TỔNG CỤC KỸ THUẬT
TRƯỜNG SĨ QUAN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

KẾT CẤU ĐỘNG CƠ ÔTÔ
TẬP 1

TP. HỒ CHÍ MINH - 2011


TỔNG CỤC KỸ THUẬT
TRƯỜNG SĨ QUAN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

KẾT CẤU ĐỘNG CƠ ÔTÔ
TẬP 1
(Dùng cho đào tạo SQKT, ĐHKT, CĐKT chuyên ngành Ôtô)

TP. HỒ CHÍ MINH - 2011

2


Trường Sĩ quan Kỹ thuật Quân sự mong được bạn đọc góp ý kiến
phê bình
(Quyết định ban hành số: . . . . . /QĐ-KTQS ngày . . . . tháng . . . . năm 2011)

TÁC GIẢ
Chủ biên: Đại tá, Thạc sỹ Trần Quốc Toản

3



2.1. Khái niệm chung
2.2. Thân động cơ (Thân máy)
2.3. Xylanh - lót xylanh
2.4. Nắp xylanh (Nắp máy)
2.5. Cụm nạp - xả
2.6. Đáy dầu
2.7. Kết cấu bộ phận gá lắp động cơ vào khung ôtô
2.8. Thân và nắp xylanh của một số động cơ điển hình
2.9. Những hư hỏng thường gặp ở các chi tiết máy cố đònh

28
28
30
40
43
58
55
56
56
61

Chương 3: Các chi tiết chuyển động
3.1. Nhóm píttông
3.2. Nhóm thanh truyền
3.3. Nhóm trục khuỷu - bánh đà
3.4. Ổ đỡ và bạc lót
3.5. Píttông, thanh truyền, trục khuỷu của một số động cơ điển
hình
3.6. Một số hư hỏng thường gặp ở các chi tiết máy chuyển động


LỜI NÓI ĐẦU
Giáo trình “kết cấu động cơ đốt trong” được biên soạn theo đề cương,
chương trình môn học đã được “Hội đồng khoa học” Trường Só quan Kỹ thuật
Quân sự thông qua. Giáo trình biên soạn xong đã được nghiệm thu và đưa
vào sử dụng. Đây là tài liệu chính thức dùng cho học tập và giảng dạy hệ
ĐHKT, CĐKT chuyên ngành Ôtô tại Trường Só quan KTQS.
Trong quá trình biên soạn, giáo trình đã bám sát những kiến thức cơ bản,
trọng tâm, đặc biệt là kiến thức mới, tự động điều khiển trên động cơ. Tài
liệu bao gồm 2 phần, 9 chương.
Tập I trình bày các chi tiết, bộ phân và cơ cấu trên động cơ.
Chương 1: Tổng quan về Động cơ đốt trong
Chương 2: Các chi tiết thuộc bộ phận cố đònh
Chương 3: Các chi tiết thuộc bộ phận chuyển động
Chương 4: Cơ cấu phối khí
Giáo trình đã cố gắng trình bày hệ thống từ nhiệm vụ, điều kiện làm
việc, yêu cầu kỹ thuật, vật liệu chế tạo và kết cấu các chi tiết bộ phận và hệ
thống từ cơ bản đến kết cấu đặc trưng, chủ yếu trên động cơ của một số ôtô
điển hình, như: UAZ-1342, GAZ-66, ZIL130, URAL-375, URAL-4320,
KRAZ-255, TOYOTA, NISSAN, HUYNDAI, DEAWOO,...
Trong quá trình biên soạn đã tham khảo nhiều giáo trình, tài liệu của
nhiều trường Đại học, Cao đẳng và Dạy nghề, sách về ôtô máy kéo và động
cơ đốt trong của nhiều nhà xuất bản trong và ngoài nước ấn hành. Tuy vậy,
chắc chắn giáo trình vẫn còn nhiều chỗ chưa trọn vẹn, đầy dủ, rất mong bạn
đọc phê bình, góp ý. Mọi ý kiến xin trao đổi trực tiếp với tác giả hoặc giáo
viên khoa Ôtô/ Trường Só quan KTQS/TCKT.
Xin chân thành cảm ơn.
TÁC GIẢ

5


- Động cơ hai hàng xylanh: Là động cơ mà các xylanh được bố trí thành
hai hàng hình chữ V (góc giữa hai hàng có thể 60 ÷ 90 0 …).
6


1.2.5. Dựa vào phương pháp làm mát
- Động cơ làm mát bằng không khí
- Động cơ làm mát bằng chất lỏng.
1.2.6. Dựa vào cách bố trí
- Động cơ nằm ngang: Là động cơ được bố trí đường tâm trục khuỷu
vuông góc với chiều dọc ôtô. Thường lắp trên các xe du lòch nhỏ, loại này
động cơ được lắp kèm theo các khối: Ly hợp, hộp số, truyền lực cho hai bánh
trước.
- Động cơ nằm dọc: Là động cơ được bố trí theo chiều dọc ôtô, loại này
được dùng phổ biến, nhiều nhất là các ôtô vận tải.
Ngoài ra có thể phân loại động cơ theo một số đặc trưng khác như:
- Động cơ xăng
* Động cơ chế hòa khí: Là động cơ sử dụng bộ chế hòa khí để tạo hỗn
hợp.
* Động cơ phun xăng: Là động cơ có trang bò hệ thống phun xăng để tạo
hỗn hợp.
- Động cơ điêzel.
1.3. Các bộ phận và cơ cấu trên động cơ ôtô
Về mặt kết cấu động cơ đốt trong trên ôtô là một tổ hợp máy móc rất
phức tạp được thể hiện mặt cắt dọc, cắt ngang trên các hình vẽ 1.1, 1.2a,
1.2b. Bao gồm các cơ cấu và hệ thống chính sau.
1.3.1.Cơ cấu khuỷu trục – thanh truyền
Các chi tiết máy cố đònh, gồm: Thân động cơ, xylanh, nắp máy, hộp
trục khuỷu.
Các chi tiết máy chuyển động, gồm: Nhóm píttông, nhóm thanh truyền,


a

b

Hình 1 -1. Cấu tạo một động cơ đơn giản
a- Động cơ xăng: 1- Nắp xylanh, 2- Nến điện, 3-Píttông, 4- Bơm nước, 5Con đội, 6- Trục cam, 7- Bánh đà, 8- Bơm dầu, 9- Đáy dầu, 10- Bánh răng
truyền động, 11- Trục khuỷu, 12-Thanh truyền, 13- Chốt píttông, 14- Xupáp
nạp, 15- Chế hoà khí, 16- Xupáp xả, 17- Đòn bầy, 18- Thanh đẩy.

8


b- Động cơ điêzel: 1- Nắp máy, 2- Đòn bẩy, 3-Vòi phun, 4- Xupáp xả, 5Xupáp nạp, 6- Buồng cháy, 7- Píttông, 8- Chốt píttông, 9- Thanh Truyền, 10Bánh đà, 11- Thân động cơ, 12-Trục khuỷu, 13- Bánh răng dẫn động, 14-Trục
cam, 15- Bơm cao áp, 16- Thanh đẩy 17- Bầu lọc không khí.

Hình 1-2a. Mặt cắt ngang động cơ ZIL -131

9


1. Bơm dầu, 2. Thân động cơ, 3. Píttông, 4. Ống lót xylanh, 5. Đường ống
xả, 6. Nắp đậy, 7. Đòn bẫy, 8. Nắp xylanh, 9. Thanh đẩy, 10. Bầu lọc dầu kiểu
li tâm, 11. Bộ chế hoà khí, 12, 13. Cụm nạp, 14. Bộ chia điện, 15. Thước thăm
dầu, 16. nến điện, 17. Trục bộ chia điện, 18. Con đội, 19. Tấm chắn máy khởi
động, 20. Máy khởi động, 21. Đáy dầu, 22. Phao hút dầu.

Hình 1-2b. Mặt cắt dọc động cơ ZIL – 131
1. Buly truyền động đầu trục khuỷu, 2. Phớt chắn dầu, 3. Đai ốc khởi
động, 4. Dấu đánh lửa, 5. Cảm biến bộ hạn chế tốc độ tối đa, 6. Trục của cảm

X = AB/ = AO – (B/D + DO) = (l +R) – (Rcos ϕ + lcos β )
(1-1)
Trong đó l và R là chiều dài thanh truyền và bán kính quay của trục
R
khuỷu. Gọi λ =
là thông số kết cấu ( λ = 0,24 − 0,29) , ta có thểviết:
l
 1  
1

x = R 1 +  −  cos ϕ + cos β  
(1-2)
λ

 λ  
Đây là dạng công thức chính xác của chuyển vò píttông. Để tính toán
gần đúng trí của x, có thể dùng công thức gần đúng.
Từ tam giác OCB, ta có:
sin β
λ=
và do cos β = 1 − sin 2 β
(1-3)
sin ϕ
1

Nên: cos β = 1 − λ2 sin 2 ϕ = (1 − λ2 sin 2 ϕ) 2
Khai triển vế phải của đẳng thức thành chuổi Macloranh ta có:
11 
1 1
 − 1

λ


x ≈ R.(1 − cos ϕ) + (1 − cos 2ϕ) 
(1-4)
4


b. Vận tốc của píttông
- Vận tốc tức thời v:
Lấy đạo hàm công thức tính x đối với thời gian, ta có tốc độ của píttông:
dx dx dϕ dx
v=
=
.
=
ω
(1-5)
dt dϕ dt dϕ
dϕ
Trong đó ω =
là tốc độ góc của trục khuỷu.
dt
λ


v = Rω. sin ϕ + sin 2ϕ 
Do đó:
(1-6)
2

J = Rω 2 .( cos ϕ + λ cos 2ϕ )

(1-8)
* Khi gia tốc đạt cực đại, tức là đạo hàm j theo ϕ bằng 0, tức là:
dj
= −Rω2 (sin ϕ + 2λ sin 2ϕ) = 0
dϕ
Tức là: (sin ϕ + 2λ sin 2ϕ) = sin ϕ + 4λ sin ϕ cos ϕ = sin ϕ(1 + 4λ cos ϕ) = 0
Giải phương trình lượng giác, được:
sin ϕ = 0 khi ϕ = 0 và ϕ =1800

 1 
1 + 4λ cos ϕ = 0 khi ϕ = acr cos s − 
 4λ 
Trường hợp khi ϕ = 0 và ϕ =1800, j đạt cực trò:

j1800 = Rω2 (1 + λ)
j00 = −Rω2 (1 − λ)
 1 
 , cực trò của gia tốc bằng:
Trường hợp khi ϕ = acr cos s −
 4λ 

j,ϕ = −Rω2 (λ +
,
Trò số này jϕ chỉ tồn tại khi λ ≥

và

j1800

1.4.1.2. Quy luật chuyển động của thanh truyền

13

2


Thanh truyền là chi tiết chuyển động phức tạp trong mặt phẳng vuông
góc với đường tâm trục khuỷu. Đầu nhỏ thanh truyền chuyển động tònh tiến
theo phương đường tâm xilanh, đầu to chuyển động quay tròn với bán kính R
và vận tốc góc không thay đổi ( ω = const ).
Vì vậy chuyển động của thanh truyền đối với đường tâm xilanh theo
quan hệ sau:
a. Góc lắc của thanh truyền:
β = arcsin ( λ sin ϕ )
(1-9)
0
0
Góc lắc β đạt trò số cực đại khi ϕ = 90 và ϕ = 270 , khi đó
β max = arcsin λ
b. Vận tốc góc ω tt :
Lấy đạo hàm 2 vế của β ta được công thức tính vận tốc góc của thanh
truyền:
dβ dβ dϕ
dβ
ω tt =
=
.
= ω.
dt dϕ dt



= sec β 
 cos ϕ


(1-9)

cos β ,

0
0
Nếu: ϕ = 0 và ϕ = 180 thì ω tt đạt ω tt max , ω tt max = ± λ.ω
c. Gia tốc góc ε tt của thanh truyền

Đạo hàm 2 vế của ω tt ta được ε tt :
dω tt dω tt dϕ
dω
ε tt =
=
.
= ω. tt
dt
dϕ dt
dϕ

(

(1-10)



)


ε tt = −ω 2 .λ.(1 − λ2 )

sin ϕ

(1 − λ

2

sin ϕ)

Khi ϕ = 90 và ϕ = 270 , thì ε tt đạt ε tt max = ±
0

0

(1-11)

3
2

λω 2
1 − λ2

1.4.2. Động lực học cơ cấu khuỷu trục thanh truyền
Động lực học cơ cấu nhằm xác đònh các lực tác dụng lên các chi tiết
trong cơ cấu ở mỗi vò trí khuỷu trục, giúp cho việc tính toán bền, xác đònh

động quay m2.
mtt = m1 + m2
(1-13)
Thường trên động cơ ôtô – máy kéo khối lượng m 1 và m2 tính theo công
thức kinh nghiệm: m1 = (0,275 – 0,350) mtt
15


m2 = (0,650 – 0,725) mtt
Động cơ tàu thủy, tỉnh tại:
m1 = (0,350 – 0,400) mtt
m2 = (0,600 – 0,650) mtt

Hình 1-4. Sơ đồ phân bố khối lượng thanh truyền
c. Khối lượng của trục khuỷu mk (một khuỷu trục)

Hình 1-5. Sơ đồ tính toán khối lượng trục khuỷu
Gồm khối lượng cổ trục, cổ chốt và 2 má khuỷu, được chia theo sơ đồ
hình 1-5.
- Phần chuyển động theo bán kính ρ là khối lượng của má khuỷu (gồm 2
má khuỷu) mm, được quy về tâm cổ chốt khuỷu với khối lượng m mr quay với
bán kính R, thỏa mãn đẳng thức sau:
ρ
mmr.R = mm. ρ ⇒ m mr = m m
(1-14)
R
- Phần khối lượng chốt khuỷu mck quay với bán kính R: mk = mck + 2mmr

16


- Lực ma sát
Trừ trọng lực, còn các lực khác khi làm việc đều có chiều và trò số thay
đổi. Trong đó lực quán tính và lực khí thể có trò số lớn hơn cả, nên khi tính
toán động lực học, bỏ qua trọng lực và lực ma sát.
Để xét lực và mômen tác dụng lên cơ cấu, trước hết ta xét trò số lực tác
dụng lên píttông. Các lực này gồm có lực khí thể P kt, lực quán tính chuyển
động tònh tiến Pj. Tính theo đường kính xilanh - coi đường kính xilanh bằng
đường kính píttông D, ta có thể tính các lực này như sau:
a. Lực khí thể Pk
- Xác đònh Pk thông qua tính toán nhiệt, tính theo áp suất tường đối:
pkh = pz - po
(1-15)
Trong đó: pkh là áp suất khí thể tính theo áp suất tương đối, MN/m2
pz là áp suất khí thể trong tính toán nhiệt, MN/m2
po là áp suất khí trời, MN/m2
Lực khí thể Pkh được tính:
π.D 2
Pkt = pkt.FP = pkt. 4 , MN (trong đó Fp tính bằng m2)
17


b. Lực quán tính Pj
Lực quán tính tính theo khối lượng của nhóm píttông (gồm píttông, chốt
píttông và xécmăng), khối lượng phần thanh truyền quy về đầu nhỏ là phần
khối lượng tham gia chuyển động tònh tiến m, ta có:
2
PJ = m.J = m. Rω .( cos ϕ + λcos 2ϕ)
(1-16)
Gọi:
Pj1 = mRω2 cos ϕ

dương (+).

18


Hình 1-6. Sơ đồ xác đònh chiều và dấu của Pj1 và Pj2
→
- Hình 1-6b cũng xét tương tự, véctơ λC quay với vận tốc 2 ω , trong
→

phạm vi 00 - 450; 1350 - 2250 và 3150 - 3600 chiều của hình chiếu λC trên trục
→
tung quay lên trên nên P j2 có trò số âm (-).
Trong phạm vi 450 – 1350 va ø2250 – 3150, hình chiếu véctơ trên trục
→

tung có chiều quay xuống dưới, nên trò số P j2 mang giá trò dương (+).
→

→

* Chú ý: hình chiếu của các véctơ C và λC trên trục hoành không có

nghóa.
c. Lực quán tính chuyển động quay (lực quán tính ly tâm), Pk
Pk = −m r .R.ω 2
Lực Pk có chiều ly tâm nên mang giá trò âm. Tác dụng trên phương
đường tâm má khuỷu.
d. Hệ lực tác dụng lên cơ cấu khuỷu trục – thanh truyền
Do lực quán tính và lực khí thể cùng tác dụng trên đường tâm xilanh


20


Quan hệ của

sin(α + β)
cos(α + β )
và
với α và λ được kê trong bảng.
cos β
cos β

* Kết luận:
- Lực Pkh do pkh sinh ra tác lên nắp xilanh, thân máy và lên píttông.
- Hợp lực P1 tác trên đỉnh píttông sinh ra lực đẩy thanh truyền P tt đồng
thời cũng tác dụng lên cổ trục và thân máy.
Phân lực T tạo thành mômen quay trục khuỷu động cơ M =T.R.
Mômen M cân bằng với tất cảấcc mômen sau:
+ Mômen cản của máy công tác M C và do lực ma sát của tất cả các chi
tiết chuyển động tác dụng lên bánh đà của động cơ.
+ Mômen sinh ra bỡi mômen quán tính của các chi tiết chuyển động
quy về tâm trục khuỷu là J0. Nếu gia tốc góc là ε , thì mômen cản sinh ra là J0
ε . Do đó:
M = MC + Jε
(1-23)
- Lực quán tính chuyển động tịnh tiến Pj tác dụng lên các ổ trục, trên chốt
khuỷu và trên chốt píttơng; Lực qn tính chuyển động ly tâm là một hằng số
ln tác dụng trên ổ trục của trục khuỷu.
- Lực ngang N gây ra mômen lật ngang động cơ. Trong thực tế, mômen

ϕ 3 = ϕ1 + 360 0
ra trên từng khuỷu trục và tổng mômen quay của toàn bộ động cơ.
M=

Z

∑T R
i =1

i

(1-24)

với z là số xilanh, i là số xilanh thứ i.
Từ đây ta có thể tìm được mômen trung bình M tb để chọn được máy
công tác có MC bằng mô mem Mtb, hoặc làm cơ sở cho các tính toán liên quan
như tính bánh đà, trục khuỷu.

1.4.3. Cân bằng động cơ
1.4.1.1. Khái niệm
Khi động cơ làm việc ở trạng thái ổn đònh, nếu lực và mômen tác dụng
trên bệ của động cơ không thay đổi trò số và chiều tác dụng thì động cơ được
coi là cân bằng. Khi động cơ làm việc ở trạng thái không cân bằng, lực
truyền cho bệ động cơ luôn luôn thay đổi, vì thế khiến cho bulông bò lỏng ra,
một số chi tiết máy bò quá tải, độ mài mòn các chi tiết máy tăng lên và còn
gây ra nhiều tác hại khác.
Nguyên nhân khiến cho động cơ không cân bằng là trong quá trình vận
hành, trong động cơ tồn tại các lực quán tính của khối lượng chuyển động

22

j2

∑M

(1-25)

i =1
i=n

k

= ∑ a.m.R.ω 2 . cos ϕ = 0
i =1
i=n

= ∑ a.m.R.ω 2 .λ. cos ϕ = 0
i =1
i=n

= ∑ a.m.R.ω 2 = 0
i =1

Một nguyên nhân khác nữa làm cho động cơ rung động là mômen M
tác dụng trên trục khuỷu luôn thay đổi và trong động cơ luôn tồn tại mômen
lật MN = N.A.
Trong thực tế, chỉ riêng độ không đồng đều không thể tránh khỏi của
mômen M đã khiến cho phụ tải tác dụng lên bệ động cơ luôn thay đổi theo
chu kỳ cũng làm cho động cơ mất cân bằng.
Vì vậy muốn cho động cơ được cân bằng, phải thiết kế sao cho hợp lực
của các lực quán tính đều bằng không. Tổng mômen của chúng sinh ra trên

cơ điêzel) phải như nhau.
- Thành phần hòa khí hỗn hợp (trong động cơ xăng) và lượng nhiên
liệu cung cấp, góc phun sớm (trong động cơ điêzel) như nhau.
1.4.1.2. Cân bằng động cơ 1 xilanh
Trong động cơ 1 xilanh tồn tại các lực và mômen sau đây chưa được
cân bằng:
- Lực quán tính chuyển động tònh tiến. Các lực này tác dụng trên
phương đường tâm xilanh, trò số và chiều tác dụng tùy thuộc vào góc quay ϕ
của trục khuỷu.
- Lực quán tính chuyển động quay tác dụng trên đường tâm chốt
khuỷu, chiều theo hướng ly tâm.
- Mômen lật MN = - M = - T.R, chiều mômen này trái với chiều của M
và trò số cũng thay đổi theo góc quay ϕ .
- Mômen thanh truyền Mt.
Cân bằng động cơ 1 xilanh cũng như động cơ nhiều xilanh, chủ yếu là
dùng biện pháp về kết cấu để đạt tới các điều kiện đã nêu. Bỏ qua lực ma
sát, sau đây sẽ xét vấn đề cân bằng các lực và mômen chưa cân bằng nói
trên.
a). Cân bằng lực quán tính chuyển động tònh tiến
- Cân bằng bằng đối trọng
Nếu trên phương kéo dài của má khuỷu, đặt một khối lượng m (bằng
khối lượng chuyển động tònh tiến) cách tâm quay một khoảng bằng bán kính
quay R. Như vậy khi trục khuỷu quay với tốc độ góc là ϕ khối lượng m sẽ
sinh ra một lực ly tâm:

Pd = mRω2
Phân lực Pd1 trên phương đường tâm xi lanh:
Pd1 = mRω 2 cos 180 0 + ϕ = − mRω 2 cos ϕ = − PJ1

(