Báo cáo bài tập lớn môn Thiết kế động cơ đốt trong - Đề tài: Thiết kế thân máy-nắp xylanh

Nội dung text: Báo cáo bài tập lớn môn Thiết kế động cơ đốt trong - Đề tài: Thiết kế thân máy-nắp xylanh

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HỒ CHÍ MINH KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG BỘ MÔN Ô TÔ - MÁY ĐỘNG LỰC  o0o BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG Đề tài: THIẾT KẾ THÂN MÁY - NẮP XYLANH GVGD: Ts. Hồng Đức Thông Sinh viên thực hiện 1. Phan Thanh Hiếu G1301190 2. Lê Phước Lộc G1202006 3. Nguyễn Kế Tường 21104139 4. Lê Huy Vỹ G1304965 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH THÁNG 12/2016 
2. 1. ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC VÀ YÊU CẦU 1.1. Điều kiện làm việc - Thân máy – nắp quy lát là bộ khung chính để lắp ráp các chi tiết tạo thành động cơ, nên trên thân máy – nắp quy lát chịu khoét lỗ rất nhiều, kết cấu phức tạp. - Có rất nhiều mối lắp ghép với các chi tiết khác nên phải chịu ứng suất lắp ghép có độ dôi, lực xiết ban đầu với các nối ghép bu-lông, gujong . - Chịu nhiệt độ cao do khí cháy sinh ra đặc biệt là các bộ phận trực tiếp tạo thành buồng cháy như nắp xy-lanh, lót xy-lanh. - Nhiệt độ cao cũng sinh ra ứng suất nhiệt tại các vị trí lắp ghép và giữa mặt trên và dưới của nắp quy lát vì chênh lệch nhiệt độ lớn. - Chịu tải trọng động do lực khí thể sinh ra, có thể phải chịu thêm tải trọng cục bộ do các điều kiện làm việc khác nhau : Xe di chuyển trên mặt đường xấu, các máy xây dựng, xe chuyên dùng làm việc trong điều khị khắc nghiệt - Chịu mài mòn trong quá trình làm việc ở lót xy-lanh hoặc thân máy ( không dùng lót ). - Tại buồng cháy xảy ra phản ứng hóa học mạnh mẽ gây ăn mòn hóa học ở nắp xy-lanh, lót- xylanh. - Tham gia vào quá trình bôi trơn, làm mát của nhiều chi tiết khác trên động cơ thông qua các lỗ dầu, lỗ nước, áo nước, cánh tản nhiệt - Nắp xy-lanh gốp phần tạo thành buồng cháy nên ảnh hưởng trực tiếp đến công suất động cơ - Ngoài còn chịu ăn mòn điện hóa do lót xy-lanh và thân máy khác vật liệu, ăn mòn trong đường nước làm mát nhất là ở động cơ tàu thủy. 1.2. Yêu cầu 1.2.1. Yêu cầu làm việc - Vật liệu có cơ tính tốt chịu được tải trọng lớn, nhiệt độ cao, chịu mài mòn. - Vật liệu có hóa tính tốt : chịu ăn mòn. - Kết cấu bố trí hợp lí để lắp tốt các chi tiết khác, đồng thời đảm bảo cứng vững, tránh được ứng suất nhiệt. - Đảm bảo bôi trơn, làm mát tốt. - Đảm bảo hình thành buồng cháy phù hợp. - Đảm bảo bao kín, tránh rò rĩ khí, nước làm mát, dầu bôi trơn. 1.2.2. Yêu cầu chung - Đảm bảo chất lượng tuổi thọ, độ bền ổn định. - Độ tin cậy cao. - Dễ dàng tháo lắp, bảo trì, bảo dưỡng, phụ tùng thay thế và điều chỉnh các cơ cấu khác lắp trên thân máy và nắp xylanh. - Giá thành hợp lý. - Tính thẩm mỹ, mẫu mã đẹp. 3
3. 2.1. Phương án kết cấu thân máy 2.1.1 Thân máy kiểu thân xylanh – hộp trục khuỷu 1: Thân xylanh 2: Hộp trục khuỷu Hình 2.1: Thân máy hộp trục khuỷu. Ưu điểm Nhược điểm - Có độ cứng vững tương đối lớn. - Chế tạo rất khó, nhất là đối - Được gia cố bằng các bản, các với các loại động cơ có đường kính gân rất chắc. xylanh lớn. - Độ biến dạng của xylanh, ổ trục - Gặp khó khăn trong quá trình v.v đều rất nhỏ. sửa chữa. - Giảm bớt được mặt lắp ghép khiến cho gia công đơn giản. - Nhẹ và đỡ tốn kim loại. - Đảm bào được độ khít giữa thân xylanh và khoang làm mát. 5
4. 2.2. Phương án kiểu chịu lực thân máy 2.2.1 Thân xy lanh chịu lực Hình 2.3: Thân máy kiểu xy lanh chịu lực. Ưu điểm Nhược điểm - Thân máy có thể làm thân chung - Chế tạo và bao kín rất khó khăn. có nhiều xylanh tăng được độ cứng - Không thuận tiện cho việc sửa vững của động cơ, rút ngắn chiều dài chữa bằng làm riêng mỗi xylanh một và giảm trọng lượng thân máy. nắp. - Nắp xylanh làm chung có thể - Phải dùng gioăng đệm để tránh tăng độ cứng vững của động cơ. hiện tượng chảy nước và rò khí giữa - Thân máy có thể sử dụng ba thân máy và nắp xylanh. kiểu chịu lực: xylanh chịu lực, vỏ thân chịu lực, xylanh chịu lực. 7
5. 2.3. Phương án lót xylanh 2.3.1 Lót xylanh khô a) Lót xylanh đúc liền với khối xylanh b) Lót xylanh khô c) Lót xylanh ướt d) Đệm cao su kín nước Hình 2.6: Lót xy lanh khô. Ưu điểm Nhược điểm - Độ cứng vững lớn. - Lắp ghép phức tạp. - Có thể làm mỏng, tốn ít vật - Khả năng làm mát kém. liệu. - Nhiều bề mặt gia công chính - Không trực tiếp tiếp xúc với xác vì vậy khó khăn trong việc chế nước làm mát nên không sợ rò nước tạo và sửa chữa. và lọt khí. 9
6. 2.4. Phương án nắp xylanh 2.4.1 Nắp xylanh động cơ xăng 2.4.1.1 Buồng cháy bán cầu Hình 2.8: Buồng cháy bán cầu. Ưu điểm Nhược điểm - Giảm bề mặt tiếp xúc, diện tích - Tổn thất nhiệt trong quá trình bề mặt nhỏ gọn. cháy. - Nắp máy ở buồng đốt có kết - Làm ngắn đường đi của ngọn cấu đơn giản, nhỏ gọn. lửa. - Cường độ xoáy lốc thích hợp. - Nếu đỉnh piston làm lồi để - Giúp cho sự cháy diễn ra dễ tăng tỷ số nén và tạo xoáy lốc thì dàng hơn. trong buồng đốt sẽ cháy dữ dội khó - Xupap nạp và thải bố trí ở 2 làm mát đỉnh piston. phía khác nhau, trục cam được bố trí ở giữa điều khiển hai xupap thuận lợi cho việc nạp hỗn hợp khí và thải khí cháy ra ngoài. 11
7. 2.4.1.4 Buồng cháy Ricácđô Hình 2.11: Buồng cháy Ricacđô. Ưu điểm Nhược điểm - Kết cấu đơn giản dễ chế tạo. - Thân máy sẽ trở nên phức tạp, - Giảm được chiều cao của động vì phải bố trí cơ cấu phối khí cơ. và thường thải, nạp trên thân - Cơ cấu phân phối khí đơn giản máy. và dễ dẫn động. - Làm mát tại vùng xupap khó khăn hơn. 2.4.2 Nắp xylanh động cơ diesel 2.4.2.1 Buồng cháy trực tiếp Hình 2.12: Buồng cháy trực tiếp. 13
8. 2.4.2.3 Buồng cháy dự bị Hình 2.14: Buồng cháy dự bị. Ưu điểm Nhược điểm - Hoaṭ đôṇ g êm vì ở buồng đốt - Nhiêṭ đô ̣khí xả cao. chính áp suất thấp và không tăng đôṭ - Khó khởi động. ngôṭ . - Có kết cấu phức tạp do phải bố trí thêm buồng đốt phụ. 2.5. Phương án gioăng bao kín 2.5.1 Gioăng bằng đồng hoặc bằng nhôm Hình 2.15: Gioăng bằng nhôm.  Ưu điểm : - Dễ chế tạo. - Độ bền cao.  Nhược điểm : - Yêu cầu nắp xylanh và thân máy có độ cứng vững cao. - Gia công mặt lắp ghép nhẵn. 2.5.2 Gioăng bằng thép 15
9. - Nắp máy có buồng cháy bán cầu (cơ cấu xupap treo). - Gioăng bằng vật liệu mềm. 3. THIẾT KẾ BỐ TRÍ CHUNG 3.1. Bản vẽ bố trí chung 3.1.1 Hình dạng tổng thể của hệ thống Hình 3.1: Kích thước tổng thể 3.1.2 Các kích thước bên trong cơ bản Hình 3.2: Mặt cắt nắp máy. 17
10. - Kiểm tra khoảng cách lx, đường kính xylanh D phù hợp để dễ dàng bố trí các xupap trên nắp xylanh. - Dựa vào công suất động cơ và các thông số đường kính cổ khuỷu đã tính ở hệ thống phát lực mà ta xác đinh được đường kính ổ trục. - Dựa vào thiết kế mặt cắt ngang để ta xác định hình dạng của hộp trục khuỷu và thân xylanh, đảm bảo khi thanh chuyền hoạt động không va chạm với thân máy. 3.2.2. Nắp máy: - Tùy thuộc vào hệ thống phân phối khí, công suất động cơ mà ta tính toán các đường kính bệ xupap nạp- thải phù hợp. - Do chúng ta chọn loại nắp máy bán cầu có cơ cấu xupap treo (hình 20) nên chiều cao của nắp máy sẽ cao hơn, cần tính toán phù hợp để khối lượng cũng như kích thước tổng thể của động cơ đảm bảo nhỏ gọn. 4. THIẾT KẾ KĨ THUẬT Các trường hợp cần tính toán Tính bền lót xylanh Tính toán Tính toán Tính toán nắp bulông lắp gujông chịu lực máy ghép 4.1. Tính sức bền của lót xylanh 4.1.1 Xác định chiều dày của xylanh và lót xylanh  Giả thiết đăṭ ra : - Khi làm viêc̣ lót xylanh không đươc̣ xoay nhưng có thể giañ nở tư ̣ do theo chiều doc̣ truc̣ . - Đường tâm lót xylanh thẳng góc với đường tâm truc̣ khuỷu. - Khi siết bulông hoăc̣ gujông, lót xylanh không bi ̣biến daṇ g. - Xylanh và các chi tiết liên kết với nó có tiñ h đối xứ ng truc̣ . - Đồng nhất về vâṭ liêụ . 19
11. 2 []= k 6080(MN/m) Nếu thân máy đúc liền với nhiều xylanh ứng suất cho phép thấp hơn: 2 []= k 4060(MN/m) Với xylanh hoặc lót xylanh bằng thép: 2 []= k 200(MN/m) Đối với lót xylanh ướt sử dụng công thức Lame: Coi áp suất pz phân bố đồng đều, ứng suất kéo tác dụng trên phương tiếp tuyến ở mặt trong có trị số lớn nhất. DD22  1 2 kxmaxz 22pMNm,(/) DD1 Ứng suất kéo hướng tiếp tuyến ở mặt ngoài: 2D2  2 kxminz 22pMNm,(/) DD1 Ứng suất kéo hướng kính ở mặt trong: 2  kymaxz pMNm,(/) Ứng suất kéo hướng kính mặt ngoài: 2  kymax 0,(/)MNm - Muc̣ đích của viêc̣ xác điṇ h chiều dày xylanh, lót xylanh để đảm bảo bề dày của lót xylanh, xylanh chiụ đươc̣ áp suất khí thể, nhằm tăng tuổi tho ̣cho đôṇ g cơ, tăng đô ̣bền của lót xylanh,xylanh. - Ngoài ra xác điṇ h chiều dày xylanh, lót xylanh còn liên quan đến quá trình trao đổi nhiêṭ giữa các vách xylanh với nhau. Hình 4.2: Sơ đồ tính sức bền lót xy lanh.  Nếu xét đến traṇ g thái nhiêṭ - Ngoài tải cơ do áp suất khí cháy gây ra, mặt trong xylanh tiếp xúc với khí cháy nên nó còn phải chịu tải nhiệt, các tải này không ổn định mà biến thiên theo chu trình hoạt động của động cơ. 21
12. Dời lực Pg về trọng tâm của tiết diện I-I rồi phân thành hai lực PH và PT, khi dời lực Pg sẽ sinh ra momen uốn vai lót xylanh có giá trị Pgl - Ứng suất kéo do lực PH gây ra PH 2  k MN/m Dhm - Ứng suất cắt do lực Pg gây ra PT 2  c MN/m Dhm - Ứng suất uốn do dời lưc̣ Pg gây ra PlPlgg 2  u 2 MN/m Wu Dhm 6 Trong đó : Dm – đường kính tính toán của tiết diêṇ I-I h – chiều rôṇ g của tiết diêṇ I-I  ()4 22 MN/m2  kuc Đối với lót xylanh bằng gang hơp̣ kim ứ ng suất tổng cho phép nằm trong phaṃ vi  4 0 8 0 MN/m2  Ứng suất trên tiết diện II-II - Ứng suất cắt do lực Pg gây ra Pg 2  c , MN/m DaII Trong đó : DII – đường kính của vành măṭ tru ̣II-II a – chiều cao của vành măṭ tru ̣II-II 2 Ứ ng suất cắt cho phép  c  40 MN/m - Ứng suất nén do lực Pg gây ra Pg 2  n , MN/m Dbf Trong đó : b – chiều rôṇ g của rañ h bao kín Gioăng nắp xylanh là loaị gioăng mềm, ứ ng suất cho phép 2  n  15 20 , MN/m - Ứng suất nén trên mặt tựa phía dưới vai lót xylanh 4Pg 2  n 22,/MN m ()DD23 Ứ ng suất cho phép đối với lót xylanh bằng hơp̣ kim nằm trong phaṃ vi 2  n  80 100 , MN/m - Ứng suất uốn do lực ngang N gây ra 23
13. - Các bu lông chịu lực kéo nén đúng tâm. - Bỏ qua ma sát trên bề mặt ren. - Các bulông lắp ghép này chịu lực khí thể - Phương chiều ứ ng suất kéo: theo phương doc̣ truc̣ bulông. - Điểm đăṭ lưc̣ : taị tâm măṭ cắt ngang của bulông. - Xét taị vi ̣trí tiết diêṇ bé nhất của phần ren trên bulông . - Tính toán trong trường hơp̣ chiụ áp suất khí thể lớn nhất là pz. Ứng suất kéo bulông (hoặc gujông) được xác định theo công thức sau: kp()z F G 2  k ()MN / m if Trong đó: k – hệ số siết chặt bu lông; G – trọng lượng thân máy và nắp xy lanh (MN); i – số bu lông ; F – diện tích đỉnh piston (m2); f – diện tích tiết diện bé nhất của phần ren trên bu lông (hoặc gujông) (m); - Ứng suất cho phép :  Đối với bu lông (hoặc gujông) bằng thép cacbon [] = 60 MN/m(600kG/22 cm) k  Đối với bu lông (hoặc gujông) bằng thép hợp kim [] = 80 MN/m (800kG/22 cm ) k 4.3. Tính sức bền của gujông chịu lực. Giả thiết: - Lực khí thể tác dụng lên các gujông xung quanh xylanh. - Lực siết khiến thân máy và nắp xylanh chịu nén và biến dạng chỉ có phần gujông. Xác định độ mềm các chi tiết máy lắp ghép: 1. Đối với gujông tiết diện không đổi. 2. Độ bền nắp xylanh. 3. Độ mền gioăng nắp xylanh. 4. Độ mềm thân máy. Độ giãn dài của gujông chịu lực khi chịu lực siết ban đâu Pbđ:  KP obñ 0 Độ ép lại của các chi tiết bị nén lại:  ()KKK P 123123 bñ Khi làm việc lực khí thể Px tác dụng lên nắp xylanh làm nắp xylanh bị nén lại và gujông bị giãn ra. Lực khí thể phân bố lên mỗi gujông có giá trị: pF P ' xb x i b Với ib là số gujông. 25
14. - Để xuất hiện momnet uốn tại mặt x-x ta chỉ xét trên nửa hình vuông . Khi đó, lực khí thể tập trung tại trọng tâm nửa diện tích nắp tròn có độ lớn Pz/2 và lực siết gujong - bulong tập trung trên trọng tâm nửa hình vuông - Để dễ khảo sát phần tính toán nhiệt ta giả thiết cho nhiệt độ phân bố tuyến tính tăng dần từ đầu nắp đến mặt tiếp xúc thân máy. Hình 4.5: Một phần nắp khối ô van.  Các trường hợp cần tính toán: Khi động cơ không làm việc (Pz=0): chỉ có lực Pbđ, phản lực Pf tác dụng lên nắp xylanh. Ta có thể thấy phương và chiều của các các lực tác dụng lên nắp xylanh ở (hình 26). Từ hình chiếu cạnh của nắp xylanh ta thấy mặc dù độ lớn của L hai lực Pbđ, Pf là bằng nhau (Pbđ = Pf), nhưng do khoảng cách đặt lực ,y khác 2 nhau nên sinh ra moment gây uốn Mu. Do đó tạo ra ứng suất kéo ở mặt nguội ( mặt phía trên) và ứng suất nén ở mặt nóng (mặt phía dưới) qua mặt phân cách trọng tâm i. Do kết cấu nắp xylanh không phân bố đồng đều theo chiều cao nên mặt phẳng trọng tâm i thường thấp hơn mặt phẳng trung tâm một ít. Hình 4.6: Sơ đồ tính toán nắp xy lanh. PLPbd PDDf f bd L f Mu , MNm 4 2 2 2 Khi động cơ làm việc(Pz 0): lúc này ngoài lực siết Pbđ, phản lực còn có thêm lực khí thể Pz tác dụng lên xylanh. 27
15. Hình 4.8: Sơ đồ phân bố ứng suất. 5. THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ 5.1. Quy trình công nghệ chế tạo, lắp ráp. - Phân tích các đặc điểm về yêu cầu kĩ thuật các bề mặt gia công : + Mặt ngoài lót xy lanh : chịu ăn mòn điện hóa nên cần phủ một lớp bakelit mạ cadimi, mạ thiếc, mạ crôm, hoặc dùng các tấm kẽm bảo vệ cực dương. + Chú ý mặt tiếp xúc giữa lót xy lanh và nắp : cần phải vát mép, bo tròn để tránh ứng suất tập trung, cháy. - Trình tự nguyên công. - Phương pháp gia công. - Phương pháp chế tạo : Phương pháp đúc(đối với động cơ nhỏ và trung bình), phương pháp hàn(đối với động cơ cỡ lớn) . - Sử dụng gân gia cường để tăng độ cứng vững. - Chọn máy, chọn dao, trang bị công nghệ cho các nguyên công. - Nhân công có trình độ cao. 5.2. Quy trình kiểm tra chất lượng sản phẩm. - Độ bền, độ giản nở, độ mài mòn, thông số nhiệt độ, các tiêu chuẩn kích thước 5.3. Các máy móc, dụng cụ, trang thiết bị cần thiết. 5.4. Vật liệu sử dụng. - Vâṭ chế taọ thân máy: gang xám CH15-32, CH24-44, CH28-48. - Vâṭ liêụ chế taọ nắp xylanh :vâṭ liêụ thường dùng: gang xám hoăc̣ gang hơp̣ kim có đô ̣bền cao. 5.5. Các chi tiết không cần chế tạo: - Mua gioăng bao kín. → Thiết kế công nghệ là bước phản hổi trược tiếp quá trình thiết kế kỹ thuật. 6. THIẾT KẾ KINH TẾ - Chi phí mua nguyên vật liệu. - Chi phí thuê nhà xưởng, mặt bằng . 29
16. TÀI LIỆU THAM KHẢO. 1. Hồ Tấn Chuẩn, Nguyễn Đức Phú, Trần Văn Tế, Nguyễn Tất Tiến, kết cấu và tính toán động cơ đốt trong (tập 2), Nhà xuất bản giáo dục, 1996 31