Chương 9. Trục khuỷu và bánh đà

CHƯƠNG 9. TRỤC KHUỶU VÀ BÁNH ĐÀ 9.1. NHIỆM VỤ, ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC, YÊU CẦU, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO. 9.2. KẾT CẤU TRỤC KHUỶU 9.3. TÍNH BỀN TRỤC KHUỶU VÀ CÁC BIỆN PHÁP TĂNG BỀN CHO TRỤC KHUỶU 9.4. BÁNH ĐÀ: CÔNG DỤNG, KẾT CẤU, XÁC ĐỊNH MÔ MEN BÁNH ĐÀ 9.1. Nhiệm vụ, điều kiện làm việc, yêu cầu, vật liệu và phương pháp chế tạo Nhiệm vụ: - Biến chuyển động tịnh tiến của PT thành chuyển động quay - Biến lực tác dụng trên PT thành mô men xoắn dẫn động máy công tác và ngược lại - Dẫn động các cơ cấu và bộ phận khác Điều kiện làm việc: là chi tiết có cường độ làm việc lớn nhất và giá thành cao nhất của động cơ. - Chịu tác dụng của lực khí thể, lực quán tính (CĐ tịnh tiến và CĐ quay). Các lực này có trị số lớn và thay đổi theo chu kỳ, có tính va đập mạnh. - Các lực này gây ứng suất uốn, xoắn, dao động dọc trục, dao động xoắn, làm động cơ rung động, mất cân bằng. - Chịu mài mòn lớn trên các bề mặt làm việc, ăn mòn do dầu bôi trơn và khí cacte Yêu cầu: - Có độ bền và độ cứng vững lớn - Độ bền mỏi cao - Kích thước, khối lượng nhỏ gọn - Chịu mài mòn và ăn mòn tốt - Độ chính xác gia công cao, bề mặt làm việc có độ cứng và độ bóng cao. - Không xảy ra dao động cộng huởng trong phạm vi tốc độ sử dụng. - Đảm bảo tính cân bằng và độ đồng đều mô men xoắn - Dễ chế tạo Vật liệu chế tạo TK thường được chế tạo bằng thép Cacbon hàm lượng trung bình: C35 – C50 hoặc thép hợp kim: 40X, 18XHBA, HK Cr-Ni Một số trục khuỷu được đúc bằng gang graphit cầu. Thép cacbon được dùng phổ biến do các ưu điểm: - Hệ số ma sát trong lớn, giảm dao động xoắn - Giá rẻ, dễ chế tạo Gang graphit cũng được dùng do các ưu điểm: - Dễ đúc, giá rẻ - Hệ số ma sát trong lớn, giảm dao động xoắn - Chịu mòn tốt, giữ dầu bôi trơn tốt - Ít nhạy cảm với ứng suất tập trung Các phương pháp chế tạo phôi: - Rèn: dùng thép cacbon hoặc thép HK. Rèn khuôn dùng trong sản xuất hàng loạt, trục khuỷu loại nhỏ. Rèn tự do sản xuất trục khuỷu loại lớn. - Đúc: thường dùng trong sản xuất hàng loạt, do có ưu điểm là trọng lượng phôi nhỏ, lượng dư gia công nhỏ có thể đúc kết cấu phức tạp. Tuy nhiên khó đúc và dễ phát sinh khuyết tật trong lòng phôi đúc (rỗ khí, nứt ngầm). 9.2. Kết cấu trục khuỷu - Hình dạng kết cấu TK phụ thuộc vào số xi lanh, cách bố trí xi lanh, số kỳ, thứ tự làm việc của các xi lanh. - Yêu cầu về kết cấu: + Đồng đều về mô men xoắn + Động cơ cân bằng tốt, ít rung động + Ứng suất do dao động xoắn nhỏ + Chế tạo đơn giản, giá thành thấp - Kích thước TK phụ thuộc đường kính XL, cách thức làm mát, hệ thống nạp thải, điều kiện làm việc các ổ trục, số lượng cổ trục. - Phân loại: + TK nguyên, TK ghép + TK đủ cổ trục, thiếu cổ trục Hình 9.1. Hình dạng chung của trục khuỷu và bánh đà. Hình 9.2. Kết cấu trục khuỷu liền, đủ cổ trục (động cơ B6) Hình 9.3. Kết cấu trục khuỷu ghép Hình 9.4. Kết cấu trục khuỷu thiếu cổ trục Hình 9.5. Trục khuỷu, pít tông, thanh truyền Hình 9.6. Trục khuỷu không có cổ trục (M500) Hình 9.7. Đầu trục khuỷu. Chú thích: 1. Đai ốc khởi động 2. Vành ngăn dầu 3. Phớt dầu 4. Bánh răng dẫn động 5. Puly dẫn động 6. Đệm hãm 7. Ổ chặn dọc trục 9.2.1. Đầu trục khuỷu Hình 9.8. Kết cấu đầu trục khuỷu động cơ UAZ-469. 9.2.2. Cổ trục khuỷu - Có dạng trụ trơn - Bên trong rỗng để giảm khối lượng và có thể dẫn dầu bôi trơn - Cùng nằm trên 1 đường thẳng - Thường có cùng đường kính - Chiều dài có thể khác nhau - Một số TK có kích thước cổ trục tăng dần từ đầu đến đuôi TK Hình 9.9. Trục khuỷu. Hình 9.10. Kết cấu cổ khuỷu rỗng và đường dẫn dầu bôi trơn. 9.2.3. Cổ khuỷu - Có dạng trụ trơn - Bên trong rỗng để giảm khối lượng và có thể dẫn dầu bôi trơn - Thường có cùng đường kính, chiều dài Hình 9.11. Cổ khuỷu rỗng và đường dẫn dầu bôi trơn. Hình 9.12. Kết cấu các dạng má khuỷu. 9.2.4. Má khuỷu Hình 9.13. Kết cấu má khuỷu. Hình 9.14. Kết cấu má khuỷu. Hình 9.15. Kết cấu má khuỷu. Hình 9.16. Kết cấu má khuỷu. Hình 9.17. Kết cấu má khuỷu. Hình 9.18. Kết cấu má khuỷu. Độ trùng điệp Hình 9.19. Xác định độ trùng điệp Hình 9.20. Kết cấu và cách lắp ghép đối trọng trên trục khuỷu. 9.2.5. Đối trọng Hình 9.21. Kết cấu đuôi trục khuỷu. 9.2.6. Đuôi trục khuỷu Hình 9.22. Đuôi trục khuỷu có mặt côn Hình 9.23. Đuôi trục khuỷu có bánh răng phụ Hình 9.24. Đuôi trục khuỷu có mặt bích 9.3. Tính bền trục khuỷu và các biện pháp tăng bền cho trục khuỷu 9.3.1. Phương pháp cổ điển - Dùng PP phân đoạn, mỗi đoạn là 1 khuỷu - Mỗi đoạn là 1 dầm tĩnh định đặt trên 2 gối tựa - Ứng suất lớn nhất xảy ra 1 trong 4 trường hợp + “Khởi động” pzmax + Zmax + Tmax + Mmax Hình 9.25. Sơ đồ tính bền trục khuỷu Hình 9.26. Sơ đồ tính bền trục khuỷu * Trường hợp “Khởi động” - TK ở ĐCT - Bỏ qua lực quán tính * Trường hợp Zmax - TK ở ĐCT (đầu kỳ cháy – giãn nở) Hình 9.27. Sơ đồ tính bền trục khuỷu * Trường hợp Tmax Hình 9.28. Sơ đồ tính bền trục khuỷu * Trường hợp Mmax Hình 9.29. Đồ thị tổng lực tiếp tuyến * Trường hợp TK thiếu cổ trục Hình 9.30. Sơ đồ tính toán TK thiếu cổ trục 9.3.2. Phương pháp PTHH Hình 9.31. Xây dựng mô hình tính toán (ĐC DSC80) Hình 9.32. Mô hình hình học TK ĐC B6 Hình 9.33. Mô hình PTHH TK ĐC B6 Hình 9.34. Biến dạng xoắn TK ĐC B6 Hình 9.35. Trạng thái ứng suất Hình 9.36. Trạng thái ứng suất Hình 9.37. Trạng thái biến dạng 9.3.3. Biện pháp tăng bền trục khuỷu 9.3.3.1. Biện pháp kết cấu - Tăng độ trùng điệp - Tăng bán kính góc lượng giữa cổ trục, cổ khuỷu và má khuỷu Hình 9.38. Các dạng góc lượng của phần chuyển tiếp - Tăng chiều dày và chiều rộng má khuỷu - Khoét rỗng cổ trục và cổ khuỷu - Bố trí lỗ dẫn dầu bôi trơn hợp lý - Khoét bỏ những vùng kim loại chịu ứng suất lớn nhất Hình 9.39. TK chế tạo theo PP đúc 9.3.3.2. Biện pháp công nghệ - Sử dụng biện pháp rèn khuôn - Làm chai bề mặt: phun bi, phun cát, lăn cán - Sử dụng biện pháp nhiệt luyện tốt: tôi cao tần, thấm N - Mài bóng bề mặt 9.4. Bánh đà: công dụng, kết cấu, xác định mô men bánh đà Trong quá trình ĐC làm việc ngay cả ở chế độ ổn định, mô men xoắn do ĐC sinh ra luôn thay đổi. Do vậy, tốc độ quay của trục khuỷu cũng không phải là hằng số (TK chuyển động có gia tốc), gây nên hiện tượng va đập trong quá trình ĐC làm việc (nhất là ĐC cao tốc). 9.4.1. Công dụng của bánh đà: - Tích luỹ năng lượng (khi Mx >Mc) và giải phóng năng lượng (Mx<Mc) để làm đồng đều mô men xoắn - Là nơi ghi vị trí ĐCT, góc phun sớm nhiên liệu, góc đánh lửa, ký hiệu điều chỉnh CCPK, hệ thống điện... - Dùng để khởi động ĐC, lắp quạt gió, nam châm ... Vật liệu chế tạo: gang xám, thép cacbon Hình 9.40. Kết cấu bánh đà dạng đĩa. Hình 9.41. Kết cấu bánh đà dạng chậu. 9.4.2. Kết cấu Hình 9.41. Kết cấu bánh đà dạng vành. Hình 9.42. Kết cấu bánh đà của bộ ly hợp thủy lực 1. Bánh đà 2. Vành răng khởi động 3. Cánh chủ động 4. Cánh bị động 5. Trục bị động 9.4.3. Xác định mô men quán tính cần thiết của bánh đà: - Độ không đồng đều của mô men: - Độ không đồng đều của tốc độ: - Biến thiên tốc độ:  - Tích phân: - Nếu bánh đà có dạng vành - Giả thiết gần đúng   - Vì Jbd ≈ Jo: - Mô men quán tính của bánh đà càng lớn thì độ đồng đều tốc độ càng cao nhưng tính gia tốc của phương tiện càng kém - Mô men quán tính của bánh đà lớn thì kích thước, khối lượng của nó cũng tăng theo - Trình tự thiết kế bánh đà: + Chọn đường kính trong và đường kính ngoài theo kích thước chung ĐC + Chọn độ không đồng đều theo tính năng, công dụng ĐC + Xác định công dư theo kết quả tính động lực học + Xác định khối lượng bánh đà + Xác định chiều dày bánh đà