CHƯƠNG I: PHÂN TÍCH ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC, NHIỆM VỤ VÀ YÊU CẦU CỦA HỆ THỐNG KHUỶU TRỤC THANH TRUYỀN 1. NHIỆM VỤ CỦA HỆ THỐNG KHUỶU TRỤC THANH TRUYỀN: Tiếp nhận năng lượng khí cháy, tạo thành chuyển động tịnh tiến của piston (trong xy – lanh) và biến nó thành cơ năng làm quay trục khuỷu, tạo mô – men có ích cho động cơ làm việc. Bảo đảm bao kín buồng cháy, giữ không cho khí cháy trong buồng cháy lọt xuống Các- te (hay hộp trục khuỷu) và ngăn không cho dầu nhờn từ hộp trục khuỷu sục lên buồng cháy. Làm nhiệm vụ nén trong quá trình thải và hút khí nạp mới vào buồng cháy trong quá trình nạp.
ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC, YÊU CẦU VÀ PHÂN LOẠI CỦA TỪNG BỘ PHẬN TRONG HỆ THỐNG: 1.1 Piston: Nhiệm vụ: Nhiệm vụ chủ yếu của piston là cùng với các chi tiết khác như xy-lanh, nắp xy-lanh bao kín tạo thành buồng cháy, đồng thời truyền lực của khí thể cho thanh truyền cũng như nhận lực từ thanh truyền để nén khí. Điều kiện làm việc: Tải trọng cơ học lớn và có chu kỳ, áp suất lớn có thể đạt tới 120 kG/cm2, lực quán tính lớn đặc biệt nếu là động cơ cao tốc. Tải trọng nhiệt cao vì piston tiếp xúc trực tiếp với khí cháy nên có thể đạt nhiệt độ cao từ 500 – 8000K. Nhiệt độ cao khiến piston chịu ứng suất nhiệt lớn gây bó kẹt, nứt, giảm sức bền, gây kích nổ.vv… Ma sát lớn và ăn mòn hóa học.
Ma sát gây nên do lực ngang nên có giá trị lớn với điều kiện bôi trơn khó khăn nên khó đảm bảo bôi trơn tốt. Ăn mòn hóa học do piston thường xuyên tiếp xúc với sản vật cháy. Yêu cầu: Dạng đỉnh piston tạo thành buồng cháy tốt nhất. Có độ bền và độ cứng đủ để tránh biến dạng quá lớn và chịu mài mòn.
Đảm bảo bao kín buồng cháy để công suất động cơ không bị giảm sút do hiện tượng lọt khí từ buồng cháy xuống cacte. Tản nhiệt tốt để tránh dãn nở nhiệt quá mức khi động cơ đang làm việc, ngoài ra tránh được hư hỏng piston do ứng suất nhiệt. Phân loại: Theo dạng đỉnh piston Đỉnh bằng: diện tích chịu nhiệt nhỏ, kết cấu đơn giản 3 Đỉnh lõm: có thể tạo xoáy lốc nhẹ, tạo thuận lợi cho quá trình hình thành hỗn hợp và đốt cháy. Tuy nhiên sức bền kém và diện tích chịu nhiệt lớn hơn so với đỉnh bằng.
Đỉnh chứa buồng cháy: thường gặp ở động cơ Diesel. Chốt Piston: Nhiệm vụ: Truyền lực tác dụng của khí thể từ piston xuống thanh truyền. Chốt piston thường có cấu tạo rỗng và được lắp lỏng với bệ chốt piston và đầu nhỏ thanh truyền. Điều kiện làm việc: Chốt piston chịu lực va đập, tuần hoàn, nhiệt độ cao và điều kiện bôi trơn khó khăn.
Chốt piston còn chịu ma sát dạng nửa ướt, chốt piston dễ bị mòn. Yêu cầu: Chốt piston phải được chế tạo bằng vật liệu tốt để đảm bảo sức bền và độ cứng vững. Bề mặt làm việc của piston cần tôi theo công nghệ đặc biệt để đảm bảo chốt có độ cứng cao, chịu mài mòn tốt. Ruột chốt phải dẻo để chống mỏi tốt.
Mặt chốt phải mài bóng để chống ứng suất tập trung và khi lắp ghép với piston và thanh truyền khe hở phải nhỏ. Phân loại: Theo kiểu lắp ghép chốt: Cố định chốt piston trên bệ chốt piston. Cố định chốt piston trên đầu nhỏ thanh truyền. Chốt piston lắp tự do.
Theo hình dạng: bề mặt bên trong chốt có dạng hình trụ hoặc côn 1. Xec – măng: Nhiệm vụ: Đảm bảo piston di động dễ dàng trong xylanh. Xec – măng có 2 loại là xec – măng khí và xec – măng dầu. Xec – măng khí làm nhiệm vụ bao kín buồng cháy tránh lọt khí còn xec – măng dầu ngăn dầu bôi trơn từ hộp trục khuỷu sục lên buồng cháy.
Điều kiện làm việc: Xec – măng chịu tải trọng cơ học lớn (áp lực khí cháy), chịu lực quán tính lớn, có chu kỳ và va đập. Ngoài ra xec – măng còn chịu nhiệt độ cao, ma sát lớn, ăn mòn hóa học và ứng suất lắp ghép ban đầu. Yêu cầu: Chịu nhiệt cao: đặc biệt với xec – măng khí tiếp xúc trực tiếp với khí cháy. Chịu lực va đập: vì khi làm việc lực khí thể và lực quán tính tác dụng lên xec – măng.
Chịu mài mòn: khi làm việc xec – măng ma sát với các xylanh rất lớn. Phân loại: có hai loại xec – măng là xec – măng khí và xec – măng dầu.Nhóm thanh truyền: Nhiệm vụ: Thanh truyền là chi tiết trung gian, trong đó đầu nhỏ lắp ghép với piston, đầu lớn liên kết với chốt khuỷu. Thanh truyền có nhiệm vụ truyền lực tác dụng từ piston đến trục khuỷu. Điều kiện làm việc: Thanh truyền có chuyển động phức tạp bao gồm: đầu nhỏ chuyển động tịnh tiến cùng piston, thân thanh truyền chuyển động lắc, đầu to chuyển động quay cùng với trục khuỷu.
Vậy thanh truyền chịu lực va đập tuần hoàn như lực khí thể, lực quán tính của nhóm piston và của chính bản thân thanh truyền. Yêu cầu: Lựa chọn kích thước và vật liệu chế tạo hợp lý để thanh truyền chịu được các lực va đập tuần hoàn như trên. Phân loại: Theo tiết diện thân thanh truyền. Tiết diện hình chữ I: có sức bền đều theo hai phương, được dùng rất phổ biến từ động cơ cỡ nhỏ đến động cơ cỡ lớn.
Tiết diện hình chữ nhật, ô van: có ưu điểm là dễ chế tạo, thường dùng ở động cơ mô – tô, xuồng máy cỡ nhỏ.5 Trục khuỷu: Nhiệm vụ: Tiếp nhận lực tác dụng từ piston tạo moment quay kéo các máy công tác và nhận năng lượng của bánh đà. Sau đó, truyền cho thanh truyền và piston thực hiện quá trình nén cũng như trao đổi khí trong xylanh. Điều kiện làm việc: Trục khuỷu chịu lực T, Z do lực khí thể và lực quán tính của nhóm piston – thanh truyền gây ra. Ngoài ra trục khuỷu còn chịu lực quán tính ly tâm của các khối lượng quay lệch tâm của bản thân trục khuỷu và của thanh truyền.
Những lực này gây uốn, xoắn, dao động xoắn và dao động ngang của trục khuỷu lên các ổ đỡ. Yêu cầu: Kết cấu trục khuỷu cần đảm bảo các yêu cầu: Đảm bảo động cơ làm việc đồng đều, biên độ dao động của moment xoắn tương đối nhỏ. Ứng suất sinh ra do dao động xoắn nhỏ. Động cơ làm việc cân bằng ít rung động.
Công nghệ chế tạo đơn giản. Phân loại: có hai loại là trục khuỷu nguyên là trục khuỷu ghép.6 Bánh đà: Nhiệm vụ: Giữ cho độ không đồng đều của động cơ nằm trong giới hạn cho phép. Ngoài ra bánh đà còn là nơi lắp vành răng khởi động và khắc vạch chia độ góc quay trục khuỷu. Yêu cầu: Trong quá trình làm việc, bánh đà tích trữ năng lượng dư sinh ra trong quá trình sinh công (lúc này moment chính của động cơ có giá trị lớn hơn moment cản nên nó làm cho trục khuỷu quay nhanh) để bù đắp phần năng lương hao hụt trong các hành trình tiêu hao 5 công (lúc này moment cản có giá trị lớn hơn moment chính của động cơ) khiến cho trục khuỷu quay đều hơn, giảm được biên độ dao động của tốc độ góc trục khuỷu.
Phân loại: Theo kết cấu: Bánh đà dạng đĩa: là bánh đà mỏng có moment quán tính nhỏ nên chỉ dùng cho động cơ tốc độ cao. Bánh đà dạng vành: là bánh đà có moment quán tính lớn. Bánh đà dạng chậu: là bánh đà có dạng trung gian của hai loại bánh đà trên, có moment quán tính và sức bền lớn. Bánh đà dạng vành có nan hoa: để tăng moment quán tính của bánh đà, phần lớn khối lượng bánh đà ở dạng vành xa tâm quay và nối với mayơ bằng các gân kiểu nan hoa.
CHƯƠNG II: CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 6 2. CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CÁC CHI TIẾT TRONG CƠ CẤU: ● Piston: Đối với động cơ diesel để thỏa mãn các yêu cầu sau đây: Phù hợp với hình dạng buồng cháy và hướng của chùm tia nhiên liệu phun vào buồng cháy để tổ chức tạo thành hỗn hợp tốt nhất. Tận dụng được xoáy lốc của không khí trong quá trình nén. Dựa trên mẫu động cơ tham khảo là Kubota Cummins ISB 4.5L với 4 xylanh, có 4 van là 2 van xả, 2 van hút cho một xylanh làm việc, đảm bảo hiệu suất nạp tốt nhất.
Vậy piston có đỉnh chứa buồng cháy có dạng đỉnh lõm như sau được chọn: Hình 1: Đỉnh piston ● Chốt piston: Để có kết cấu đơn giản dễ chế tạo và vì tỷ số nén động cơ diesel được thiết kế không lớn lắm nên chọn chốt piston có dạng mà bề mặt bên trong là hình trụ. ● Nhóm thanh truyền: a. Đầu nhỏ thanh truyền: Có hai dạng. Đầu nhỏ thanh truyền có dạng hình trụ rỗng.
Khi ấy chốt piston lắp tự do. Đầu nhỏ thanh truyền của các động cơ dùng kiểu lắp chốt piston cố định trên đầu nhỏ thanh truyền. Động cơ được thiết kế công suất không lớn nên chọn phương án đầu nhỏ thanh truyền có dạng trụ rỗng và có khoan lỗ hứng dầu. Thân thanh truyền: 7 Thân thanh truyền có tiết diện hình chữ I được sử dụng phổ biến vì đảm bảo sức bền theo hai phương.
Vậy chọn phương án thân thanh truyền có tiết diện chữ I. Đầu to thanh truyền: Có các loại sau: Phương án phổ biến nhất là một phần của đầu to thanh truyền được gắn liền với thân thanh truyền, phần còn lại được ghép với phần trên nhờ hai bulông. Phương án tương tự trên nhưng dùng nhiều bu lông hơn (4 hoặc 6 bulông) để lắp ghép với đầu to thanh truyền. Như vậy đường kính bulông sẽ nhỏ hơn so với phương án trên.
Tuy nhiên nhược điểm là các bu lông chịu lực không đều có thể dẫn đến hiện tượng mài mòn không đều và đứt gãy bulông. Tương tư phương án đầu tiên nhưng cắt chia đầu to thanh truyền theo mặt nghiêng 30 0 đến 600 so với đường tâm thanh truyền. Dùng chốt côn để lắp ghép đầu to thanh truyền theo kiểu khớp bản lề. Do tính đơn giản và phổ biến nên chọn phương án đầu tiên.
Hình 2: Thanh truyền ● Trục khuỷu: 8 Theo phân loại có hai loại là trục khuỷu nguyên và trục khuỷu ghép. Do động cơ diesel 4 xylanh phổ biến là dùng trục khuỷu nguyên nên chọn phương án thiết kế là trục khuỷu nguyên.