Đồ án nghiên cứu và thi công mô hình cơ cấu trục khuỷu thanh truyền trên động cơ Toyota Vios 4A

Đồ án nghiên cứu môn học đồ án động cơ đốt trong nghiên cứu và thi công mô hình cơ cấu trục khuỷu thanh truyền trên, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh

• Tác giả: Nguyễn Nhựt Tú
• Người hướng dẫn: ThS. Lê Quang Trung
• Trường học: Viện Kỹ Thuật HUTECH
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Ô Tô
• Đề tài: Nghiên cứu và thi công mô hình cơ cấu trục khuỷu thanh truyền trên động cơ Toyota Vios 4A
• Loại tài liệu: đồ án
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Tp.HCM

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
• 1.1. Đặt vấn đề và khái quát về động cơ đốt trong
• 1.2. Mục tiêu Đề tài
• 1.3. Nội dung đề tài
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Kết cấu đồ án
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRỤC KHUỶU THANH TRUYỀN TRÊN XE TOYOTA
• 2.1. Cấu tạo Piston
• 2.2. Nhiệm vụ của piston
• 2.3. Nguyên lí hoạt động của piston
• 2.4. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động Thanh truyền
• 2.5. Nhiệm vụ thanh truyền
• 2.6. Nguyên lý hoạt động Thanh truyền
• 2.7. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động Trục khuỷu
• 2.8. Nhiệm vụ trục khuỷu
• 2.9. Nguyên lý hoạt động Trục khuỷu
• 2.10. Đặc điểm động cơ 4A của TOYOTA VIOS
• 3. CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM SOLIDWORKS
• 3.1. Giới thiệu phần mềm SOLIDWORKS
• 3.2. Biểu tượng solidworks
• 3.3. Tổng quan phần mềm solidworks
• 3.4. Solidworks ứng dụng vào ngành cơ khí
• 3.5. Ghi kích thước trên Solidworks
• 3.6. Giao diện màn hình chính trong Solidworks
• 3.7. Chi tiết mô hình 3D
• 3.8. Lắp ghép
• 3.9. Xuất bản vẽ
• 3.10. Tính năng Tab và Slot
• 3.11. Tích hợp đầy đủ các tính năng nổi bật của CAD, CAM, CAE
• 3.12. Tính năng gia công
• 3.13. Phân tích động lực học
• 3.14. Nhóm phần mềm mô phỏng
• 4. CHƯƠNG 4: QUY TRÌNH THÁO, ĐO KIỂM TRA, LẮP BỘ PHẬN TRỤC KHUỶU THANH TRUYỀN
• 4.1. Quy trình và yêu cầu kỹ thuật tháo, lắp bộ phận cố định và cơ cấu trục khuỷu thanh truyền
• 4.2. Quy trình và yêu cầu kỹ thuật tháo, lắp mặt máy
• 4.3. Quy trình và yêu cầu kỹ thuật tháo, lắp xy lanh
• 4.4. Nhóm thanh truyền
• 4.4.1. Chọn lắp cụm biên piston
• 4.4.2. Quy trình và yêu cầu tháo, lắp cụm biên piston
• 4.4.3. Quy trình và yêu cầu kỹ thuật tháo, lắp chốt piston
• 4.4.4. Quy trình và yêu cầu kỹ thuật tháo, lắp vòng găng
• 4.5. Nhóm trục khuỷu
• 4.5.1. Quy trình và yêu cầu kỹ thuật tháo, lắp trục khuỷu
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH ẢNH

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án động cơ đốt trong và mô hình cơ cấu trục khuỷu

Đồ án môn học về động cơ đốt trong là một phần quan trọng trong chương trình đào tạo ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô. Đề tài "Nghiên cứu và thi công mô hình cơ cấu trục khuỷu thanh truyền trên động cơ Toyota Vios 4A" không chỉ giúp sinh viên hiểu rõ về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ mà còn rèn luyện kỹ năng thực hành và tư duy kỹ thuật. Mô hình cơ cấu trục khuỷu thanh truyền là một trong những bộ phận chính, có vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi năng lượng từ quá trình đốt cháy nhiên liệu thành công cơ học.

1.1. Động cơ đốt trong và vai trò của nó trong ô tô

Động cơ đốt trong là nguồn năng lượng chính cho hầu hết các loại xe ô tô hiện đại. Nó hoạt động dựa trên nguyên lý đốt cháy nhiên liệu để tạo ra năng lượng. Động cơ Toyota Vios 4A là một ví dụ điển hình, với hiệu suất cao và độ bền tốt.

1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cơ cấu trục khuỷu

Cơ cấu trục khuỷu bao gồm các bộ phận như piston, thanh truyền và trục khuỷu. Nguyên lý hoạt động của nó là biến đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay, từ đó cung cấp năng lượng cho các bộ phận khác của xe.

II. Thách thức trong nghiên cứu và thi công mô hình động cơ Toyota Vios 4A

Trong quá trình thực hiện đồ án, nhiều thách thức đã xuất hiện, từ việc tìm hiểu tài liệu đến việc thi công mô hình. Việc nắm vững kiến thức lý thuyết và thực hành là rất cần thiết để vượt qua những khó khăn này. Đặc biệt, việc lựa chọn vật liệu và công nghệ chế tạo cũng là một yếu tố quan trọng.

2.1. Khó khăn trong việc thu thập tài liệu nghiên cứu

Việc tìm kiếm tài liệu chính xác và đầy đủ về động cơ Toyota Vios 4A là một thách thức lớn. Nhiều thông tin có thể không được cập nhật hoặc không chính xác, ảnh hưởng đến quá trình nghiên cứu.

2.2. Thách thức trong thi công mô hình cơ cấu trục khuỷu

Thi công mô hình cơ cấu trục khuỷu đòi hỏi sự chính xác cao trong từng chi tiết. Việc lắp ráp các bộ phận như piston, thanh truyền và trục khuỷu cần phải tuân thủ đúng quy trình kỹ thuật để đảm bảo hiệu suất hoạt động.

III. Phương pháp nghiên cứu và thiết kế mô hình động cơ

Để thực hiện đồ án, nhóm sinh viên đã áp dụng nhiều phương pháp nghiên cứu khác nhau. Việc kết hợp lý thuyết và thực hành giúp nâng cao hiệu quả học tập và hiểu biết về động cơ đốt trong. Phương pháp thiết kế mô hình cũng được thực hiện thông qua phần mềm CAD.

3.1. Phương pháp thu thập thông tin và tài liệu

Nhóm đã tham khảo nhiều nguồn tài liệu từ sách, báo và internet để có cái nhìn tổng quan về động cơ Toyota Vios 4A. Việc này giúp đảm bảo tính chính xác và đầy đủ của thông tin.

3.2. Thiết kế mô hình bằng phần mềm CAD

Phần mềm CAD được sử dụng để thiết kế mô hình 3D của cơ cấu trục khuỷu. Việc này không chỉ giúp hình dung rõ hơn về cấu trúc mà còn hỗ trợ trong việc kiểm tra tính khả thi của thiết kế.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu mô hình động cơ

Kết quả nghiên cứu và thi công mô hình cơ cấu trục khuỷu thanh truyền trên động cơ Toyota Vios 4A đã mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn. Mô hình không chỉ giúp sinh viên hiểu rõ hơn về động cơ mà còn có thể áp dụng vào thực tế trong ngành công nghiệp ô tô.

4.1. Kết quả đạt được từ mô hình thi công

Mô hình cơ cấu trục khuỷu đã được hoàn thiện và hoạt động ổn định. Điều này chứng tỏ rằng các phương pháp nghiên cứu và thi công đã được thực hiện đúng cách.

4.2. Ứng dụng mô hình trong giảng dạy và nghiên cứu

Mô hình có thể được sử dụng làm tài liệu giảng dạy cho các khóa học về động cơ đốt trong, giúp sinh viên có cái nhìn thực tế hơn về các bộ phận của động cơ.

V. Kết luận và hướng phát triển trong nghiên cứu động cơ

Đồ án "Nghiên cứu và thi công mô hình cơ cấu trục khuỷu thanh truyền trên động cơ Toyota Vios 4A" đã đạt được nhiều kết quả tích cực. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều hướng phát triển trong nghiên cứu động cơ đốt trong cần được khai thác.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu đã chứng minh được tính khả thi của mô hình cơ cấu trục khuỷu. Các bộ phận hoạt động đồng bộ và hiệu quả, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật.

5.2. Hướng phát triển trong nghiên cứu động cơ

Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và cải tiến các bộ phận của động cơ để nâng cao hiệu suất và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Việc áp dụng công nghệ mới cũng là một yếu tố quan trọng.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong kỹ thuật ô tô hiện đại, động cơ đốt trong giữ vai trò là nguồn động lực chính, chuyển hóa hóa năng từ nhiên liệu thành nhiệt năng và công cơ học thông qua áp suất khí cháy trong buồng đốt. Lực khí thể sinh ra tác động trực tiếp lên đỉnh piston, truyền qua thanh truyền đến trục khuỷu để tạo mô-men xoắn làm quay bánh đà và truyền lực đến hệ thống truyền lực của xe. Cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền là bộ phận chuyển động cơ bản, chịu tải trọng cơ học và nhiệt độ cao liên tục trong quá trình làm việc của động cơ đốt trong.

Nhằm củng cố cơ sở lý thuyết chuyên ngành và rèn luyện kỹ năng thực hành kỹ thuật, đồ án môn học Động cơ đốt trong với đề tài "Nghiên cứu và thi công mô hình Cơ cấu trục khuỷu – Thanh truyền trên động cơ TOYOTA VIOS – 4A" được thực hiện tại Viện Kỹ thuật HUTECH, Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh dưới sự hướng dẫn của ThS. Lê Quang Trung.

Mục tiêu nghiên cứu được xác định gồm ba nội dung chính:

1. Nắm vững công dụng, đặc điểm kết cấu và nguyên lý hoạt động của hệ thống cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền trên dòng động cơ Toyota 4A.
2. Hoàn thành tập thuyết minh kỹ thuật và các bản vẽ chi tiết, bản vẽ lắp ráp của cơ cấu.
3. Chế tạo và hoàn thiện mô hình thực tế của cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền phục vụ công tác trực quan hóa chuyển động.

Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

1. Thu thập tài liệu, khảo sát cấu tạo, phân loại, vật liệu và nguyên lý làm việc của các chi tiết: piston, chốt piston, xéc măng, thanh truyền, trục khuỷu.
2. Thiết kế mô hình 3D và xuất bản vẽ kỹ thuật các chi tiết bằng phần mềm SOLIDWORKS.
3. Trình bày phương pháp, quy trình tháo lắp, đo kiểm tra và sửa chữa các cụm chi tiết của cơ cấu.
4. Lựa chọn linh kiện, tính toán kết cấu giá đỡ và thi công mô hình cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền động cơ Toyota-4A.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền trên động cơ xăng Toyota 4A (4A-FE) trang bị trên dòng xe Toyota Vios.
• Phạm vi không gian: Phòng thực hành và xưởng cơ khí ô tô thuộc Viện Kỹ thuật, Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh.
• Phạm vi thời gian: Từ ngày giao đề tài 17/09/2024 (chính thức ghi nhận 26/09/2024) đến ngày hoàn thiện báo cáo 07/12/2024.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình kỹ thuật

Đồ án xây dựng trên nền tảng nguyên lý nhiệt động lực học và cơ học máy của động cơ đốt trong 4 kỳ:

• Lịch sử phát triển động cơ đốt trong: Khái quát từ mốc năm 1860 (động cơ 2 kỳ 2 HP dùng khí thiên nhiên của kỹ sư Pháp gốc Bỉ), năm 1877 (động cơ 4 kỳ dùng khí than của Lăng Ghen và Nikolaus August Otto), năm 1885 (động cơ xăng 4 kỳ 8 HP, tốc độ 800 vòng/phút của Gottlieb Daimler), đến năm 1897 (động cơ diesel 4 kỳ 20 HP của Rudolf Diesel).
• Thông số kỹ thuật động cơ TOYOTA 4A (4A-FE): Động cơ xăng 4 xi-lanh thẳng hàng, dung tích công tác khoảng 1.6L, trang bị hệ thống phun xăng điện tử (EFI), tỷ số nén cao, công suất cực đại trong khoảng 100 – 110 mã lực.
• Lý thuyết vật liệu học chi tiết máy:
  • Piston: Phân tích ba nhóm vật liệu gồm gang (gang xám, gang dẻo, gang cầu với ưu điểm bền nhiệt nhưng khối lượng riêng lớn, lực quán tính cao), thép (sức bền cao nhưng hệ số dẫn nhiệt thấp, khó đúc) và hợp kim nhôm (khối lượng nhẹ, dẫn nhiệt cao, ma sát thấp, dễ gia công nhưng giãn nở nhiệt lớn; ở nhiệt độ cao từ 288 K lên 6233 K độ bền suy giảm 6% đến 10%).
  • Thanh truyền: Chế tạo bằng thép hợp kim hoặc hợp kim nhôm nhằm giảm khối lượng tịnh tiến và quán tính quay, nâng cao độ bền kéo - nén.
  • Trục khuỷu: Chế tạo từ thép hợp kim cacbon hoặc hợp kim thép chịu tải trọng uốn, xoắn và chống mài mòn cao; chia thành hai dạng kết cấu là trục khuỷu liền và trục khuỷu ghép.

Chi tiết máy	Chức năng chính	Vật liệu tiêu biểu	Yêu cầu kỹ thuật chủ yếu
Piston	Nhận áp suất khí cháy, truyền lực qua thanh truyền, cùng nắp máy và xi lanh tạo buồng đốt	Hợp kim nhôm (chủ yếu), gang xám, gang cầu	Chịu nhiệt độ cao, ma sát nhỏ, khối lượng riêng nhẹ để giảm quán tính
Xéc măng	Bao kín buồng đốt (xéc măng khí), gạt dầu và phân phối dầu bôi trơn (xéc măng dầu)	Gang hợp kim đặc biệt	Đàn hồi tốt, chịu nhiệt, chịu mòn cao
Thanh truyền	Kết nối piston với trục khuỷu, truyền lực và biến chuyển động tịnh tiến thành chuyển động quay	Thép hợp kim, hợp kim nhôm	Độ bền uốn dọc, độ cứng vững đầu to và đầu nhỏ
Trục khuỷu	Nhận lực từ thanh truyền tạo mô-men quay sinh công, dẫn động các hệ thống phụ trợ	Thép hợp kim cacbon	Chịu xoắn, uốn, chống mài mòn cổ trục và chốt khuỷu

Phương pháp nghiên cứu

Đồ án kết hợp các phương pháp kỹ thuật thực hành:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập thông tin từ giáo trình động cơ đốt trong, cẩm nang sửa chữa động cơ Toyota và tài liệu chuyên ngành cơ khí ô tô.
• Phương pháp đo đạc thực nghiệm: Trực tiếp đo kích thước hình học nguyên bản của các chi tiết trên cụm động cơ Toyota 4A thực tế bằng thước cặp và dụng cụ đo cơ khí.
• Phương pháp thiết kế mô hình hóa 3D CAD/CAM/CAE: Dựng hình tham số (parametric design) trên phần mềm SOLIDWORKS, quản lý lịch sử thiết kế qua FeatureManager Design Tree, gán ràng buộc hình học (Mates) để kiểm tra va chạm và mô phỏng động học.
• Phương pháp gia công, chế tạo và lắp ráp thực tế: Gia công khung đỡ kim loại, hoàn thiện liên kết cơ khí và tạo lập mô hình hoạt động trực quan.

---

Thiết kế và thi công mô hình kỹ thuật

Đồ án ứng dụng phần mềm SOLIDWORKS (Dassault Systèmes) để thực hiện thiết kế số hóa trước khi tiến hành thi công mô hình cơ khí.

Môi trường và công cụ thiết kế

• Cấu trúc giao diện làm việc: Menu bar (khu vực A - chứa toàn bộ lệnh), Command Manager (khu vực B - tập hợp icon công cụ), FeatureManager Design Tree (khu vực C - quản lý các tính năng tạo hình), Triad (khu vực D - trục tọa độ 3D), Graphic area (khu vực E - không gian mô hình 3D), Heads-up View (khu vực F - kiểm soát chế độ hiển thị), Status bar (khu vực H - thanh trạng thái).
• Hệ sinh thái kỹ thuật tích hợp: Tích hợp bộ công cụ CAD (thiết kế hình học 3D), CAE (phân tích tĩnh học, dao động, nhiệt học, động lực học qua SOLIDWORKS Simulation, Flow Simulation, Plastics), CAM (tạo mã G-code cho gia công CNC qua SOLIDWORKS CAM / CAMWorks), quản lý dữ liệu PDM (Enterprise PDM) và xuất tài liệu kỹ thuật qua SOLIDWORKS Composer, MBD.

Quy trình dựng hình các chi tiết cơ cấu

Quy trình thiết kế 3D các chi tiết chính được chuẩn hóa qua các bước thao tác:

1. Trục khuỷu:
   • Bước 1: Đo đạc kích thước thực tế của cổ trục, má khuỷu, chốt khuỷu trên động cơ Toyota 4A mẫu.
   • Bước 2: Truy cập môi trường Sketch 2D, sử dụng hệ lệnh Line, Circle để phác thảo biên dạng mặt cắt.
   • Bước 3: Sử dụng lệnh Trim cắt bỏ các đoạn thừa, áp dụng lệnh đùn khối Extrude Boss/Base và cắt khối Extrude Cut để hoàn thiện hình học cổ khuỷu, chốt khuỷu và má khuỷu liên kết.
2. Thanh truyền và nắp thanh truyền:
   • Tiến hành đo khoảng cách tâm giữa đầu nhỏ và đầu to; vẽ phác thảo biên dạng thân chữ I và hai đầu lót bạc; thực hiện lệnh Extrude tạo bề dày chi tiết và Extrude Cut tạo lỗ xỏ bu-lông gá nắp biên.
3. Xéc măng và chốt piston:
   • Phác thảo biên dạng và tạo hình 3D cho xéc măng khí, xéc măng dầu (có khe hở miệng) và chốt piston rỗng chịu lực nối thân piston với đầu nhỏ thanh truyền.

Lắp ráp cụm (Assembly) và chế tạo mô hình vật lý

• Thiết lập các mối ghép động học giữa chốt piston với lỗ bệ chốt trên piston, đầu nhỏ thanh truyền với chốt piston, đầu to thanh truyền với chốt khuỷu, cổ trục khuỷu với thân máy.
• Gia công bệ gá đặt, lắp ghép các chi tiết cơ khí thật của động cơ Toyota 4A lên khung đỡ, hoàn thiện mô hình cơ cấu truyền động có khả năng vận hành quay tay hoặc dẫn động phục vụ giảng dạy và quan sát trực quan chu trình 4 kỳ (nạp, nén, nổ, thải).

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu đề tài

• Khái quát vai trò của ngành công nghệ kỹ thuật ô tô và vị trí trung tâm của động cơ đốt trong đối với phương tiện cơ giới.
• Trình bày lịch sử hình thành và phát triển của động cơ đốt trong qua các mốc thời gian từ năm 1860 đến năm 1897.
• Xác định mục tiêu đề tài, nội dung nhiệm vụ nghiên cứu, phương pháp tiếp cận và kết cấu phân chia 5 chương của đồ án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết và tổng quan về hệ thống trục khuỷu thanh truyền trên xe Toyota

• Trình bày chi tiết cấu tạo, nhiệm vụ, nguyên lý làm việc và cơ sở lựa chọn vật liệu của nhóm piston (gồm đỉnh bằng/lồi/lõm, đầu có rãnh xéc măng, thân piston dẫn hướng).
• Phân tích kết cấu thanh truyền gồm đầu nhỏ (có bạc lót), thân thanh truyền và đầu to gắn bu-lông liên kết nắp thanh truyền; nguyên lý biến đổi chuyển động tịnh tiến thành chuyển động quay.
• Khảo sát kết cấu trục khuỷu (đầu trục, cổ trục, chốt khuỷu, má khuỷu, đuôi trục lắp bánh đà); phân loại trục khuỷu liền và trục khuỷu ghép; nguyên lý chuyển đổi năng lượng qua chu kỳ 4 giai đoạn nén, cháy, xả, hút giữa điểm chết trên (TDC) và điểm chết dưới (BDC).
• Giới thiệu các đặc tính kỹ thuật riêng biệt của động cơ Toyota Vios dòng 4A (4A-FE): 4 xi-lanh, dung tích 1.6L, phun xăng điện tử EFI, công suất 100 – 110 HP.

Chương 3: Tính toán, thiết kế và thi công mô hình

• Giới thiệu lịch sử, năng lực ứng dụng của phần mềm SOLIDWORKS trong ngành cơ khí ô tô; phân tích các vùng chức năng trên giao diện làm việc.
• Trình bày kỹ thuật dựng hình tham số, phương pháp ghi kích thước chuẩn (baseline) để kiểm soát khoảng cách giữa các lỗ và quản lý tính năng.
• Phân tích các phân hệ tích hợp: CAD (thiết kế 3D, lắp ghép cụm, xuất bản vẽ 2D, tính năng Tab/Slot, Normal Cut), CAE (phân tích tĩnh học, động học, dòng chảy qua SOLIDWORKS Simulation/Flow Simulation), CAM (gia công CNC qua SOLIDWORKS CAM), quản lý PDM và Composer.
• Trình bày quy trình 3 bước dựng hình chi tiết trục khuỷu, thanh truyền, nắp thanh truyền, xéc măng, chốt piston và tiến hành thi công mô hình thực tế.

Chương 4: Quy trình tháo, đo kiểm tra, lắp bộ phận trục khuỷu thanh truyền

• Trình bày các yêu cầu kỹ thuật và quy trình tháo, lắp các bộ phận cố định: mặt máy và xy lanh (chú ý lắp đặt gioăng cản nước vào rãnh trên thân lốc máy trước khi hạ xy lanh).
• Trình bày quy trình kỹ thuật chọn lắp cụm biên - piston (thanh truyền và piston), kỹ thuật tháo lắp chốt piston, vòng găng (xéc măng khí và dầu).
• Hướng dẫn quy trình tháo, đo kiểm tra độ mòn, khe hở dầu và lắp ráp nhóm trục khuỷu đảm bảo đúng lực siết và độ đồng tâm của các cổ trục.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

• Tổng kết toàn bộ quá trình nghiên cứu lý thuyết, tính toán thiết kế 3D và thi công hoàn thiện mô hình cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền Toyota 4A.
• Đánh giá mức độ hoàn thành nhiệm vụ theo phiếu giao đề tài của Viện Kỹ thuật HUTECH.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

• Tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh: Xây dựng tập thuyết minh đồ án hệ thống hóa đầy đủ cơ sở lý thuyết, đặc tính kết cấu và quy trình kiểm tra, sửa chữa cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền động cơ Toyota 4A.
• Bộ bản vẽ 3D và 2D: Thiết kế thành công mô hình hình học 3D của các chi tiết (piston, chốt, xéc măng, thanh truyền, nắp thanh truyền, trục khuỷu) trên phần mềm SOLIDWORKS; xuất các bản vẽ hình chiếu vuông góc và bản vẽ lắp ráp cụm chi tiết.
• Mô hình học cụ thực tế: Thi công hoàn thiện mô hình cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền của động cơ Toyota 4A trên giá đỡ cơ khí, mô phỏng chính xác sự phối hợp chuyển động giữa piston chuyển động tịnh tiến trong lòng xi lanh và trục khuỷu quay tròn quanh cổ trục chính.
• Quy trình công nghệ tháo lắp: Chuẩn hóa các bước tháo, kiểm tra kích thước, khe hở kỹ thuật và lắp ráp các cụm chi tiết mặt máy, xy lanh, cụm biên - piston, xéc măng và trục khuỷu theo tiêu chuẩn kỹ thuật sửa chữa ô tô.

Đóng góp của đề tài

• Kết hợp phương pháp thiết kế số học CAD/CAM (SOLIDWORKS) với gia công mô hình vật lý, tạo ra học cụ trực quan phục vụ công tác giảng dạy môn học Động cơ đốt trong tại Viện Kỹ thuật HUTECH.
• Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình công nghệ đo kiểm và tháo lắp cụm chi tiết máy động cơ Toyota 4A-FE cho sinh viên các khóa sau.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

• Đồ án được thực hiện trong thời lượng 12 tuần của học phần đồ án môn học, tập trung chủ yếu vào cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền trên một dòng động cơ cụ thể là Toyota 4A (4A-FE), chưa khảo sát so sánh với các dòng động cơ có kết cấu V hoặc Boxer.
• Mô hình cơ khí dừng lại ở mức độ mô phỏng chuyển động cơ học tĩnh/chậm, chưa tái hiện được các điều kiện chịu áp suất khí cháy, bôi trơn cưỡng bức và truyền nhiệt thực tế như trên động cơ đang vận hành hoàn chỉnh.

Hướng nghiên cứu tiếp

• Mở rộng ứng dụng phân tích chuyên sâu trên SOLIDWORKS Simulation và SOLIDWORKS Flow Simulation để tính toán ứng suất tập trung, biến dạng nhiệt trên piston và má khuỷu dưới tải trọng nổ cực đại.
• Tích hợp động cơ điện giảm tốc và biến tần điều khiển vào mô hình để tự động hóa quá trình dẫn động mô phỏng chu trình 4 kỳ với dải tốc độ thay đổi linh hoạt.
• Nghiên cứu mở rộng sang các dòng động cơ hiện đại có trang bị hệ thống van biến thiên thông minh (VVT-i) hoặc các dòng động cơ ô tô thế hệ mới.

---

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho:

• Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô và Kỹ thuật Cơ khí: Tham khảo phương pháp xây dựng đồ án môn học Động cơ đốt trong, quy trình thiết kế 3D chi tiết máy trên phần mềm SOLIDWORKS và kỹ thuật xuất bản vẽ lắp ráp.
• Cán bộ kỹ thuật và sinh viên thực tập sửa chữa động cơ: Sử dụng các bước trong Chương 4 làm tài liệu hướng dẫn thực hành tháo lắp, kiểm tra khe hở kỹ thuật của cụm piston, thanh truyền, xéc măng và trục khuỷu động cơ Toyota.
• Giảng viên và phòng thực hành chuyên ngành: Khai thác mô hình vật lý đã thi công làm học cụ phục vụ trực quan hóa bài giảng lý thuyết nguyên lý động cơ và chu trình làm việc 4 kỳ.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ Toyota 4A trên dòng xe Toyota Vios có những thông số kỹ thuật đặc trưng nào được nêu trong đồ án?
Theo nội dung thuyết minh đồ án, động cơ Toyota 4A (đặc biệt là biến thể 4A-FE) là động cơ xăng 4 xi-lanh thẳng hàng, dung tích công tác khoảng 1.6L, trang bị hệ thống phun nhiên liệu điện tử (EFI), tỷ số nén cao và sản sinh công suất cực đại trong khoảng 100 đến 110 mã lực.

2. Tại sao hợp kim nhôm được chọn làm vật liệu phổ biến để chế tạo piston dù có hạn chế về độ bền nhiệt?
Hợp kim nhôm có khối lượng riêng nhỏ (giúp giảm đáng kể lực quán tính chuyển động tịnh tiến), hệ số dẫn nhiệt lớn, hệ số ma sát với thành xi lanh gang nhỏ, dễ đúc và dễ gia công cắt gọt. Mặc dù ở nhiệt độ cao sức bền giảm từ 6% đến 10% (trong khoảng nhiệt độ từ 288 K lên đỉnh làm việc) và có hệ số giãn nở dài lớn đòi hỏi khe hở lắp ghép phải tính toán kỹ để tránh bó kẹt, hợp kim nhôm vẫn là giải pháp vật liệu tối ưu nhất so với gang và thép cho động cơ ô tô tốc độ cao.

3. Cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền thực hiện chuyển đổi động học như thế nào qua một chu kỳ làm việc 4 kỳ?
Trục khuỷu quay hai vòng (720 độ) để hoàn thành một chu kỳ động cơ gồm 4 giai đoạn:

• Giai đoạn nén: Piston đi từ điểm chết dưới (BDC) lên điểm chết trên (TDC), trục khuỷu quay nửa vòng;
• Giai đoạn cháy - giãn nở sinh công: Áp suất khí cháy đẩy piston từ TDC xuống BDC, truyền lực qua thanh truyền làm quay trục khuỷu nửa vòng tiếp theo;
• Giai đoạn xả: Piston từ BDC đi lên TDC đẩy khí thải ra ngoài, trục khuỷu quay thêm nửa vòng;
• Giai đoạn hút: Piston từ TDC đi xuống BDC nạp hòa khí mới, trục khuỷu hoàn thành vòng quay thứ hai.

4. Quy trình dựng hình 3D cơ bản cho các chi tiết trục khuỷu và thanh truyền trên SOLIDWORKS gồm những bước nào?
Quy trình gồm 3 bước chính:

• Bước 1: Đo đạc lấy kích thước thực tế của chi tiết từ mẫu động cơ;
• Bước 2: Truy cập môi trường thiết kế 2D Sketch, sử dụng lệnh Line, Circle để vẽ các biên dạng hình học;
• Bước 3: Sử dụng lệnh Trim cắt bỏ các phần tử thừa, sau đó áp dụng lệnh đùn khối Extrude Boss/Base và cắt khối Extrude Cut để tạo hình khối 3D chi tiết hoàn chỉnh.

5. Trong quy trình lắp ghép xi lanh của động cơ, tài liệu đưa ra lưu ý kỹ thuật gì đối với gioăng cản nước?
Văn bản kỹ thuật đồ án quy định cụ thể: khi tiến hành lắp đặt xy lanh của động cơ, người thực hiện phải lắp gioăng cản nước vào đúng rãnh trên thân lốc máy (blốc) trước rồi mới tiến hành đặt xy lanh vào vị trí làm việc.

---

Kết luận

Đồ án môn học "Nghiên cứu và thi công mô hình Cơ cấu trục khuỷu – Thanh truyền trên động cơ TOYOTA VIOS – 4A" đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu nghiên cứu và nhiệm vụ được giao. Nhóm tác giả đã hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về động cơ đốt trong, ứng dụng thành công phần mềm SOLIDWORKS để số hóa thiết kế 3D toàn bộ cụm chi tiết cơ cấu, đồng thời xây dựng quy trình tháo lắp, đo kiểm chuẩn kỹ thuật. Kết quả thi công mô hình cơ khí thực tế không chỉ minh chứng cho khả năng ứng dụng lý thuyết vào thực tiễn của sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô HUTECH mà còn cung cấp một phương tiện học cụ trực quan có giá trị phục vụ công tác đào tạo chuyên ngành.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu đề tài. -Chương 2: Cơ sở lý thuyết và tổng quan về hệ thống trục khuỷu thanh truyền trên xe Toyota. -Chương 3: Tính toán, thiết kế và thi công mô hình. -Chương 4: Quy trình kiểm tra, chẩn đoán và sửa chữa hệ thống.

-Chương 5: Kết luận và hướng phát triển. 16 CHƯƠNG 2 Cơ sở lý thuyết và tổng quan về hệ thống trục khuỷu thanh truyền trên xe Toyota 2.1 cấu tạo Piston có cấu tạo như một máy nén khí hoặc xi lanh hơi nằm bên trong động cơ xe. Bộ phận này có dạng hình trụ gồm đỉnh, đầu và thân liền cùng một khối.  Phần đỉnh có 3 dạng là đỉnh bằng, đỉnh lồi và đỉnh lõm.

Nhiệm vụ của đỉnh piston là nhận áp suất khí đốt nên có tính chịu nhiệt cao.  Phần đầu có các rãnh để lắp xéc măng khí và xéc măng dầu. Ở đáy rãnh xéc măng có các lỗ nhỏ sâu vào bên trong làm nhiệm vụ thoát hoặc cấp dầu cho động cơ.  Phần thân nối liền với thanh truyền để tạo lực quay trục khuỷu.

Ngoài ra, còn có một chốt nối giữa piston và thanh truyền. Nhiệm vụ chính của phần thân piston là điều hướng chuyển động trong xi lanh. Nhiệm vụ của piston cùng với xi lanh và nắp máy là tạo thành buồng đốt, nhận lực sinh ra từ khí cháy để truyền lực cho trục khuỷu. Trục khuỷu sinh công để thực hiện các quá trình nạp, nén, cháy, dãn nở và thải khí.1 Piston 17 Vật liệu :chế tạo Piston phải đáp ứng điều kiên làm việc của nó đó là có độ bền cao, chịu được nhiệt độ cao, độ biến đạng dải nhỏ, ma sát nhỏ.

Tất nhiên không có loại vật liệu nào đáp ứng đồng thời các yêu cầu trên. Do đó cần chọn vật liệu tối ưu nhất , so với hợp kim gang thì hợp kim nhôm có độ bền thấp hơn , độ biến dạng dài lớn hơn nhưng hợp kim nhôm có khối lượng riêng nhỏ hơn và cũng có tính đúc tốt như gang. Do đó chọn hợp kim nhôm làm vật liệu chế tạo Piston. Vật liệu chế tạo piston phải bảo đảm cho piston làm việc ổn dịnh và lâu dài trong những điều kiện khắc nghiệt đã nêu trên.

Thường dùng gang xám, gang dẻo, gang cầu. Gang có sức bền nhiệt và bền có học khá cao, hệ số giãn nÖ đài nhỏ nên khó bị bó kẹt, dễ chế tạo và rẻ. Tuy nhiên gang rất nặng nên lực quán tính của piston lồi. Do đó gang chỉ dùng để chế tạo piston động có tốc độ thấp.

Mặt khác hệ số dẫn nhiệt của gang nhỏ nên nhiệt độ đỉnh piston cao. Thép có sức bền cao nên phải nhẹ. Tuy nhiên hệ số dẫn nhiệt cũng nhớ đồng thời khó đúc nên hiện nay ít được dùng. Một số hãng đã sử dụng thép để chế tạo piston như Ford (Mỹ) hay Junkcr (Đức) trong chiến tranh thế giới hai.

– Hợp kim nhôm. Hợp kim nhôm có nhiều ưu điểm như nhẹ, hệ số dẫn nhiệt lớn, hệ số ma sát với gang (xy lanh thường bằng gang) nhỏ, dễ đúc, dễ gia công nên dược dùng rất phổ biến để chế tạo piston. Tuy nhiên hợp kim nhôm có hệ số giãn nở lớn nên khe hở giữa piston và xylanh phải lớn để tránh bó kẹt. Do đó, lọt khí nhiều từ buồng cháy xuống hộp trục khuỷu, động cơ khó khởi động và làm việc có tiếng gõ khi piston đổi chiều.

Ở nhiệt độ cao, sức bền của piston giảm khá nhiều. Ví dụ, khi nhiệt độ từ 288 K lên đến đỉnh 6233 K, sức bền của hợp kim nhôm giảm 6% đến 10%. trong khi đó độ bền ở nhiệt độ này rất ít. Mặt khác piston bằng hợp kim nhôm chịu mòn kém 2.2 Nhiệm vụ của piston: Piston nhận áp suất do sự giãn nở của khí cháy rồi truyền lực cho trục khuỷu để sinh công trong quá trình nổ và nhận lực từ trục khuỷu để thực hiện các quá trình nạp, nén và thải (động cơ đốt trong 4 thì), ở động cơ đốt trong 2 thì piston còn thực hiện chức năng làm van đóng mở cửa hút và cửa xả.2 Nhiệm vụ của pistion của piston 2.3 Nguyên lí hoạt động của piston: Piston di chuyển xuống dưới, đồng thời tạo ra một phần chân không ở không gian bên trên và đẩy không khí vào xi lanh.

Lúc này, piston sẽ di chuyển lên phía trên và tạo ra một không gian có áp suất cao giữa piston và đầu xi lanh nhờ các loại van đã được đóng kín.3 Nguyên lý hoạt động piston 19 2.2 Cấu tạo,nguyên lý hoạt động Thanh truyền 2.1 Cấu tạo Thanh truyền có nhiệm vụ dẫn truyền lực từ piston qua trục khuỷu. Cấu tạo của thanh truyền gồm 3 phần:  Đầu nhỏ là khối trụ tròn để lắp với piston qua một thanh chốt. Tại vị trí tiếp xúc giữa 2 bộ phận piston và thanh truyền sẽ được phủ một lớp bạc mỏng nhằm hạn chế tối đa sự ma sát giúp nâng cao tuổi thọ của 2 bộ phận.  Đầu to nằm ở phía đối diện đầu nhỏ, là phần nối liền trục khuỷu thanh truyền.

Bộ phận này được chế tạo với độ chính xác cao, đảm bảo quá trình hoạt động giữa các bu lông không bị lỏng.  Phần thân có nhiệm vụ gắn kết đầu to và đầu nhỏ của thanh truyền. Vật liệu: Thanh truyền trong động cơ 4A thường được làm từ thép hợp kim hoặc hợp kim nhôm, kết hợp với công nghệ chế tạo hiện đại để giảm trọng lượng và tăng độ bền.2 Nhiệm vụ thanh truyền có nhiệm vụ kết nối piston với trục khuỷu. Thanh truyền kết hợp cùng với tay quay (khuỷu) biến đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu.3 Nguyên lý hoạt động : Thanh truyền kết hợp cùng với tay quay (khuỷu) biến đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu.3 Nguyên lý hoạt động 21 2.3 Cấu tạo,nguyên lý hoạt động Trục khuỷu 2.1 Cấu tạo Trục khuỷu liên kết chặt chẽ với piston thông qua thanh truyền dẫn động, tạo lực quán tính làm cho trục xoay đều.

Vì thế, trục khuỷu được thiết kế đặc biệt để chịu lực uốn, xoắn và mài mòn ở các cổ trục. Cấu tạo chính của trục khuỷu bao gồm 6 phần:  Đầu trục khuỷu.  Chốt khuỷu nối liền với thanh truyền để nhận lực.  Cổ khuỷu có dạng hình trụ và là trục quay chính.

 Má khuỷu làm phần liên kết giữa cổ và chốt khuỷu để truyền lực giữa 2 bộ phận.  Đuôi trục khuỷu là phần cuối gắn liền với bánh đà bên trong động cơ xe. Hiện nay trên thị trường có 2 loại trục khuỷu phổ biến như sau:  Trục khuỷu liền gồm các bộ phận: cổ trục, cổ biên, má khuỷu liên kết thành một khối thống nhất không thể tháo rời.  Trục khuỷu ghép gồm các bộ phận: cổ biên, cổ trục và má khuỷu riêng biệt được nối lại với nhau bằng thanh trục khuỷu.

Trục khuỷu ghép được dùng nhiều trong động cơ cỡ lớn hoặc động cơ có công suất nhỏ nhưng ít xi lanh và đầu to thanh truyền không bị cắt đôi. Vật liệu: Trục khuỷu trên động cơ 4A thường được chế tạo từ thép hợp kim carbon hoặc hợp kim thép có khả năng chịu tải trọng lớn và đảm bảo độ bền cao trong quá trình hoạt động.2 Nhiệm vụ trục khuỷu  Trục khuỷu là một bộ phận của động cơ dùng để biến đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay. Nó nhận lực từ piston để tạo ra mô men xoắn sinh công quay rồi đưa ra bộ phận công tác và nhận năng lượng từ bánh đà truyền lại cho piston (động cơ diesel) để thực hiện các quá trình sinh công. Trục khuỷu trong động cơ 4A chịu trách nhiệm chuyển đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay, cung cấp năng lượng để truyền động đến các bộ phận khác của xe.

Trục khuỷu có các rãnh khuỷu (crank throws) và cổ trục (journal) để kết nối với thanh truyền và các bộ phận khác.3 Nguyên lý hoạt động Trục khuỷu ô tô là một bộ phận quan trọng nhất trong hệ thống động cơ, nó có chức năng chuyển đổi năng lượng từ phản ứng cháy xảy ra trong buồng đốt của động cơ thành năng lượng cơ học dưới dạng chuyển động quay. Chuyển động quay này được truyền qua hộp số và các cầu xe để tác động lên các bánh xe, giúp xe ô tô di chuyển. Cơ cấu hoạt động của trục khuỷu ô tô được mô tả chi tiết như sau: Trục khuỷu ô tô có chức năng biến đổi chuyển động thẳng của piston thành chuyển động xoay. Để làm được điều này, trục khuỷu phải quay một vòng đầy đủ cho mỗi chu kỳ của động cơ.

Chu kỳ này bao gồm bốn giai đoạn: nén, cháy, xả và hút.  Giai đoạn nén và cháy: Khi piston từ vị trí dưới nhất (BDC) chuyển lên vị trí trên nhất (TDC), trục khuỷu quay một nửa vòng. Trong giai đoạn này, hỗn hợp không khí và nhiên liệu trong buồng đốt bị ép lại và sau đó bốc cháy để tạo ra lực đẩy.  Giai đoạn xả và hút: Khi piston từ vị trí trên nhất (TDC) chuyển xuống vị trí dưới nhất (BDC), trục khuỷu quay thêm một nửa vòng.

Trong giai đoạn này, khí thải sau khi cháy được thải ra ngoài và hỗn hợp không khí và nhiên liệu mới được hấp thụ vào buồng đốt.  Chuyển động xoay của trục khuỷu: Lực đẩy từ quá trình bốc cháy được chuyển thành năng lượng cơ học qua chuyển động thẳng của piston. Chuyển động này tiếp tục được biến đổi thành chuyển động xoay qua trục khuỷu.  Truyền lực: Chuyển động xoay của trục khuỷu được dẫn tới hộp số và từ đó tới các bánh xe, giúp xe di chuyển 23 Hình 2.1 Nguyên lý hoạt động trục khuỷu 24 Đặc điểm động cơ 4A của TOYOTA VIOS:  Dòng động cơ: Động cơ 4A (đặc biệt là loại 4A-FE) là động cơ 4 xi-lanh thẳng hàng, dung tích khoảng 1.6L, sử dụng hệ thống phun nhiên liệu điện tử (EFI) và có tỷ số nén khá cao, mang lại hiệu suất vận hành tốt.

 Công suất: Động cơ này cung cấp công suất vào khoảng 100 - 110 mã lực (tùy vào phiên bản), mang lại khả năng vận hành mạnh mẽ và tiết kiệm nhiên liệu cho Toyota Vios. Tổng kết: Trục khuỷu và thanh truyền trong động cơ 4A của Toyota Vios làm việc cùng nhau để biến chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay, giúp động cơ vận hành hiệu quả. Cả hai bộ phận này đều được chế tạo từ các vật liệu chịu lực, đảm bảo độ bền và hiệu suất trong suốt quá trình vận hành của xe.