Báo cáo môn Thiết kế động cơ đốt trong - Đề tài: Thiết kế hệ thống phân phối khí

Nội dung text: Báo cáo môn Thiết kế động cơ đốt trong - Đề tài: Thiết kế hệ thống phân phối khí

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG BỘ MÔN Ô TÔ – MÁY ĐỘNG LỰC - - -    - - - BÁO CÁO MÔN HỌC THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ĐỀ TÀI THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN PHỐI KHÍ Nhóm Sinh Viên Thực Hiện: MSSV Nguyễn Văn Vũ 1414759 Dương Văn Tuân 1414365 Trần Quốc Trường 1414355 Hồ Văn Phúc 1412935 Nguyễn Ngọc Trực 1414364 Giảng Viên Hướng Dẫn: Hồng Đức Thông TP. HCM, Tháng 11, năm 2016
2. LỜI NÓI ĐẦU Cùng với sự phát triển của các ngành công nghiệp hiện đại, ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô trên thế giới cũng đang trên đà phát mạnh. Kèm với đó là sự nghiên cứu và cải tiến không ngừng các hệ thống và công nghệ hiện đại trên một chiếc Ô tô. Trong đó hệ thống phân phối khí trên Ô tô là một hệ thống rất quan trọng quyết định tính hiệu quả của động cơ. Qua các thời kỳ lịch sử hệ thống phân phối khí đã được phát triển thành nhiều loại khác nhau và cải tiến rất nhiều để đạt được tính tối ưu với từng loại động cơ. Và để có một động cơ thực sự đạt hiệu quả cao công tác thiết kế hệ thống phân phối khí là rất quan trọng. Qua đây nhóm xin trình bày về Thiết kế Hệ thống Phân phối khí trên một động cơ. Trong phần trình bày không thể tránh khỏi những sai sót mong được thầy và các bạn góp ý để giúp bài báo cáo được trọn vẹn. Xin chân thành cảm ơn thầy và các bạn ! 2
3. lưu thông lớn, dễ làm mát cơ cấu phân phối khí, ít tiếng ồn nhưng do kết cấu quá phức tạp và giá thành chế tạo đắt nên rất ít khi dùng. Dưới đây ta chỉ xét đến các vấn đề liên quan đến cơ cấu phân phối khí dùng xupap. Hình 1: Sơ đồ tổng thể các phương án cho cơ cấu phân phối khí dùng xupap 1. Phương án thiết kế cho xupap a) Vấn đề bố trí xupap Hình 2: Bố trí cơ đấu phân phối khí Hình 3: Bố trí cơ cấu phân phối khí kiểu xupap đặt kiểu xupap treo 4
4. Ưu điểm: Nấm xupap lõm có bán kính góc lượn giữa phần thân và nấm xupap rất lớn nên cải thiện được tình trạng lưu thông của dòng khí nạp vào xylanh đồng thời tăng độ cứng vững cho phần nấm xupap. Mặt dưới nấm được khoét lõm sâu giúp giảm trọng lượng của xupap. Nhược điểm: Nhược điểm của xupap lõm là khó chế tạo và mặt chịu nhiệt của xupap lớn, xupap dễ bị quá nóng. Nấm Lồi (hình 4-c) Ưu điểm: Mặt nấm xupap lồi lên, hạn chế khu vực tạo thành xoáy khí thải khí, cải thiện được tình trạng lưu thông của dòng khí thải. Phía trên phần nấm đực khoét lõm giúp giảm trọng lượng nấm. Nhược điểm: Nấm lồi có nhược điểm khó chế tạo và bề mặt chịu nhiệt lớn. => Chọn sử dụng nấm xupap bằng a) nấm bằng b) nấm lõm c) nấm lồi Hình 4: Các dạng nấm xupap 2. Phương án thiết kế cho trục cam a. Phương án dẫn động trục cam Sử dụng bánh răng (hình 5-a) Ưu điểm: Dẫn động trục cam bằng bánh răng có ưu điểm là kết cấu hệ thống dẫn động đơn giản. Do cặp bánh răng phân phối khí thường dùng bánh răng nghiêng nên ăn khớp êm và bền. Nhược điểm: Nhược điểm của kiểu dẫn động này là khi khoảng cách giữa trục cam với trục khuỷu lớn thì phải dùng thêm nhiều bánh răng làm cho thân máy thêm phức tạp vì cần có nhiều trục để lắp bánh răng trung gian, cơ cấu dẫn động trở nên cồng kềnh và khi làm việc thường có tiếng ồn. Ngoài ra khi lắp ghép cũng cần đảm bảo khe hở giữa các răng để bánh răng không bị kẹt khi thân máy giãn nở do nhiệt. Dẫn động bằng xích (hình 5-b) Ưu điểm: Dẫn động trục căm bằng xích có ưu điểm là gọn nhẹ, có thể dẫn động trục cam ở khoảng cách lớn. Nhược điểm: Nhược điểm của kiểu dẫn động này là đắt tiền vì giá thành chế tạo của xích đắt hơn trục cam rất nhiều. Khi phụ tải và tốc độ thay đổi đột ngột, xích dễ bị rung 6
5. Ưu điểm: Cơ cấu phân phối khí loại DOHC có ưu điểm là mỗi xylanh có thể bố trí được 4 xupap hoặc nhiều hơn tương đối dễ giúp tăng tiết diện lưu thông. Động cơ DOHC còn tạo nên sự đóng mở xupap cùng tên lệch pha, tạo dòng xoáy khí nạp, cải thiện chất lượng cháy của động cơ. Bugi được bố trí giữa đỉnh buồng đốt giúp cho hiệu quả đốt cháy nhiên liệu tốt hơn. Động cơ DOHC còn dễ dàng ứng dụng công nghệ điều khiển van biến thiên giúp tối ưu hóa chế độ vận hành. Nhược điểm: Cơ cấu này có cấu tạo động cơ phức tạp với nhiều chi tiết và yêu cầu công nghệ cao. Khi gặp hư hỏng, sửa chữa đòi hỏi sự tỉ mỉ và người thợ có tay nghề cao. Đồng thời chi phí sửa chữa và thay thế cao. => Chọn phương án SOHC 3. Phương án thiết kế cho con đội Con đội hình trụ hoặc hình nấm Ưu điểm: Con đội hình nấm (hình 6-a) thường được làm rỗng, thân con đội to, mặt tiếp xúc với lỗ dẫn hướng lớn nên ít hao mòn. Con đội hình trụ (hình 6-b) có kết cấu rất đơn giản, nhẹ và dễ chế tạo. Nhược điểm: Nhược điểm là khi sử dụng con đội loại này, dạng cam phối khí phải là cam lồi. a) Con đội hình nấm b) Con đội hình trụ Hình 6: Con đội hình nấm hoặc hình trụ Con đội con lăn Ưu điểm: Con đội con lăn có ưu điểm do mặt tiếp xúc với mặt cam bằng con lăn nên ma sát nhỏ, phản ánh chính xác được quy luật nâng hạ của cam tiếp tuyến và cam lõm. Con đội con lăn có thể dùng cho tất cả các dạng cam. Nhược điểm: Nhược điểm của con đội con lăn là kết cấu phức tạp. Con đội thủy lực 8
6. III. THIẾT KẾ BỐ TRÍ CHUNG HỆ THỐNG PHỐI KHÍ. 1. Bản vẽ bố trí chung. Hình 7: Bản vẽ bố trí chung mặt cắt dọc hệ thống phân phối khí Hình 8: Bản vẽ bố trí chung mặt cắt ngang hệ thống phối khí 10
7. - vk 40  115 ms / (động cơ ôtô và máy kéo) - vk 30  80 ms / (động cơ tàu thủy và tĩnh tại) - vk 100  125 ms / (động cơ máy bay) Tốc độ càng cao, tổn thất càng lớn, tuy nhiên đối với động cơ xăng do yêu cầu việc hình thành hỗn hợp, tốc độ khí nạp phải lớn hơn 40 m/s, nếu bé hơn quá trình bốc hơi của xăng và hoà trộn hơi xăng với không khí sẽ xấu. 2 vp D Rút ra đường kính họng: dh vk i h' Tiết diện lưu thông qua xupap được xác định: f d d k2 h 1 ' ' Mà: dd1 h 2 e; e h sin ; h hcos 2 Nên : fk d d h cos h sin cos . Ta thấy rằng góc của mặt nấm xupap càng nhỏ, tiết diện lưu thông càng lớn. Khi - 0: fk dh h o - 30 :fk h (0.866 d h 0.375 h ) o - 45:fk h 0.707 d h 0.353 h Khoảng nâng trục cam: Khoảng nâng cam (chiều cao vấu cam) củng chính là hành trình xú-pap h. Rõ ràng fk phụ thuộc vào và h. Hành trình h càng lơn, fk càng lớn. Tuy nhiên, fk d không thể lớn hơn tiết diện họng đế xupap: h h max 4 Trong động cơ ngày nay, hành trình xupap thường nằm trong phạm vi: h (0.18  0.3) dh Tiết diện lưu thông qua xupap nên khống chế sao cho: vk 70  90 ms / b. Xác định trị số thời gian tiết diện. V Ft( t ) v' h v p 2 1 Tốc độ trung bình tính toán của dòng khí nạp: kt2 p t 2 ifdt ifdt k k t1 t 1 Trong đó: t2 f dt - k : là trị số thời gian tiết diện t1 - t1, t2: là thời gian bắt đầu và kết thúc qua trình nạp (hoặc thải). 12
8. 1. Động học con đội. a. Dựng hình cam lồi Các bước dựng hình cam lồi: 1. Sau khi lực chọn pha phân phối khí, căn cứ điều kiện bố trí chung vẽ vòng chuẩn . 2. Vẽ tọa độ vuông góc qua tâm O, vẽ bán kính OA và OB làm thành với tung độ một góc bằng . 3. Từ điểm vòng tròn cắt tung độ tại điểm E, xác định EC=h. 4. Chọn đỉnh cam r rồi vẽ vòng đỉnh cam( tâm ) qua điểm C. 5. Trên phương kéo dài của bán kính AO và A’vẽ cung tiếp tuyến ngoài với 2 đường tròn và r tại A và A’ (cung có bán kính ). Xác định bán kính cung tiếp tuyến ngoài . Khi đã xác định được , h, và r , bán kính cung tiếp tuyến ngoài có thể xác định được từ quan hệ tam giác vuông: () =() +() Hình 12: Dựng hình cam lồi 14
9. Lấy đạo hàm 2 vế của phương trình (1) đối với thời gian ta có tốc độ của con đội hình nấm: ( − ) (2) Gia tốc của con đội hình nấm Lấy đạo hàm 2 vế của phương trình (2) đối với thời gian ta có gia tốc của con đội hình nấm: = ( − ) Khi = 0 , ố đạ á ị ự đạ = ( − ) Trong đó - : bán kính cung tiếp tuyến ngoài - R: bán kính của nấm con đội - h0: chuyển vị của con đội hình nấm - : gia tốc của con đội hình nấm - v: vận tốc của con đội hình nấm - : góc xoay của con đội hình nấm Hình 14: Động học con đội hình trụ (hoặc hình nấm) trong giai đoạn 1 b.2 Động học của con đội hình nấm trong giai đoạn II Chuyển vị của con đội hình nấm Khi chuyển vị của con đội có thể tính theo quan hệ sau: ℎ = + − (3) Tốc độ của con đội hình nấm Lấy đạo hàm 2 vế của phương trình (3) đối với thời gian ta có tốc độ của con đội hình nấm. − (4) Trong đó là tốc độ góc của trục cam Gia tốc của con đội hình nấm 16
10. Tình trạng chịu lực: Chịu uốn và chịu xoắn tại các vấu cam. Khi bỏ qua ma sát và trọng lực (do các lực này rất nhỏ so với các thành phần khác). Lực tác dụng lên trục cam được tính: = + + Trong đó: - Pot : Lực nén ban đầu của lò xo xupap (khi xupap đóng kín) - Pjt :Lực quán tính của cơ cấu phối khí khi bắt đầu mở xupap quy dẫn về đường tâm con đội. - Pkt Lực khí thể tác dụng lên mặt nấm xupap thải quy về đường tâm con đội. Momen uốn trục cam bằng: Mumax = PTmax . MNm 2 Ứng suất uốn trục cam: = = MN/m [( )] Trong đó: - l là khoảng cách 2 tâm gối tựa - l1 và l2 là khoảng cách từ 2 gối tựa đến cam chịu lực PTmax - d và d0 là đường kính ngoài và đường kính trong của trục cam b. Ứng suất xoắn Momen xoắn đạt giá trị cực đại khi trục cam quay đến vị trí như hình 14-b, do lúc này lực PT ở xa tâm trục cam nhất. Khi dùng cam lồi và con đội hình trụ (hoặc hình nấm, mômen xoắn trục cam được tính theo công thức: Mx = PT.A Trong đó: A là cánh tay đòn lớn nhất của lực PT Khi tính momen xoắn trục cam, ngoài momen Mx ra còn phải tính đến các momen khác như momen tác dụng lên các cam đang cùng làm việc, momen dẫn động các cơ cấu khác (như dẫn động bơm nhiên liệu, bộ chia điện v.v ) Do đó, ứng suất xoắn trục cam được tính theo công thức: 2 = = MN/m [( )] MΣ gồm tổng các momen tác dụng lên các cam trong cùng 1 thời gian. Tính ứng suất tổng theo công thức Xanh-Vênăng: 2 = [0,35 + 0,65.1+( ) ] MN/m So sánh ứng suất tổng với giá trị ứng suất cho phép. 2 [] = 50 ÷ 150 /MN/m c. Độ võng cho phép Độ võng cho phép của trục cam khi chịu uốn xác định theo công thức sau: f = ( ) Trong đó: E – môđun đàn hồi của vật liệu chế tạo trục cam. 18
11. 4. Tính toán sức bền của xupap Tính toán sức bền của mặt nấm xupap cũng có thể sử dụng công thức Back Giả thiết: Coi mặt nấm xupap như một đĩa tròn đặt tự do trên đế tựa hình trụ. Hình 18: Sơ đồ tính sức bền mặt nấm xupap Ứng suất uốn mặt nấm xupap được xác định theo công thức sau: = MN/m2 Trong đó: 2 - áp suất khí thể lớn nhất (MN/m ) - d đường kính trung bình của nấm xupap (m) - δ chiều dày trung bình của mặt nấm (m) So sánh với ứng suất cho phép 2 - Đối với thép cacbon: [] = 80 MN/m 2 - Đối với thép hợp kim: [] = 120 MN/m 5. Tính toán lò xo xupap Hình 19: Sơ đồ tính toán sức bền lò xo 20
12. VI. THIẾT KẾ KINH TẾ. Đưa ra tất cả hạng mục chi phí cho quá trình hình thành sản phẩm: - Chi phí dự án. - Chi phí thiết kế. - Chi phí sản xuất: chi phí nhà xưởng, điện, nước, mua mới máy móc, khấu hao máy móc, nhân công lao động, nguyên vật liệu sản xuất - Chi phí phân phối, tiếp thị quảng cáo. - Chi phí cho bộ máy quản lý, điều hành. 22