chi tiết cứng vững tuyệt đốiƯu điểm: Rút ngắn chiều dài, giảm chiều cao động cơ thuận lợi cho việc bố trí trong khoang động lực.- Tăng độ cững vững cho CCKTTT và đc nói chung.Nhược điểm:- Quy luật động học 2 dãy khác nhau- Tính toán động học, động lực học dãy phụ phức tạp- Kết cấu thanh truyền chính phức tạp1.3.1. Chuyển vị của pít tông dãy phụ:(1.26)1.3.2. Hành trình của pít tông dãy phụ:(1.27)1.3.3. Vận tốc của pít tông dãy phụ:(1.28)1.3.4. Gia tốc của pít tông dãy phụ:(1.29)1.3.5. Chuyển vị của TT dãy phụ:1.3.6. Vận tốc góc của TT dãy phụ:1.3.7. Gia tốc góc của TT dãy phụ: