Đồ án môn học: Thiết kế cơ cấu thanh truyền trục khuỷu trong công nghệ ô tô

Đồ án mẫu thiết kế cơ cấu thanh truyền trục khuỷu ngành công nghệ ô tô. Tài liệu gồm lý thuyết, tính toán, cấu tạo và phân tích động cơ thực tế.

• Tác giả: Phan Trọng An
• Người hướng dẫn: Nguyễn Đỗ Minh Triết
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Ô tô
• Đề tài: Thiết kế cơ cấu thanh truyền trục khuỷu
• Loại tài liệu: Đồ án môn học
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án thiết kế cơ cấu thanh truyền trục khuỷu ô tô

Đồ án thiết kế cơ cấu thanh truyền trục khuỷu là một dự án học thuật quan trọng trong lĩnh vực công nghệ ô tô. Trục khuỷu và thanh truyền đóng vai trò không thể thiếu trong động cơ đốt trong, chuyển chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay. Công nghiệp ô tô Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ, và việc nắm vững kiến thức về cơ cấu thanh truyền là điều cần thiết cho kỹ sư cơ khí. Đề tài này không chỉ giúp sinh viên hiểu rõ về cấu tạo và nguyên lý hoạt động mà còn tạo cơ hội áp dụng các kiến thức lý thuyết vào thực tế. Thông qua nghiên cứu này, học viên có thể phát triển kỹ năng thiết kế, tính toán kỹ thuật và mô phỏng máy tính, những kỹ năng cơ bản trong ngành cơ khí hiện đại.

1.1. Ý nghĩa và lý do chọn đề tài

Lý do chọn đề tài thiết kế cơ cấu thanh truyền trục khuỷu xuất phát từ tầm quan trọng của bộ phận này trong động cơ ô tô. Trục khuỷu là chi tiết chịu lực lớn nhất, cần thiết kế chính xác để đảm bảo độ bền và hiệu suất. Việc nghiên cứu sâu về cơ cấu thanh truyền giúp sinh viên hiểu rõ quy trình thiết kế kỹ thuật, từ phân tích động học, động lực học đến tính toán kích thước chi tiết. Đồng thời, đề tài này giúp nâng cao kỹ năng sử dụng phần mềm CAD và mô phỏng, những công cụ thiết yếu trong công nghiệp hiện đại.

1.2. Tầm quan trọng của trục khuỷu trong động cơ

Trục khuỷu là cơ chế truyền lực chính, chuyển tải công suất từ piston sang hộp số. Nó phải chịu được lực nén cao, dao động lớn và tốc độ quay nhanh. Thiết kế sai lầm có thể dẫn đến hỏng hóc động cơ, ảnh hưởng đến an toàn. Thanh truyền kết nối piston với trục khuỷu, phải có độ cứng cao nhưng trọng lượng nhẹ. Việc tối ưu hóa cơ cấu thanh truyền giúp cải thiện hiệu suất nhiên liệu và giảm khí thải, góp phần phát triển ô tô xanh.

II. Phân tích động học và động lực học cơ cấu thanh truyền trục khuỷu

Phân tích động học của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền bao gồm việc xác định chuyển vị, vận tốc và gia tốc của các chi tiết chuyển động. Động lực học liên quan đến tính toán lực quán tính, lực khí thể tác dụng lên thanh truyền và trục khuỷu. Các yếu tố này được tính toán dựa trên góc quay của trục khuỷu, số vòng quay động cơ, và thông số kỹ thuật. Việc nắm vững những phép tính này giúp kỹ sư thiết kế bộ phận có độ bền đủ, tránh dao động quá mức. Phần mềm tính toán như MATLAB, CAD được sử dụng để mô phỏng và xác minh kết quả.

2.1. Khối lượng các chi tiết chuyển động

Khối lượng của nhóm piston, thanh truyền và trục khuỷu là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến động lực học. Khối lượng nhóm piston bao gồm piston, piston pin và các chi tiết kèm theo. Thanh truyền có khối lượng phân bố dọc theo chiều dài, cần tính toán mômen quán tính. Trục khuỷu có khối lượng tập trung ở các cánh tay khuỷu. Tổng khối lượng này ảnh hưởng trực tiếp đến lực quán tính và momen cân bằng của động cơ.

2.2. Lực và momen tác dụng lên cơ cấu thanh truyền

Lực khí thể từ quá trình đốt cháy tác dụng lên piston, truyền qua thanh truyền đến trục khuỷu. Lực quán tính phát sinh từ gia tốc chuyển động của các chi tiết. Hệ lực tác dụng trên cơ cấu thanh truyền được phân tích theo từng góc quay của trục khuỷu. Việc tính toán chính xác những lực này giúp xác định ứng suất, mô men uốn và xoắn trên các chi tiết, từ đó chọn vật liệu và kích thước phù hợp.

III. Cấu tạo hoạt động và điều kiện làm việc của trục khuỷu và thanh truyền

Trục khuỷu có cấu tạo phức tạp, gồm các cổ trục chính, cánh tay khuỷu, chốt khuỷu và đầu dẫn. Nó phải chịu được áp lực cao, nhiệt độ lớn và tốc độ quay nhanh. Thanh truyền có cấu tạo gồm đầu nhỏ (nối với piston pin) và đầu lớn (nối với chốt khuỷu). Điều kiện làm việc rất khắc nghiệt: nhiệt độ từ 2000-3000°C khi đốt cháy, áp lực lên 100 bar, tốc độ quay từ 1000-8000 vòng/phút tùy loại động cơ. Vật liệu sử dụng phải có độ bền cao, khả năng chịu mệt mỏi tốt. Trục khuỷu thường được làm từ thép hợp kim, đôi khi được rèn để tăng độ bền.

3.1. Nhiệm vụ và cấu tạo trục khuỷu

Trục khuỷu có nhiệm vụ chính là chuyển chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay, truyền công suất ra hộp số. Cấu tạo trục khuỷu bao gồm: cổ trục chính chịu toàn bộ trọng lượng, cánh tay khuỷu tạo ra khoảng cách lệch pha, chốt khuỷu nối với thanh truyền, và đầu dẫn để lắp ráp các chi tiết khác. Mỗi phần được thiết kế tối ưu để giảm trọng lượng mà vẫn đảm bảo độ cứng.

3.2. Cấu tạo hoạt động và điều kiện làm việc thanh truyền

Thanh truyền gồm đầu nhỏ tạp động với piston pin và đầu lớn chứa tấm chêm nối với chốt khuỷu. Hoạt động của thanh truyền là trung gian truyền lực và chuyển động giữa piston và trục khuỷu. Nó chịu các lực căng, nén, uốn và xoắn. Vật liệu thường là thép hợp kim có độ bền kéo cao. Điều kiện làm việc đòi hỏi độ cứng tốt để tránh biến dạng, độ dẻo để chịu va chạm, và khả năng chịu mệt mỏi cao.

IV. So sánh công nghệ trục khuỷu trên các mẫu ô tô hiện đại

Công nghệ trục khuỷu trên các ô tô hiện đại đã có những cải tiến đáng kể. Động cơ 1NZ-FE trên Toyota Vios sử dụng trục khuỷu rèn, có độ bền tốt với chi phí hợp lý, phù hợp với xe phổ thông. Động cơ VC-Turbo trên Infiniti QX50 2018 sử dụng công nghệ D-Cycle (Dynamic Compression), cho phép thay đổi chiều cao piston, tối ưu hóa tỷ lệ nén động, cải thiện hiệu suất nhiên liệu đến 27%. Công nghệ trục khuỷu này áp dụng vật liệu composite và kỹ thuật CNC hiện đại. So sánh các thiết kế cho thấy xu hướng giảm khối lượng, tăng độ bền, và cải thiện hiệu suất để đáp ứng tiêu chuẩn khí thải ngày càng khắt khe.

4.1. Đánh giá trục khuỷu động cơ 1NZ FE Toyota Vios

Trục khuỷu 1NZ-FE được thiết kế cho động cơ 1.5L, 4 xi lanh, 4 kỳ. Cấu tạo trục khuỷu này tương đối đơn giản, dễ bảo dưỡng, chi phí sửa chữa thấp. Vật liệu là thép rèn, độ bền đáp ứng yêu cầu xe cỡ nhỏ. Điểm yếu là hiệu suất không cao so với công nghệ mới, nhưng độ tin cậy đã được chứng minh qua hàng triệu xe trên thế giới.

4.2. Công nghệ VC Turbo và D Cycle trên Infiniti QX50

Công nghệ D-Cycle (Dynamic Compression) là bước đột phá trong thiết kế cơ cấu thanh truyền. Nó cho phép trục khuỷu kết nối với 2 thanh truyền, mỗi thanh truyền dài khác nhau, tạo khả năng thay đổi chiều cao piston từ 8mm đến 34mm. Tỉ lệ nén động dao động từ 8:1 đến 14:1 tùy chế độ lái, tối ưu hóa công suất và tiêu thụ nhiên liệu. Công nghệ này yêu cầu độ chính xác cao, sử dụng vật liệu cao cấp và quy trình chế tạo CNC tiên tiến.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Lý do chọn đê tời, tâm quan trọng, ý nghĩa Từ những năm 80 của thế kỷ XIX những chiếc ô tô đầu tiên của thế giới đã ra đời, cho tới nay nó đã trở thành một ngành công nghiệp phát triển hàng đầu trên thế giới. Ở Việt Nam hiện nay nó đã được Đảng và nhà nước xem là một ngành công nghiệp mũi nhọn thúc đẩy công cuộc xây dựng và phát triển đất nước. Cho tới nay thì trên ô tô đã có rất nhiều những cải tến v'ê tất cả các hệ thổng, cho nên công việc sửa chữa - bảo dưỡng cũng ngày một phức tạp hơn. Chính vì vậy mà môn học cấu tạo ôtô đã trở thành một môn đạc biệt quan trọng nhất là đổì với những sinh viên thuộc ngành cơ khí động lực.

Cùng với sự phát triển của thế giới thì ngành cơ khí của nước ta cũng đã và đang dần hoà nhập với thế giới. Trong ngành cơ khí nói riêng thì việc phát triển nhất là động cơ ô tô. 0 tô là một loại xe có cấu tạo rất phức tạp với rất nhiêu các hệ thổng các bộ phận khác nhau. Trục khuỷu - thanh truyền là một trong những cơ cấu quan trọng của ô tô nó không thể thiếu được ở bất cứ một động cơ nào không có trục khuỷu thanh truyền thì động cơ sẽ không hoạt động được nó có nhiệm vụ biến chuyển động tịnh tến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu và truyền công suất ra ngoài.

Thiết kế môn học là một đề tài thiết thực nó không những giúp cho ta nắm được về cấu tạo, nguyên lý hoạt động mà còn giúp ta củng cổ vững chắc về chuyên môn, mở rộng tầm hiểu biết mà còn giúp ta có thêm niềm tn, lòng yêu nghề về ngành học mà ta đã lựa chọn. Là một sinh viên đang học tập tại Trường ĐHSPKT Nam Định em đã được giao đề tài nghiên cứu về "Kết cấu trục khuỷu- thanh truyền" của động cơ ô tô.2 Giới thiệu chung về động cơ đổt trong 1.1 Sơ lược chung vê động cơ đốt trong Trang 5 - 1860: Động cơ đổt trong đầu tìên ra đời do ông Lenoir là một người hầu bàn và là một nhà kỹ thuật nghiệp dư ở Paris chế tạo. Động cơ chạy khí đổt có hiệu suất 2-3%. - 1867: Tại một cuộc triển lãm thế giới ở Paris, Otto và Langen đã trưng bày một kiểu động cơ nhiệt với hiệu suất 9%.

- 1876: Otto đã chế tạo chiếc động cơ khí gas bổn kỳ đầu tìên, hiệu suất khoảng 15%. Gần như đồng thời lúc bấy giờ, một người Anh là Clerk cũng đã chế tạo ra động cơ 2 kỳ chạy bằng khí gas. - 1883: Daimler- Maybach đã phát triển động cơ chạy bằng xăng 4 kỳ, đổt cháy bằng tía lửa điện có tổc độ nhanh. -1886: Daimler- Maybach cho xuất xưởng chiếc động cơ xăng đầu tìên có công suất Ne= 0,25 mã lực và tổc độ vòng quay n= 600v/phút.

-1897: Năm đã sản xuất chiếc động cơ Diesel đầu tìên có khả năng làm việc được với hiệu suất 26%. -1911: Động cơ mới có máy khởi động thay cho quay tay. -1954: Động cơ piston do hãng NSU - Wankel chế tạo nổi bật v'ê tính gọn nhẹ. - 1979: Hệ thổng điêu khiển điện tử (ECU) đã được áp dụng trên ô tô cho các động cơ phun xăng và dóng bộ chế hoà khí điện tử.

- 1991: Khoảng 20% các chức năng của ô tô đã được điêu khiển điện tử và đến năm 1995 đã có bước nhảy vọt là 80%. Hiện nay, mức độ tự động hoá của ô tô đã tăng lên rất nhiêu. Người ta còn nghiên cứu và chế tạo các loại động cơ ô tô sử dụng nhiên liệu sạch như xe chạy điện, sử dụng oxy và hydro làm nhiên liệu để chổng ô nhiễm môi trường. Tiêu biểu là loại động cơ Hybrid- có rất nhiêu ưu điểm và đang được phát triển rộng rãi.2 Phân loại động cơ đổt trong Phân loại chung: —-*■ Động cơ piston Động £0 mãngi Động cơ khí ----* Động cơ Vanken Trang 6 Động cơ đổt trong -----> Động cơ phản lực -—Tuabin khí 1.

Thông sổ kỳ thuật của động cơ 0 tô ZIL 130 có động cơ 8 xilanh xếp thành hình chữ v,4 kỳ có các burat (bộ chế hoà khí) có xupáp ở trên , làm mát bằng nước. + Sổ lượng xilanh : có 8 cái đạt vuông góc nhau 900 + Đường kính trong và hành trình của piston 100 x 95mm + Tổng dung tích các xilanh 6 bit + Tỷ sổ nén 6,5 + Công suất lớn nhất, với sổ vòng quay trục khuỷu 3600 vòng/phút là 178 sức ngựa. + Công suất lớn nhất với sổ vòng quay trục khuỷu là 3100 vòng/phút là 142 sức ngựa. + Công suất (với bộ hạn chế tổc độ trục khuỷu) ở tổc độ trục khuỷu là 3200 vòng/phút là 150 sức ngựa.

+ Mô men xoắn lớn nhất với sổ vòng quay trục khuỷu 2200-2400 vòng/phút là 42kgm. + Mo men xoắn lớn nhất với sổ vòng quay trục khuỷu 1800-2000 vòng/phút là 39- 41 kgm. + Mức tìêu thụ nhiên liệu riêng, tổi thiểu của sức ngựa, giờ 240. + Thứ tự làm việc của các xylanh 1-5-4-2-6-3-7-8.

+ Sổ thứ tự của các xylanh tính từ quạt. Hàng bên phải 1-2-3-4. Hàng bên trái 5-6-7-8. + Trọng lượng động cơ khô ,với hộp sổ phanh tay ,máy nén, bơm trợ lái thuỷ lực và quạt 640kg.

Sự lắp đột của động cơ Động cơ được bắt chạt trên khung xe nhờ 3 giá đỡ(điểm tựa). Theo thời hạn quy định trong mục bảo dưỡng kỹ thuật cần kiểm tra và siết chạt lại êcu bulông trước và sau bắt chạt động cơ, mô men siết chạt êcu bulông của giá đỡ sau là 20-25 kgm. Mômen siết chạt êcu 2 và 4 của giá đỡ trước và bulông của giá đỡ sau là 8- 10 kgm. Giữa tai treo của giá đỡ và xà ngang trước có tấm đệm cao su tròn, giá đỡ sau của động cơ có tấm đệm hình vát.

Sau quãng đường 50000 km khi bảo dưỡng thường kỳ cần tháo tấm đệm điều chỉnh.4 Phương pháp nghiên cứu : 1.1 Sử dụng phương pháp thu thập thông tín nào - Từ giáo trình môn Động cơ đốt trong .v - ]ừ các thông tin trên các trang mạng xã hội - Từ các anh/chị của các khóa học trươc 1.2 Phương pháp để nghiên cứu là: Phương pháp thu thập sổ liệu.3 Phần mềm để tính toán, thiết kế, mô phỏng: - Matlab - Autocad 2D - Solidworks - Autocad plant 3D - Inventor Trang 8 CHƯƠNG 2 ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LựC HỌC CỦA Cơ CẤU TRỤC KHUỶU VÀ THANH TRUYỀN 2.1 Động học của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền +Quy luật động học của thanh truyền : Thanh truyền trong cơ cấu khuỷu trục thanh truyền chuyển động rất phức tạp trong mặt phẳng vuông góc với đường tâm trục khuỷu, đầu nhỏ thanh truyền chuyển động tịnh tiến theo phương đường tâm xilanh, trong khi đó đầu to thanh truyền chuyển động quay tròn quanh đường tâm trục khuỷu với tổc độ coi như không đổi. Vì vậy chuyển động của thanh truyền đổì với đường tâm xi lanh biến thiên theo quan hệ sau đây: p = arcsin(Xsinx) (1) Góc lệch này cực đại khi x 6 9Oovà x=27O0 lúc đó Pmax = arcsinÀ Lấy đạo hàm (1) có: o =d£ dfi dx d@_ 0)11 6 dt dx. dt te dx X: là tổc độ góc trục khuỷu ô Do sinp = Àsina nên lấy đạo hàm 2 vế đẳng thức ta có : Trang 9 cosp .dp = Ấ, cosx dx _ dổ_. cosx ^~r 6 A dx cosổ thay vào (2).

' 7 cosổ Hoặc: lấy đạo hàm 2 vế công thức vơi thơi gian t ta có công thức tính gia tổc thanh truyền :. cos x tf Vi-Â2sin2 Ă dtó £fí dx - dt dx. dt dx Ett 6 tó. M- (5 — A;)sig^ - (1— A2sin2 A)/2 Khi x=9O0 và x=27O0 ta có: = /<-■' “ ”“ Vi-A2 2.

Động lực học của cơ cấu khuỷu trục thanh truyền 2. Khổi lượng của các chi tiết chuyển động Khổì lượng của các chi tìết này của cơ cấu kt-tt được chia làm 2 loại : - Khổì lượng chuyển động tịnh tìến. - Khổì lượng chuyển động quay. Khối lượng của nhóm píston - Khổì lượng của nhóm piston bao gồm: khổi lượng của piston , xéc măng, chồi piston, cán guổc trượt.

mnP= mp +mx +mc + mcg +mg +. (kg) Trang 10 - Khối lượng nhóm piston là Khối lượng chuyển động tịnh tiến 2. Khối lượng của thanh truyền Do thanh truyền chuyển động song phẳng : đầu nhỏ chuyển động tịnh tiến , đầu to chuyển động quay nên khi xét Khối lượng của thanh truyền thường phải quay về hai tâm :tâm đầu nhỏ và tâm đầu to. Nói chung khi thay thế thanh truyền thực bằng các khối lượng tương đương bao giờ ta cũng đảm bảo điều kiện bảo toàn của động năng các phương án quy dẫn khối lượng của thanh truyền được thể hiện trên hình vẽ Trang 11 Hình 2.1: Các phương án quy dẫn khổi lượng thanh truyền Trang 12 - Phương án (a) thay thế Khối lượng thanh truyền bằng hệ tương đương một khối lượng tập chung ở trọng tâm G.

Khi thay thế theo phương án này Khối lượng mH vẫn chuyển động song phẳng .Vì vậy qua tính toán ta thấy rằng nếu thay thế thanh truyền sẽ chịu tác động của một khối thanh truyền chuyển động tịnh tìến. đạt tại tâm đầu nhỏ và một khối lượng chuyển động quay: ỊỊ m; = mtt. l đạt tại tâm đầu to. Ngoài ra cơ cấu còn chịu một mô men: Mc= ftt.

ỉ (ỉ-Ỉ5} mô men Mc được gọi là mô men thanh truyền - Phương án (b) thay thế thanh truyền bằng hệ tương đương 2 khối lượng tập chung ở tâm đầu nhỏ và tâm đầu to. Phương án này từ ý nghĩa vật lý rất rõ ràng nhưng không thoả mãn được điều kiện động năng không đổi cụ thể : phương án chỉ thỏa mãn 2 điều kiện: mA+ mB 6 mtt mA.li - mB(l-li) 6 0 d—b5 m E = tt • b m b - m 6m B tt • b Trang 13 từ đó rút ra: mômen quán tính của hệ thay thế khối lượng phân bổ càng xa trọng tâm thì l0 càng lớn hơn lG mômen quán tính của thanh truyền thực. i2 ? II-!,1 m «C= o tt 11- 1 bổ - Phương án (c) :Phân 1 +thanh truyền thành 2 khối lượng: một đạt ở tâm đầu 1 ) 1 CG nhỏ và một đạt ở tâm giao động con lắc k (coi thanh truyền giao động như một con lắc) phân bổ khối lượng theo phương án này hoàn toàn bảo đảm điều kiện năng động không đổi. Nghĩa là: mA + mK 6 mtt mA.