Hệ lực tác dụng trên cơ cấu piston – trục khuỷu – thanh truyền giao tâm

Từ phân tích lực ở trên ta cĩ thể rút ra kết luận sau:

Lực khí thể do áp suất khí thể sinh ra tác dụng lên nắp xilanh, than xilanh và lên piston.

Hợp lực của lực quán tính và lực khí thể tác dụng lên chốt piston sinh ra lực đẩy thanh truyền, đồng thời cũng tác động lên ổ trục và trên thân máy. Phân lực tiếp tuyến T tạo thành momen quay trục khuỷu động cơ. Momen này tính theo cơng thức:

M = T.R (11-43)

Lực quán tính chuyển động tịnh tiến tác dụng lên ổ trục, trên trục khuỷu và chốt piston. Lực quán tính chuyển động quay (lực ly tâm) là lực luơn tác dụng lên ổ trục khuỷu và luơn cĩ giá trị là một hằng số.

Lực N tạo thành momen ngược chiều MN (momen lật)

Trong đĩ: A – khoảng cách từ lực N đến tâm trục khuỷu.

Trị số của momen ngược chiều vừa bằng trị số của momen quay trục khuỷu nhưng

trái chiều. Momen ngược chiều này tác dụng lên thân máy và do thân máy chịu đựng.

Trong quá trình động cơ làm việc, momen quay trục khuỷu M làm quay trục

khuỷu và đưa cơng suất ra ngồi. Momen này được cân bằng bởi các momen sau: Momen cản do lực cản và do lực ma sát của tất cả các chi tiết chuyển động tác dụng trên bánh đà của động cơ.

Momen sinh ra bởi momen quán tính khi các chi tiết động cơ chuyển động quy về tâm trục khuỷu là J0. Nếu gia tốc gĩc là , thì momen cản sinh ra là J0.. Do đĩ:

M = Mc + J0. (11-45)

Nếu xét đến ảnh hưởng của momen thanh truyền M thì lực trong hệ lực tác dụng

trên cơ cấu khuỷu trục thanh truyền giao tâm phải tính theo các cơng thức sau đây:

11.4. Hợp lực tác dụng lên trục khuỷu của động cơ nhiều xilanh

11.4.1.Gĩc cơng tác k

Gĩc cơng tác là gĩc quay của trục khuỷu ứng với khoảng thời gian giữa hai lần làm việc kế tiếp nhau của hai xilanh. Nĩ quyết định tính đồng đều của quá trình làm việc của động cơ cĩ nhiều xilanh.

Tuy nhiên, các khuỷu bố trí lệch nhau như thế nào cịn phụ thuộc vào thứ tự làm việc của các xilanh. Khi chọn gĩc lệch của khuỷu trục và thứ tự làm việc của các xilanh phải chú ý:

 Đảm bảo phụ tải tác dụng lên các ổ trục bé nhất.

168  Đảm bảo quá trình nạp, thải cĩ hiệu suất cao nhất.

 Đảm bảo kết cấu trục khuỷu đơn giản nhất, dễ chế tạo (cĩ tính cơng nghệ tốt).

 Đảm bảo tính cân bằng tốt nhất của động cơ.

Thơng thường khĩ cĩ thể thỏa mãn cùng một lúc tất cả các yêu cầu trên; do đĩ

lựa chọn gĩc cơng tác và thứ tự làm việc của các xilanh thường xuất phát từ hai điều kiện đầu.

Đối với động cơ 4 kỳ, khi trục khuỷu quay 2 vịng, mỗi xilanh đều hồn thành một chu trình cơng tác. Đối với động cơ 2 kỳ, trục khuỷu quay 1 vịng, mỗi xilanh đều hồn thành một chu trình cơng tác. Vì vậy gĩc cơng tác của các trục khuỷu cĩ thể xác

định theo cơng thức sau: 180.

k i



  (11-47)

Trong đĩ: i – số xilanh;  - số kỳ của động cơ

Từ cơng thức trên ta thấy gĩc cơng tác của khuỷu trục chỉ phụ thuộc vào số kỳ

và sốxilanh. Điều đĩ cĩ nghĩa là đối với mỗi động cơ, cĩ thể lựa chọn nhiều thứ tự làm việc ứng với nhiều kết cấu khác nhau của trục khuỷu. Tuy nhiên trong sốđĩ chỉ cĩ một thứ tự làm việc tốt nhất, thỏa mãn đến mức tối đa những yêu cầu về động học, động lực học, tính cân bằng của động cơ, …

Ví dụ: Với kết cấu trục khuỷu như sơ đồ hình 11.11 bên dưới sẽ cĩ các thứ tự

làm việc của các xilanh như sau:

1 – 2 – 3 – 6 – 5 – 4 1 – 5 – 3 – 6 – 2 – 4 1 – 5 – 4 – 6 – 2 – 3 1 – 2 – 4 – 6 – 5 – 3

Tuy nhiên chỉ cĩ thứ tự làm việc 1 – 5 – 3 – 6 – 2 – 4 là tốt hơn cả, vì vậy động

cơ 4 kỳ6 xilanh thường dùng thứ tự làm việc này.

Hình 11.12. Sơ đồ kết cấu trục khuỷu của động cơ 4 kỳ, 6 xilanh.

11.4.2.Lực và momen tác dụng trên trục khuỷu của động cơ một hàng xilanh

Hệ lực và momen tác dụng lên trục khuỷu bao gồm các lực sau đây:

 Lực pháp tuyến Z.  Lực tiếp tuyến T.

 Lực quán tính chuyển động quay Pk.  Momen của các khuỷu phía trước Mi1

 Momen Mi tác dụng trên chính khuỷu đĩ.

 Momen Mi tác dụng trên cổ trục phía sau của khuỷu.

Trong các momen này thì momen Mi biến thiên theo gĩc quay  của trục khuỷu với chu kỳ biến thiên phụ thuộc vào số xilanh và số kỳ của động cơ.

Đểtính được momen tổng Mi, ta phải căn cứ vào bảng biểu diễn của các hành

169 Ví dụ: Động cơ bốn kỳ 6 xilanh cĩ thứ tự làm việc 1 – 5 – 3 – 6 – 2 – 4 với sơ đồ

kết cấu trục khuỷu được giới thiệu trên hình 11.13. Diễn biến của các quá trình cơng tác của các xilanh như sau:

Hình 11.13. Diễn biến các hành trình trong các xilanh của động cơ 4 kỳ 6 xilanh.

Từ bảng diễn biến hình 11.13 ta thấy:

Khi trục khuỷu của xilanh thứ nhất nằm ở vị trí 00 (tức 1= 00) thì:  Khuỷu trục của xilanh thứ 2 nằm ở 2400 thì 2= 2400

 Khuỷu trục của xilanh thứ 3 nằm ở 4800 thì 3= 4800  Khuỷu trục của xilanh thứ 4 nằm ở 1200 thì 4= 1200  Khuỷu trục của xilanh thứ 5 nằm ở 6000 thì 5= 6000  Khuỷu trục của xilanh thứ 6 nằm ở 3600 thì 6= 3600

Thời gian ngắn nhất tính theo gĩc quay của trục khuỷu giữa hai lần sinh cơng trong 2 xilanh kề nhau là:

 Giữa xilanh thứ nhất và xilanh thứ hai là 2400 (1800+600)  Giữa xilanh thứ hai và xilanh thứ ba là 2400

 Giữa xilanh thứ ba và xilanh thứtư là 3600  Giữa xilanh thứtư và xilanh thứnăm là 2400  Giữa xilanh thứnăm và xilanh thứ sáu là 2400

Vì vậy tính chịu lực của các cổ trục 1 – 2; 2 – 3; 4 – 5; 5 – 6 hồn tồn giống nhau, cịn cổ trục 3 – 4 thì chịu lực khác các cổ kia. Cổ trục 0 – 1 chịu tác dụng của xilanh thứ nhất, cịn cổ trục 6 – 0 chịu lực tác dụng của xilanh 6 và trọng lượng của bánh

đà.

Tổng momen tác dụng lên hồn tồn trục khuỷu Mi được xác định theo cơng thức:

6 6 1 1 . i i i i M T R      Trong đĩ:

i – số khuỷu trục của động cơ (số xilanh) R – bán kính quay của trục khuỷu

170 11.4.3. Đồ thị vectơ phụtải tác dụng trên chốt khuỷu

Đồ thị vecto phụ tải tác dụng lên tồn chốt khuỷu dùng đểxác định lực tác dụng lên chốt khuỷu ở mỗi vị trí của trục khuỷu. Sau khi cĩ đồ thị này ta cĩ thể tìm trị số

trung bình của phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu. Dựa

vào đồ thị phụ tải ta cĩ thể xác định khu vực chịu lực ít nhất, để xác định vị trí khoan lỗ dầu bơi trơn và xác định phụ tải khi tính sức bền ở trục.

Khi vẽđồ thị vecto phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu, ta chưa cần xét đến lực quán tính chuyển

động quay của khối lượng thanh truyền m2 quy về

tâm chốt khuỷu vì phương và trị số của lực qn tính

này khơng đổi. Sau khi vẽxong đồ thị ta sẽđặt vào sau. Cách vẽđồ thị vecto phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu được thực hiện như sau:

- Vẽ tọa độ T – Z gốc tọa độ O1, chiều âm

dương của T và Z như hình vẽ.

- Tính lực quán tính của khối lượng chuyển

động quay của thanh truyền quy vềđầu to (tính trên

đơn vị diện tích piston); 2 2 2. . ( / ) ko P  m R MN m Hình 11.14. Đồ thịvectơ phụ tải tác dụng trên chốt khuỷu. Dùng tỷ lệ xích thích hợp vẽ từ O1 xuống dưới

một vecto Prko, vecto này nằm trên trục Z, gốc của vecto là O. Điểm O là tâm chốt khuỷu.

Trên tọa độ T-Z xác định các trị số T và Z ở các gĩc độ 0 0 0 0 ,15 , 30 , . ...v v

  (tùy

theo sốđiểm chia nhiều hay ít mà  cĩ trị số bé hay lớn; trị số của T và Z lập thành bảng tính và tính theo cơng thức (11-41). Ta sẽđược các điểm 0; 12; 30; v.v… như hình 11.13. Dùng đường cong nối các điểm này lại, ta cĩ đồ thị vecto phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu. 1 1 in( ) sin( ) cos cos( ) cos( ) cos tt tt s T p p Z p p                       

Nếu ta nối điểm O với bất kỳđiểm nào trên đồ thị (ví dụ: tại điểm 0

390   ), ta

được vecto biểu diễn phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu khi gĩc quay của trục khuỷu là

0

390

  , chiều của vecto này theo chiều hình vẽ. Đểtìm điểm tác dụng của vecto, ta chỉ

cần kéo dài vecto về phía gốc tọa độO đến khi gặp vịng trịn tại a, điểm a chính là điểm tác dụng lên bề mặt chốt khuỷu.

Ta thấy rằng vecto Qr là hợp lực của các lực tác dụng trên chốt khuỷu: 2

( / )

ko ko tt

Q Pr  r   T Zr r Pr Pr MN m

Triển khai đồ thị phụ tải theo gĩc quay  của trục khuỷu để tính phụ tải trung bình Qtb

171 Phân tích đồ thị phụ tải ta thấy rằng dạng phần đuơi của đồ thị phụ thuộc vào trị

số cực đại của áp suất khí thể. Vì vậy phần đuơi của đồ thị vecto phụ tải tác dụng trên tâm chốt khuỷu của động cơ diesel thường dài hơn phần đuơi của đồ thị vecto phụ tải tác dụng lên trục khuỷu của động cơ

xăng. Dạng phần đầu của đồ thị phụ

thuộc vào lực quán tính chuyển động tịnh tiến. Nếu lực quán tính chuyển

động tịnh tiến Pj càng lớn thì phần đầu của đồ thị càng to.

Hình 11.15. Đồ thị triển khai vecto phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu.

Đơn vị phụ tải trung bình và đơn vị phụ tải cực đại tác dụng trên chốt khuỷu (hoặc trên ổ trục) tính theo cơng thức

2 max 2 max . ( / ) . . ( / ) . tb p tb c c p c c Q F K MN m d l Q F K MN m d l         (11-48) Trong đĩ

Qtb và Qmax – phụ tải bình quân và cực đại xác định trên hình 11.12 Fp – diện tích đỉnh piston (m2)

Dc và lc –đường kính và chiều dài của chốt khuỷu tiếp xúc với đầu to thanh truyền (m)

Trị số cho phép Ktb quyết định bởi độ cứng vững của ổ trục (hình thức kết cấu của động cơ) và kết cấu của ổ trục (loại hợp kim chịu mịn, trạng thái bề mặt chốt khuỷu,

…)

Trị số cho phép Kmax quyết định bởi khảnăng làm việc của ổ trục, sự biến dạng của mổ trục và khảnăng chịu tải của màng dầu nhờn trong ổ. Để biểu thị mức độva đập của phụ tải, người ta thường dùng hệ sốva đập  max tb K K   (11-49)

Thơng thường yêu hệ sốva đập  4

Trong động cơ chữ V dùng thanh truyền tổ hợp thì  1, 5. Trong các trường hợp

bình thường trị số của Ktb của động cơ diesel và động cơ xăng dùng chế hịa khí thống kê trong bảng sau:

172

CÂU HỎI ƠN TẬP

Câu 1. Động lực học cơ cấu thanh truyền piston giao tâm.

Câu 2. Tìm chuyển vị của piston bằng phương pháp đồ thị.

Câu 3. Trình bày quy luật động học của thanh truyền.

Câu 4. Trình bày vị trí điểm chết và hành trình của piston lệch tâm.

Câu 5. Phân tích khối lượng của các chi tiết chuyển động –trục khuỷu.

Câu 6. Lực khí thể và lực quán tính tác dụng lên cơ cấu piston – khuỷu trục – thanh

truyền giao tâm

173

Chương 12: CÂN BẰNG ĐỘNG CƠ

 NHỮNG NGUYÊN NHÂN KHIẾN CHO ĐỘNG CƠ MẤT CÂN BẰNG

Trong quá trình vận hành, trong động cơ tồn tại các lực và các mơmen luơn thay

đổi về trị số và chiều. Các thành phần lực và mơmen này tác dụng trên bệ máy và thân máy khiến cho động cơ rung động và gây mất cân bằng cho động cơ. Các lực và các

mơmen đĩ gồm:

 Lực quán tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến cấp 1 (Pj1) và lực quán tính chuyển động tịnh tiến cấp 2 (Pj2).

 Lực quán tính của khối lượng chuyển động quay Pk.

 Mơmen của các lực quán tính chuyển động tịnh tiến cấp 1 (Mj1), mơmen của các lực quán tính chuyển động tịnh tiến cấp 2 (Mj2).

 Mơmen xoắn do lực quán tính chuyển động quay tạo ra (Mx).  Ngồi ra cịn cĩ Mơmen lật MN do lực ngang sinh ra.

Đểđộng cơ cĩ tính cân bằng tốt, trong q trình tính tốn và thiết kếđộng cơ cần phải chú ý đến các điều kiện đảm bảo cân bằng cho động cơ.

 ĐIỀU KIỆN CÂN BẰNG ĐỘNG CƠ

Khi động cơ làm việc ở trạng thái ổn định, nếu lực và mơmen tác dụng trên bệ của

động cơ khơng thay đổi trị số và các chiều tác dụng thì động cơ được coi là cân bằng. Vì vậy muốn cho động cơ được cân bằng, phải thiết kế sau cho hợp lực của các lực quán tính cấp 1 và cấp 2 của khối lượng chuyển động tịnh tiến; hợp lực của lực quán tính của khối lượng chuyển động quay đều bằng 0. Tổng mơmen của chúng sinh ra trên các mặt phẳng chứa đường tâm trục khuỷu cũng bằng 0. Như vậy điều kiện sơ bộđể cân bằng

động cơ được thể hiện bằng hệphương trình sau:

2 1 1 2 2 1 2 1 2 1 1 2 2 1 2 1 cos 0 cos 2 0 0 cos 0 cos 2 0 0 n j i n j i n jk r i n j i n j i n jk r i P mR P mR P m R M amR M amR M am R                                                            (12.1) Trong đĩ: 1, 2, j j jk P P P    : Hợp lực của lực quán tính của chuyển động tịnh tiến cấp 1, cấp 2 và của chuyển động quay. 1, 2, j j jk M M M

   : Tổng momen của hợp lực quán tính của chuyển động

tịnh tiến cấp 1, cấp 2 và của chuyển động quay. a: Khoảng cách hai đường tâm xilanh.

174

Để cân bằng các lực và mơmen nĩi trên và tăng độ đồng đều của mơmen M do

động cơ phát ra, người ta thường dùng các biện pháp:  Tăng số xilanh của động cơ.

 Bố trí các khuỷu trục (lựa chọn gốc cơng tác) để các xilanh làm việc đều nhau.  Dùng đối trọng để cân bằng.

Trong thực tế, động cơ đốt trong kiểu piston khơng thể cân bằng tuyệt đối được; vì rằng chỉ riêng độ khơng đồng đều khơng thể tránh khỏi của mơmen M đã khiến cho phụ tải tác dụng trên bệ động cơ thay đổi theo chu kỳ. Vì vậy khi khảo sát vấn đề cân bằng động cơ, thường bĩ hẹp trong phạm vi dùng các biện pháp trong thiết kế và chế

tạo nhằm giảm tới mức tối thiểu tính mất cân bằng của động cơ đểđộ cân bằng của động

cơ nằm trong phạm vi cho phép.

Để đảm bảo tính năng cân bằng của động cơ, trong quá trình thiết kế và chế tạo các chi tiết, trong quá trình lắp ráp vận hành động cơ v.v... cần phải đảm bảo các yêu cầu chính sau đây:

 Trọng lượng của các nhĩm piston lắp trên động cơ phải bằng nhau.

 Trọng lượng của các thanh truyền phải bằng nhau và trọng tâm của các thanh truyền phải giống nhau.

 Phải dùng phương pháp cân bằng động và cân bằng tĩnh để cân bằng trục