CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU PISTON - TRỤC KHUỶU - THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 1. Nhiệm vụ và điều kiện làm việc của động cơ ở cơ cấu piston - trục khuỷu - thanh truyền 1. Nhiệm vụ Chuyển đổi chuyển động thẳng của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu để truyền công suất ra ngoài. Điều kiện làm việc Trong cơ cấu này, mỗi chi tiết có điều kiện làm việc khác nhau: - Khi trục khuỷu hoạt động trạng thái làm việc rất phức tạp: + Trục khuỷu phải chịu tác dụng của lực khí thể và lực quán tính.
Các lực này có giá trị cực kì lớn và biến đổi theo các chu kỳ cụ thể tạo nên sự va đập mạnh. + Các lực tác dụng đã tạo ra ứng suất uốn và xoắn trên trục đồng thời gây ra hiện tượng dao động theo chiều dọc và xoắn dẫn đến sự mất cân bằng động cơ làm động cơ rung động. + Các lực này cũng có thể gây ra sự mòn trên các bề mặt tiếp xúc giữa cổ trục và trục khuỷu. - Đối với bộ phận thanh truyền: Trong quá trình hoạt động, bộ phận thanh truyền phải chịu lực tổng hợp của lực khí thể và lực quán tính.
Ngoài ra, vì bộ phận thanh truyền di chuyển theo chuyển động song phẳng nên nó cũng phải chịu lực quán tính tác động lên trọng tâm của bản thân nó. Các lực này thường gây nên uốn cong và xoắn cho thanh truyền. - Đối với Piston: Điều kiện làm việc của Piston đầy khắc nghiệt, phải chịu tải trọng cơ học và tải trọng nhiệt đồng thời. Bên cạnh đó, Piston còn phải đối mặt với hiện tượng ma sát và ăn mòn.
+ Tải trọng cơ học trong quá trình đốt cháy, khí hỗn hợp tạo ra áp suất vô cùng cao trong buồng đốt. Trong chu kỳ làm việc áp suất của khí thể thay đổi lớn, do đó lực từ khí thể có tính chất va đập. Trang 1 Luận văn tốt nghiệp SVTH: Tạ Phan Cảnh Tiên + Tải trọng nhiệt trong quá trình cháy đốt trong động cơ đưa Piston vào tiếp xúc trực tiếp với sản vật cháy, có nhiệt độ rất cao. Điều này dẫn đến việc nhiệt độ của Piston đặc biệt là phần đỉnh của nó sẽ trở nên rất cao.
+ Ma sát và ăn mòn trong quá trình hoạt động, piston phải đối mặt với sự ma sát đáng kể do thiếu dầu bôi trơn và áp lực ngang khi ép piston vào xilanh. Ma sát này trở nên càng nghiêm trọng khi piston bị biến dạng do áp lực lúc làm việc. Ngoài ra, đỉnh của piston tiếp xúc trực tiếp với sản phẩm đốt, dẫn đến hiện tượng ăn mòn từ phía sản phẩm đốt. Đặc điểm kết cấu của cơ cấu piston - trục khuỷu - thanh truyền 1.
Kết cấu nhóm piston - Piston gồm ba phần chính: + Đỉnh Piston đây là phần trên cùng của Piston và cùng với xilanh, nắp máy hình thành buồng đốt cháy. + Đầu Piston bao gồm đỉnh Piston và vùng đai lắp xéc măng dầu và xéc măng khí có nhiệm vụ chính là bao kín buồng đốt. + Thân Piston phía dưới rãnh xéc măng dầu cuối cùng ở đầu Piston, nhiệm vụ chính của nó là dẫn hướng cho Piston. - Đặc điểm kết cấu của piston được mô tả như hình 1.1 thể hiện biên dạng và kết cấu bên trong của chi tiết.
Kết cấu piston động cơ Diesel 4 kỳ Trang 2 Luận văn tốt nghiệp SVTH: Tạ Phan Cảnh Tiên ❖ Kết cấu đỉnh Piston + Kết cấu của đỉnh Piston có sự đa dạng: ▪ Đỉnh bằng đây là loại phổ biến nhất có diện tích chịu nhiệt bé nhất và có kết cấu đơn giản dễ sản xuất chế tạo. ▪ Đỉnh lồi loại đỉnh này có độ cứng vững cao. Nó không cần bố trí các đường gân phía dưới đỉnh điều đó giúp giảm trọng lượng Piston. Tuy nhiên, loại đỉnh này ít kết muội than nhưng do bề mặt chịu nhiệt lớn nên làm ảnh hưởng xấu đến quá trình làm việc của Piston.
▪ Đỉnh lõm có diện tích chịu nhiệt lớn hơn đỉnh bằng nhưng có ưu điểm là tạo ra xoáy lốc trong quá trình nén và trong quá trình cháy. + Kết cấu đầu Piston bao gồm việc đặt các rãnh xéc măng, với số lượng rãnh xéc măng khí từ 35 và số lượng rãnh xéc măng dầu từ 1 3. Để giảm nhiệt độ cho xéc măng khí thứ nhất, ta cần bố trí xéc măng khí thứ nhất gần khu vực nước làm mát càng tốt điều này giúp tăng hiệu suất hoạt động đối với động cơ. Sự lựa chọn về số lượng rãnh xéc măng khí thường dựa trên các yếu tố như áp suất của khí thể (cao hay thấp), tốc độ làm việc (cao hay thấp), và đường kính của xilanh (lớn hay nhỏ).
+ Kết cấu thân Piston: Thân Piston có vai trò là dẫn hướng chuyển động cho Piston trong xilanh và chịu lực ngang N. Để đảm bảo sự dẫn hướng tốt và giảm sự va đập cũng như khe hở ngày càng nhỏ càng tốt. Chiều dài của thân Piston càng lớn, khả năng dẫn hướng áp suất tác động lên Piston càng nhỏ từ đó làm gia tăng tuổi thọ của chi tiết này. Tuy nhiên, việc làm thân Piston càng dài đồng nghĩa với việc tăng trọng lượng của Piston càng lớn và tạo ra sự ma sát càng lớn hơn giữa các chi tiết với nhau.
Vị trí của lỗ bệ chốt: Nếu chốt Piston được đặt ở chính giữa thân piston trong trạng thái tĩnh áp lực sẽ phân bố đều khi đó lực ngang chính là tác nhân chính sẽ tác dụng lên Piston. Tuy nhiên, khi Piston chuyển động bởi vì lực ma sát tác động có thể làm cho Piston có xu hướng quay quanh chốt làm cho áp suất của Piston nén trên xilanh phân phối không đều. Trang 3 Luận văn tốt nghiệp SVTH: Tạ Phan Cảnh Tiên Hình dạng của thân Piston thường không phải là hình trụ. Thay vào đó, tiết diện ngang thường có hình dạng ô van hoặc vát ở hai đầu bệ chốt Piston.
Điều này được thực hiện để đảm bảo rằng khi Piston bị biến dạng do tác động của lực khí thể, lực ngang và nhiệt độ, Piston không bị kẹt trong xilanh khi làm việc. Để giải quyết vấn đề bó kẹt của piston, người ta thường thiết kế thân Piston có hình dạng giống một ô van trục ngắn nằm trùng với đường tâm của chốt. Hoặc họ có thể tiện vát bớt mặt thân Piston ở hai đầu của chốt. Trạng thái biến dạng của Piston khi chịu nhiệt, lực khí thể P z và lực ngang N 1.
Kết cấu nhóm thanh truyền Trong động cơ đốt trong thông thường, thường có một hoặc nhiều hàng xilanh. Dựa vào số xilanh mà kết cấu, số lượng thanh truyền không giống nhau. Động cơ nhiều hàng xilanh thường bao gồm hai loại là động cơ chữ V và động cơ hình sao. Thanh truyền của hai loại động cơ này có những điểm đặc biệt và khác biệt so với thanh truyền của động cơ một hàng xilanh.
Kết cấu thanh truyền một hàng xilanh Ở động cơ một hàng xilanh số lượng thanh truyền sẽ bằng số lượng xilanh và trên một cổ khuỷu chỉ lắp một thanh truyền. Kết cấu của thanh truyền trong một hàng xilanh bao gồm ba phần: - Đầu nhỏ thanh truyền: Kết cấu đầu nhỏ phụ thuộc vào kích thước chốt piston và phương pháp lắp ghép chốt piston với đầu nhỏ thanh truyền. Khi chốt được lắp tự do, đầu nhỏ thanh truyền thường có dạng giống một trụ rỗng. Thanh truyền khi mà lớn thường sử dụng đầu nhỏ có hình dạng cung tròn đồng tâm hoặc có thể sử dụng đầu nhỏ kiểu ô van nhằm tăng độ cứng vững và tuổi thọ của chi tiết.
Trang 4 Luận văn tốt nghiệp SVTH: Tạ Phan Cảnh Tiên Trong động cơ máy bay, động cơ dùng trên ôtô, đầu nhỏ thanh truyền có dạng trụ mỏng (hình 1. Khi lắp chốt piston tự do, có sự chuyển động tương đối giữa chốt piston và đầu nhỏ, do đó cần chú ý đến việc bôi trơn mặt ma sát để đảm bảo rằng sự làm việc của chi tiết trở nên mượt và êm dịu của hệ thống. Thông thường, dầu nhờn được đưa lên bề mặt chốt piston và bạc lót đầu nhỏ thông qua một đường dẫn dầu khoan dọc theo thân thanh truyền. Đầu nhỏ của thanh truyền khi chốt piston được lắp ghép tự do Phía trên đầu nhỏ thanh truyền trong động cơ tốc độ cao, đôi khi có một bề mặt lồi nhỏ được sử dụng để điều chỉnh trọng lượng và trọng tâm của thanh truyền.
Đầu nhỏ thanh truyền của các động cơ dùng kiểu lắp chốt piston cố định trên đầu nhỏ thanh truyền có dạng như hình 1. Đầu nhỏ của thanh truyền được lắp cố định với chốt piston Kết cấu của đầu nhỏ thanh truyền trong trường hợp loại này phụ thuộc vào phương pháp cố định chốt piston trên đầu nhỏ của nó. Trang 5 Luận văn tốt nghiệp SVTH: Tạ Phan Cảnh Tiên Cố định chốt piston trên đầu nhỏ thanh truyền theo kiểu giới thiệu trên hình 1.5a,c tương đối khó khăn. Cố định chốt Piston trên đầu nhỏ thanh truyền - Thân thanh truyền: Chiều dài l sẽ phụ thuộc dựa trên tham số kết cấu của chi tiết thanh truyền.
Tiết diện ngang của thân thanh truyền giới thiệu trên hình 1. Tiết diện thân thanh truyền Loại thân thanh truyền có tiết diện tròn ( hình 1.6c,d) thường dùng trong động cơ tĩnh tại và động cơ tàu thuỷ tốc độ thấp. Loại này có là dễ dàng sản xuất bằng cách rèn tự do và gia công. Tuy nhiên, điểm yếu của loại này thường liên hoan đến việc sử dụng vật liệu không phù hợp.
Bởi vì, trong mặt phẳng lắc của thanh truyền chịu lực tác động lớn nhất vì vậy thanh truyền phải có mô đun chống uốn lớn hơn so với mặt phẳng khác. Vì vậy, khi sử dụng thân thanh truyền có tiết diện là hình tròn và đảm bảo độ cứng vững trong mặt phẳng lắc đủ, thì độ cứng vững trong mặt phẳng khác có thể trở nên dư thừa dẫn đến tăng khối lượng và tốn kém vật liệu. Ở vài động cơ nhiều hàng xilanh, đôi khi dùng thân thanh truyền có tiết diện chữ H (hình 1.6e) để tăng độ cứng và vững chắc của thanh truyền. Trang 6 Luận văn tốt nghiệp SVTH: Tạ Phan Cảnh Tiên Thanh truyền có tiết diện chữ nhật hoặc hình ô van (như hình 1.6g và h) thường được sử dụng trong các động cơ như mô tô, xuồng máy và động cơ cỡ nhỏ khác.
Đây là loại thanh truyền đơn giản và dễ dàng sản xuất. Đôi khi, để tăng thêm độ cứng vững và làm cho quá trình khoan đường dầu bôi trơn dễ dàng hơn, thân thanh truyền được gia cố bằng việc thêm các gân gia cố trên toàn bộ chiều dài của nó. Tiết diện của loại thân này giới thiệu trên hình 1.