Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành kỹ thuật ô tô và chế tạo máy, động cơ đốt trong (Internal Combustion Engine - ICE) đóng vai trò là nguồn động lực then chốt cho các phương tiện giao thông vận tải đường bộ, máy kéo, tàu thủy cũng như máy phát điện và các thiết bị công nghiệp. Mặc dù xu hướng phát triển phương tiện xanh và xe điện đang gia tăng do áp lực ô nhiễm môi trường và cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch, động cơ đốt trong vẫn giữ vị trí chủ đạo nhờ chi phí đầu tư ban đầu hợp lý, tính bền bỉ, công suất làm việc mạnh mẽ và khả năng hoạt động liên tục với hệ thống trạm tiếp nhiên liệu rộng khắp.

Trong khuôn khổ học phần chuyên ngành, đồ án môn học "Động cơ đốt trong" được nhóm sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô (Viện Kỹ thuật HUTECH, Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh) thực hiện nhằm vận dụng các lý thuyết cơ bản về nhiệt động lực học, nguyên lý động cơ và sức bền vật liệu vào bài toán kỹ thuật thực tế.

Mục tiêu nghiên cứu:

  1. Tìm hiểu chi tiết cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các cụm chi tiết thuộc phần động trong động cơ đốt trong ô tô.
  2. Tính toán, thiết kế và kiểm nghiệm độ bền cơ học cho các chi tiết chuyển động chính của động cơ.
  3. Xây dựng bản vẽ kỹ thuật 2D, mô hình hình học 3D và mô phỏng động học chuyển động của cơ cấu trên phần mềm chuyên dụng.

Nhiệm vụ nghiên cứu:

  1. Khảo sát cấu tạo, phân tích điều kiện làm việc, các dạng hư hỏng và vật liệu chế tạo nhóm piston - chốt piston - xéc măng, nhóm thanh truyền và nhóm trục khuỷu - bánh đà.
  2. Xác định các thông số kích thước cơ bản dựa trên dãy thông số động cơ tham chiếu, tiến hành tính toán kiểm nghiệm bền đỉnh piston, chốt piston, xéc măng và các kết cấu liên quan.
  3. Thiết kế mô hình 3D và lắp ráp các chi tiết thành cụm chuyển động hoàn chỉnh, kết hợp thi công mô hình vật lý.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu phần động của động cơ đốt trong (bao gồm nhóm piston, nhóm thanh truyền và trục khuỷu - bánh đà).
  • Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn trong việc phân tích lý thuyết, tính toán thiết kế hình học, kiểm nghiệm ứng suất tĩnh/động lực và mô phỏng động học cơ cấu phần động, định hướng ứng dụng trên dòng xe Toyota Innova 2010 kết hợp số liệu tính toán kỹ thuật của động cơ Diesel bốn kỳ bốn xi-lanh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết nguyên lý và kết cấu động cơ đốt trong kết hợp cơ học máy và sức bền vật liệu. Các mô hình và công thức tính toán giải tích chính được áp dụng gồm:

  • Lý thuyết cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền: Đánh giá động học và động lực học của cơ cấu biến đổi chuyển động tịnh tiến khứ hồi của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu thông qua thông số kết cấu $\lambda = R/L$.
  • Phương pháp kiểm nghiệm bền đỉnh piston theo công thức Back: Giả thiết đỉnh piston là đĩa tròn có chiều dày đồng đều $\delta$ đặt trên gối tựa hình trụ rỗng, chịu áp suất khí thể phân bố đều $p_z$.
  • Phương pháp kiểm nghiệm bền đỉnh piston theo công thức Orơlin: Xem đỉnh piston là đĩa tròn bị ngàm cứng trong gối tựa hình trụ để tính ứng suất hướng kính và ứng suất tiếp tuyến đối với đỉnh mỏng ($\delta \le 0,02D$).
  • Mô hình tính nghiệm bền chốt piston: Đặt bài toán chốt piston chịu uốn như dầm tựa tự do trên hai gối đỡ, kiểm tra ứng suất cắt và phân tích biến dạng hình học theo lý thuyết Kinaxôsvili.
  • Công thức Ghinxbua: Tính toán ứng suất uốn công tác của xéc măng khí ở trạng thái làm việc không đẳng áp.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Thu thập, phân loại và hệ thống hóa tài liệu chuyên ngành về kết cấu cơ khí, điều kiện tải trọng nhiệt và tải trọng cơ học tác dụng lên các chi tiết máy trong động cơ đốt trong.
  • Phương pháp tính toán thiết kế giải tích: Lựa chọn kích thước kết cấu theo kinh nghiệm thiết kế chuẩn hóa và tính toán kiểm tra ứng suất uốn, nén, kéo, cắt, áp suất tiếp xúc bề mặt và khe hở lắp ghép ở trạng thái nguội/nóng.
  • Phương pháp mô hình hóa 3D và mô phỏng: Ứng dụng phần mềm SolidWorks để dựng hình học không gian 3 chiều cho từng chi tiết (piston, xéc măng, thanh truyền, trục khuỷu, bu-lông), gán quan hệ hình học (mate) và mô phỏng chuyển động ăn khớp.
  • Phương pháp thi công mô hình vật lý: Chế tạo mẫu mô hình trực quan cơ cấu bằng vật liệu nhựa phục vụ đánh giá không gian lắp ráp.

Nguồn dữ liệu

Tài liệu tham khảo chính phục vụ nghiên cứu bao gồm:

  • Giáo trình Kết cấu động cơ đốt trong (Cao Huy Giáp, 2020; Dương Việt Dũng, 2017).
  • Giáo trình Nguyên lý động cơ đốt trong (Đặng Tiến Hòa, 2018).
  • Giáo trình Lý thuyết động cơ đốt trong (Văn Thị Bông, Huỳnh Thanh Công, 2016).
  • Thông số kỹ thuật của động cơ Diesel tham chiếu (IFAW50) và các tiêu chuẩn vật liệu chế tạo cơ khí ô tô.

Thiết kế và triển khai

Thông số kỹ thuật đầu vào phục vụ tính toán

Quá trình tính toán kiểm nghiệm bền trong đồ án sử dụng tập thông số kỹ thuật của động cơ Diesel 4 kỳ, 4 xi-lanh không tăng áp:

Thông số kỹ thuật Giá trị Đơn vị
Loại động cơ Diesel, không tăng áp (IFAW50) -
Bố trí xi-lanh 4 xi-lanh thẳng hàng (1-3-4-2) -
Công suất định mức 110 Mã lực
Tốc độ quay định mức 2500 Vòng/phút
Suất tiêu hao nhiên liệu 183 g/ml.h
Đường kính xi-lanh ($D$) 135 (0,135) mm (m)
Hành trình piston ($S$) 115 mm
Tỷ số nén 18,7 -
Chiều dài thanh truyền ($L$) 280 mm
Bán kính quay trục khuỷu ($R$) 57,5 mm
Thông số kết cấu ($\lambda = R/L$) 0,2054 -
Khối lượng nhóm piston 4,0 kg
Khối lượng nhóm thanh truyền 3,5 kg
Áp suất khí thể cực đại ($P_{max}$) 7,5 MPa ($\text{MN/m}^2$)

Lựa chọn kích thước cơ bản của cụm Piston - Chốt - Xéc măng

Dựa trên đường kính xi-lanh $D = 135 \text{ mm}$, các thông số hình học được xác định:

  • Chiều dày đỉnh piston không làm mát ($\delta$): Lựa chọn $\delta = (0,1 \div 0,2)D = 13,5 \div 27 \text{ mm} \rightarrow$ Chọn $\delta = 15 \text{ mm}$.
  • Khoảng cách từ đỉnh tới rãnh xéc măng khí thứ nhất ($C$): Chọn $C = 4 \text{ mm}$.
  • Số lượng xéc măng: Chọn 3 xéc măng khí và 1 xéc măng dầu.
  • Kích thước xéc măng khí: Chiều dày hướng kính $t = (1/22 \div 1/26)D \approx 6 \text{ mm}$; chiều cao xéc măng chọn $a = 3 \text{ mm}$.
  • Kích thước xéc măng dầu: Chiều dày bờ rãnh $\ge a \rightarrow$ Chọn $3 \text{ mm}$; chiều cao rãnh $a_2 \ge a$.

Triển khai mô hình hóa 3D trên SolidWorks

Các chi tiết máy sau khi tính toán kích thước được xây dựng dưới dạng mô hình CAD 3D độc lập:

  1. Piston: Tạo hình đỉnh bằng, xẻ các rãnh xéc măng khí và rãnh xéc măng dầu có lỗ thoát dầu, bệ đỡ chốt piston có gân tăng cứng trợ lực.
  2. Xéc măng: Dựng xéc măng khí có miệng cắt vát/cắt thẳng và xéc măng dầu có rãnh thoát dầu.
  3. Thanh truyền: Dựng hình đầu nhỏ thanh truyền có vấu lồi điều chỉnh trọng tâm, thân thanh truyền tiết diện chữ I vát loe về phía đầu to, đầu to phân đôi liên kết bằng cặp bu-lông thanh truyền có góc lượn chuyển tiếp chống tập trung ứng suất.
  4. Trục khuỷu và bạc lót: Dựng mô hình trục khuỷu dạng ghép đủ cổ, các cổ trục và chốt khuỷu khoan lỗ dẫn dầu bôi trơn rỗng; dựng bạc lót dày có vai định vị bằng chốt.
  5. Lắp ráp tổng thể (Assembly): Thiết lập các ràng buộc đồng trục, tiếp xúc bề mặt giữa piston, chốt, bạc lót, thanh truyền và cổ chốt trục khuỷu nhằm kiểm tra tính tương thích hình học và mô phỏng chuyển động ăn khớp.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu đề tài

Chương 1 khái quát lịch sử phát triển của ngành công nghiệp ô tô thế giới từ các phát minh động cơ hơi nước thế kỷ 18 (Nicolas Joseph Cugnot, 1770) đến sự ra đời của động cơ đốt trong do Nicolaus Otto phát minh năm 1876 và giai đoạn sản xuất hàng loạt từ năm 1892 tại Chicago. Nội dung đi sâu phân tích vị thế ngành ô tô Nhật Bản với mẫu xe Takkuri (1907) và sự vươn lên của các tập đoàn như Toyota dựa trên triết lý tối ưu độ bền, tiết kiệm nhiên liệu và giá thành hợp lý.

Tác giả hệ thống hóa định nghĩa, nhiệm vụ của 9 cụm chi tiết và hệ thống chính trong động cơ đốt trong (Xylanh, Piston, Thanh truyền, Trục khuỷu, Cơ cấu phân phối khí, Hệ thống bôi trơn, Hệ thống nhiên liệu, Hệ thống làm mát, Hệ thống khởi động), đồng thời phân tích ưu điểm (giá thành rẻ, bền bỉ, công suất lớn, nguồn cung cấp nhiên liệu sẵn có) và nhược điểm (phát thải khí nhà kính gây ô nhiễm môi trường, tiếng ồn lớn). Chương này cũng xác định mục tiêu, phạm vi giới hạn nghiên cứu, tiến độ thực hiện và phương thức nghiên cứu sử dụng phần mềm SolidWorks và mô hình nhựa.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về kết cấu phần động của động cơ đốt trong

Chương 2 trình bày chi tiết cơ sở lý thuyết về điều kiện làm việc, yêu cầu vật liệu và kết cấu cơ khí của từng cụm chi tiết:

  • Nhóm Piston: Phân tích điều kiện làm việc chịu áp lực khí thể và lực quán tính lớn, tải trọng nhiệt từ khí cháy ($2300 \div 2800\text{ K}$, nhiệt độ đỉnh piston đạt $500 \div 800\text{ K}$) và ma sát ăn mòn hóa học do lực ngang $N$. So sánh ba loại vật liệu (gang, thép, hợp kim nhôm) và kết cấu 3 phần của piston (đỉnh bằng, đỉnh lồi, đỉnh lõm; đầu piston chứa rãnh xéc măng; thân piston dẫn hướng dạng ô van hoặc xẻ rãnh giảm va đập, vị trí chốt piston đặt lệch tâm $e = 1,5 \div 2,5\text{ mm}$).
  • Chốt piston: Phân tích điều kiện tải trọng va đập, nhiệt độ làm việc trên $373\text{ K}$; vật liệu thép các-bon và thép hợp kim thấp (20, 35, 40, 20X, 15XA...) thấm cacbon/nitơ đạt chiều sâu $0,5 \div 1,5\text{ mm}$ và độ cứng bề mặt $58 \div 62\text{ HRC}$; so sánh 3 phương án lắp ghép (cố định trên bệ chốt, cố định trên đầu nhỏ thanh truyền, lắp tự do).
  • Xéc măng: Đánh giá điều kiện làm việc chịu nhiệt ($623 \div 673\text{ K}$ ở xéc măng thứ nhất), ma sát chiếm $50 \div 60%$ tổn thất cơ giới; phân tích vật liệu gang xám hợp kim mạ Cr ($0,1 \div 0,2\text{ mm}$) hoặc mạ thiếc Sn ($0,005 \div 0,01\text{ mm}$) đạt độ cứng $95 \div 105\text{ HB}$; kết cấu xéc măng khí (tiết diện chữ nhật, côn $15 \div 30^\circ$, không đối xứng, hình thang; miệng cắt thẳng, vát $30 \div 40^\circ$, cắt bậc), xéc măng dầu và cơ chế bơm dầu cưỡng bức lên buồng đốt.
  • Nhóm Thanh truyền: Cấu tạo gồm đầu nhỏ (chứa bạc lót hoặc ổ kim bi), thân thanh truyền (tiết diện chữ I chịu kéo, nén, uốn với $\lambda = 0,24 \div 0,3$), đầu to thanh truyền (cắt thẳng hoặc cắt nghiêng $30 \div 60^\circ$), bu-lông thanh truyền (được tôi ram đạt $26 \div 32\text{ HRC}$) và bạc lót thanh truyền (loại dày $3 \div 6\text{ mm}$, loại mỏng $0,9 \div 3\text{ mm}$, khe hở với chốt khuỷu không quá $0,15 \div 0,25\text{ mm}$).
  • Nhóm Trục khuỷu và Bánh đà: Kết cấu trục khuỷu nguyên khối và trục khuỷu ghép (đầu trục, cổ trục, chốt khuỷu tôi cứng $52 \div 62\text{ HRC}$, má khuỷu, đối trọng, đuôi trục khuỷu chứa ren hồi dầu và phớt chắn dầu); bánh đà dạng đĩa, dạng chậu và dạng vành.

Chương 3: Nội dung tính toán thiết kế, thi công mô hình, kết mô phỏng mà thực nghiệm

Chương 3 tập trung giải quyết bài toán tính toán kích thước và kiểm nghiệm độ bền cơ học:

  • Xác định kích thước hình học: Tính toán chiều dày đỉnh $\delta = 15\text{ mm}$, khoảng cách đỉnh $C = 4\text{ mm}$, chiều dày hướng kính xéc măng $t = 6\text{ mm}$, chiều cao xéc măng $a = 3\text{ mm}$, số xéc măng khí bằng 3, số xéc măng dầu bằng 1.
  • Kiểm nghiệm bền Piston:
    • Ứng suất uốn đỉnh piston theo Back: ứng suất cho phép $[\sigma_u] = 20 \div 25\text{ MN/m}^2$ (nhôm không gân), $[\sigma_u] = 100 \div 190\text{ MN/m}^2$ (nhôm có gân).
    • Ứng suất theo Orơlin: ứng suất cho phép $[\sigma] = 60\text{ MN/m}^2$.
    • Ứng suất kéo cho phép $[\sigma_k] \le 10\text{ MN/m}^2$; ứng suất nén cho phép $[\sigma_n] = 25\text{ MN/m}^2$ (nhôm), $40\text{ MN/m}^2$ (gang).
    • Áp suất tiếp xúc thân piston $K_{th}$ và bệ chốt $K_b$ (cho phép $20 \div 30\text{ MN/m}^2$ với chốt tự do).
    • Xác định khe hở lắp ghép ở trạng thái nguội ($\Delta_d, \Delta_t$) và trạng thái nóng dựa trên hệ số giãn nở nhiệt $\alpha_{nhôm} = 22 \cdot 10^{-6}\text{ K}^{-1}$, $\alpha_{gang} = 11 \cdot 10^{-6}\text{ K}^{-1}$.
  • Kiểm nghiệm bền Chốt piston: Ứng suất uốn $[\sigma_u] = 150 \div 250\text{ MN/m}^2$, ứng suất cắt $[\tau_c] = 50 \div 70\text{ MN/m}^2$ (thép hợp kim); ứng suất tiếp xúc đầu nhỏ thanh truyền $[K_đ] = 20 \div 35\text{ MN/m}^2$; ứng suất biến dạng tính theo Kinaxôsvili $[\sigma_i] = 60 \div 170\text{ MN/m}^2$.
  • Kiểm nghiệm bền Xéc măng: Xác định tỷ lệ chuẩn hóa $D/t = 20 \div 30$, $A/t = 2,5 \div 4$ và ứng suất uốn theo công thức Ghinxbua ($C_m = 1,74 \div 1,87$, $\xi = 0,196$).
  • Thiết kế Trục khuỷu ghép và Bạc lót: Xác định kích thước trục khuỷu ghép lắp căng đun nóng $200 \div 250^\circ\text{C}$ (độ dôi $1/700 \div 1/900$), bạc lót dày $6\text{ mm}$ (gộp bạc $5\text{ mm}$, hợp kim $1\text{ mm}$) cho chốt khuỷu và cổ trục.

Chương 4: Thi công mô hình – Kết quả mô phỏng

Trình bày hình ảnh và kết quả xây dựng mô hình CAD 3D trên phần mềm SolidWorks cho các chi tiết riêng lẻ bao gồm xéc măng, thanh truyền, bu-lông thanh truyền, trục khuỷu và mô hình lắp ghép tổng thể cụm cơ cấu sinh công. Đồ án minh chứng kết quả lắp ráp ăn khớp hoàn chỉnh giữa các bộ phận chuyển động và thể hiện hình ảnh mô hình vật lý thi công bằng chất liệu nhựa.

Chương 5: Kết luận và đánh giá

Tổng kết mức độ hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu: tìm hiểu toàn diện cấu tạo - nguyên lý hoạt động của phần động động cơ, hoàn thành chuỗi tính toán kích thước và kiểm tra bền theo quy trình cơ khí chuyên ngành, làm chủ kỹ năng thiết kế mô hình 3D trên phần mềm SolidWorks và kỹ năng soạn thảo văn bản kỹ thuật. Chương này cũng thẳng thắn chỉ ra các khó khăn về việc gia công mô hình vật lý với tỷ lệ thu nhỏ và hạn chế kinh nghiệm trong quá trình thực hiện.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán và thông số kỹ thuật đạt được

Đồ án đã xác lập hệ thống kích thước và giới hạn ứng suất bền cơ học cho các chi tiết phần động:

Bộ phận / Chi tiết Thông số tính toán / Kích thước Giới hạn bền kiểm nghiệm / Ứng suất cho phép
Piston $\delta = 15\text{ mm}$; $C = 4\text{ mm}$; $D = 135\text{ mm}$ Ứng suất uốn đỉnh có gân: $[\sigma_u] = 100 \div 190\text{ MN/m}^2$
Ứng suất kéo: $[\sigma_k] \le 10\text{ MN/m}^2$
Ứng suất nén (hợp kim nhôm): $[\sigma_n] = 25\text{ MN/m}^2$
Bệ chốt piston Lắp tự do Áp suất tiếp xúc cho phép: $[K_b] = 20 \div 30\text{ MN/m}^2$
Chốt piston Vật liệu thép hợp kim thấp hóa bền Ứng suất uốn: $[\sigma_u] = 150 \div 250\text{ MN/m}^2$
Ứng suất cắt: $[\tau_c] = 50 \div 70\text{ MN/m}^2$
Ứng suất biến dạng: $[\sigma_i] = 60 \div 170\text{ MN/m}^2$
Độ cứng bề mặt thấm: $58 \div 62\text{ HRC}$
Xéc măng khí 3 chiếc; $t = 6\text{ mm}$; $a = 3\text{ mm}$ Chuẩn hóa $D/t = 20 \div 30$; độ cứng $95 \div 105\text{ HB}$
Lớp mạ chống mòn Cr: $0,1 \div 0,2\text{ mm}$
Xéc măng dầu 1 chiếc; chiều dày bờ rãnh $\ge 3\text{ mm}$ Khả năng gạt dầu và duy trì màng dầu bôi trơn
Thanh truyền $L = 280\text{ mm}$; $\lambda = 0,2054$ Bu-lông thanh truyền tôi ram: $26 \div 32\text{ HRC}$
Ứng suất tiếp xúc đầu nhỏ: $[K_đ] = 20 \div 35\text{ MN/m}^2$
Bạc lót trục khuỷu Chiều dày tổng: $6\text{ mm}$ (gộp $5\text{ mm}$, hợp kim $1\text{ mm}$) Độ dôi lắp ghép ép nhiệt ($200 \div 250^\circ\text{C}$): $1/700 \div 1/900$
Khe hở làm việc tối đa: $0,15 \div 0,25\text{ mm}$

Đóng góp kỹ thuật và tài liệu

  • Chuẩn hóa quy trình tính toán kích thước kết cấu phần động cơ đốt trong theo đường kính xi-lanh $D$ và áp suất khí thể cực đại $P_{max}$.
  • Xây dựng bộ thư viện mô hình 3D hoàn chỉnh các chi tiết cơ khí động cơ đốt trong trên SolidWorks, hỗ trợ trực quan hóa cơ cấu không gian và kiểm tra va chạm hình học khi chuyển động.
  • Cung cấp mô hình vật lý mẫu bằng nhựa phục vụ trực tiếp cho công tác quan sát, học tập trực quan tại xưởng thực hành cơ khí ô tô.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế ghi nhận trong văn bản

  • Quy mô mô hình vật lý: Mô hình thực tế thi công bằng chất liệu nhựa có kích thước tỷ lệ nhỏ hơn so với tỷ lệ mong muốn ban đầu, chưa phản ánh đầy đủ độ chính xác và tương quan kích thước lắp ghép thực tế trên xe.
  • Độ đồng nhất dữ liệu tham chiếu: Văn bản có sự đan xen giữa mục tiêu ứng dụng trên xe Toyota Innova 2010 với số liệu tính toán cụ thể từ động cơ Diesel tham chiếu (IFAW50) và ví dụ kích thước động cơ cỡ lớn ở phần trục khuỷu.
  • Phạm vi tính toán: Chưa tích hợp phân tích phần tử hữu hạn (FEA) để mô phỏng trường nhiệt độ và ứng suất động học phức tạp trong điều kiện cháy giãn nở thực tế.

Hạn chế suy luận từ phạm vi nghiên cứu

  • Nghiên cứu chỉ tập trung vào trạng thái bền tĩnh và giải tích kinh nghiệm của các chi tiết riêng lẻ, chưa tính đến ảnh hưởng của dao động xoắn trục khuỷu và biến dạng nhiệt tổng thể của khối thân máy - nắp máy lên chuyển động của piston.

Hướng mở rộng nghiên cứu

  • Chế tạo mô hình thực nghiệm kim loại theo đúng tỷ lệ 1:1 với đầy đủ các cơ cấu bôi trơn và phân phối khí đi kèm.
  • Ứng dụng các module mô phỏng CAE chuyên sâu (ANSYS/SolidWorks Simulation) để kiểm nghiệm ứng suất nhiệt và ứng suất cơ kết hợp trên đỉnh piston và thân thanh truyền.

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 quy trình lập thuyết minh tính toán, tra cứu công thức nghiệm bền (Back, Orơlin, Kinaxôsvili, Ghinxbua) và các bảng tỷ lệ chọn kích thước chuẩn cho đồ án môn học Động cơ đốt trong hoặc Đồ án tốt nghiệp.
  • Kỹ thuật viên và người làm đề tài thiết kế máy: Tham khảo các giải pháp kết cấu cơ khí thực tế (vát ôvan thân piston, bố trí bạc lót dày có vai, kết cấu trục khuỷu ghép, xử lý nhiệt luyện tôi ram bu-lông và thấm nitơ chốt piston).
  • Học viên thực hành CAD cơ khí: Sử dụng phương pháp dựng hình, tạo ràng buộc lắp ghép (assembly) và mô phỏng động học cụm piston - thanh truyền - trục khuỷu trên phần mềm SolidWorks.

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ được nhóm tác giả sử dụng làm dữ liệu tính toán chi tiết trong Chương 3 có những thông số cơ bản nào?

Động cơ được chọn tính toán là loại Diesel 4 kỳ, 4 xi-lanh thẳng hàng (thứ tự nổ 1-3-4-2), không tăng áp (ký hiệu IFAW50). Các thông số gồm: công suất 110 mã lực tại 2500 vòng/phút, suất tiêu hao nhiên liệu $183\text{ g/ml.h}$, đường kính xi-lanh $D = 135\text{ mm}$, hành trình piston $S = 115\text{ mm}$, tỷ số nén 18,7, chiều dài thanh truyền $L = 280\text{ mm}$, bán kính quay trục khuỷu $R = 57,5\text{ mm}$, khối lượng nhóm piston $4\text{ kg}$, khối lượng thanh truyền $3,5\text{ kg}$ và áp suất khí thể cực đại $P_{max} = 7,5\text{ MPa}$ ($7,5\text{ MN/m}^2$).

2. Các kích thước hình học chính của cụm piston và xéc măng được lựa chọn ra sao từ đường kính xi-lanh D = 135 mm?

Từ đường kính $D = 135\text{ mm}$, nhóm tác giả đã chọn:

  • Chiều dày đỉnh piston không làm mát: $\delta = 15\text{ mm}$ (nằm trong khoảng $0,1 \div 0,2D$).
  • Khoảng cách từ đỉnh tới rãnh xéc măng thứ nhất: $C = 4\text{ mm}$.
  • Số lượng xéc măng: 3 xéc măng khí và 1 xéc măng dầu.
  • Chiều dày hướng kính xéc măng khí: $t = 6\text{ mm}$ (theo công thức $(1/22 \div 1/26)D$).
  • Chiều cao xéc măng khí: $a = 3\text{ mm}$.
  • Chiều dày bờ rãnh xéc măng: $3\text{ mm}$.

3. Đồ án áp dụng những công thức lý thuyết nào để tính toán kiểm tra bền cho đỉnh piston và chốt piston?

  • Đỉnh piston: Áp dụng công thức Back (coi đỉnh là đĩa tròn đặt trên gối tựa trụ rỗng chịu tải uốn) và công thức Orơlin (đỉnh là đĩa tròn ngàm cứng trong gối tựa để xác định ứng suất hướng kính và tiếp tuyến), kết hợp kiểm tra ứng suất kéo, nén và áp suất tiếp xúc thân piston $K_{th}$, bệ chốt $K_b$.
  • Chốt piston: Tính toán ứng suất uốn tại tiết diện giữa chốt (mô hình dầm tựa tự do), ứng suất cắt tại tiết diện tiếp xúc, ứng suất tiếp xúc đầu nhỏ thanh truyền và ứng suất biến dạng méo theo lý thuyết Kinaxôsvili.

4. Kết cấu và kích thước của bạc lót cổ trục và chốt khuỷu được xác định như thế nào trong đồ án?

Bạc lót được thiết kế là loại bạc dày có vai, cấu tạo gồm gộp bạc bằng thép các-bon thấp dày $5\text{ mm}$ và lớp hợp kim chịu mài mòn dày $1\text{ mm}$ (tổng chiều dày bạc là $6\text{ mm}$). Bạc được lắp căng vào ổ, có chốt định vị đóng trên nắp ổ/nắp đầu to ăn khớp với lỗ lưng bạc để chống xoay và vát góc hai đầu tránh hiện tượng kênh khi lắp ráp.

5. Những công cụ phần mềm và phương pháp chế tạo mô hình nào được triển khai trong đồ án?

Nhóm tác giả sử dụng phần mềm soạn thảo Word và Excel để xử lý dữ liệu và văn bản; phần mềm SolidWorks để thiết kế mô hình CAD 3D các chi tiết (piston, xéc măng, thanh truyền, trục khuỷu, bu-lông), lắp ráp cụm cơ cấu và mô phỏng chuyển động; đồng thời thi công mô hình vật lý bằng chất liệu nhựa để minh họa trực quan kết cấu.

Kết luận

Đồ án môn học "Tính toán – thiết kế phần động của động cơ đốt trong" đã hệ thống hóa đầy đủ cơ sở lý thuyết kết cấu, điều kiện tải trọng và vật liệu chế tạo của nhóm piston, thanh truyền và trục khuỷu - bánh đà. Nghiên cứu thực hiện trọn vẹn các bước tính toán kích thước kết cấu, kiểm nghiệm độ bền giải tích cho đỉnh piston, chốt piston, xéc măng và trục khuỷu dựa trên thông số kỹ thuật thực tế của động cơ Diesel bốn kỳ. Kết quả thiết kế mô hình 3D và lắp ráp trên phần mềm SolidWorks cùng mô hình vật lý bằng nhựa đóng góp tư liệu học tập và rèn luyện kỹ năng thực hành kỹ thuật cơ khí ô tô hiệu quả.