Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn Thiết kế máy

LỜI NÓI ĐẦU
Đất nước ta đang trong quá trình đẩy mạnh công nghiệp hóa,hiện đại hóa
đất nước. Trong đó lĩnh vực cơ khí là nền tảng để thúc đẩy các ngành khác phát
triển,vì vậy ngành cơ khí luôn được ưu tiên nghiên cứu phát triển và đã đạt được
những thành tựu to lớn, tác động mạnh mẽ tới mọi lĩnh vực của đời sống xã hội.
Hiện nay ngành công nghiệp Việt Nam đang phát triển không ngừng, trong
đó phải kể đến ngành công nghiệp ô tô. Việc thiết kế, chế tạo, lắp ráp cũng như
tính toán một chiếc ô tô đạt tiêu chuẩn, kiểu dáng đẹp, có khả năng cạnh tranh trên
thị trường trong nước và thế giới đòi hỏi đội ngũ chuyên gia, kỹ sư phải tìm tòi áp
dụng những công nghệ mới . Trong đó có việc áp dụng những phần mềm tính toán
thiết kế 3D, những phần mềm này ngoài khả năng thiết kế một cách trực quan nó
còn có khả năng mô phỏng, tính toán phân tích động lực học máy . Do vậy có thể
rút ngắn thời gian thiết kế, kiểm tra sai sót trong qua trình thiết kế và tối ưu hóa
mà không phải sản xuất thử. Một số phần mềm thiết kế mô phỏng phổ biến hiện
nay như Autodesk Inventor, CATIA, SolidWorks, Dynamic Designer Motion.
Việc thiết kế một chiếc ô tô bao gồm rất nhiều chi tiết, trong đó động cơ là
chi tiết quan trọng nhất . Đối với sinh viên ngành cơ khí nói chung và sinh viên
ngành Tự động hóa thiết kế cơ khí nói riêng, việc tìm hiểu thiết kế động cơ giúp
chúng em vận dụng tốt những kiến thức đã học kết vào quá trình thiết kế để sau
khi ra trường không bị bỡ ngỡ. Vì vậy em chon đề tài “Nghiên cứu tính toán, thiết
kế và mô phỏng nguyên lý làm việc của đông cơ V8 trên xe Zil 130”. Trong đề tài,
em sử dụng phần mềm Autodesk Inventor và Dynamic Designer Motion để tính
toán thiết kế mô phỏng.

Vũ Văn Tuấn

1

Diesel, so sánh ưu-nhược điểm của chúng.
1.1 Giới thiệu chung về động cơ
Nguồn động lực là bộ phận cung cấp năng lượng để các phương tiện có thể
hoạt động được. Trên các phương tiện giao thông vận tải, nguồn động lực thường
được sử dụng là động cơ. Động cơ được dùng trên các phương tiện vận tải trong
các lĩnh vực khác như hàng không, vận tải thuỷ, vận tải đường bộ, về mặt kết cấu
cũng như loại nhiên liệu dùng là khác nhau.
Động cơ đốt trong nói chung, động cơ xăng và động cơ Diesel nói riêng
thuộc loại động cơ nhiệt, hoạt động nhờ quá trình biến đổi hoá năng thành nhiệt
năng do nhiên liệu trong buồng kín bị đốt cháy rồi chuyển sang dạng cơ năng.
Toàn bộ quá trình này được thực hiện trong buồn kín của xylanh động cơ. Động
cơ đốt trong kiểu Piston là nguồn động lực chủ yếu sử dụng trên các phương tiện
hoạt động trong mọi thành phần kinh tế: giao thông vận tải (đường bộ, thuỷ,
đường sắt..), nông nghiệp, lâm nghiệp, công nghiệp, quốc phòng …
Căn cứ vào phương pháp chuyển nhiệt năng thành cơ năng của hơi nước
hay khí trong động cơ mà người ta chia ra động cơ kiểu Piston và kiểu turbin.
Nếu nhiệt năng của hơi nước hoặc khí trong động cơ chuyển sang cơ năng
bằng tác dụng của hơi nước hay khí lên Piston trong xylanh động cơ có động cơ
kiểu Piston.
Nếu nhiệt năng được sử dụng dưới dạng dòng tốc độ của hơi nước hoặc khí
tác dụng lên cánh lắp trên đĩa công tác của máy và làm cho nó quay gọi là động cơ
kiểu turbin.
1.1.1 Phân loại động cơ đốt trong kiểu Piston
Căn cứ vào chu trình làm việc của động cơ mà có thể chia thành:
Vũ Văn Tuấn

3

Lớp TĐHTKCK- K46


hoà trộn với không khí trước khi đưa vào xylanh động cơ. Hỗn hợp nhiên liệu khí
có khả năng bốc cháy dẽ dàng. Hỗn hợp nhiên liệu khí vào trong xylanh bị nén lại.
Tia lửa điện được tạo nên từ hệ thống đánh lửa sẽ đốt cháy hỗn hợp. Khi hỗn hợp
cháy, nhiệt độ và áp suất cao được tạo nên trong xylanh. Áp suất cao đặt lên đỉnh

Vũ Văn Tuấn

4

Lớp TĐHTKCK- K46


Đồ án tốt nghiệp
Bộ môn Thiết kế máy
Piston, đẩy Piston đi xuống. Chuyển động của Piston truyền qua các bánh răng,
các trục đến bánh xe làm xe chạy.
Trong động cơ Diesel, nhiên liệu sẽ hoà trộn với không khí sau khi chúng
vào trong xylanh. Piston nén không khí còn lại khoảng 1/22 thể tích ban đầu.
Không khí bị nén nhiệt độ nó sẽ tăng khoảng 538 0C [1000F] hoặc cao hơn. Khi đó,
nhiên liệu Diesel được phun vào không khí nóng. Không khí nóng sẽ đốt cháy
nhiên liệu. Nhiên liệu bị đốt cháy bởi nhiệt do không khí bị nén nên động cơ
Diesel còn được gọi là động cơ kích nổ bằng khí nén.
1.1.3 Các bộ phận chính của động cơ
- Thân vỏ động cơ.
- Cơ cấu trục khuỷu - thanh truyền - Piston.
- Cơ cấu phối khí.
- Hệ thống cung cấp nhiên liệu.
- Hệ thống làm mát.
- Hệ thống bôi trơn.
- Hệ thống điện.

Trong thực tế chỉ có 3 loại đầu được sử dụng trên động cơ xe ôtô.
1.2.1.1 Động cơ 3 xylanh
Một vài động cơ xe ôtô nhỏ có 3 xylanh,
bố trên 1 dãy.
Để giảm trọng lượng trục
cam và trục khuỷu được chế tạo
rỗng. Blốc xylanh làm bằng hợp
kim nhôm, ống lót xylanh đúc
bằng gang. Trục cam được dẫn
động bởi trục khuỷu thông qua
một dây đai có răng.
Bộ chia điện được dẫn động
trực tiếp một đầu của trục cam
Bơm dầu được bố trí ở
đầu phía trước trục khuỷu.

Hình 1.1: Động cơ 3 xylanh

Một đai truyền hình chữ V truyền động
từ trục khuỷu đến máy phát điện xoay chiều và bơm nước.
1.2.1.2 Động cơ 4 xylanh
Bốn xylanh có thể được bố trí:
- Trên một dãy (thẳng hàng).
- Hình chữ V.
- Đối nghịch nhau (trên một mặt phẳng hoặc xếp chồng).
Động cơ 4 xylanh kiểu V có các xylanh bố trí trên 2 dãy, mỗi dãy 2 xylanh hai dãy
hợp thành một góc.
Vũ Văn Tuấn

6

hành bởi 1 trục cam trong blốc xylanh hoặc 1 hay 2 trục cam trong nắp xylanh.
Động cơ 6 xylanh thẳng hàng: Có 6 xylanh đựoc xếp thẳng hàng. Động cơ V-6:
Có các xylanh đặt trên 2 dãy, mỗi dãy 3 xylanh. Góc giữa 2 dãy thường là 60 0 hay
900.

Hình 1.6: Động cơ V6

Hình 1.7: Động cơ 6 xylanh thẳng hàng

Hình 1.8: Động cơ 6 xylanh đối nghịch
Vũ Văn Tuấn

8

Lớp TĐHTKCK- K46


Đồ án tốt nghiệp
Bộ môn Thiết kế máy
1.2.1.5 Động cơ V8
Động cơ V8, xylanh bố trí trên hai dãy, mỗi dãy 4 xylanh, hợp thành góc
900. Trục khuỷu có 4 cổ lắp thanh truyền. Các thanh truyền của 2 xylanh đối diện
lắp trên cùng một cổ.

Hình 1.9: Động cơ V8
1.2.1.6 Động cơ 12, 16 xylanh
Những loại động cơ này được dùng trên xe ôtô chở khách, xe tải và các thiết
bị kỹ nghệ. Thường các xylanh đặt thành hai dãy(V hoặc đối nghịch). Một số thiết
kế thành 3 dãy (W)hoặc 4 dãy (X)



10

Lớp TĐHTKCK- K46


Đồ án tốt nghiệp
- Trục cam trong blốc

Bộ môn Thiết kế máy

xylanh hoặc van treo.
Trong mỗi loại, việc mở van
đều do chuyển động quay tròn của
nướu cam tác động.
Trục cam trong blốc máy cũng
có thể truyền động cho bộ chia điện.
Một trục từ bộ chia điện truyền cho
bơm dầu. Một bánh lệch tâm
trên trục cam vận hành bơm nhiên liệu
kiểu cơ khí.

Hình 1.14: Trục cam dùng đũa đẩy.

d) Số van trên mỗi xylanh: Một số động cơ trên mỗi xylanh có nhiều hơn 2 van
có 3, 4, 5 hoặc cả 6 trên mỗi xylanh. Hình 1.10 cho thấy động cơ có 4 van trên mỗi
xylanh. Mục đích của việc bố trí nhiều van là cho phép động cơ nạp và thoát khí
nhanh hơn. Điều này làm tăng ”hiệu suất thể tích” vì vậy động cơ tạo ra nhiều
công suất hơn.
1.2.3 Phân loại theo chiều quay động cơ và cách đánh số xylanh

General Motors V6 có thứ tự đốt cháy giống nhau là: 1-2-3-4-5-6. Động cơ Ford
V6 có thứ tự là 1-4-2-5-3-6 và 1-4-2-3-5-6. Động cơ V8 của hãng chrysler và
General Motors là 1-8-4-3-6-5-7-2. Động cơ V8 của hãng Ford là 1-5-2-6-3-7-8 và
1-3-7-2-6-5-4-8.
1

1

1

1

2

3

2

2

3

4

3

4

4


6

động cơ 4 xylanh

1
3
5
7

1
8
4
3
6
5
7
2

Hình 1.16: Thứ tự đốt cháy

2

của động cơ 6 xylanh

4
6
8

Hình 1.17: Thứ tự đốt cháy của động cơ V8
Vũ Văn Tuấn

Động cơ bốn kỳ là động cơ đốt trong trong đó chu trình công tác được hoàn
thành trong 4 hành trình dịch chuyển của Piston tuơng ứng vói 2 vòng quay trục
khuỷu.
Căn cứ vào dạng nhiên liệu cung cấp cho động cơ đốt trong mà có thể chia
thành loại động cơ xăng 4 kỳ và Diesel 4 kỳ.
Về cơ bản nguyên lí chung là giống nhau, nhưng quá trình khác nhau.

Vũ Văn Tuấn

13

Lớp TĐHTKCK- K46


Đồ án tốt nghiệp
a. Sơ đồ nguyên lí làm việc của động cơ xăng 4 kỳ

Bộ môn Thiết kế máy

Hỗn hợp nhiên liệu cung cấp cho quá trình đốt cháy trong động cơ xăng là
hỗn hợp xăng là không khí (hoà khí).
- Kỳ 1(Còn gọi là kỳ nạp): Vị trí xuất phát đầu tiên của Piston là ở trên đỉnh,
lúc này van (xupap) nạp mở ra và Piston chuyển động xuống dưới. Thể tích xylanh
giảm dần, áp suất giảm (0,8 – 0,9)KG/ cm 2, do sự chênh áp, hỗn hợp nhiên liệu
được đưa vào buồng xylanh qua của nạp, cơ cấu phối khí điều khiển sự đóng mở
của cửa này, cửa xả đóng kết thúc kỳ nạp trục khuỷu quay một góc 180 0 (phần 1màu vàng).
A: Van nạp, cò mổ, lò xo xu-páp;
B: Nắp xilanh;
C: Họng hút;
D: Nắp xilanh;

việc đốt cháy không khí tăng thêm nhiều (phần 2-màu tím).

Hình 1.19: Diễn biến quá trình nén
- Kỳ 3 (còn gọi là kỳ nổ): Cuối kỳ nén bugi bật tia lửa điện đốt cháy hỗn hợp
nhiên liệu, hỗn hợp nhiên liệu bốc cháy, giãn nở sinh công đẩy trục khuỷu dịch
chuyển từ ĐCT xuống ĐCD, trong lúc này của nạp và xả đều đóng.
Trong quá trình này nhiên liệu trong buồn đốt cháy nhanh, áp suất tăng
mãnh liệt: áp suất tăng đến 30 – 40kG/cm 2, nhiệt độ 2100 – 25000C. Quá trình này
gọi là quá trình sinh công. Trong các kỳ làm việc chỉ có kỳ nổ sinh công (phần 3màu đỏ).

Vũ Văn Tuấn

15

Lớp TĐHTKCK- K46


Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn Thiết kế máy

Hình 1.20: Diễn biến quá trình nổ
- Kỳ 4 (Còn gọi là kỳ xả): Sau khi Piston dịch chuyển xuống ĐCD từ kỳ nổ,
Piston lại tiếp tục dịch chuyển lên ĐCT, cùng lúc đó, cửa xả mở, Piston dịch
chuyển đồng thời đẩy sản phẩm cháy ra khỏi buồn xylanh động cơ thông qua cửa
xả, cửa nạp vẫn đóng (phần 4-màu xanh).

Hình 1.21: Diễn biến quá trình xả
Vũ Văn Tuấn


và xả đều đóng. Trong quá trình này, nhiên liệu trong buồng đốt cháy nhanh áp
suất tăng mãnh liệt: áp suất tăng đến 50 – 90 kG/cm 2, nhiệt độ 1600 – 20000C.
Quá trình này gọi là quá trình giãn nở sinh công.
- Kỳ 4 (Kỳ xả ): Sau khi Piston dịch chuyển xuống ĐCD từ kỳ nổ, Piston lại
tiếp tục dịch chuyển lên ĐCT, cùng lúc đó, cửa xả mở, Piston dịch chuyển đồng
thời đẩy sản phẩm cháy ra khỏi buồng xylanh động cơ thông qua cửa xả, cửa nạp
vẫn đóng.
Vũ Văn Tuấn

17

Lớp TĐHTKCK- K46


Đồ án tốt nghiệp
Bộ môn Thiết kế máy
Sau khi kết thúc quá trình xả, động cơ đã hoàn thành một cho trình công tác
với 2 vòng quay của trục khuỷu (tương ứng với góc quay 7200) và một chu trình
công tác mới lại được nối tiếp.
1.2.6.2 Động cơ 2 kỳ
Động cơ 2 kỳ cũng bao gồm bốn quá trình: nạp, nén, nổ, xả, nhưng khác với
động cơ 4 kỳ là muốn hoàn thành một chu trình làm việc, trục khuỷu của động cơ
2 kỳ chỉ quay 1 vòng 360 0 tương ứng với Piston dịch chuyển hai hành trình. Do
đó, trong mỗi hành trình của Piston có nhiều quá trình cùng xảy ra.
Động cơ 2 kỳ thường dùng hai kiểu phối khí:
- Loại có cửa thổi (cửa nạp), cửa xả (không có xupap).
- Loại có cửa thổi và xupap xả.
a. Nguyên lý làm việc của động cơ xăng 2 kỳ, loại có cửa thổi và cửa xả.
- Hành trình nén: Trục khuỷu 2 quay, Piston 5 dịch chuyển từ ĐCD lên
ĐCT, khi cửa xả 4 được Piston đóng kín.

của hoà khí trong xylanh là:
Áp suất p = 6 đến 10 kG/cm2.

Hình 1.22: Hành trình nén

Nhiệt độ là T = 400 đến 6000K.
- Hành trình sinh công là thay khí: Do hoà khí đã được đốt ở cuối hành trình
nén nên khi Piston đến ĐCT, thì hoà khí càng cháy nhanh hơ, làm cho áp suất khí
cháy tăng lên và đẩy Piston đi xuống ĐCD qua thanh truyền làm quay trục khuỷu
2 phát sinh công.
Vũ Văn Tuấn

18

Lớp TĐHTKCK- K46


Đồ án tốt nghiệp
Khi Piston dịch chuyển dần tới ĐCD cửa

Bộ môn Thiết kế máy

xả 4 mở, đồng thời sau đó cửa thổi 8 có chiều cao
thấp hơn cửa xả cũng được mở và cửa nạp 3
đóng lại. Do đó, khí cháy sau khi đã làm việc
có áp suất 3 - 4 kG/cm2 lớn hơn áp suất
khí trời p0 1 kG/cm2 được xả ra ngoài
và hoà khí ở dưới cac-te bị nén có áp suất
1,2 – 1,3 kG/cm2 cao hơn áp suất của
khí cháy còn lại trong xylanh 1,1kG/cm2


3
2

việc của động cơ này như sau:
- Hành trình nén: Trong hành trình này, khi

1

trục khuỷu 1 quay, Piston 7 dịch chuyển từ
ĐCD lên ĐCT, cửa thổi 9 được Piston đậy kín
và sau đó xupáp xả 6 cũng được đóng lại,
không khí có sẵn trong xylanh 4 bị nén,

Hình 1.24: Hành trình nén

áp suất và nhiệt độ của nó tăng lên cho đến khi Piston gần đến ĐCT, vòi phun 5
của hệ thống nhiên liệu sẽ phun nhiên liệu với áp suất cao (100: 140KG/cm 2) hình
Vũ Văn Tuấn

19

Lớp TĐHTKCK- K46


Đồ án tốt nghiệp
Bộ môn Thiết kế máy
thành hỗn hợp với không khí nén có nhiệt độ cao làm cho nhiên liệu này tự cháy
được. Cuối hành trình nén áp suất và nhiệt độ của không khí nén trong xylanh là:
P = (40 – 50)KG/cm2 ;T = (800 – 900)0 K.


Lớp TĐHTKCK- K46


Đồ án tốt nghiệp
Bộ môn Thiết kế máy
động cơ 2 kì có thể dùng bánh đà, lắp trên trục khuỷu có kích thước và trọng
lượng nhở hơn so với động cơ 4 kì.
- Động cơ 2 kì không có xupáp nạp và nếu dùng cac-te để thổi khí vào xylanh
thì cấu tạo đơn giản và dễ sử dụng hơn động cơ 4 kì.
* Nhược điểm:
- Hiệu suất động cơ 2 kì nhỏ hơn so với động cơ 4 kì do có sự hao phí nhiên
liệu trong quá trình trao đổi khí.
- Nhiệt độ trong quá trình làm việc của động cơ 2 kì lớn hơn so với động cơ 4
kì, do có số lần sinh công nhiều hơn làm cho động cơ bị đốt nóng và đặc biệt đối
với động cơ Diesel dẽ bị bám muội than ở buồng cháy.
- Trong động cơ xăng 2 kì nếu dùng cac-te chứa dầu bôi trơn để thổi khí, thì dễ
làm hỏng dầu bôi trơn.
Căn cứ vào những ưu điểm trên, động cơ xăng 2 kì thường được dùng ở
động cơ có công suất nhỏ ví dụ động cơ phụ ở máy kéo, động cơ motor xe máy.
Còn động cơ Diesel 2 kì dùng nhiều ở động cơ có công suất trung bình và lớn ví
dụ động cơ ô tô, tàu thuỷ, máy xây dựng, máy phát điện.
1.2.6.4 So sánh động cơ xăng và động cơ Diesel
*Ưu điểm:
- Hiệu suất của động cơ Diesel lớn hơn động cơ xăng, do hao phí nhiên liệu ít
và tỉ số nén cao.
- Nhiên liệu dùng trong động cơ Diesel là dầu Diesel rẻ tiền và ít gây cháy hơn
so với xăng dùng trên động cơ xăng.
- Hệ thống nhiên liệu của động cơ Diesel (bơm cao áp, vòi phun) ít bị hư hỏng
và dễ dùng hơn hệ thống nhiên liệu của động cơ xăng (dùng bộ chế hoà khí hoặc

ngang qua cổng nạp, khoảng không từ A đến C kín lại.
Trong lúc này, khoảng không giữa 2 nướu A và B giảm rất lớn. Hỗn hợp
nhiên liệu-khí giữa A và B bị nén, tia lửa từ bugi sẽ đốt cháy hỗn hợp. Sự cháy tạo
ra áp lực đẩy rotor quay. Khi nướu B đi qua cửa thoát, khí cháy sẽ thoát ra.
Các “kỳ” nạp, nén, sinh công và thoát liên tục xảy ra trong mỗi buồng đốt
của rotor, trong suốt thời gian hoạt động.

Hình 1.26: Động cơ Wankel
Vũ Văn Tuấn

22

Lớp TĐHTKCK- K46


Đồ án tốt nghiệp

Bộ môn Thiết kế máy
Chương 2: cÊu t¹o ®éng c¬ «t«

Các động cơ kích nổ bằng tia lửa và động cơ Diesel có cấu tạo tương tự
nhau. Cả hai đều có blốc xylanh, trục khuỷu, thanh truyền, Piston, truyền động van
và các bạc (ổ trục). Sự khác nhau cơ bản giữa các bộ phận của 2 loại động cơ trên
là các bộ phận của động cơ Diesel thường nặng nề và chắc chắn hơn, vì phải chịu
áp lực bên trong cao hơn. Trong chương này chúng ta sẽ tìm hiểu cấu tạo các chi
tiết dùng trong động cơ ôtô.
2.1 Blốc xylanh
Là bộ phận cơ bản của động cơ. Những bộ phận khác của động cơ được cài
vào trong hoặc gắn với blốc xylanh.


-Các bơm dầu, máng dầu. Sau khi lắp ráp xong các bộ phận nạp dầu bôi
trơn vào động cơ.

Hình 2.2: Các bộ phận lắp vào blốc xylanh

Vũ Văn Tuấn

24

Lớp TĐHTKCK- K46


Đồ án tốt nghiệp
Bộ môn Thiết kế máy
2.3 Máng dầu
Máng dầu làm bằng plastic hay kim loại, một miếng đệm đặt giữa máng dầu
và blốc máy để làm kín mặt lắp ghép nhằm để tránh sự rò rỉ dầu. Đáy của blốc
máy cộng với máng dầu tạo thành hộp trục khuỷu (cac-te), bao bọc trục khuỷu.
Máng dầu chứa từ 3 đến 8 lít dầu, tùy thuộc vào từng động cơ. Bơm dầu sẽ
chuyển dầu từu máng đến các bộ phận của động cơ.
Một số động cơ có máng dầu chống ồn. Những miếng vật liệu giảm chấn
động bằng nhựa và thép dập được gắn vào mặt phẳng bên trong máng dầu.

Hình 2.3: Máng dầu
2.4 Nắp xylanh và tấm đệm nắp xylanh
Nắp xylanh được đúc bằng gang hay hợp kim nhôm, rồi được gia công để các
chi tiết khác nhau có thể lắp vào nắp. Nắp xylanh tạo thành phần trên của buồng
đốt, Piston và vòng găng Piston tạo thành phần dưới. Mỗi hình dạng cơ bản của
buồng đốt tạo ra những ảnh hưởng riêng biệt. Dạng hình nêm làm gia tăng sự xoáy
lốc của hỗn hợp cháy. Dạng hình chỏm cầu thì sự đốt cháy tương đối chậm. Dạng