TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC
_______
oo0oo
_______
BỘ MÔN ĐỘNG CƠ
(ĐẠI HỌC, KHỐI K)
Người biên soạn: Th.S NGUYỄN VĂN TRẠNG
Tháng 06/2006
Mục lục

1

MỤC LỤC
Chương 1. ĐỘNG HỌC CỦA CƠ CẤU PISTON – KHUỶU TRỤC – THANH TRUYỀN
I. Động học của cơ cấu piston – khuỷu trục – thanh truyền giao tâm 6
I.1. Quy luật động học của piston (chuyển vò, vận tốc và gia tốc của piston) 6
I.2. Khảo sát quy luật động học của piston bằng phương pháp đồ thò 9
I.3. Quy luật động học của thanh truyền 12
II. Động học của cơ cấu piston – khuỷu trục – thanh truyền lệch tâm 13
II.1. Mục đích của việc dùng cơ cấu piston – khuỷu trục – thanh truyền lệch tâm 13
II.2. Quy luật động học của cơ cấu piston 13
II.3. Quy luật động học của thanh truyền trong cơ cấu piston – khuỷu trục –
thanh truyền lệch tâm 16
Chương 2. ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CƠ CẤU PISTON – KHUỶU TRỤC – THANH TRUYỀN
I. Khái niệm 18
II. Khối lượng của các chi tiết chuyển động 18
II.1. Khối lượng của nhóm piston 18
II.2. Khối lượng của nhóm thanh truyền 18
II.3. Khối lượng của khuỷu trục 21
II.4. Khối lượng các chi tiết chuyển động tònh tiến 22

IV. Cân bằng động cơ chữ V 54
IV.1. Cân bằng động cơ 2 xylanh (

< 90
o
và

= 90
o
) 54
IV.2. Cân bằng động cơ chữ V 6 xylanh (

= 90
o
) 59
IV.3. Cân bằng động cơ chữ V 8 xylanh (

= 90
o
) 61
IV. Cân bằng động cơ chữ V 64
V.1. Động cơ hai kỳ, 3 xylanh 64
V.2. Động cơ hai kỳ, 4 xylanh 64
V.3. Động cơ hai kỳ, 6 xylanh 67
VI. Độ không đồng đều của mômen động cơ và phương pháp xác đònh mômen bánh đà 67
VII. Dao động trục khuỷu và biện pháp khắc phục 72
VII.1. Dao động trục khuỷu 72
VI.2. Tác hại của dao động xoắn 75
VI.3. Biện pháp khắc phục (nguyên lý giảm dao động) 75
Chương 4. TÍNH TOÁN SỨC BỀN CỦA NHÓM PISTON – NHÓM THANH TRUYỀN –

I.1. Xác đònh kích thước của tiết điện lưu thông 133
I.2. Chọn dạng cam 135
I.3. Trò số tiết diện thời gian của xupap 137
I.4. Tốc độ va đập của xupap 138
I.5. Gia tốc của xupap 140
II. Động học của con đội 141
II.1. Cam tiếp tuyến và động học của con đội con lăn 141
II.2. Cam lồi và động học của con đội hình nấm 145
III. Quy dẫn khối lượng của các chi tiết trong cơ cấu phân phối khí 148
IV. Tính toán sức bền của trục cam 148
IV.1. Ứng suất uốn 149
IV.2. Ứng suất xoắn 150
IV.3. Độ võng cho phép 151
IV.4. Ứng suất tiếp xúc trên mặt cam 151
V. Tính sức bền của con đội 152
VI. Tính sức bền của xupap 153
Chương 7. TÍNH TOÁN SỨC BỀN CÁC CHI TIẾT CỦA HỆ THỐNG BÔI TRƠN
I. Yêu cầu trong tính toán hệ thống bôi trơn 156
I.1. Nhiệt độ của dầu bôi trơn 156
I.2. Lưu lượng dầu bôi trơn 156
II. Xác đònh kích thước và công suất dẫn động bơm 158
II.1. Xác đònh kích thước bơm 158
II.2. Công suất dẫn động của bơm 158
III. Tính toán lọc dầu 158
III.1. Tính toán bầu lọc thấm 158
III.2. Tính toán bầu lọc ly tâm 160
IV. Tính két làm mát dầu 161
Chương 8. TÍNH TOÁN SỨC BỀN CÁC CHI TIẾT CỦA HỆ THỐNG LÀM MÁT
Mục lục


5
pdfMachine by Broadgun Software - a great PDF writer! - a great PDF creator! - http://www.pdfmachine.com http://www.broadgun.com
Chương 1 – Động học của cơ cấu piston – khuỷu trục – thanh truyền

6

Chương 1
ĐỘNG HỌC CỦA CƠ CẤU PISTON – KHUỶU TRỤC – THANH TRUYỀN
Các loại động cơ đốt trong ngày nay thường có số vòng quay rất lớn, do đó trong quá trình làm
việc các cơ cấu chòu lực quán tính rất lớn, có khi vượt xa trò số của lực khí thể. Lực quán tính tác dụng
lên cơ cấu khuỷu trục – thanh truyền gây nên ứng suất lớn, đôi khi làm hư hỏng các chi tiết máy,
ngoài ra, lực quán tính còn tác dụng lên các chi tiết trong cơ cấu khuỷu trục – thanh truyền phát sinh
dao động.
Tính toán động học và động lực học của cơ cấu piston – khuỷu trục – thanh truyền – bánh đà
nhằm xác đònh các lực do hợp lực của lực quán tính và lực khí thể tác dụng lên các chi tiết ở mỗi vò trí
của trục khuỷu nhằm phục vụ cho việc tính toán sức bền, nghiên cứu trạng thái mài mòn, tính cân
bằng động cơ, v.v
I. ĐỘNG HỌC CỦA CƠ CẤU PISTON – KHUỶU TRỤC – THANH TRUYỀN GIAO TÂM

– góc quay của trục khuỷu tương ứng với
x tính từ ĐCT.

– góc lệch giữa đường tâm thanh truyền
và đường tâm xylanh ứng với

.
Gọi
l
R

là thông số kết cấu (

= 0,25

0,29), từ trên ta có:
ĐCT

ĐCD

x

S

A

B'

B
























(1-1)
Trong đó:







)
Tónh tại 3,80

9,30 0,93

2,25
4
1



5
1

0,011

0,017 0,80

1,70
Tàu thuỷ 4,0

14 0,93

2,25
7,3
1



5

9,2
1



2,4
1

0,001

0,006 0,90

2,20
Máy bay 6,7

15 0,80

1,50
1,3
1



3,4
1

0,001

0,003 0,90


dx
v
(1-1a)
Từ quan hệ:




sin.sin
, ta rút ra:
dt
d
cos.
dt
d
cos





Do đó:
dt
d
.
cos
cos
.
dt
d





cos
sin
.Rv
(1-2)
Chương 1 – Động học của cơ cấu piston – khuỷu trục – thanh truyền

8

I.1.3. Gia tốc của piston
Đạo hàm công thức (1-2) theo thời gian, ta có công thức để tính gia tốc của piston:
dt
d
.
cos
cos
.Rsin.tg.Rcos.R
dt
dv
j
2
22








3
2
2
cos
cos
cos
)cos(
.R
(1-3)
Các công thức (1-1), (1-2) và (1-3) là các công thức chính xác dùng để tính chuyển vò, vận tốc
và gia tốc của piston.
Để thuận tiện hơn trong việc tính toán, trên thực tế quy luật động học của piston có thể xác
đònh ở dạng công thức gần đúng.
Trong tam giác OCB’ theo quan hệ lượng giác ta có:
CD = l.sin

= R.sin


l
R

=

=


sin

x.a2).1)(nn(n
2!
x.a1).n(n
1!
x.a.n
3n32n21n







 
2
1
22
sin1 
=
=

!
3
)sin(
.1).2
2
1
).(1
2
1

)1
2
1
(
2
1









=
sin
16
1
sin
8
1
sin
2
1
1
664422


Bỏ qua các số hạng vô cùng bé luỹ thừa 4 trở lên rồi thay trò số của cos




 cos
1
cos
1
1
= R.























=
2
2cos1


nên suy ra:
 








 2cos1.(
4
cos1.Rx
(1-4)
Chương 1 – Động học của cơ cấu piston – khuỷu trục – thanh truyền

9

Lấy đạo hàm công thức (1-4) theo thời gian ta được tốc độ piston: v =
ù.
d
á
dx
dt

( m/s)
Trong đó: S – hành trình piston (m) S = 2.R
n – số vòng quay động cơ (v/ph)
Người ta thường căn cứ vào tốc độ trung bình của piston để phân loại động cơ.

Động cơ có tốc độ thấp: V
tb
< 6 (m/s) .

Động cơ có tốc độ trung bình: 6 (m/s) < V
tb
< 9 (m/s).

Động cơ có tốc độ cao: V
tb
> 9 m/s.
Lấy đạo hàm công thức (1-5) theo thời gian, ta có công thức tính gia tốc của piston:
J =





d
dv
.
dt
d
.
d

Vẽ vòng tròn tâm O, bán kính R (bằng bán kính quay của trục khuỷu). Do đó AD = 2R.
Điểm A ứng với góc quay

= 0

(vò trí của điểm chết trên) và điểm D ứng với khi góc
quay

= 180

(vò trí của điểm chết dưới).
-

Từ O lấy đoạn OO’ dòch về phía ĐCD như (hình 1.2), với OO’ =
2
R


Trong đó:



thông số kết cấu

=
l
R
.
l – chiều dài của thanh truyền.
Chương 1 – Động học của cơ cấu piston – khuỷu trục – thanh truyền

AC
 









2
cos1
2
)cos1(R

AC
 









2
cos1
2

Để xác đònh vận tốc của piston có thể dùng phương pháp đồ thò vòng tròn sau đây:
-

Sau khi chọn tỷ lệ thích hợp, vẽ vòng tròng tâm O có bán kính R
2
=
2

.R

và đồng tâm với
nửa đường tròn có bán kính R
1
= R

. Chia nửa đường tròn R
1
và vòng tròn R
2
thành n phần
đánh số 1, 2, 3, , n và 1’, 2’, 3’, , n’ theo chiều như trên hình vẽ (n = 8).
-

Từ các điểm 0, 1, 2, 3, kẻ các đường thẳng góc với AB cắt các đường song song với AB
kẻ từ 0, 1’, 2’, 3’, n’ tại các điểm 0, a, b, c, Nối 0, a, b, c, bằng đường cong ta được
đường biểu diễn trò số tốc độ.
Hình 1.
2.
Phương pháp đồ thò Brich và cách triển khai trên toạ độ



R

O

O’



90
o

180
o

x = f(

)

x

C

0
o



12a









 2sin
2
2sinR

I.2.3. Tìm gia tốc bằng phương pháp đồ thò
Để tìm gia tốc, ta có thể giải theo phương pháp đồ thò vòng sau đây (hình 1.4):
-

Vẽ vòng tròn tâm O có bán kính R
2
=

R

2
đồng tâm với nửa vòng tròn có bán kính R
1
=
R


Ưu điểm của phép đồ thò này là có độ chính xác cao ngay cả khi
4
1

. Chứng minh phương
pháp đồ thò này rất dễ dàng, cụ thể như sau:


f

7’

5’

4’

8’

0’

1’

7

6

5

R
2

0

2’

3’

6’

b’

a’

Hình 1.3
.
Giải tốc độ bằng đồ thò.

Hình 1.4
.
Giải gia tốc bằng đồ thò.
A

B

8

8’


6’

5’

1’

2’

3’

4’

j
á
R
1

R
2

a

dp



Chương 1 – Động học của cơ cấu piston – khuỷu trục – thanh truyền

cos

+ R

2

cos2


= R

2
.(cos

+

cos2

)
I.3. Quy luật động học của thanh truyền
I.3.1. Góc lắc


Thanh truyền trong cơ cấu khuỷu trục – thanh truyền chuyển động rất phức tạp trong mặt
phẳng thẳng góc với đường tâm trục khuỷu. Đầu nhỏ thanh truyền chuyển động tònh tiến theo phương
đường tâm xylanh, trong khi đó đầu to chuyển động quay tròn quanh đường tâm trục khuỷu với tốc độ
góc không đổi.
Vì vậy chuyển động của thanh truyền đối với đường tâm xylanh biến thiên theo quan hệ sau:











d
d
dt
d
.
d
d
dt
d
(1-8)
Trong đó:

- tốc độ góc của trục khuỷu.
Do sin

=

sin

nên đạo hàm hai vế đẳng thức này ta có: cos

.



cos
cos

hoặc:


tt
=



cos
sin1
22
(1-9)
Khi

= 0 và

= 180
0
vận tốc góc đạt trò số cực đại:


ttmax
=



tt
cos
dt
d
.sin.coscos.
dt
d
.sin
dt
d

Chương 1 – Động học của cơ cấu piston – khuỷu trục – thanh truyền

13
=
















sin
sin
.cos.cos
sin.

=

















3
22
2
cos
sin
sin
.cos.cos

1 



II. ĐỘNG HỌC CỦA CƠ CẤU PISTON – KHUỶU TRỤC – THANH TRUYỀN LỆCH TÂM
II.1. Mục đích của việc dùng cơ cấu piston – khuỷu trục – thanh truyền lệch tâm
Trong một số động cơ đốt trong, nhất là đối với các động cơ cao tốc hành trình piston ngắn,
người ta dùng cơ cấu khuỷu trục thanh truyền lệch tâm. Trong cơ cấu này, tâm chốt piston không nằm
trùng trên đường tâm xylanh. Sử dụng cơ cấu trục khuỷu thanh truyền lệch tâm nhằm đạt hai mục
đích chính sau đây:
-

Giảm lực ngang N tác dụng lên xylanh do đó giảm được độ va đập, độ mòn của piston,
xécmăng và xylanh,
-

Tăng được dung tích công tác của xylanh khi vẫn giữ nguyên đường kính xylanh D và bán
kính quay của khuỷu trục R.
Có hai phương án làm lệch tâm:
-

Làm lệch đường tâm xylanh khỏi đường tâm trục khuỷu.
-

Đường tâm xylanh vẫn trực giao với đường tâm trục khuỷu như cơ cấu giao tâm, nhưng tâm
chốt piston lại lệch khỏi đường tâm xylanh.
Để giảm lực ngang N, bao giờ độ lệch tâm cũng phải lệch về phía chiều quay của trục khuỷu.
Nghóa là, nếu độ lệch tâm bố trí lệch về bên phải (như hình 1.5) thì chiều quay của trục khuỷu phải
theo chiều kim đồng hồ.
II.2. Quy luật động học của cơ cấu piston

nên ta dễ dàng rút ra kết
luận: quá trình nạp lý thuyết (piston đi từ điểm chết
trên xuống đến điểm chết dưới) của động cơ dùng cơ
cấu piston – khuỷu trục – thanh truyền lệch tâm, đã
được kéo dài.
Vò trí của điểm chết dưới có thể xác đònh dễ
dàng bằng các góc

1
và

2
. Do khi piston ở điểm
chết trên và điểm chết dưới thì các điểm A’, O, A
1
và
A’’, O, A
2
thẳng hàng nên từ hai tam giác vuông
A’OE và A’’OE dễ dàng suy ra.











lúc đó công thức (1-11) có thể viết dưới dạng:











1
sin
1
sin
2
1






k
k
do đó:




   

2
2
2
2
21
aRlaRlSSS


























1



S

S
1

S
2

x

B

C

O

A
2

A
1

a


, chuyển vò piston tính từ điểm chết trên
A’ ta có thể xác đònh theo công thức sau:

   
 scoslcosRaRlx
2
2
(1-13)
Quan hệ giữa góc

và

có thể xác đònh từ tam giác ABD và BCO:

asinRsinl





do đó:


ksinsin 

và
 
2
22
















2
22
2
ksin1.
1
cosk1
1
.Rx
(1-15)
II.2.3. Vận tốc của piston
Đạo hàm hai vế phương trình (1-15) đối với thời gian và rút gọn, cuối cùng ta được:
















3
2
2
cos
cos
cos
cos
Rj
(1-17)
Gia tốc của piston trong cơ cấu trục khuỷu thanh truyền lệch tâm cũng có dạng hoàn toàn
giống như gia tốc của cơ cấu khuỷu trục thanh truyền giao tâm.
Các công thức (1-15), (1-16) và (1-17) là dạng công thức chính xác dùng để xác chuyển vò, vận
tốc và gia tốc của piston trong cơ cấu piston – khuỷu trục – thanh truyền lệch tâm. Trên thực tế, để
thuận tiện hơn trong việc tính toán, quy luật động học của piston có thể xác đònh ở dạng công thức
gần đúng sau.
Ta có:
   











 cosk2sin
2
sin.R
dt
dx
v
(1-19)
Lấy đạo hàm hai vế phương trình (1-19) theo thời gian, ta được:

 
 sink2coscos.R
dt
dv
j
2
(1-19)
II.3. Quy luật động học của thanh truyền trong cơ cấu piston – khuỷu trục – thanh truyền
lệch tâm
II.3.1. Góc lắc


Trong phần chứng minh quy luật động học của piston ta đã có:

tt
=

.
cosâ
cosá
(1-23)
Công thức 1-23 cũng giống như công thức tính tốc độ góc của thanh truyền giao tâm nhưng
quan hệ của góc

với góc

có liên quan đến hệ số k và phải xác đònh theo (1-21)
Do đó:

tt
=

.

.
22
k)(sináë1
cos
á

(1-24)
II.3.3. Gia tốc góc

tt


 
2/3
22
2222
)k(sin1
)k(sincos)k(sin1.sin


(1-25)
Các công thức (1-22), (1-24) và (1-25) là dạng công thức chính xác dùng để xác chuyển vò góc,
tốc độ góc và gia tốc góc của thanh truyền.