Toàn văn đồ án PBL2: Thiết kế các cơ cấu trong động cơ đốt trong Hyundai D4FA

Tài liệu đồ án PBL2 phân tích, thiết kế chi tiết các cơ cấu trong động cơ đốt trong Hyundai D4FA. Bao gồm tính toán, xây dựng đồ thị công và kết cấu.

• Tác giả: Bùi Quốc Nhân
• Người hướng dẫn: PGS.TS Dương Việt Dũng
• Trường học: Đại học Đà Nẵng, Trường Đại học Bách khoa
• Chuyên ngành: Cơ khí Giao thông
• Đề tài: Đồ Án Liên Môn – PBL2 Thiết Kế Các Cơ Cấu Trong Động Cơ Đốt Trong Động Cơ: Hyundai D4FA
• Loại tài liệu: Đồ án liên môn
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung về Đồ án Thiết kế Cơ cấu Động cơ Hyundai D4FA

Đồ án liên môn PBL2 về thiết kế cơ cấu động cơ Hyundai D4FA là một công trình học thuật toàn diện, được thực hiện bởi nhóm sinh viên Khoa Cơ Khí Giao Thông, Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng. Động cơ Hyundai D4FA là một động cơ diesel 4 kỳ, được ứng dụng rộng rãi trong các dòng xe thương mại. Đồ án này tập trung vào việc phân tích toàn diện các cơ cấu chính của động cơ, bao gồm hệ thống piston-thanh truyền, trục khuỷu, bánh đà, và hệ thống phân phối khí. Mục đích chính là xây dựng các đồ thị công, động học và động lực học để hiểu rõ nguyên lý hoạt động, cũng như thiết kế các thành phần theo các điều kiện kỹ thuật thực tế. Công trình này có giá trị quan trọng trong việc nâng cao kỹ năng kỹ thuật cho sinh viên ngành cơ khí.

1.1. Thông số kỹ thuật Động cơ Hyundai D4FA

Động cơ Hyundai D4FA sở hữu các thông số kỹ thuật đặc trưng: công suất cực đại 82,4 kW tại tốc độ 3600 vòng/phút, tỷ số nén 16, đường kính piston và hành trình lần lượt là 77,5mm × 77,5mm. Đây là động cơ 4 xilanh, 4 kỳ với thứ tự làm việc 1-3-4-2, áp suất cực đại 8,9 MN/m². Động cơ trang bị hệ thống CRDI (Common Rail Direct Injection) hiện đại, tăp áp với intercooler, và hệ thống phân phối khí DOHC 16 van giúp tối ưu hiệu suất và giảm khí thải.

1.2. Ứng dụng và Tầm quan trọng của Đồ án

Đồ án thiết kế cơ cấu động cơ D4FA cung cấp nền tảng kiến thức thực tiễn cho sinh viên kỹ thuật cơ khí. Việc phân tích chi tiết các cơ cấu động cơ diesel giúp hiểu rõ nguyên lý hoạt động của các động cơ đốt trong hiện đại. Kiến thức này ứng dụng trong thiết kế, sản xuất, bảo dưỡng các loại động cơ công nghiệp, automotive, và marine. Đồ án cũng giúp sinh viên phát triển kỹ năng tính toán, vẽ kỹ thuật và phân tích kỹ thuật.

II. Xây dựng Đồ thị Công Động học và Động lực học

Quá trình xây dựng đồ thị công của động cơ diesel D4FA là bước quan trọng để hiểu rõ quá trình trao đổi năng lượng trong quá trình làm việc của động cơ. Đồ thị công (p-V diagram) biểu diễn sự thay đổi áp suất trong buồng cháy theo thể tích, cho thấy các quá trình nén, cháy, giãn nở, và thải khí. Việc vẽ các đồ thị chuyển vị, vận tốc theo góc quay của chốt khuỷu cung cấp thông tin về chuyển động piston. Các đồ thị động lực học biểu diễn các lực tác dụng lên các bộ phận như lực tiếp tuyến, lực ngang, lực pháp tuyến trên chốt khuỷu. Những đồ thị này là cơ sở để tính toán độ bền, chọn vật liệu, và thiết kế các chi tiết của động cơ.

2.1. Phương pháp vẽ Đồ thị Công và các Điểm đặc biệt

Để vẽ đồ thị công động cơ diesel D4FA, trước tiên xác định các điểm đặc biệt dựa vào các thông số động cơ và sơ đồ Brick. Các điểm quan trọng bao gồm: điểm phun sớm, điểm áp suất cực đại, điểm mở sớm xupáp nạp/thải. Sau đó, vẽ các đường nén, đốt và giãn nở theo các công thức nhiệt động lực học. Cuối cùng, hiệu chỉnh bo tròn tại các góc cắt để phản ánh chính xác quá trình thực tế của động cơ.

2.2. Đồ thị Chuyển vị và Vận tốc Piston

Chuyển vị piston x=f(α) được tính từ công thức hình học liên kết cơ cấu quay tròn-qua lại. Đồ thị vận tốc piston v=f(α) biểu diễn tốc độ thay đổi hành trình piston. Vận tốc cực đại xảy ra khi piston không nằm giữa, mà lệch về một phía. Những đồ thị này giúp xác định tải độ động, độ rung, và hiệu suất thực của động cơ.

2.3. Đồ thị Động lực học Lực tác dụng trên Chốt khuỷu

Lực tiếp tuyến T, lực ngang N, và lực pháp tuyến Z là các thành phần lực chính tác dụng lên chốt khuỷu. Chúng được tính từ áp suất gas, quán tính piston, và lực từ thanh truyền. Đồ thị phụ tải biểu diễn sự thay đổi của các lực này theo góc quay, cung cấp cơ sở để tính toán mô-men quay, thiết kế trục khuỷu, và đánh giá mài mồn các bề mặt tiếp xúc.

III. Phân tích Cơ cấu Nhóm Piston Thanh truyền

Cơ cấu nhóm piston là bộ phận chuyển đổi năng lượng khi các khí đốt tác dụng trực tiếp. Thanh truyền là liên kết cơ học giữa piston và trục khuỷu, chuyển động thẳng qua lại của piston thành chuyển động quay của trục. Piston chịu áp suất gas cực đại lên đến 8,9 MN/m², yêu cầu vật liệu bền cao như hợp kim nhôm. Thanh truyền phải chịu được lực kéo-nén giao biến, lực quán tính lớn trong các pha hoạt động khác nhau. Thiết kế cơ cấu này phải đảm bảo: cân bằng lực, giảm ma sát, bền vừa đủ để chịu tải động, và nhẹ để giảm lực quán tính. Các chi tiết này được chế tạo từ các vật liệu chuyên dụng, yêu cầu công nghệ tiên tiến.

3.1. Cấu tạo và Chức năng Piston

Piston động cơ D4FA có khối lượng nhóm khoảng 0,7 kg, được chia thành ba phần chính: phần đầu (crown) chịu áp suất gas, phần thân với các rãnh chứa vòng píston, phần chân đấu nối với thanh truyền. Vật liệu thường dùng là hợp kim nhôm Al-Si có độ cứng cao, khả năng chịu nhiệt tốt.

3.2. Cấu tạo và Chức năng Thanh truyền

Thanh truyền D4FA có khối lượng khoảng 0,8 kg, gồm đầu nhỏ nối với piston, thân (thanh chính), và đầu to nối với trục khuỷu. Thanh được thiết kế I-beam để tối ưu độ cứng/trọng lượng. Các ổ trượt ở hai đầu sử dụng vòng bi hoặc trục trơn tùy theo thiết kế cụ thể.

IV. Hệ thống Phân phối Khí và Thiết kế Thân Máy Động cơ

Hệ thống phân phối khí (valve train) của động cơ Hyundai D4FA trang bị 16 van DOHC (Dual OverHead Camshaft), gồm 8 van nạp và 8 van thải (mỗi xilanh 2 van nạp, 2 van thải). Hệ thống này kiểm soát thời gian mở/đóng của các van, quản lý luồng khí nạp vào và khí thải ra khỏi buồng cháy. Trục cam được dẫn động bởi xích thời gian từ trục khuỷu với tỉ số 1:2 (vì trục cam quay nửa tốc độ trục khuỷu). Thiết kế thân máy động cơ D4FA là loại in-line 4 xilanh, cấu trúc closed-deck với 5 vòng trục chính để tăng độ cứng. Thân máy chịu áp suất cao, lực quán tính lớn, yêu cầu vật liệu sắt gang có tính chất chống rung, tản nhiệt tốt.

4.1. Nguyên lý Hoạt động Hệ thống Phân phối Khí

Hệ thống DOHC 16 van hoạt động theo chu kỳ 4 kỳ: kỳ nạp (van nạp mở, van thải đóng), kỳ nén (cả hai van đóng), kỳ cháy-giãn nở (cả hai van đóng), kỳ thải (van thải mở, van nạp đóng). Góc phân phối khí là 160 độ tổng cộng (bao gồm sớm nạp, muộn thải), giúp tối ưu lấp đầy xilanh và loại bỏ khí cục.

4.2. Thiết kế Thân Máy Động cơ D4FA và Điều kiện Làm việc

Thân máy động cơ D4FA phải chịu đựng áp suất piston lên đến 8,9 MN/m², nhiệt độ gas 2000-2500K, lực quán tính khối lượng piston 0,7 kg tại tốc độ 3600 vòng/phút. Thiết kế closed-deck in-line 4 xilanh với vòng trục chính mạnh mẽ đảm bảo độ cứng. Vật liệu sắt gang cầu (spheroidal graphite cast iron) cung cấp độ bền cao, khả năng chống rung, tản nhiệt tốt để duy trì nhiệt độ hoạt động tối ưu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG ĐỒ ÁN LIÊN MÔN – PBL2 THIẾT KẾ CÁC CƠ CẤU TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG ĐỘNG CƠ: HYUNDAI D4FA Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS DƯƠNG VIỆT DŨNG Sinh viên thực hiện: NHÓM 5 BÙI QUỐC NHÂN NGUYỄN MAI HỒNG PHÚC NGUYỄN ĐỨC LỘC HUỲNH TẤN HUY NGUYỄN ĐÌNH HÙNG Đà Nẵng, ngày 25 tháng 10 năm 2022 1 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN PHẦN I: XÂY DỰNG ĐỒ THỊ CÔNG, ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ĐỘNG CƠ D4FA 1. Các thông số động cơ……………………………………………. Tính toán thông số ban đầu………………………………………. Đồ thị công, động học động cơ…………………………………….1 Cách vẽ đồ thị…………………………………………….

Đồthịchuyểnvị,vậntốctheo alpha……………………………….1 Đồ thị biểu diễn hành trình của piston x=f( ) …………….2 Đồ thị biểu diễn tốc độ của piston v=f( ) …………………. Đồ thị khai triển: Pkt, P1- ………………………………………. Đồ thị biểu diễn lực tiếp tuyến T–lực ngang N–lực pháp tuyến Z. Vẽ đồ thị tổng T: T=f( ) ……………………………………….

Đồthịphụtảitácdụnglênchốt khuỷu…………………………. Đồ thị phụ tải tác dụng lên đầu to thanh truyền…………………. Đồ thị khai triền vector phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu Q=f( ). Đồ thị mài mồn chốt khuỷu…………………………………….19 PHẦN II: PHÂN TÍC ĐẶC TÍNH KẾT CẤU ĐỘNG CƠ THAM KHẢO.

Chọn động cơ tham khảo: Hyundai D4FA……………………… 20 1.1 Giới thiệu chung về động cơ……………………………….2 Cơ cấu nhóm Piston Thanh truyền………………………….2 Cơ cấu Thanh truyền 1.3 Cơ cấu nhóm Bánh đà Trục khuỷu………………………….1 Cơ cấu Trục khuỷu 1.4 Cơ cấu hệ thống phân phối khí……………………………… 35 1.1 Sơ đồ bố trí xupáp và nguyên lý làm việc của cơ cấu phân phối khí 1.2 Phương án dẫn động trục cam 1.3 Kết cấu của các chi tiết trong cơ cấu phân phối khí động cơ Huyndai D4FA 1.4 Tính toán các thông số cơ bản của cơ cấu phân phối khí động cơ Huyndai D4FA 1.5 Cơ cấu nắp máy động cơ D4FA…………………………….6 Cơ cấu thân máy động cơ D4FA…………………………….1 Điều kiện làm việc và yêu cầu 1.2 Phương án thiết kế thân máy động cơ D4FA 1.3 Các hình ảnh về thân máy động cơ D4FA 1.4 Tài liệu tham khảo về thân máy 3 4 PHẦN I: XÂY DỰNG ĐỒ THỊ CÔNG, ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC CỦA ĐỘNG CƠ D4FA 1. Các thông số động cơ Thông số kỹ thuật Thứ nguyên Ký hiệu Giá trị Nhiên liệu - Diesel Số xilanh/ Số kỳ/ Các bố trí - i/ 4 / 4 / In-line Thứ tự làm việc - 1-3-4-2 Tỷ số nén - 16 Đường kính x hành trình Piston (mm x mm) DxS 77.5 Côgn suất cực đại/ tốc độ (kW/v/ph) Ne / n 82.4 / 3600 Tham số kết cấu - 0.26 Áp suất cực đại (MN/m2) Pz 8.9 Khối lượng nhóm Piston (kg) mpt 0.7 Khối lượng nhóm Thanh (kg) mtt 0.8 truyền s Góc phun sớm (độ) 10 1 Góc phân phối khí (độ) 16 2 40 3 40 4 3 Hệ thống nhiên liệu - CRDI Hệ thống bôi trơn - Force-feed lubrication system Hệ thống làm mát - Forced Circulation Water Cooling Syst Hệ thống nạp-thải - Turbo Charger Intercooler Hệ thống phân phối khí - 16 valve, DOHC 2. Tính toán thông số ban đầu + Tốc độ trung bình của động cơ: Cm = S.n/30 = 10,14 [m/s]  Động cơ cao tốc + n1=1.29 Chọn trước: n1=1.29 + Áp suất cuối kỳ nạp: Động cơ bốn kì tăng ap: pa = (0. Chọn áp suất cuối kì nạp: pk= 0.1 MPa Khi đó: pa = 0.09 [MN/m2] 5 + Chọn tỷ số dãn nở sớm: động cơ xăng ρ = 1.4 + Thể tích công tác: Vh= S×π×D24= 84.4 [dm3] + Thể tích buông cháy: Vc= Vh/ε−1= 0.

Đồ thị công, động học động cơ 3. Vẽ đồ thị công của động cơ diesel: Hình 1.1 Đồ thị công động cơ diesel 4 kỳ không tăng áp + Từ bảng giá trị ta tiến hành vẽ đường nén và đường giản nở. + Vẽ vòng tròn của độ thị Brick để xác định các điểm đặc biệt: Điểm phun sớm : c’ xác định từ Brick ứng với s; Điểm c(Vc;Pc) Điểm bắt đầu quá trình nạp : r(Vc;Pr); Điểm mở sớm của xu páp nạp : r’ xác định từ Brick ứng với α1 Điểm đóng muộn của xupáp thải : r’’ xác định từ Brick ứng với α4 Điểm đóng muộn của xupáp nạp : a’ xác định từ Brick ứng với α2 Điểm mở sớm của xupáp thải : b’ xác định từ Brick ứng với α3 Điểm y (Vc, Pz); Điểm áp suất cực đại lý thuyết: z ( Vc, Pz); Điểm áp suất cực đại thực tế: z’’( /2Vc, Pz);; Điểm c’’ : cc”=1/3cy 6 Điểm b’’ : bb’’=1/2ba + Sau khi có các điểm đặc biệt tiến hành vẽ đường thải và đường nạp , tiến hành hiệu chỉnh bo tròn ở hai điểm z’’ và b’’. Đồ thị chuyển vị, vận tốc theo alpha: 4.1 Đồ thị biểu diễn hành trình Piston x=f( ) - Xét từ 0-180o.

Ta có bảng số liệu sau: 7 4.2 Đồ thị biểu diễn tốc độ của Piston v=f( ) Vẽ đường biểu diễn tốc độ theo phương pháp đồ thị vòng - Xác định vận tốc góc của chốt khuỷu - Vẽ đường tròn tâm O bán kính R2= 20mm - Chia nửa vòng tròn tâm O bánh kính R thành 18 phần bằng nhau và đánh số thứ tự từ 1 đến 18: - Chia vòng tròn tâm O bán kính R2 thành 18 phần bằng nhau và đánh số thứ tự từ 1’ đến 18’ và theo chiều ngược lại. - Từ các điểm 1, 2, 3 … kẻ các đường thẳng vuông góc với AB cắt các đường song song với AB kẻ từ các điểm 1’, 2’, 3’,… tương ứng vói các giao điểm. Nối các giao điểm này lại ta có đường giới hạn tốc độ của Piston. Khoảng các từ đường cong này đến nửa đườnhh tròn biểu diễn trị số tốc dộ của Piston ứng với góc.

Vẽ đường biểu diễn tốc độ trên excel - Chọn tỷ lệ xích v= 0,4 - Sử dụng công thức v = R [sin( )+ /2*sin(2 )] 8 Hình 1.2 Đồ thị chuyển vị và vận tốc theo Để khảo sát mối quan hệ giữa hành trình Piston và vận tốc Piston ta đặt chúng cùng chung hệ toạ đọ. Đồ thị biểu diễn gia tốc j=f( ) - Chọn hệ trục toạ độ với trục hoành biểu diễn , trục tung biểu diễn giá trị của gia tốc - Chọn tỷ lệ xích: j=240 9 Giải gia tốc của Piston bằng phương pháp đồ thị thường dùng, phương pháp TôLê. Cách tiến hành cụ thể như sau: - Lấy đoạn thẳng AB = S = 2R. Từ A dựng đoạn thẳng AC = Jmax = R 2 (1+ ).

Từ B dựng đoạn thẳng BD = Jmin = -R 2(1- ), nối CD cắt AB tại E. Nối CF và DF. Phân đoạn CF và DF thành những đoạn nhỏ bằng nhau ghi các số 1, 2, 3, 4, và 1’, 2’, 3’, 4’, như trên hình 1. - Nối 11’, 22’, 33’, 44’, Đường bao của các đoạn thẳng này biểu thị quan hệ của hàm số: j = f(x).

Sau khi tính toán ta được đồ thị như sau: Hình 1.4 Đồ thị vận tốc V=f(S) 10 6. Đồ thị khai triển Pkt, Pj, P1- - Vẽ P1- + P1 được xác định: P1 = Pkt + Pj + Do đóp P1 đựoc vẽ bằng phương pháp cộng đồ thị + Để có thể tiến hành cộng đồ thị thì P1, Pkt và Pj phải cùng thứ nguyên và cùng tỷ lệ xích.5 Đồ thị khai triển 7. Đồ thị biểu diễn lực tiếp tuyến T-lực ngang N-lực pháp tuyến Z - Từ đồ thị p1 - tiến hành đo giá trị biểu diễn của p1 theo = 00,100, 200, 300 ,7200. Sau đó xác định theo quan hệ: sin = sin = arcsin( sin ) - Do đó ứng với mổi giá trị của ta có giá trị của tương ứng.

Từ quan hệ ở các công thức (1.8) ta lập được bảng giá trị của đồ thị T, Z, N - như sau: 11 12 Ta có đồ thị như hình 1. Đồ thị T- 180 τ i Góc lệch công tác: ct= + Giả sử thứ tự làm việc của động cơ 4 kỳ là : 1 3 4 2 , được biểu diễn cụ thể theo bảng sau: 13 Xy lanh 00 1800 1800 3600 3600 5400 5400 7200 1 Nạp Nén Cháy giản Thải nở 2 Nén Cháy giản Thải Nạp nở Cháy giản 3 Thải Nạp Nén nở 4 Cháy giản Thải Nạp Nén nở Bảng 1.3 ta có, khi 1 = 0 xylanh 1 ở đầu quá trình nạp thì: - Xy lanh 2 ở đầu quá trình nén nên 2 = 180o (vì nén ứng với = 1800) - Xy lanh 3 ở đầu quá trình thải nên 3 = 5400 (vì thải ứng với =5400) - Xy lanh 4 ở đầu quá trình cháy - giản nở nên 4 = 3600 (vì cháy - giản nở ứng với = 1800) + Ta có quan hệ 2, 3, 4 theo 1 khi 1 lần lượt nhận các giá trị từ 00 7200 được cho trong bảng 1. + Cứ mỗi giá trị 1, 2, 3, 4 ta có giá trị T1, T2, T3, T4 tương ứng được xác định theo giá trị T- 14 15 Sau khi nhập dữ liệu ta tạo được đồ thị T như sau: Hình 1. Đồ thị phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu Đô thi phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu dùng để xac đinh lực tác dụng lên chốt khuỷu ở mỗi vi trí của chốt khuỷu.

Sau khi có đô thi này ta se xac đinh được tri số trung bình của phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu, cũng có thể dễ dàng tìm được lực lớn nhất và bé nhất, dùng đô thi phụ tải có thể xac đinh được khu vực chiu tải ít nhất để xac đinh vi trí lỗ khoan dẫn dầu bôi trơn và để xac đinh phụ tải khi tính sức bền ổ trục. Cac bước tiến hành để ve đô thi phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu tiến hành như sau: - Ve hệ trục tọa độ TO’Z trong đó trục hoành O’T có chiều dương từ tâm O’ về phía phải còn trục tung O’Z có chiều dương hướng xuống dưới. - Dựa vào bảng tính T và Z. Ta có được tọa độ các điểm ứng với cac góc α = 10°; 20°; 30°…720°.

Cứ tuần tự ta xac đinh được cac điểm từ 0 đến 720 độ - Ta dùng lệnh nối trong excel giữa 2 trục hoành và trục tung ta copy hàm đã nối. Và dùng phần mềm autocad để ve bằng lệnh spl thì ta se ve được đô thi phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu.104MN/m2 16 - Từ gốc tọa độ của O’ lấy theo hướng dương của Z một khoảng: O’O = = 2.554 mm - O là tâm chốt khuỷu, từ tâm chốt khuỷu ta kẻ đường tròn tượng trưng cho chốt khuỷu, giá tri của lực tác dụng lên chốt khuỷu là vecto có gốc O và ngọn là một điểm bất kỳ nằm trên đường biểu diễn đô thi phụ tải.8 Đồ thị phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu 10.