Bài giảng Kết cấu động cơ đốt trong - Chương III: Cơ cấu phối khí

CHƯƠNG III : CƠ CẤU PHỐI KHÍ 1 CHƯƠNG III : CƠ CẤU PHỐI KHÍ 3.1 CÔNG DỤNG – YÊU CẦU VÀ PHÂN LOẠI 3.1.1 Công dụng. Cơ cấu phân phối khí dùng dùng để nạp đầy hỗn hợp khí (động cơ xăng) hay không khí sạch (động cơ diezel) vào các xy lanh ở kỳ nạp và thải sạch khí cháy trong các xy lanh ra ngoài ở kỳ xả 2 CHƯƠNG III : CƠ CẤU PHỐI KHÍ 3.1.2 Yêu cầu. Các cơ cấu phân phối khí cần đáp ứng các yêu cầu sau: - Đảm bảo nạp đầy và thải sạch, muốn vậy xupap cần mở sớm và đóng muộn tùy theo kết cấu của từng loại động cơ. - Đảm bảo đóng kín buồng cháy của động cơ trong các kỳ nén, nổ. - Đóng mở đúng thời gian quy định. - Độ mở lớn để dòng khí dễ lưu thông. Ít mòn, tiếng kêu bé. - Dễ điều chỉnh và sửa chữa, giá thành chế tạo rẻ. 3.1.3 Phân loại. Trong động cơ đốt trong thường sử dụng các loại: - Cơ cấu phân phối khí kiểu xupap đặt. - Cơ cấu phân phối khí kiểu xupap treo. - Cơ cấu phân phối khí kiểu kết hợp (vừa đặt vừa treo). 3 CHƯƠNG III : CƠ CẤU PHỐI KHÍ 3.2 SƠ ĐỒ VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ. 3.2.1 Cơ cấu phân phối khí kiểu xupap đặt. 3.2.1.1 Các sơ đồ bố trí 3.2.1.2 Nguyên lý làm việc. 4 CHƯƠNG III : CƠ CẤU PHỐI KHÍ 5 CHƯƠNG III : CƠ CẤU PHỐI KHÍ 3.2.2 Cơ cấu phân phối khí kiểu xupap treo. 3.2.1.1 Các sơ đồ bố trí 3.2.1.2 Nguyên lý làm việc. 6 CHƯƠNG III : CƠ CẤU PHỐI KHÍ 3.3 CẤU TẠO CÁC CHI TIẾT CHỦ YẾU CỦA CƠ CẤU PHÂN PHỐI KHÍ. 3.3.1 Trục cam. 3.3.1.1 Công dụng. - Trục cam dùng để điều khiển việc đóng mở các xupap theo đúng thứ tự làm việc của các xy lanh. Ở một số động cơ, trục cam còn có nhiệm vụ dẫn động bơm dầu, bơm nhiên liệu (động cơ diezel) bộ chia điện (động cơ xăng). - Có hai phương pháp dẫn động cho trục cam : 1. Phương pháp dẫn động trực tiếp. 2. Phương pháp dẫn động gián tiếp. (trong phương pháp này người ta có thể sử dụng dây sên hoặc dây curoa) 7 CHƯƠNG III : CƠ CẤU PHỐI KHÍ 1. Phương pháp dẫn động trực tiếp. 8 CHƯƠNG III : CƠ CẤU PHỐI KHÍ 2. Phương pháp dẫn động gián tiếp. (trong phương pháp này người ta có thể sử dụng dây sên hoặc dây curoa) 9 CHƯƠNG III : CƠ CẤU PHỐI KHÍ 10 CHƯƠNG III : CƠ CẤU PHỐI KHÍ 11 CHƯƠNG III : CƠ CẤU PHỐI KHÍ 12 CHƯƠNG III : CƠ CẤU PHỐI KHÍ 13 CHƯƠNG III : CƠ CẤU PHỐI KHÍ 14 CHƯƠNG III : CƠ CẤU PHỐI KHÍ 3.3.1.2 Cấu tạo Trục cam bao gồm các bộ phận chủ yếu sau: 3.3.1.2.1 Cổ trục và ổ trục cam: - Có dạng hình trụ để đỡ cho trục cam quay trong các gối trục. Trên cổ trục có rãnh xoắn để chứa dầu bôi trơn. - Trục cam của cơ cấu phân phối khí dẫn động gián tiếp thường lắp trong ổ trục trên thân máy. Số ổ trục thường là: Z = i/2 + 1 hoặc Z = i + 1, trong đó i là số xy lanh. Loại động cơ xăng hay dùng trục cam ít cổ trục còn động cơ diezel hay dùng trục cam nhiều cổ trục (so với số xy lanh của động cơ). Kích thước và kết cấu của cổ trục và ở trục cam tùy thuộc vào phương pháp lắp trục cam. 15 CHƯƠNG III : CƠ CẤU PHỐI KHÍ 16 CHƯƠNG III : CƠ CẤU PHỐI KHÍ Trục cam của động cơ ô tô và máy kéo thường lắp theo kiểu đút luồn từ phía đầu đến cuối phía thân máy, vì vậy đường kính của cổ trục phải lớn hơn bất kỳ bộ phận nào trên trục (cam, bánh răng dẫn động bơm dầu hoặc bộ chia điện, cam lệch tâm dẫn động bơm xăng.) để khi lắp trục cam không bị vướng các bộ phận ấy. Trong một vài kiểu kết cấu, để dễ láp trục cam, các cổ trục cam thường có đường kính nhỏ dần kể từ đầu đến cuối trục cam. Tuy nhiên do kích thước các cổ khác nhau nên ổ cũng khác nhau khiến cho việc sửa chữa, chế tạo và thay thế trục cam và ổ trục cam thành phức tạp. 17 CHƯƠNG III : CƠ CẤU PHỐI KHÍ -Khi trục cam lắp theo kiểu trên, ổ trục cam thường dùng bạc ống bằng thép, mặt trong tráng hợp kim babít, hoặc ống bằng hợp kim nhôm ép vào thân máy. Tuy vậy đội khi bạc lót ổ trục cam cũng phân làm hai nửa rồi ốp lên cổ trục. Hai nửa bạc lót được cố định với nhau bằng vít hoặc bằng vòng lò xo. 18 CHƯƠNG III : CƠ CẤU PHỐI KHÍ -Trong cơ cấu phân phối khí dùng trục cam dẫn động trực tiếp xupap, các giá đỡ ổ trục cam thường làm rời rồi lắp lên nắp xy lanh. Nhưng cũng có khi làm thành ổ trục cam riêng rồi lắp lên phía trên nắp xy lanh. Làm như thế có thể khiến cho kết cấu nắp xy lanh đơn giản hơn, lắp ghép dễ dàng và dễ bôi trơn bánh răng dẫn động trục cam. Khe hở ướng kính giữa cổ trục cam và bạc lót phải nằm trong khoảng 0,03 – 0,1mm. 19 CHƯƠNG III : CƠ CẤU PHỐI KHÍ Cam thải và cam nạp: Trong động cơ ô tô máy kéo trục cam thường không phân đoạn, các cam làm liền trục. Trong các động cơ tĩnh tại và tàu thủy cam thải và cam nạp thường làm rời từng cái rồi lắp lên trục bằng then hoặc bằng đai ốc. Hình dạng và vị trí của cam phân phối khí quyết định bởi thứ tự làm việc, góc độ phân phối khí và số kỳ của động cơ. Trong động cơ bốn kỳ, cam thải và cam nạp có thể bố trí cùng trên một trục và theo vị trí của các xupap, nhưng cũng có thể bố trí các cam cùng tên trên một trục (một trục toàn cam thải và một trục toàn cam nạp). Trong động cơ hai kỳ, cam phân phối khí đều là cam thải. 20 CHƯƠNG III : CƠ CẤU PHỐI KHÍ 21 CHƯƠNG III : CƠ CẤU PHỐI KHÍ - Kích thước của các cam chế tạo liền với trục thường nhỏ hơn đường kính cở trục vì loại trục này thường lắp theo kiểu đút luồn qua các ổ trục trên thân máy. Ngược lại các loại cam rời thường có kích thước lớn hơn cở trục vì loại này thường lắp theo kiểu đặt vào các ổ trục (ổ trục làm thành hai nửa) ở bên hông thân máy. - Cam rời cần phải lắp trên rục và định vị chính xác. Vì vậy thường dùng cách cố địng cam bằng then, then hoa, vít định vị, bu lông, .... - Khi cần thiết phải xoay cam để điều chỉnh pha phân phối khí, cam rời không lắp trực tiếp lên trục mà lắp trên ống lót sau đấy dùng đai ốc để hãm chặt cam với ống lót. Oáng lót này dùng then để định vị. 22 CHƯƠNG III : CƠ CẤU PHỐI KHÍ -Trong động cơ một hàng xy lanh, góc lệch đỉnh cam của hai trục cam cùng tên được xác định bởi số xy lanh và số kỳ của động cơ còn vị trí của cam cùng tên quyết định bởi thứ tự làm việc của các xy lanh và chiều quay của trục cam. 23 CHƯƠNG III : CƠ CẤU PHỐI KHÍ Ổ chặn dọc trục cam. - Để giữ cho trục cam không dịch chuyển theo chiều trục (khi trục cam, thân máy hoặc nắp xy lanh giãn nở) khiến khe hở ăn khớp của bánh răng côn và bánh răng nghiêng dẫn động trục cam thay đổi làm ảnh hưởng đến pha phân phối khí, người ta phải dủng ổ chắn dọc trục. Trong trường hợp bánh răng dẫn động trục cam là bánh răng côn hoặc bánh răng nhiêng, ổ chắn phải bố trí ngay sau bánh răng dẫn động. Còn khi dùng bánh răng răng thẳng, ổ chặn có thể bố trí ở bất kỳ vị trí nào trên trục cam vì trong trường hợp này, trục cam không chịu lực dọc trục và dù trục cam hoặc thân máy có giãn nở khác nhau cũng không làm ảnh hưởng đến pha phân phối khí như trong trường hợp dùng bánh răng nghiêng và bánh răng côn. - Cũng giống như ổ chắn dọc trục của trục khuỷu, ổ chắn dọc trục của trục cam cũng lợi dụng các mặt bên của cổ trục cam tỳ lên các bích chắn bằng thép hoặc đồng để khống chế khe hở dọc trục và chịu lực chiều trục. 24 CHƯƠNG III : CƠ CẤU PHỐI KHÍ 3.3.1.3 Vật liệu chế tạo và phương pháp tạo phôi. Vật liệu chế tạo trục cam thường là thép hợp kim thành phần cacbon thấp như thép 15X, 15MX, 12XH 3A 18XBHA ... hoặc thép cacbon thành phần cacbon trung bình như thép 40 hay thép 45. Các mặt ma sát của trục cam (mặt làm việc của cam, của cổ trục, của mặt đầu trục cam...) đù thấm than và tôi cứng. Độ sâu thấm than thườn vào khoảng 0,7 – 2mm, độ cứng đạt HRC 52 – 65. các bề mặt khác và ruột trục cam độ cứng thấp hơn, thường vào khoảng HRC 30 – 40. Trục cam thường được tạo phôi bằng phương pháp rèn. 25 CHƯƠNG III : CƠ CẤU PHỐI KHÍ 3.3.2 Con đội. 3.3.2.1 Công dụng. - Con đội là một chi tiết máy truyền lực trung gian, đồng thời con đội chịu đựng lực nghiêng do cam phối khí gây ra trong quá trình dẫn động xupap, khiến cho xupap có thể hoàn toàn không chịu lực nghiêng (trong cơ cấu phân phối khí xupap đặt). 3.3.2.2 Cấu tạo và vật liệu. - Kết cấu con đội gồm hai phần: phần dẫn hướng (thân con đội) và phần mặt tiếp xúc với cam phối khí. Thân con đội đều có dạng hình trụ còn phần mặt tiếp xúc thường có nhiều dạng khác nhau. 26 CHƯƠNG III : CƠ CẤU PHỐI KHÍ - Các loại con đội thường làm bằng thép cacbon thành phần cacbon thấp hoặc trung bình (thép 15 – 30) hoặc thép hợp kim 15X, 20X, 12XH3A, 18XHBA. Mặt làm việc được thấm than, tôi đạt độ cứng HRC 52 – 65. - Hiện nay, con đội thường làm bằng gang, mặt nấm thường bằng gang trắng hoặc có khi đúc gắn một lớp gang trắng lên mặt nấm của con đội bằng thép. Con lăn của con đội con lăn thườn làm bằn thép III X6, III X9 và III X15. tôi đạt độ cứng HRC 58 – 62. khe hở giữa phần thân con đôi và lỗ trên thân máy thường vào khoảng 0,01 – 0,08mm. 27 CHƯƠNG III : CƠ CẤU PHỐI KHÍ 3.3.2.3 Phân loại. Con đội có thể chia làm ba loại chính sau: con đội hình nấm và hình trụ, con đội con lăn, con đội thủy lực. Con đội hình nấm và hình trụ. - Con đội hình nấm và hình trụ được dùng rất nhiều. Khi dùng con đội này, dạng cam phân phối khí phải dùng cam lồi. Đường kính của mặt nấm tiếp xúc với cam phải lớn để tránh hiện tượng kẹt. - Con đội hình nấm được dùng rất nhiều trong cơ cấu xupap đặt. Thân con đội thường nhỏ, đặc, vít điều chỉnh khe hở xupap bắt trên phần đầu của thân. Những năm gần đây, cơ cấu phân phối khí xupap treo rất phát triển nên con đội hình nấm thường làm rỗng. Thân con đội to, mặt tiếp xúc với lỗ dẫn hướng lớn nên ít mòn. Phần lõm tiếp xúc với đầu đũa đẩy thường có bán kính lớn hơn bán kính cấu của đầu đũa đẩy khoảng 0,2 – 0,3mm. 28 CHƯƠNG III : CƠ CẤU PHỐI KHÍ - Các con đội hình trụ đều có kết cấu rất đơn giản, nhẹ và dễ chế tạo. Thân con đội hình trụ có kích thước vừa bằng đường kính mặt tiếp xúc. - Mặt tiếp xúc của con đội hình nấm và hình trụ thường không phải là mặt phẳng mà là mặt cầu có bán kính khá lớn (R = 500 – 1000mm) nên khó nhận ra. Sở dĩ làm như vậy là để tránh hiện tượng mòn vẹt con đội (hoặc mặt cam) khi đường tâm con đội không thẳng góc với đường tâm trục cam. Khi mặt tiếp xúc là mặt cầu, con đội tiếp xúc với mặt cam tốt hơn nên tránh được hiện tượng cào xước. Ngoài ra, để thân con đội và mặt nấm tròn đều, ta thường lắp con đội lệch với mặt cam một khoảng e = 1 – 3mm. Như thế trong quá trình làm việc, con đội vừa chuyển động tịnh tiến vừa chuyển động quay chung quanh đường tâm của nó. Nếu mặt nấm con đội làm hơi lồi, mặt làm việc của cam phân phối khí thường có độ côn từ 4’ – 10’. 29 CHƯƠNG III : CƠ CẤU PHỐI KHÍ Con đội con lăn. - Con đội con lăn có thể dùng cho tất cả các dạng cam, nhưng thường dùng với dạng cam tiếp tuyến và cam lõm. Do con đội tiếp xúc với mặt cam bằng con lăn nên ma sát giữa con đội với cam là mà sát lăn. Vì vậy ưu điểm cơ bản của loại con đội này là ma sát nhỏ và phản ảnh chính xác quy luật chuyển động nâng hạ của cam tiếp tuyến và cam lõm. - Nhược điểm của con đội loại này là kết cấu phức tạp. 30 CHƯƠNG III : CƠ CẤU PHỐI KHÍ Con lăn được lắp trên trục ở phần dưới của con đội, đôi khi còn dùng cả ổ bi để giảm hao mòn cho chốt lắp con lăn. Trái với con đội hình nấm và hình trụ, trong qúa trình làm việc con đội con lăn không được quay quanh trục tâm của nó để tránh hiện tượng kẹt con lăn. Vì vậy con đội thường được định vị bằng then, bằng rãnh phay trên ổ lắp con đội hoặc bằng bản chống quay. 31 CHƯƠNG III : CƠ CẤU PHỐI KHÍ Con đội thủy lực (con đội dầu). - Trong qúa trình làm việc, xupap và các chi tiết máy khác của cơ cấu phân phối khí giãn nở do chịu nhiệt độ cao. Vì vậy để tránh hiện tượng kênh xupap người ta thường phải để khe hở nhiệt trong khâu dẫn động cơ cấu xupap. Chính vì có khe hở nhiệt này nên trong qúa trình mở đóng xupap mặt nấm con đội luôn luôn va đập với cam phân phối khí, gây lên tiếng gõ va đập giữa xupap với con đội (trong cơ cấu phân phối khí xupap treo). Để tránh hiện tượng trên, trong các xe du lịch cao cấp người ta thường dùng loại con đội thủy lực. Dùng loại con đội này cơ cấu phân phối khí không tồn tại khe hở nhiệt nên không gây va đập giữa các chi tiết máy trong cơ cấu phân phối khí do đó tránh được tiếng gõ. Loại con đội thủy lực dùng trong cơ cấu phân phối khí xupap đặt 32 CHƯƠNG III : CƠ CẤU PHỐI KHÍ Ngoài ra, dùng con đội thủy lực còn có một ưu điểm đặc biệt là có thể tự động thay đổi trị số thời gian tiết diện của cơ cấu phân phối khí. Vì khi tốc độ động cơ tăng lên, do khả năng rò rỉ dầu giảm đi nên xupap mở sớm hơn khi chạy tốc độ thấp, điều đó rất có lợi đối với qúa trình nạp động cơ. Để giảm tiếng va đập của cơ cấu phối khí, trong một số động cơ còn dùng lò xo bản hình chữ U. Một đầu lò xo lắp vào con đội, đầu kia lắp vào đế lò xo xupap. Lò xo bản luôn luôn ép con đội tỳ sát vào mặt cam. Khi cam đẩy con đội lên, lò xo chữ U khiến cho con đội tiếp xúc từ từ với đuôi xupap nên giảm được hiện tượng va đập. 33 CHƯƠNG III : CƠ CẤU PHỐI KHÍ Con đội thủy lực. 1: Bệ tỳ 2: Nắp piton 3: Đường dầu từ block máy 4: Lỗ dầu 5: Thân con đội (xylanh) 6: Bi cầu 7: khung giữ 8: Lò xo dưới piston 9: Trục cam 10: Lò xo 1 chiều 11: Piston 12: Lỗ dầu vao piston 13: Lỗ van 1 chiều 14: Lỗ dầu 15: Block máy 16: vấu cam 34 CHƯƠNG III : CƠ CẤU PHỐI KHÍ 35 CHƯƠNG I : KHÁI QUÁT CHUNG VỀ ÔTÔ CỦNG CỐ CÂU 1 CÂU 2 CÂU 3 KQ XÓA 3. Động cơ Diesel được sử dụng trên xe 36