Chương 5. THIẾT KẾ CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ
5.3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ XUPÁP
Kết cấu xupáp gồm ba phần chính: nấm xupáp (đầu), thân và đuôi xupáp.
Mặt làm việc quan trọng nhất của nấm xu páp là mặt côn, có góc vát α =150- 450, góc α càng nhỏ thì tiết diện lưu thông của dòng khí động càng lớn. Tuy nhiên nếu α càng nhỏ thì bề mặt nấm càng mỏng, độ cứng vững của mặt nấm càng kém.
Do đó dễ bị cong vênh, tiếp xúc không kín khít với đế xu páp ảnh hưởng đến độ bền
và điều kiện làm việc của nấm. Ngƣợc lại, khi góc α lớn bề mặt nấm xu páp sẽ dày và bền hơn, dòng khí thải đi ra cũng dễ dàng hơn. Do đó tuyệt đại đa số xupáp của các động cơ dều dùng góc α = 450 để vừa đảm bảo độ bền của nấm, vừa đảm bảo tiết diện lưu thông khi mở xupáp và vừa đảm bảo dòng khí lưu động dễ dàng.
Xupáp nạp của một số loại động cơ cũng thường dùng góc α =300, còn xupáp thải thì hầu nhƣ chỉ dùng một loại góc α = 450.
Góc của mặt côn trên nấm xupáp còn thường làm nhỏ hơn góc của mặt côn trên đế xupáp khoảng 0,50-10 để xupáp có thể tiếp xúc với đế theo vòng trong ở mép ngoài của mặt côn. Làm nhƣ vậy có thể đảm bảo bề mặt tiếp xúc của nấm và đế xupáp đƣợc kín khít dù bề mặt xu páp bị biến dạng nhỏ.
Chiều rộng b của mặt côn trên nấm xupáp thường bằng: (0,05- 0,12)dn, chiều dày nấm thường khoảng (0,08- 0,12)dn. Trong đó dn là đường kính nấm xupáp.
Chiều rộng b của mặt côn phụ thuộc vào độ cứng của vật liệu làm xupáp và đế xupáp. Nếu độ cứng của xupáp lớn hơn của đế xupáp thì chiều rộng của xupáp phải lớn hơn của đế và ngƣợc lại. Nhƣ vậy mới đảm bảo xupáp tiếp xúc kín khít với đế trong quá trình làm việc và khi đế xupáp bị hao mòn, sữa chữa cũng dễ dàng hơn.
Thân xupáp thường có đường kính thích đáng để dẫn hướng tốt, tản nhiệt tốt và chịu đƣợc lực nghiêng khi xupáp đóng mở.
Đuôi xupáp thường có dạng đặc biệt để có thể lắp ghép với đĩa lò xo.
Ta có hành trình xupáp nạp khi chọn αn= 450 là:
hnmax = (0,18 0,32).dhn = 0,27 . 31,5978 = 8,5314 [mm]
h'n = hnmax.cosn = 8,5314 . cos450 = 6,0326 [mm]
en = h'n.sinn = 6,0326 . sin450 = 4,2657 [mm]
Trong đó: dh – Đường kính họng xupáp [mm].
h' – Khoảng cách giữa hai bề mặt côn nấm xupáp và đế xupáp [mm].
e – Chiều rộng của mặt cam trên nấm xupáp [mm].
α – Góc mặt côn của nấm xupáp [độ].
Từ đó ta tính được đường kính nấm xupáp nạp dnn theo công thức sau:
dnn = dhn + 2.en
dnn = 31,5978 + 2 . 5,264 = 40,1292 [mm]
Chọn t = 450 thì htmax = (0,18 0,32).dht= 0,31 . 27,7231 = 8,31392 [mm]
h't = htmax.cost = 8,31392 . cos450 = 5,87883 [mm]
et = h't.sint = 5,57883 . sin450 = 4,15696 [mm]
dnt = dht + 2.et = 27,7231 + 2 . 4,15696 = 36,027 [mm]
Để thuận lợi cho quá trình chế tạo người ta thường chọn d1 của xupáp nạp và xả nhƣ nhau, nhƣng ở một số động cơ để cải thiện sự nạp đầy cho động cơ thì xupáp nạp có thể lớn hơn 10 – 20% theo đường kính.
Đường kính thân xupáp: Đường kính thân xupáp dct phụ thuộc vào sơ đồ động học của cơ cấu phân phối khí và mức độ cường hoá động cơ, khi truyền động trực tiếp xupáp chịu tải do lực bên do đó đƣợc chế tạo với dct lớn.
Khi truyền động trực tiếp: dct = (0,25 – 0,40).dh
dcn = (0,25 – 0,40).dhn = 0,25 . 31,5978 = 10,0925 [mm]
dct = (0,25 – 0,40).dht = 0,28 . 27,7231 = 10,093 [mm]
Chiều dài thân xupáp: lt=(2,5-3,5)dn
ltn=(2,5-3,5)dnn = 3 . 40,1292 = 118,18 [mm]
ltt=(2,5-3,5)dnt = 3,28 . 36,027 = 118,169 [mm]
Chiều dày toàn bộ của nấm xupáp: l = (0,08-0,12)dn
ln = (0,08-0,12)dnn = 0,12 . 40,1292 = 4,8155 [mm]
lt = (0,08-0,12)dnt = 0,12 . 36,027 = 4,32324 [mm]
Chiều dày phần đế của nấm xupáp: b = l – e.sinα
bn = ln – en.sinαn = 4,8155 – 4,2657.sin450 = 1,7992 [mm]
bt = lt – et.sinαt = 4,232324 – 4,15696.sin450 = 1,38382 [mm]
Chiều sâu phần lắp móng hãm xupáp:
l = δ – (0,65 – 0,75).δ
δ – Chiều dài khe hở lắp móng hãm ở đuôi xupáp. Chọn δ = 4 [mm].
l = δ – (0,65 – 0,75).δ = 4 – 0,65 . 4 = 1,4 [mm]
Đĩa lò xo đƣợc lắp với xupáp bằng hai móng hãm hình côn lắp vào đoạn có đường kính nhỏ trên đuôi xupáp. Mặt côn phía ngoài của móng hãm ăn khớp với mặt côn của lổ đĩa lò xo (góc côn thường từ 100-150). Các rãnh hãm trên đuôi xupáp có thể là rãnh hình trụ, hình côn, một rãnh hay nhiều rãnh. Kiểu lắp ghép dùng móng hãm có ƣu điểm lớn là không gây nên ứng suất tập trung trên đuôi xupáp, vì vậy được dùng rất rộng rãi mặc dù gia công móng hãm tương đối khó khăn.
Góc mặt côn nối liền mép vát của xupáp với góc lƣợn chuyển tiếp đến thân thường từ 5 – 300, giá trị lớn ứng với xupáp xả.
Để giảm hao mòn cho thân máy và nắp xylanh khi chịu lực va đập của xupáp, người ta dùng đế xupáp ép vào họng đường thải và đường nạp.
Chiều dày của đế xupáp: Sd = (0,08 – 0,15).dh Sdn = 0,15 . 31,5978 = 4,74 [mm]
Sdt = 0,15 . 27,7131 = 4,17 [mm]
Chiều cao của đế: hd = (0,18 – 0,25).dh hdn = 0,25 . 31.5978 = 7,9 [mm]
hdt = 0,25 . 27,7131 = 6,928 [mm]
Ống dẫn hướng có đường kính ngoài dbt = (1,3 – 1,5)dct và chiều dài của ống phụ thuộc vào chiều dài của thân xupáp nằm trong khoảng (1,75 – 2,5)d. Khe hở giữa thân và bạc dẫn hướng có giá trị khoảng (0,001 – 0,006)dct , ở loại thân nhỏ khe hở đạt đến (0,010 – 0,0125)dct. Chiều dày của ống dẫn hướng thường vào khoảng 2,5 – 4mm.
Đường kính ngoài của ống dẫn hướng: dbt = (1,3 – 1,5)dct dbtn = (1,3 – 1,5)dct =1,5.10,0925 = 15,139 [mm]
dbtt = (1,3 – 1,5)dct =1,5.10,093 = 15,139 [mm]
Chiều dài của ống dẫn hướng: Lod = (1,75 – 2,5).dn Lod = (1,75 – 2,5).dn = 1,75.40,1292 = 70,226 [mm]
Lod = (1,75 – 2,5).dn = 1,75.36,027 = 63,0472 [mm]
Khe hở giữa ống và thân xupáp:
Đối với xupáp nạp: = 0,004.dct = 0,004.10,0925 = 0,04037 [mm]
Đối với xupáp xả:= 0,006.dct = 0,006.10,093 = 0,06056 [mm]
118.17
ỉ10.093 3 4
1
1.4 45
°
118.18
ỉ10.093 3 4 1.4
1 45
°
Hình 5-6: Kết cấu xupáp.
ỉ10.174
3
70.226
1.75 85°
3
ỉ10.214 3 3
63.0472
1.75 85°
ỉ10.094 ỉ17.6205
ỉ14.1005 1.4
ỉ36 ỉ32 ỉ10.5 3.5
80° 4 ỉ30
ỉ17.6205
ỉ14.094 3
2
2
10
4 3 3 80°
R1.25
Hình 5-7: Kết cấu ống dẫn hướng, con đội, móng hãm, đĩa lò xo.
Thiết kế 3D xupáp:
Hình 5-8: Thiết kế 3D xupáp.
Hình 5-9: Thiết kế 3D ống dẫn hướng xupáp và con đội.