Bài giảng Kết cấu và tính toán động cơ đốt trong - Chương 5: Phương pháp tính toán và thiết kế động cơ

CHƯƠNG 5. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁNVÀ THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ 5.1. CÁC CHẾ ĐỘ TÍNH TOÁN ĐỘNG CƠ 5.2. THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ5.1. Các chế độ tính toán động cơ5.1.1. Các chế độ làm việc đặc trưng của động cơ- Trong quá trình làm việc, các chế độ làm việc (phụ tải, tốc độ) của động cơ luôn thay đổi trong phạm vi rất rộng. Do vậy, tải trọng (cơ học, nhiệt, hóa ...) tác dụng lên các chi tiết sẽ thay đổi liên tục.- Việc lựa chọn chế độ làm việc sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến tải trọng tác dụng lên ĐC.- Khi lựa chọn các chế độ làm việc để tính toán bền các chi tiết, người ta thường giả thiết trạng thái làm việc của ĐC là ổn định. Đồng thời phải chọn những chế độ mà ở đó các chi tiết chịu tải trọng lớn nhất (cơ học, nhiệt, dao động cộng hưởng...).- Phụ tải thay đổi theo thời gian gây ra hiện tượng phá hỏng vì mỏi đối với các chi tiết. Do vậy, phần lớn các chi tiết trong ĐC được tính toán theo độ bền mỏi.- Trạng thái chịu tải trọng của các chi tiết rất phức tạp nên việc lựa chọn trạng thái làm việc gây ứng suất nguy hiểm nhất rất phức tạp. Trên cơ sở đảm bảo độ bền hợp lý thường chọn 3 trạng thái làm việc sau để tính toán: + Trạng thái chịu mô men xoắn lớn nhất (Me max; nM) + Trạng thái công suất lớn nhất (Ne max; nN) + Trạng thái tốc độ cho phép lớn nhất (Me = 0; nmax)* Trạng thái chịu mô men xoắn lớn nhất (Me max; nM): có áp suất khí thể lớn nhất, lực quán tính bé vì tốc độ nM nhỏ. Trạng thái này thường gặp khi khởi động hoặc khi xe chở nặng lên dốc cao. Khi tính toán coi lực khí thể đạt giá trị lớn nhất (pzmax) tại ĐCT ( = 0).* Trạng thái công suất lớn nhất (Nemax; nN): trạng thái này ĐC phát ra công suất lớn nhất; thường dùng để tính toán ứng suất tổng hợp do lực quán tính và lực khí thể sinh ra. Đối với ĐC diesel được tính toán ở chế độ công suất định mức nN.* Trạng thái tốc độ cho phép lớn nhất (Me = 0; nmax): trạng thái này có lực quán tính lớn nhất, ứng với tốc độ lớn nhất được hạn chế bởi bộ điều tốc.* Ngoài ra, tuỳ theo điều kiện làm việc của các chi tiết và chế độ làm việc cần kiểm tra phụ tải nhiệt (nắp máy, piston, lót XL, thân XL) và hiện tượng dao động cộng hưởng (nhất là TK).Hình 5.1. Đặc tính ngoài của động cơa - ĐC xăng; b - ĐCdiesel5.1.2. Đặc điểm tính toán các chi tiết trong ĐC- Khi thiết kế ĐC, thường xác định hình dạng và kích thước trước sau đó mới tiến hành tính toán sức bền, biến dạng  phần lớn các phép tính đều mang tính kiểm nghiệm.- Khi tính toán phải dùng rất nhiều giả thiết do các nguyên nhân sau: + Sự phức tạp về hình dạng chi tiết và sự phân bố lực. + Khó xác định chính xác trạng thái làm việc cũng như tình trạng chịu lực thực tế của chi tiết. + Khó xác định chính xác ảnh hưởng của tải trọng động. + Khó xác định quy luật phân bố ứng suất trên tiết diện tính toán. + Khó xác định ứng suất nhiệt, ảnh hưởng rất lớn đến sức bền chi tiết. + Trong thực tế, ít kể đến độ cứng vững của chi tiết máy.- Ngày nay, với sự phát triển của MTĐT, các PP số, phần mềm, việc tính toán ngày càng trở nên chính xác hơn, khối lượng công việc được giảm nhẹ.Hình 5.2. Trạng thái nhiệt của pistonHình 5.3. Trạng thái ứng suất của pistonHình 5.4. Trạng thái nhiệt của nắp máyHình 5.5. Trạng thái ứng suất của nắp máy5.1.3. Hệ số an toàn trong tính bền chi tiết chịu tải trọng động- Phần lớn các chi tiết động cơ đều chịu tải trọng thay đổi theo chu kỳ gây nên hiện tượng phá huỷ về mỏi của vật liệu.- Khi tính bền các chi tiết thường dùng phương pháp tính bền mỏi để kiểm tra điều kiện làm việc của chi tiết.- Kết quả tính toán sẽ xác định được hệ số an toàn n- σo là ứng suất nguy hiểm.5.2. Thiết kế động cơ5.2.1. Phương pháp thiết kế- Thiết kế mới hoàn toàn:Phương án này ít sử dụng vì phức tạp, khối lượng công việc lớn. Cần tiến hành thiết kế về nguyên lý, kết cấu. Liên quan đến nhiều vấn đề kỹ thuật, thiết kế thi công, dây chuyền công nghệ. Vì vật, chỉ tiến hành thiết kế mới hoàn toàn khi tính năng kỹ thuật của động cơ cũ không thể thỏa mãn được nhu cầu. Thiết kế mới hoàn toàn cũng được sử dụng khi thiết kế động cơ đốt trong kiểu mới: ĐC tuabin, ĐC tên lửa, ĐC Wankel, ĐC piston tự do - Thiết kế cải tiến:Đây là phương án chính vì có tính kinh tế cao. Phương án này được tiến hành liên tục để cải thiện các tính năng của động cơ. Phương án này cho phép sử dụng lại một phần dây chuyền công nghệ cũ.5.2.2. Trình tự thiết kế* Xác định điều kiện kỹ thuật:- Công dụng của động cơ- Công suất động cơ- Tốc độ động cơ- Nhiên liệu- Số kỳ* Thiết kế phác thảo- Tính toán chu trình nhiệt động- Tính động lực học- Tính bền các chi tiết- Xác định D, S, bố trí XL, dạng TK, dạng thân máy- Thiết kế phác thảo toàn bộ các chi tiết chính: PT, TT, TK- Lựa chọn công nghệ- Thiết kế các hệ thống: NL, LM, BT, KĐ, NT- Sử dụng nhiều phương án rồi lựa chọn phương án tối ưu* Thiết kế kỹ thuật- Xây dựng các bản vẽ kỹ thuật: chi tiết, chế tạo, công nghệ - Phân nhóm, phân cụm, đánh số toàn bộ các chi tiết - Vẽ lắp toàn bộ các cơ cấu và hệ thống (mặt cắt ngang, mặt cắt dọc)- Kiểm tra kích thước bao, chế độ dung sai- Kết hợp với nhà sản xuất để hiệu chỉnh kịp thời- Chạy rà động cơ- Tiến hành thử nghiệm tính năng kỹ thuật- Hoàn thiện hồ sơ thiết kế sau khi có chỉnh sửa, điều chỉnh- Bàn giao toàn bộ hồ sơ thiết kế cho nhà sản xuất* Thiết kế thi công- Thiết kế công nghệ: quy trình công nghệ, đồ gá, dụng cụ đo lường- Chế tạo thử- Chạy thử nghiệm- Theo dõi, thống kê số liệu thử nghiệm, tìm hiểu nguyên nhân hỏng hóc do công nghệ- Hiệu chỉnh thiết kế và công nghệ- Tiến hành chế tạo hàng loạt theo nhu cầu5.2.3. Thiết kế bố trí chungXác định trước dung tích XL, kiểu động cơ, phương án kết cấu, thiết bị phụ5.2.3.1. Chọn thông số kết cấu và kích thước chính* Chọn số XL và bố trí XL- Điều kiện cân bằng của động cơ, khả năng dùng biện pháp cân bằng đơn giản- Độ đồng đều tốc độ quay của TK- Yêu cầu về kích thước bao, điều kiện lắp ráp trên thiết bị- Đảm bảo gọn nhe, kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, độ cứng vững cao- Kiểu làm mátĐC 1 XL* Ưu điểm- Kết cấu đơn giản* Nhược điểm- Độ đồng đều tốc độ, cân bằng kém- Bánh đà lớn- Kích thước, khối lượng ↑ - Lực quán tính ↑ ĐC nhiều XL* Ưu điểm- Làm việc ổn định, độ đồng đều tốc độ tốt, cân bằng tốt, dễ khởi động- D, S ↓, lực quán tính ↓, ↑ n- Kích thước, khối lượng các chi tiết ↓- D ↓  ↓ kích nổ ĐC xăng* Nhược điểm- Kết cấu phức tạp- Chế tạo phức tạp* Chọn tỷ số S/DCác ĐC có xu hướng giảm S/D- Ưu điểm+ ↑ n mà tốc độ PT không tăng → ma sát không tăng → ηm không giảm+ Dễ bố trí xu páp, ↑ kích thước XP nạp thải (hoặc bố trí nhiều XP)+ ↓ chiều cao, TK có độ trùng điệp cao nên tăng độ cứng vững- Nhược điểm+ Chiều dài, rộng ↑+ Phụ tải nhiệt ↑+ Khả năng kích nổ ↑* Chọn thông số kết cấu: λ = R/L- ↑ λ: TT ngắn, chiều cao, khối lượng ĐC ↓, góc lắc TT ↑, lực ngang ↑- λ = 0,25 ÷ 0,33- Việc lựa chọn S/D và λ phụ thuộc công nghệ chế tạo và dây chuyền công nghệ hiện có Thông số Pjmax phản ánh tương đối đầy đủ các thông số trên, khi thiết kế cần tham khảo các giá trị của ĐC hiện có.* Chọn kiểu làm mát- Ảnh hưởng đến hình dạng bên ngoài ĐC5.2.3.2. Thiết kế mặt cắt ngang- Chọn tỷ lệ xích- Vẽ đường tâm XL- Vẽ đường tròn bán kính R- Vẽ đoạn aA = L, xác định được vị trí chốt PT, đỉnh PT ở ĐCT, vẽ PT- Xác định chiều dài XL: H + S - P- Thiết kế TT: hình dạng, đường kính cổ khuỷu và chốt PT. Yếu cầu: TT phải lọt trong XL.- Xác định hình dạng hộp TK và thân XL- Vẽ hình dạng cổ trục và ổ trục5.2.3.3. Thiết kế mặt cắt dọc- Chọn khoảng cách giữa 2 XL- Vẽ kết cấu TK- Xác định chiều rộng bạc lót cổ trục, cổ khuỷu, đầu nhỏ TT- Vẽ PT, TT- Kiểm tra lại khoảng cách giữa 2 XL- Vẽ các phần còn lại