Bài giảng Kết cấu và tính toán động cơ đốt trong - Chương 2: Động lực học cơ cấu khuỷu trục thanh truyền

CHƯƠNG 2. ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU KHUỶU TRỤC THANH TRUYỀN2.1. Xác định và qui dẫn các khối lượng chuyển động2.2. Lực tác dụng lên CCKTTT2.3. Lực và mô men tác dụng lên trục khuỷu động cơ 1 xi lanh2.4. Lực và mô men tác dụng lên trục khuỷu động cơ một hàng nhiều XL2.5. Đồ thị véc tơ phụ tải tác dụng lên cổ khuỷu và bạc đầu to thanh truyền2.6. Đồ thị véc tơ phụ tải tác dụng lên cổ trục và bạc ổ trục2.7. Đồ thị mài mòn2.8. Động lực học động cơ kiểu chữ VGiả thiết:- Trục khuỷu quay đều (n = const)- Bỏ qua lực ma sát, lực cản khí độngĐỘNG HỌC CHUYỂN VỊ VẬN TỐCĐỘNG LỰC HỌC LỰC MÔ MENGIA TỐC2.1. Xác định và qui dẫn các khối lượng chuyển động2.1.1. Qui dẫn khối lượng nhóm pít tông:mnp = mp + mx + mc + mk + mg + (kg) (2.1)Khi piston có kết cấu đặc biệt (cơ cấu thay đổi tỷ số nén, khoang chứa dầu làm mát) thì khối lượng của chúng cũng được tính chung vào mnp.2.1.2. Qui dẫn khối lượng nhóm thanh truyềnNguyên tắc quy dẫn: - Tổng khối lượng không đổi - Trọng tâm không đổi - Mô men quán tính đối với trọng tâm không đổiHình 2.1. Sơ đồ quy dẫn khối lượng TT về 3 điểm.Chú thíchm1 – khối lượng quy dẫn về tâm đầu nhỏm2 - khối lượng quy dẫn về tâm đầu tom3- khối lượng quy dẫn về trọng tâml – chiều dài tính toán của TTl1 – chiều dài từ trọng tâm tới tâm đầu nhỏl l1m1m2m3 Hệ phương trình xác định m1, m2 và m3: mtt = m1 + m2 + m3 m1.l1 = m3(l – l1) m1. l12 + m3(l – l1)2 = Jo (2.3)Do: m2 4 nhưng qmax << [qmax] thì vẫn sử dụng được.Hình 2.12. Trị số cho phép của phụ tải tác dụng lên ổ trục Đặc điểm- Ở chế độ mô men xoắn max, χ thường cao. (Biện pháp: tăng m2)- Đối với động cơ dùng ổ lăn, cách xác định trên có sai số lớn- Với động cơ một hàng nhiều XL, ĐTVTPT vừa xây dựng coi như đặc trưng cho mọi cổ khuỷu.- Chu kỳ biến thiên của ĐTVTPT đối với động cơ 4 kỳ là 7200 GQTK, đối với động cơ 2 kỳ là 3600 GQTK.Có thể xây dựng ĐTVTPT theo phương pháp 2 vòng tròn.1 Từ ĐTVTPT có thể xác định được vị trí khoan lỗ dầu bôi trơn hợp lý 2.4.3. Đồ thị véc tơ phụ tải tác dụng lên bạc đầu to thanh truyềnĐồ thị VTPT tác dụng lên bạc đầu to được xác định thông qua ĐTVTPT tác dụng lên cổ khuỷu Qb = - QckKhi khuỷu trục quay 1 góc α so với đường tâm xi lanh thì đầu to quay đi một góc α + β so với khuỷu trụcCoi TT đứng yên, cổ khuỷu quay với quy luật α + β tương ứng với tốc độ TK ωCách vẽ đồ thị VTPT tác dụng lên bạc đầu to: (vẽ trên giấy bóng mờ)- Vẽ dạng đầu to thanh truyền tâm O.- Vẽ đường tròn tâm O bán kính bất kỳ.- Giao điểm của đường tròn với đường tâm TT là điểm Oo.- Theo chiều quay TK, xác định các điểm 15, 30, 45 tương ứng với các góc 15 + β(15), 30 + β(30), 45 + β(45) trên đường tròn. Đặt tờ giấy lên trên ĐTVTPT cổ khuỷu sao cho tâm O trùng O1 Chiều dương trục OZ đi qua điểm Oo.- Đánh dấu điểm mút của véc tơ Qck (Oo hoặc 720o) là 0, 720.- Xoay tờ giấy quanh O để các điểm 15, 30, 45 trùng với chiều dương trục OZ, lần lượt đánh dấu các điểm đầu mút véc tơ Qck (15o), Qck (30o), Qck (45o) tương ứng là 15, 30, 45 - Nối các điểm 0, 15, 30, 45 bằng đường cong trơn, kín ta được đồ thị VTPT tác dụng lên bạc đầu to.- Đối với động cơ 2 kỳ thực hiện tương tự, chu kỳ 360o.- Đồ thị VTPT tác dụng lên bạc đầu to thực tế rất phức tạp, cách xây dựng trên chỉ mang tính chất định tính.Hình 2.17. Đồ thị véc tơ phụ tải tác dụng lên bạc đầu to thanh truyền2.6. Đồ thị véc tơ phụ tải tác dụng lên cổ trục và bạc ổ trục Đồ thị VTPT tác dụng lên cổ trục có dạng phức tạp do lực tác dụng lên cổ trục là hợp lực của các phản lực do lực tác dụng lên hai khuỷu trục có cùng cổ trục gây ra. Do đó, VTPT tác dụng lên cổ trục phụ thuộc vào góc lệch khuỷu, thứ tự làm việc của động cơ và các lực tác dụng trên hai khuỷu có chung cổ trục đó sinh ra. Đối với ĐC nhiều XL, ĐTVTPT của các cổ trục có hình dạng khác nhau. Đa số các trường hợp, cổ trục chịu tải lớn nhất là cổ trục nằm giữa hai khuỷu có góc lệch khuỷu = 3600. Cổ trục này thường nằm giữa trục khuỷu và thường được làm dài hơn cổ trục khác Bằng phương pháp đồ thị, từ ĐTVTPT tác dụng lên cổ khuỷu có thể xác định ĐTVTPT tác dụng lên cổ trục và ĐTVTPT tác dụng lên bạc ổ trục.2.6.1. Đồ thị véc tơ phụ tải tác dụng lên cổ trục và bạc ổ trục động cơ 1 XLSơ đồ khuỷu trục động cơ 1 xi lanh và lực tác dụngPttPr2PrkabQck = Ptt + Pr2Qb’Qb’’abQckPrkR’R’’Lực tổng tác dụng lên 2 ổ đỡ cổ trục và khuỷu trục:Qb = Qb’ + Qb’’ = Qck + Prk.Lực quán tính li tâm:Prk = mkh.R.ω2.Phản lực tác dụng lên hai bề mặt cổ trục:R’ = - Qb’ R’’ = - Qb’’ Phương pháp xây dựng:- Xác định ĐTVTPT tác dụng lên bề mặt cổ khuỷu- Xác định điểm O2 theo chiều dương OZ, sao cho O1O2 = Prk- Vẽ vòng tròn tâm O2 tượng trưng cho bề mặt cổ trục- Vẽ má khuỷu tượng trưng- Véc tơ gốc O2, mũi là 1 điểm trên ĐTVTPT cổ khuỷu chính là Qb tại góc quay tương ứng.- Lấy véc tơ Qb nhân với tỷ lệ xích a/(a+b) hoặc b/(a+b) ta được VTPT tác dụng lên ổ đỡ bên phải hoặc trái tại góc quay tương ứng.- Đồ thị gốc O2 với đường cong VTPT cổ khuỷu với tỷ lệ xích T = b/(a+b) và P = a/(a+b) chính là ĐTVTPT tác dụng lên bạc cổ trục bên trái và phải của ĐC 1 XL trong 1 chu kỳ.Đối với ĐTVTPT tác dụng lên cổ trục: Xoay ĐTVTPT bạc cổ trục tương ứng đi 1 góc 1800 quanh tâm O2 Có thể triển khai các ĐT trên theo GQTK, xác định Qmax, Qtb, qmax (lấy thấp hơn 40% so với cổ khuỷu), qtb (lấy thấp hơn 20% so với cổ khuỷu)ĐTVTPT tác dụng lên cổ trụcĐTVTPT tác dụng lên bạc cổ trục2.6.2. Đồ thị véc tơ phụ tải tác dụng lên cổ trục và bạc ổ trục động cơ nhiều XLGiả thiết: - TK đủ cổ trụcTK cứng vững tuyệt đối Lực từ mỗi khuỷu chỉ tác dụng lên 2 bạc ổ đỡ của khuỷu đó mà không ảnh hưởngđến các ổ trục xa hơn. ĐTVTPT cổ khuỷu là như nhau giữa các XL TK đứng yên, XL quay với tốc độ - Đặc điểm: ĐTVTPT bạc và cổ trục của ĐC nhiều XL rất phức tạp, do: Các XL làm việc lệch pha nhau Các khuỷu được bố trí lệch nhau Tải trên các ổ trục khác nhau TK có thể đủ hoặc thiếu cổ trụcPP xây dựng ĐTVTPT bạc ổ trụcCó 2 PP xây dựng: PP đồ thị và PP giải tíchPP đồ thị:- Xác định ĐTVTPT cổ khuỷu của khuỷu trái- Xác định điểm O2 theo chiều dương của OZ, sao cho O1O2 = Prk Vẽ đường tròn tâm O2 tượng trưng cho bề mặt cổ trục Vẽ tượng trưng má khuỷu Dùng O2 làm tâm, xoay toàn bộ hệ trục TOZ đi 1 góc lệch khuỷu k. Xác định góc lệch pha công tác giữa XL ở khuỷu trái và khuỷu phải, ứng với góc quay của khuỷu trái là i thì góc quay khuỷu phải là i+1. Lực Qbi’’ = Qbi.ai/(ai+bi) là lực tác dụng lên ổ trục chung do khuỷu trái gây ra Lực Qbi+1’ = Qbi+1.bi+1/(ai+1+bi+1) là lực tác dụng lên ổ trục chung do khuỷu phải gây ra.PP đồ thị (tiếp): Cộng 2 véc tơ ta được lực tổng Qbi+1 tác dụng lên ổ trục i+1 ứng với i. Lặp lại việc xác định Qbi+1 cho góc i khác. Nối các đầu mút của các véc tơ Qbi+1 bằng 1 đường cong kín ta có ĐTVTPT của bạc cổ trục chung ứng với gốc O2. Lấy O2 làm tâm, quay ĐT vừa xây dựng 1 góc 1800, ta được ĐTVTPT tác dụng lên cổ trục chung. Nếu Prk’  Prk’’ thì phải tịnh tiến đồ thị TOZ của khuỷu phải đi 1 đoạn bằng (Prk’ - Prk’’) theo chiều dương trục Z.PP giải tích Cổ trục thứ i+1 nằm giữa khuỷu i và i+1, chịu tác dụng của các lực Ti’’, Zi’’, Pri’’ do khuỷu trái gây ra và Ti+1’, Zi+1’, Pri+1’ do khuỷu phải gây ra Chiếu các thành phần lực tiếp tuyến và pháp tuyến lên hệ TO2Z- Chiếu các lực Pri’’ và Pri+1’ lên hệ TO2Z- Các lực quán tính ly tâm và góc k không đổi nên Zr và Tr không đổi.- Lập bảng biến thiên của các lực. Lập hệ tọa độ TO’Z, trục O’Z thẳng đứng, có chiều dương hướng xuống. Nối các điểm (Ti,i+1, Zi,i+1) thành 1 đường cong kín Xác định điểm O2 có tọa độ (-Tr, -Zr) Đường cong với tâm O2 là ĐTVTPT tác dụng lên cổ trục chung thứ i+1 Quay đường cong quanh tâm O2 ta được ĐTVTPT tác dụng lên bạc cổ trục thứ i+1Hình 2.15. Đồ thị VTPT tác dụng lên cổ trục khuỷu động cơ nhiều xi lanh bố trí một hàng, góc lệch khuỷu 2400.PP xây dựng ĐTVTPT bạc ổ trục2 PP xây dựng: PP đồ thị và PP giải tíchHình 2.16. ĐTVTPT tác dụng lên ổ trục khuỷu, trục khuỷu có góc lệch khuỷu 24002.7. Đồ thị mài mòn cổ khuỷu Đồ thị mài mòn cổ khuỷu (hoặc cổ trục) thể hiện trạng thái chịu tải của các điểm trên bề mặt cổ, nó cũng thể hiện trạng thái hao mòn của bề mặt và giúp chỉ rõ khu vực hợp lý để khoan lỗ dẫn dầu bôi trơn (áp suât tiếp xúc nhỏ). Cách xây dựng đồ thị mài mòn cổ khuỷu bằng phương pháp lập bảng:1. Vẽ vòng tròn bất kỳ tượng trưng cho cổ khuỷu và chia nó thành 2n phần bằng nhau, đánh số từ 0, 1, 2, , 2n – 1.2. Tính hợp lực Q’ của các lực tác dụng lên các điểm 0, 1, 2, và ghi phạm vi tác dụng của chúng (giả thiết mỗi phía là 600) vào bảng.3. Xác định Q tại các điểm 0, 1, 2, ... Ghi vào hàng dưới cùng của bảng. Dùng tỷ lệ xích thích hợp để đặt các đoạn thẳng tương ứng cho Q tại các điểm 0, 1, 2, trên hình tròn (tính từ ngoài vào tâm). 4. Nối mút các đoạn thẳng  đồ thị mài mòn cổ khuỷu.Hình 2.13. Xác định hợp lực tác dụng lên các điểm bề mặt chốt khuỷu+ Đồ thị mài mòn xác định theo PP này chỉ mang tính chất định tính, vì:- Bề mặt trục và lỗ không tròn tuyệt đối và bị mòn trong khi làm việc.- Chưa xét đến ảnh huởng của chất lượng dầu bôi trơn và biến dạng của các chi tiết.- Giả thiết cung chịu lực là 1200 không sát với thực tế (do chốt bị đẩy lệch đi duới tác dụng chêm của dầu bôi trơn và khe hở trục – lỗ)12123456789101113141516171819202123060o60oHình 2.13. Đồ thị mài mòn TT hình nạng – trung tâm2.8. Động lực học CCKTTT động cơ kiểu chữ V (Các điểm cần chú ý)TtPr2phR’PrkPr2tZtZphTphcR’’ba