Bài giảng Kết cấu và tính toán động cơ

BỘ CễNG THƯƠNG
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CễNG NGHIỆP & XÂY DỰNG

BÀI GIẢNG HỌC PHẦN
KẾT CẤU VÀ TÍNH TOÁN ĐỘNG CƠ
Dựng cho hệ CĐ đào tạo theo tớn chỉ
 (Lưu hành nội bộ)
Người biờn soạn: Phựng Văn Khương
Nguyễn Văn Bản
Ụng Bớ, năm 2010
1Lời nói đầu
Cuốn sách này chúng tôi biên soạn theo chương trình giảng dạy môn kết
cấu và tính toán động cơ đốt trong dùng cho sinh viên Cao đẳng Công nghệ kỹ
thuật ôtô trường Cao đẳng Công nghiệp và Xây dựng. Nhằm giúp các em học
sinh, sinh viên cùng các thầy cô giáo đang quan tâm tới lĩnh vực này học tập và
nghiên cứu về kết cấu của động cơ đốt trong trên ôtô máy kéo.
Nội dung cuốn sách bao gồm 8 chương:
Chương 1: Cấu trúc cơ bản và hoạt động của động cơ đốt trong
Chương 2: Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền
Chương 3: Cơ cấu phân phối khí
Chương 4: Hệ thống nhiên liệu
Chương 5: Hệ thống bôi trơn
Chương 6: Hệ thống làm mát
Chương 7: Các bộ phận phụ của động cơ
Chương 8 : Tính toán một số chi tiết của động cơ đốt trong
Trong quá trình biên soạn chúng tôi đã viết theo trình tự của mục tiêu
chương trình đào tạo, tham khảo các giáo trình giảng dạy cho học sinh, sinh
viên ngành ôtô máy kéo ở các trường Đại học và trung học chuyên nghiệp cùng
các bạn bè đồng nghiệp đã có nhiều năm công tác trong ngành.
Tuy đã có nhiều cố gắng song việc biên soạn bài giảng không tránh khỏi
thiếu sót chúng tôi rất mong được các thầy cô giáo cùng các đọc giả đóng góp ý
kiến xây dựng để những bài giảng biên soạn lần sau có chất lượng tốt hơn.
Quảng Ninh năm 2010
 Nhóm soạn giả
2Mục lục
TT Tiêu đề Trang
Chương 1: Cấu trúc cơ bản và hoạt động của động cơ ôtô 1
1.1 Cấu tạo và hoạt động của động cơ xăng 4 kỳ 1
1.2 Cấu tạo và hoạt động của động cơ diêsel 4 kỳ 3
1.3 Động cơ nhiều xilanh 5
Chương 2: Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền 7
2.1 Nắp xilanh 7
2.1.1 Nhiệm vụ
2.1.2 Điều kiện làm việc
2.1.3 Vật liệu
2.1.4 Kết cấu
2.2 Thân máy 9
2.2.1 Nhiệm vụ
2.2.2 Điều kiện làm việc
2.2.3 Vật liệu
2.2.4 Kết cấu
2.3 Đệm nắp máy
2.4 Xilanh 11
2.3.1 Nhiệm vụ
2.3.2 Điều kiện làm việc
2.3.3 .Vật liệu
2.3.4 Kết cấu
2.5 Các te 13
2.6 Piston 13
2.6.1 Nhiệm vụ
2.6.2 Điều kiện làm việc
2.6.3 Vật liệu
2.6.4 Kết cấu
2.7 Xéc măng 18
2.7.1 Nhiệm vụ
2.7.2 Điều kiệnlàm việc
2.7.3 Vật liệu
2.7.4 Kết cấu 20
2.8 Chốt piston 21
2.8.1 Nhiệm vụ
2.8.2 Điều kiện làm việc
32.8.3 Vật liệu
2.8.4 Kết cấu
2.9 Thanh truyền 23
2.9.1 Nhiệm vụ
2.9.2 Điều kiện làm việc
2.9.3 Vật liệu
2.9.4 Kết cấu
2.10. Bulông thanh truyền 27
2.11 Trục khuỷu 29
2.11.1 Nhiệm vụ
2.11.2 Điều kiện làm việc
2.11.3 Vật liệu
2.11.4 Kết cấu
2.12 Bánh đà 35
Chương 3: Cơ cấu phân phối khí 36
3.1 Nhiệm vụ- Phân loại 36
3.2 Bố trí xupap, trục cam và dẫn động trục cam 37
3.3 Xupáp 40
3.4 Đế xupáp 43
3.5 Lò xo xupáp 43
3.6 Trục cam 44
3.7 Con đội 47
3.8 Đũa đẩy và đòn bẩy 50
3.9 ống dẫn hớng xupap 50
Chương 4: Hệ thống nhiên liệu 52
4.1 Nhiệm vụ-Phân loại
4.2 Hệ thống nhiên liệu động cơ xăng
4.2.1 Hệ thống nhiên liệu dùng bộ chế hoà khí
4.2.2 Hệ thống phun xăng 56
4.3 Hệ thống nhiên liệu diesel
4.3.1 Hệ thống nhiên liệu với bơm cao áp loại dãy 58
4.3.2 Hệ thống nhiên liệu với bơm cao áp loại VE 60
4.3.3 Vòi phun nhiên liệu diesel 65
4.3.4 Hệ thống nhiên liệu với ống phân phối (CRS-i) : 66
4.3.5 Hệ thống nhiên liệu với bơm-vòi phun kết hợp 66
Chương 5: Hệ thống bôi trơn
5.1 Nhiệm vụ- Phân loại 68
5.2 Mạch dầu bôi trơn 72
5.3 Bơm dầu 73
5.4 Bầu lọc dầu 74
45.5 Làm mát dầu 77
Chương 6: Hệ thống làm mát 78
6.1 Nhiệm vụ- Phân loại 78
6.2 Các chu trình làm mát 81
6.3 Van hằng nhiệt 82
6.4 Bơm nứơc 83
6.5 Két làm mát 83
6.6 Nắp két nước 84
6.7 Quạt két nước và điều khiển quạt két nước 84
Chương 7: Bộ phận phụ của động cơ
7.1 Hệ thống thông hơi động cơ 86
7.2 Bầu lọc không khí 87
7.3 Hệ thống xả 89
7.4 Máy tăng áp 89
Chương 8.Tính toán một số chi tiết của động cơ đốt
trong 91
8.1 Tớnh toỏn piston 91
8.2 Tớnh toỏn thanh truyền 93
8.3 Tớnh toỏn trục khuỷu 100
5Chương 1:
Cấu trúc cơ bản và hoạt động của động cơ ôtô
1.1 . Cấu tạo và họat động của động cơ xăng 4 kỳ
 Hình 1.1. Cấu taọ của động cơ xăng 4 kỳ :
1.Trục khuỷu;
2.Tay biên;
3.Xilanh;
4.Cụm pittông;
5.Xuppap hút;
6.Họng hút;
7.Trục cam hút;
8.Trục cam xả;
9.Xuppap xả;
10.Nắp máy;
11.Họng xả;
12.Bugi.
Cấu tạo cơ bản của động cơ gồm:
1. Bộ hơi : Xilanh, cụm pittông (pittông, các xéc măng, chốt pittông), nắp máy.
2. Bộ phận chuyển đổi chuyển động và dự trữ năng lượng : Tay biên
(thanh truyền), trục khuỷu, bánh đà.
3. Hệ thống phối khí : Cụm xuppap hút và xả (xuppap, lò xo, các móng
hãm, cốc xuppap), trục cam, dẫn động cam (các bánh đai răng hoặc xích, dây đai
hoặc xích, cơ cấu căng đai hoặc xích, cơ cấu điều khiển pha phối khí hoặc hành
trình xup pap (nếu có).
4. Hệ thống bôi trơn : Cacte dầu, bơm dầu, lọc dầu, tuyến dầu, két làm mát dầu.
5. Hệ thống làm mát: Két nước, bơm nước, áo nước, van hằng nhiệt, cút và ống.
6. Hệ thống nhiên liệu : Hệ thống nhiên liệu chế hoà khí hoặc Phun xăng
hoặc Phun dầu diesel.
7. Hệ thống điện động cơ : hệ thống khởi động (Đề), hệ thống cung cấp
điện, hệ thống đánh lửa (đối với động cơ xăng), hệ thống điều khiển nhiên liệu
bằng điện tử.
Cấu tạo của động cơ có thể chia thành bảy mục trên tuy nhiên có thể chia
phần cấu tạo động cơ theo một nguyên tắc khác : Bộ hơi (1), bộ phận chuyển đổi
chuyển động và dự trữ năng lượng (2) được ghép chung thành cơ cấu sinh lực- nơi
sinh ra lực (Mômen hay công cơ học) để cấp cho các cơ cấu công tác ghép nối với
động cơ hoặc cho hệ thống truyền lực của ôtô để tạo ra chuyển động của ôtô.
 Hoạt động cơ bản của động cơ xăng 4 kỳ :
Như đã được trình bày trong môn lý thuyết động cơ, có thể được tóm tắt như sau:
6Hình 1.2. Các kỳ của động cơ xăng 4 kỳ
- Kỳ hút được diễn ra khi xupáp hút mở, pistonchuyển động từ ĐCT xuống ĐCD,
hoà khí được hút vào trong xilanh động cơ.
- Kỳ nén được bắt đầu từ khi xupáp hút đóng (sau ĐCD), piston chuyển động từ
dưới tiến về phía ĐCT, hoà khí trong xilanh bị nén đến áp suất 1 : 3 Mpa và nhiệt
độ hoà khí tăng đến cao.
- Kỳ nổ ( cháy-giãn nở-sinh công) bắt đầu từ thời điểm bugi đánh lửa ( trước
ĐCT) của trục khuỷu một góc s . Hoà khí bén lửa, cháy và đạt áp suất cao sau
ĐCT vài độ ( tính theo góc quay trục khuỷu). áp suất khí cháy tạo lực đẩy (sinh
công) đẩy pistonxuống rồi thông qua cơ cấu trục khuỷu-thanh truyền chuyển
động tịnh tiến của pistonđược chuyển đổi thành chuyển động quay của trục
khuỷu và bánh đà.
- Kỳ xả được tính từ khi xupáp xả mở (sớm hơn ĐCD một góc được gọi là góc
mở sớm của xupáp xả), 40% khí cháy tự thoát ra. Kỳ xả thực sự bắt đầu khi
pistontừ ĐCD tiến về ĐCT, gần 60% khí cháy còn lại được đẩy ra ống xả trong
giai đoạn này.
Hình 1.3. Pha phối khí của động cơ xăng 4 kỳ
Để có thời điểm đóng mở các xupáp đúng cho chu trình làm việc hút-nén-
nổ-xả của động cơ nêu trên, trong kết cấu động cơ phải có cơ cấu dẫn động trục
cam. Cơ cấu này tạo ra mối quan hệ giữa góc quay trục khuỷu và vị trí trục cam.
Như vậy, trục cam có thể được dẫn động thông qua truyền động bánh răng,
truyền xích hoặc truyền dây đai răng.
7a. b. c.
 d. e.
Hình 1.4. Các phương pháp dẫn động trục cam :
a. Dẫn động bằng bánh răng
b. Dẫn động bằng xích cam
c. Dẫn động cam đơn bằng đai răng
d. Dẫn động cam kép bằng đai răng
e. Dẫn động cam đơn bằng đai răng ( dẫn động thêm các thiết bị khác)
1.2. Cấu trúc và hoạt động cơ bản của động cơ diesel ( máy dầu )
Cấu trúc của động cơ diesel 4 kỳ cũng có những cụm cơ bản tương tự như
ở động cơ xăng, chỉ khác nhau ở một số điểm được diễn giải dưới đây.
Hình 1.5. Cấu trúc cơ bản và các kỳ làm việc của động cơ diesel.
1- Xupáp nạp 5- Piston
2- Xupáp xả 6- Thanh truyền
3- Vòi phun 7- Trục khuỷu
4- Buồng cháy
Không giống như động cơ xăng, động cơ diesel không có hệ thống đánh
lửa. Thay vào đó, nhiên liệu được nén với áp suất cao phun vào không khí có áp
8suất và nhiệt độ cao nhằm làm cho nhiên liệu tự bốc cháy.
- Kỳ nổ : Khi pistongần hoàn tất hành
trình đi lên, vòi phun sẽ phun nhiên liệu
dưới áp suất cao vào không khí đã đạt
đến áp suất và nhiệt độ cao ở cuối quá
trình nén. Nhiệt độ cao của không khí
làm cho nhiên liệu tự bốc cháy, kết quả
gây lên cháy và nổ. Lực của sự cháy này
sẽ đẩy pistonđi xuống và làm quay trục
khuỷu.
- Kỳ xả : Xupáp xả mở ra khi piston
hoàn tất hành trình đi xuống ( kỳ nổ).
Sau đó hành trình đi lên tiếp theo của
piston sẽ làm khí xả, sản phẩm của quá
trình cháy, bị đẩy ra khỏi xilanh.
Sự khác biệt giữa động cơ xăng và động cơ diesel :
 Ngoài sự khác nhau về loại nhiên liệu mà động cơ sử dụng, động cơ xăng và
động cơ diese còn sử dụng những cơ cấu khác nhau :
- Buồng cháy : Động cơ diesel không được trang bị hệ thống đánh lửa có bugi.
Thay vào đó, nhiệt sinh ra trong quá trình nén sẽ làm cho nhiên liệu tự bốc cháy.
Vì vậy tỷ số nén được đặt cao hơn.
- Hệ thống sấy sơ bộ : Để hỗ trợ cho khả năng khởi động của động cơ, động cơ
diesel có hệ thống sấy sơ bộ sử dụng bugi sấy để sấy nóng khí nạp.
- Hệ thống nhiên liệu : Động cơ diesel có một bơm nhiên liệu và các vòi phun
để phun nhiên liệu vào trong buồng cháy ở áp suất cao.
- Kỳ hút : Xupáp xả đóng và xupáp
nạp mở, pittông đi xuống chỉ hút
không khí vào trong xilanh qua xupáp
nạp.
- Kỳ nén : Khi piston hoàn tất hành
trình đi xuống, xupáp nạp đóng lại. Với
hành trình đi lên của pittông, không khí
trong xilanh bị nén mạnh và đạt nhiệt độ
cao. Tỷ số nén của động cơ diesel  =
15 đến 23, nhiệt độ buồng cháy từ 500-
8000 C .
91.3. động cơ nhiều xilanh (máy):
Phần trên giới thiệu về cấu trúc và hoạt động của một xilanh trong động cơ.
Động cơ ôtô thường có ít nhất từ 3 xilanh trở lên và có thể được bố trí theo nhiều
quy luật khác nhau. Dưới đây là một số cách bố trí xilanh trong một động cơ
nhiều xilanh.
- Loại xilanh thẳng hàng : Đây là loại thông dụng nhất, với loại này các
xilanh được bố trí thành một hàng.
 a. b. c.
Hình 1.6. Cách bố trí và thứ tự các xilanh trong động cơ xilanh thẳng hàng
a. Cách bố trí và thứ tự xilanh
b. Ví dụ về cách bố trí pistonsong hành trong động cơ dãy 4 xilanh
c. Mặt cắt tổng quát
- Loại xilanh đối đỉnh nằm ngang : Các xilanh được bố trí đối diện nhau
theo chiều ngang, với trục khuỷu nằm giữa. Mặc dù bề ngang của động cơ trở lên
lớn hơn, nhưng chiều cao của nó lại giảm đi.
 a. b. c.
Hình 1.7. Cách bố trí và thứ tự các xilanh trong động cơ xilanh đối nhau
a. Cách bố trí và thứ tự xilanh
b. Ví dụ về cách bố trí pistonsong hành trong động cơ đối nhau 4 xilanh
c. Mặt cắt tổng quát
- Loại xilanh chữ V : Các xilanh được bố trí thành chữ V. Động cơ được
rút ngắn lại so với loại thẳng hàng nếu có cùng số xilanh.
10
 a. b. c.
Hình 1.8. Cách bố trí và thứ tự các xilanh trong động cơ xilanh chữ V
a. Cách bố trí và thứ tự xilanh
b. Ví dụ về cách bố trí pistonsong hành trong động cơ 8 xilanh chữ V
c. Mặt cắt tổng quát
 Để có cách bố trí xilanh khác nhau, thì ở trục khuỷu các cổ khuỷu phải
được bố trí theo những quy luật khác nhau như trên hình 1.9. Từ cách bố trí đó,
các động cơ sẽ có thứ tự nổ khác nhau.
Hình 1.9. Cách bố trí trục khuỷu và thứ tự nổ của một số loại động cơ :
1- Bốn xilanh thẳng hàng : 1-2-4-3
2- Sáu xilanh thẳng hàng : 1-5-3-6-2-4
3- Sáu xilanh chữ V : 1-2-3-4-5-6
4- Tám xilanh chữ V : 1-8-4-3-6-5-7-2
11
Chương 2:
Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền
2.1.Nắp xilanh
2.1.1. Nhiệm vụ
Nắp xilanh đậy kín một đầu xilanh, cùng với piston va xilanh tạo thành
buồng cháy. Nhiều bộ phận của động cơ được lắp trên nắp xilanh như bugi, vòi
phun , cụm xupap, cơ cấu giảm áp hỗ trợ khởi động... Ngoài ra trên xilanh còn
bố trí các đường nạp, đường thải, đường nước làm mát, đường dầu bôi trơn  do
đó kết cấu của nắp xilanh rất phức tạp.
2.1.2. Điều kiện làm việc
Điều kiện làm việc của nắp xilanh rất khắc nghiệt như nhiệt độ rất cao, áp
suât khí thể rất lớn và bị ăn mòn hoá học bởi các chất ăn mòn trong sản phẩm cháy.
2.1.3.Vật liệu chế tạo
Nắp xilanh động cơ diesel làm mát bằng nước đều đúc bằng gang hợp kim,
dùng khuôn cát. còn nắp xilanh của động cơ làm mát bằng gió thường chế tạo
bằng hợp kim nhôm dùng phương pháp đúc hoặc phương pháp rèn dập (ví dụ,
nắp xilanh động cơ máy bay) .
Nắp xilanh động cơ xăng thường dùng hợp kim nhôm, có ưu điểm là nhẹ,
tản nhiệt tốt, giảm được khả năng kích nổ. Tuy nhiên, sức bền cơ và nhiệt thấp
hơn so với nắp xilanh bằng gang.
2.1.4. Kết cấu
Nắp xilanhlà một trong những chi tiết cú kết cấu phức tạp nhất. Vỡ trờn
nắp xilanh cú rất nhều bộ phận và cơ cấu được bố trớ như: đường nạp, đường
thải, đường nước làm mỏt, đường dầu bụi trơn, vũi phun, buồng đốt, dàn đũn
gỏnh, vv..
Điều kiện làm việc của nắp xilanh rất khắc nghiệt: chịu ứng suất nhiệt lớn,
nhiệt độ cà ỏp suất cao, biến dạng khi lắp ghộp và làm việc. Vỡ vậy , cũng như thõn
mỏy, việc tớnh sức bờn nắp xilanhrất khú khăn và mang nhiều giả thiết gần đỳng.
 Khi thiết kế, người ta thường chỳ ý đến đảm bảo tớnh cụng nghệ đỳc và
phõn bố kim loại đồng đều, trỏnh ứng suất tập trung. Đồng thời cũng đảm bảo
lắp ghộp đơn giản, đủ độ cứng vững cần thiết.
Nắp xilanh của đụng cơ làm mỏt bằng nước, nhất là động cơ Diedel,
thường đỳc bằng gang xỏm hợp kim. Nắp xilanhcủa động cơ xăng dựng cho ôtô,
thường đỳc bằng nhụm hợp kim. Nắp xilanhcủa động cơ làm mỏt bằng giú đỳc
bằng nhụm hợp kim.
Núi chung, nắp xilanh của động cơ làm mỏt bằng nước phõn loại theo kết
cấu lớp kim loại, cú thể chia làm hai loại chớnh: Nắp xilanh 2 lớp vỏch và nắp
xilanh 4 lớp vỏch.
2.1.4.1 Nắp xilanh hai lớp vỏch
Đặc điểm kết cấu của loại nắp xilanh này là trờn tiết diện cắt ngang, nắp
chỉ cú mặt núng là mặt tiếp xỳc với khớ chỏy và một mặt lạnh liờn kết với nhau
bằng cỏc vỏch. Nắp xilanh loại này cú kết cấu đơn giản.
12
2.1.1.2 Nắp xilanh bốn lớp vỏch
Đặc điểm kết cấu của loại nắp xilanhnày là: trờn nắp cú bố trớ đường thải,
đường nạp, buồng chỏy (đối với động cơ Diedel cú buồng chỏy phụ), ..Vỡ vậy,
tiết diện ngang của nắp xilanh ớt nhất cũng cú 4 lớp vỏch.
Tựy theo kiểu loại động cơ, mà
người ta lựa chọn kết cấu khỏc nhau.
Vớ dụ: vị trớ đường nạp, đường xả ở
cựng một phớa hoặc khỏc phớa. Buồng
chỏy phụ kết cấu phức tạp hơn buồng
chỏy thống nhất, nhưng vũi phun cú
thể bố trớ nghiờng về một bờn. Trong
khi đú,vũi phun của buồng chỏy thống
nhất bắt buộc phải bố trớ ở giữa nắp
xilanh, trựng với đường tõm xilanh.
Vị trớ cỏc lỗ nước cũng tựy thuộc vào
cỏch điều khiển dũng nước làm mỏt,
thường ưu tiờn cho vựng nhiệt độ cao
như buồng cháy hay đế xupapxả. Cỏc
gu giụng nắp mỏy cũng xuyờn qua cỏc
khối trụ trờn nắp mỏy và được bố trớ
đều quanh đường chu vi xilanh.
Hinh 2.2
Ngoài cỏch phõn loại như trờn, người ta cũn phõn loại theo hai kiểu: nắp
đơn và nắp chung.
Nắp đơn thường dựng cho động cơ một xilanh, cụng suất nhỏ hoặc cho
động cơ tĩnh tại hay tầu thủy cú cụng suất lớn hàng vạn mó lực.
Nắp chung thường dựng cho cỏc loại động cơ dựng cho oto, mỏy kộo, mỏy
thi cụng, hoặc động cơ mỏy tĩnh tại và tầu thủy cú cụng suất nhỏ hơn 500 mó lực.
Nắp chung cũn chia ra làm cỏc loại như nắp kộp (dựng chung cho 2
xilanh) ... đầu
nhỏ thanh truyền chịu kéo
Từ sơ đồ tớnh toỏn trờn hỡnh trên, mụ men và lực phỏp tuyến thay thế MA,NA, tớnh theo cụng thức:
)0297,000033,0(  jA PM
)0008,0752,0(  jA PN
Trong cụng thức  được tớnh theo độ
Mụ men và lực phỏp tuyến trờn tiết diện ngàm C-C, được tớnh theo cụng
thức:
)cos(sin5,0)cos1(   jAAj PNMM
)cos(sin5,0cos  jAj PNN
Do đầu nhỏ cú bạc lút được ộp chặt trong lỗ, nờn đó tạo ra ứng suất trước.
Vỡ vậy khi chịu lực, đầu nhỏ được giảm tải. Hệ số giảm tải phụ thuộc vào độ
cứng vững của cỏc chi tiết lắp ghộp:
bbdd
dd
FEFE
FE
 
Trong đú: Ed, Eb – là mụ đun đàn hồi của vật liệu làm thanh truyền và bạclút.
 Fd, Fb – là tiết diện dọc của đầu nhỏ thanh truyền và bạc lút.Vỡ vậy, khi chịu lực, lực kộo thực tế tỏc dụng lờn tiết diện ngàm là:
jk NN 
Ứng suất tổng tỏc dụng lờn mặt trong và mặt ngoài đầu nhỏ (tớnh với gúc
từ 0 đến  ), cú thể tớnh theo cụng thức:
SlNSS
SM
d
kjnj
1
)2(
62 
  (ứng suất mặt ngoài khi chịu nộn)
SlNSS
SM
d
kjtrj
1
)2(
62 
  (ứng suất mặt trong khi chịu kộo)
Ta thấy, ứng suất tỏc dụng trờn mặt ngoài ở ngàm C_C cú trị số lớn nhất.
97
Gúc  càng nhỏ thỡ ứng suất càng nhỏ.
Khi o90  thỡ:
Mj = MA = 0Nj = NA =0,5Pj
Sl
P
d
j
trjnj 2 
Trường hợp chịu nộn
Lực nộn tỏc dụng lờn đầu nhỏ thanh truyền là hợp lực của lực khớ thể và
lực quỏn tớnh:
ppktjkt FmRFpPPP )1(2  
Hình 8.4. ứng súât mặt ngoài và mặt
trong đầu nhỏ khi chịu kéo
Hình 8.5. Sơ đồ lực tác dụng khi đầu
nhỏ thanh truyền chịu nến
Theo Kinasoxvili, lực P phõn bố theo quy luật cosin. Quan hệ của MA,
NA, với gúc ngàm  , theo quy luật đường cong như hỡnh .. Mụ men và kực
kộo trờn tiết diện ngàm được xỏc định theo cụng thức sau:
)cos1sin2
sin()cos1(     PNMM AAI
)cos1sin2
sin(cos    PNN AI
Do đú ứng suất trờn mặt ngoài được tớnh như
sau:
SlNSS
SM
d
IInz
1
)2(
)6(2 
  
 
Hình 8.6. Sơ đồ ứng suất
trên dầu nhỏ khi chịu nén
Ứng suất mặt trong:
SlNSS
SM
d
IItrz
1
)2(
)6(2 
  
 
Ứng suất biến dạng
98
Ứng suất biến dạng sing ra do thanh truyền chịu nhiệt và lắp bạc lút cú độ
dụi.
Khi làm việc, nhiệt độ của thanh truyền cú thể đạt tới 150ụC, nờn đầu nhỏ
và bạc lút đều dón nở. Nhưng do vật liệu chế tạo đầu nhỏ và bạc lút khỏc nhau
nờn đó sảy ra ứng suất biến dạng.
Độ dón nở của đầu nhỏ khi chụi nhiết tớnh bằng cụng thức sau:
td lttbt )( 
t – là nhiệt độ của đầu nhỏ
dl – đường kớnh lỗ đầu nhỏ
ttb , - Hệ số dón dài của vật liệu chế tạo bạc lút và thanh truyền.
Đụi với đồng: 510.8,1 b 
Đối với thộp: 510.1 tt 
Nếu độ dụi ộp bạc là  , thỡ tổng độ dụi )( t  , sẽ tạo ra ỏp suất p phõn
bố đều trờn mặt trong của đầu nhỏ.
  
b
b
b
tt
t
E
dd
dd
E
dd
dd
d
p
 22
2
22
2
2
1
2
2
2
1
2
2
1
)(
)(
Trong đú: d1, d2 – Đường kớnh trong và đường kớnh ngoài của đầu nhỏDb – Đường kớnh trong của bạc lút
 - Hệ số poat- xụng, 3,0 
Ett – Mụ đun đàn hồi của thanh truyền,
Đối với thộp Ett=2,2.105MN/m2Eb – Mụ đun đàn hồi của bạcĐối với đồng: Eb= 1,15.105MN/m2Ứng suất biến dạng của đầu nhỏ thanh truyền tớnh theo cụng thức Lame:
+ Trờn mặt trong của đầu nhỏ:
2
1
2
2
2
1
2
2
dd
ddptr 
 
+ Trờn mặt ngoài của đầu nhỏ:
2
1
2
2
2
12
dd
dpn 
Hệ số an toàn của đầu nhỏ
Do ứng suất trờn mặt ngoài của đầu nhỏ cú trị số lớn nhất, nhưng luụn
luụn thay đổi trị số làm cho đầu nhỏ dễ bị mỏi.
Ứng suất cực đại và cực tiểu của chu trỡnh bằng:
99
trnjMax  
nnzMin  
Từ đú cú thể tớnh:
+ Biờn độ ứng suất:
2
MinMax
a
 
+ Ứng suất trung
bỡnh:
2
MinMax
m
 
Hệ số an toàn của của
đầu nhỏ n được xỏc định Hình 8.7. Sơ đồ tính bên thân thanh truyền động
cơ tốc độ thấp
bằng cụng thức:
ma
n 


 
 1
Trong đú, hệ số ứng suất  được tớnh bằng:
0
012

 
1  - giới hạn mỏi của vật liệu ở chu trỡnh đối xứng
 0 giới hạn mỏi của vật liệu ở chu trỡnh mạch động.
Khi thiết kế đầu nhỏ của thanh truyền, phải đảm bảo 5,2n
8.2.2 Tớnh nghiệm bền của thõn thanh truyền
Khi làm việc, thõn thanh truyền chịu lực tổng hợp: nộn, kộo, uốn dọc.
Thụng thường khi tớnh toỏn, người ta chia thanh truyền thành hai loại theo tớnh
năng tốc độ của động cơ.
8.2.2.1 Đối với động cơ tốc độ thấp và trung bỡnh
Người ta thường chỉ tớnh tải trọng tĩnh do tỏc dụng của lực khớ thể cực đại,
bỏ qua lực quỏn tớnh chuyển động tịnh tiến và lực quỏn tớnh của thanh truyền.
a, ứng suất nộn tại tiết diện nhỏ nhất của thanh truyền:
Min
Maxz
N F
P . 
b, Ứng suất nộn và uốn tại tiết diện trung bỡnh của thõn thanh truyền
Ứng suất tổng khi uốn theo chiều mặt phẳng lắc:
x
Tb
z
xTb
z
x kF
P
i
lCF
P 
 2
2
1
Ứng suất tổng khi uốn theo chiều vuụng gúc với mặt phẳng lắc:
y
Tb
z
yTb
z
y kF
P
i
lCF
P 
 2
2
1
41
Trong đú:
100
FTb – tiết diện trung bỡnh của thanh truyền ở khoảng cỏcch l/2
l, l1 – Chiều dài chụi uốn của thõn thanh truyền.ix, iy – bỏn kớnh quỏn tớnh của tiết diện trung bỡnh khi chịu uốn theophương x-x và y-y.
Tb
x
x F
ji ;
Tb
y
y F
ji 
Jx, jy, - mụ men quỏn tớnh của tiết diện trung bỡnh khi chịu uốn theo
trục x và trục y.
C – hệ số đàn hồi, đối với thộp: 0005,00002,0  C .
k1, k2 – hệ số rỳt gọn.
2
2
1 1
xi
lCk ; 2
2
1
2 41 yi
lCk .
Thường thỡ hai hệ số này khụng chờnh lệch nhau nhiều lắm và nằm trong
khoảng 15,110,121  kk .
Nếu thanh truyền làm bằng thộp Cỏc-bon, thỡ:   2/)12080( mMN  . Cũn
làm bằng thộp hợp kim:   2/)180120( mMN  .
8.2.2.2 Tớnh nghiệm bền thõn thanh truyền của động cơ tốc độ cao
Ở động cơ tốc độ cao, khi tớnh nghiệm bền của thõn thanh truyền phải tớnh
đến lực quỏn tớnh chuyển động tịnh tiến và lực quỏn tớnh của thanh truyền, theo
hệ số tải trọng động. Lực tỏc dụng gõy nộn, uốn dọc thõn thanh truyền là lực
tổng hợp.
ppzjkt FmRFPPPP )1(2  
a, ứng suất tổng trờn tiết diện trung bỡnh, tớnh tương tự như ở trường hợp trờn:
x
Tb
x kF
P  ; y
Tb
y kF
P 
b, ứng suất kộo trờn tiết diện trung bỡnh do lực quỏn tớnh chuyển động tịnh tiến
jtP .
Tb
jt
k F
P 
)1()2
1( 2  RmmP ttnpjt
Trong đú:
npm - Khối lượng của nhúm piston.
ttm - Khối lượng của thanh tuyền.
R - Bỏn kớnh quay của trục khuỷu.
 - Tốc độ gúc của trục khuỷu.
 - Thụng số kết cấu.
c, Hệ số an toàn của tiết diện trung bỡnh



 )()(
2 1
kxkx
xn 
 ;



 )()(
2 1
kyky
yn 
0,35,2 n
d, Hệ số an toàn của tiết diện nhỏ nhất của thõn thanh truyền
101
)()(
2 1
knkn
n 


 
Trong đú: kn  ; - ứng suất nộn và kộo tỏc dụng lờn tiết diện MinF của thõn
thanh truyền:
Min
n F
P  ;
Min
j
k F
P 
8.2.3 Tớnh nghiệm bền đầu to thanh truyền
Khi tớnh nghiệm bền đầu to thanh truyền, người ta coi đầu to như thanh
cong ngàm hai đầu: B-B và C-C. Với giả thiết như sau:
1, Nắp và bạc lút đầu to được lắp thành một khối cựng biến dạng.
2, Coi thanh cong cú tiết diện đều, bỏn kớnh cong bằng C/2 (C là khoảng
cỏch giữa tõm hai bu lụng thanh truyền).
3, Lực quỏn tớnh tỏc dụng lờn đầu to
phõn bố theo quy luật cosin. Lực quỏn tớnh
này là hợp lực quỏn tớnh chuyển động tịnh
tiến và lực ly tõm của phần khối lượng
thanh truyền quy dẫn về tõm đầu to, khụng
xột đến khối lượng của nắp đầu to.
Lực quỏn tớnh tỏc dụng lờn thanh
truyền xỏc định theo cụng thức sau: pnpkdjđ FRmmFmRPPP 222 )()1(  
))()1(( 22 npđ mmmRFP 
Hình 8.8. Sơ đồ tính bền dầu to
thanh truyền
Trong đú nm - Khối lượng của nắp đầu to. Đối với loại động cơ thồng
dụng, cú thể lấy gúc ngàm o400  .
Ứng suất tổng tỏc dụng lờn đầu to thanh truyền được xỏc định theo cụng
thức Kinaxosvili:
  )(
4,0
)1(
023,0
db
d
b
u
đ FF
j
jW
CP
Trong đú:
uW - mụ đun chống uốn của nắp đầu to tại tiết diện A-A.
db jj ; - mụ men quỏn tớnh của tiết diện bạc lút và đầu to ở A-A.
db FF ; - diện tớch tiết diện bạc lút và đầu to ở tiết diện A-A.
C - khoảng cỏch giữa hai bu lụng thanh truyền.
Ứng suất cho phộp   của cỏc loại động coe như sau:
102
+ Động cơ tĩnh tại và tầu thủy:  2/)10060( mMN 
+ Động cơ oto, mỏy kộo:  2/)200150( mMN 
+ Động cơ cường húa, thanh truyền làm bằng thộp hợp kim: 2/)300200( mMN 
Độ biến dạng hướng kớnh của đầu to thanh truyền tớnh nghiệm theo cụng
thức:
)(
0024,0 3
bdd
d
jjE
CPd 
Trong đú:
d - độ biến dạng (Cm).
dE - mụ đun đàn hồi của vật liệu chế tạo thanh truyền.  mmd )1,006,0(   .
8.3. Tớnh toán trục khuỷu
Tớnh nghiệm bền của trục khuỷu chỉ là tớnh gần đỳng, và tớnh theo giả
thiết dầm tĩnh định (chứ thực ra trục là một dầm siờu tĩnh). Trục được phõn đoạn
ra từng khuỷu, rồi nghiệm bền với khuỷu nguy hiểm nhất.
Người ta giả thiết: ứng suất lớn nhất tỏc dụng lờn khuỷu nguy hiểm nhất,
cú thể xảy ra trong 4 trường hợp sau đõy:
1, Trường hợp chịu PzMax, khi khởi động.2, Trường hợp chịu ZMax, khi làm việc.3, Trường hợp chịu TMax, khi làm việc
4, Trường hợp chịu lực MaxT
Trong thực tế vận hành động cơ, Lực tỏc dung trong trường hợp 1 bao giờ
cũng lớn hơn trường hợp 2 và lực tỏc dụng lờn trục khuỷu ở trường hợp 3 bao
giờ cũng lớn hơn ở trường hợp 4. Vỡ vậy, người ta chỉ tớnh nghiệm ở trường hợp
1 và trường hợp 3.
Kớ hiệu trờn sơ đồ lực:
ZT & - lực tiếp tuyến và lực phỏp tuyến tỏc dụng lờn trục khuỷu.
rlP - Lực quỏn tớnh ly tõm của mỏ khuỷu
lC - Lực quỏn tớnh ly tõm của chốt khuỷu
2C - Lực quỏn tớnh ly tõm của khối lượng m2
2rC - Lực quỏn tớnh ly tõm của đối trọng
,,,,,, ;;; " ZTZT - Cỏc phản lực của ZT &
,,, ; kk MM - Mụ men xoắn tỏc dụng trờn cổ khuỷu bờn trỏi và bờn phải.
8.3.1 Trường hợp chịu PzMaxĐối với động cơ Diedel, thỡ đõy là trường hợp khởi động.
Vị trớ trục khuỷu ở điểm chết trờn, 0;0;0;0;0 rj PPnT 
pzMaxzMax FpPZ 
Lỳc này:
0
,,
,
l
ZlZ ;
0
,
,,
l
ZlZ 
103
8.3.1.1 Tớnh nghiệm bền chốt khuỷu, mụ men uốn trờn chốt khuỷu
,,lZM u 
Ứng suất uốn trờn chốt khuỷu:
uu
u
u W
lZ
W
M ,, 
31,0 chu dW - Đối với chốt đặc.
)(32
44
ch
chch
u d
dW   - Đối với chốt rỗng.
chchd & - đường kớnh ngoài và đường kớnh trong của chốt khuỷu.
8.3.1.2 Tớnh nghiệm bền cỳa mỏ khuỷu
Lực phỏp tuyến Z gõy ra uốn và nộn
tại A-A.
Ứng suất uốn mỏ khuỷu:
6
2
,,
hb
bZ
W
M
u
u
u 
Ứng suất nộn mỏ khuỷu:
bh
Z
n 2 
Ứng suất tổng:
nu  
8.3.1.3 Tớnh nghiệm bền cổ trục
Hình 8.9. Sơ đồ tính bền trục khuỷu
Ứng suất uốn cổ trục:
u
u W
bZ ,, 
Ứng suất uốn cổ trục, trong trường hợp này thường nhỏ hơn rất nhiều so
với ứng suất uốn cổ chốt. Nờn trong tớnh toỏn kỹ thuật ta cú thể bỏ qua khụng
tớnh.
8.3.2 Trường hợp chịu TMaxVị trớ tớnh toỏn của khuỷu nguy hiểm, lệch so với vị trớ DCT một gúc
maxT .
104
Hình 8.10. Đồ thị ( )T f 
Lỳc này MaxTTn ;;0 , cỏc lực quỏn tớnh đều tồn tại. Căn cứ vào đồ thị:
)( FT để xỏc định trị số lực tiếp tuyến và cỏc gúc tương ứng. Vớ dụ: Đồ thị
)( FT của động cơ 6 xilanhnhư hỡnh ., ta cú oT 27max .
Tương ứng ta cú 2/81,1 mMNT , lực tiếp tuyến của cỏc gúc cần tớnh, thống
kờ trong bảng sau:
 27o 147o 267o 387o 507o 627o
T 1,81 0,55 -0,4 -0,78 -0,4 -0,45
Bảng để tỡm khuỷu nguy hiểm
Khuỷu o27 o147 o267 o387 o507 o627 
1 81,1 MaxT
011  T 0,55 -0,4 -0,78 -0,4 -0,45
2
-0,4 -0,78 0,4 -0,45
81,1 MaxT
4,011  T 0,55
3
0,4 -0,45
81,1 MaxT
011  T 0,55 -0,4 -0,78
4
0,55 -0,4 -0,78 0,4 -0,45
81,1 MaxT
68,011  T
5
-0,45
81,1 MaxT
08,111  T 0,55 -0,4 -0,78 0,4
6
-0,78 0,4 -0,45
81,1 MaxT
68,011  T 0,55 -0,4
Từ bảng thụng kờ ta thấy, khuỷu thứ 2, ngoài lực maxT cũn cú mụ men
cựng chiều do 11 T gõy ra, nờn khuỷu thứ 2 là khuỷu nguy hiểm nhất. Do đú phải
tớnh nghiệm cho khuỷu thứ 2.
8.3.2.1 Tớnh nghiệm bền chốt khuỷu
Ứng suất uốn trong mặt phẳng khuỷu:
ux
rr
ux
x
ux
u W
cPaPlZ
W
M 21,, 
Ứng suất trong mặt phẳng vuụng gúc với mặt phẳng khuỷu trục:
uyux
y
uy
u W
lT
W
M ,, 
105
Đối với chốt rỗng: 
ch
chch
uyux d
dWW
44
32
 
Ứng suất uốn tổng cộng:
22 )()( yuxuu  
Ứng suất xoắn chốt khuỷu:
k
ii
k
k
x W
RTT
W
M )(  
Ứng suất tổng khi chịu uốn, xoắn:
22 4 xu  
8.3.2.2 Tớnh nghiệm bền cổ trục
Thường tớnh cổ bờn phải, vỡ cổ này chịu lực lớn hơn cổ bờn trỏi.
Ứng suất do lực phỏp tuyến ,,Z gõy ra:
uxux
x
ux
u W
bZ
W
M ,,,, 
Ứng suất uốn do lực tiếp tuyến gõy ra:
uyuy
y
uy
u W
bT
W
M ,,,, 
Ứng suất uốn tổng cộng:
22 )()( yuxuu  
Ứng suất xoắn:
k
ii
k
k
x W
RTT
W
M )(,,  
Ứng suất tổng khi chịu uốn, xoắn:
22 4 xu  
8.3.2.3 Tớnh nghiệm bền mỏ khuỷu
Thường tớnh mỏ khuỷu bờn phải, vỡ mỏ này chịu lực lớn.
Ứng suất do lực phỏp tuyến ,,Z gõy ra:
6
2
,,,,
hb
bZ
W
M
u
Z
uZ
u 
Ứng suất uốn do lực tiếp tuyến T gõy ra:
6
2
,,
bh
rTT
u  (r – bỏn kớnh cổ khuỷu)
Ứng suất uốn do mo men xoắn ,,kM gõy ra:
6
2
,,
,, bh
M k
M 
Ứng suất xoắn mỏ khuỷu do lực tiếp tuyến ,,T gõy ra:
kk
k
x W
bT
W
M ,,,, 
106
Trong đú kW là mụ men chống xoắn của tiết diện mỏ hỡnh chữ nhật, như
hỡnh 
+ Ở điểm I và II ta cú : 2
1
,,,,
max bhg
bT
x 
+ Ở điểm III và IV, ta cú: max2min xx g  
Cỏc hệ số g1, g2, phụ thuộc vào tỷ số h/b, giới thiệu trờn hỡnh .
Ứng suất nộn mỏ khuỷu do lực phương phỏp tuyến gõy ra:
hb
PZ r
n
2
,, 
Khi lập bảng tớnh ứng suất tổng trờn cỏc điểm của mỏ khuỷu, ta quy ước
là ứng suất kộo mang dấu dương, và ứng suất nộn mang dấu õm.
Căn cứ vào bảng tớnh ứng suất, ta thấy ứng suất tổng tại cỏc diểm I, II, III,
IV, bằng i cộng dọc theo cột:
Ứng suất tổng tại cỏc điểm I và II:
2
max
2
,, 4)( xIIIIII   
Ứng suất tổng tại cỏc diểm III, IV:
2
min
2
,, 4)( xIVIIIIVIII   
Bảng xột dấu ứng suất tỏc dụng lờn mỏ khuỷu:
Điểm

1 2 3 4 5 6 7 8
n + + + + + + + +
ux + - + - + = 0 0
ur + - + - + - 0 0
uT + + - - 0 0 + -
uM - - + + 0 0 - +
 1 2 3 4 I II III IV
x 0 0 0 0 xmaó xmaó minx minx
 1 2 3 4 I II III IV
Bảng ứng suất cho phộp của trục khuỷu
Kiểu động cơ Vật liệu Chốt khuỷu Mỏ khuỷu Cổ trục khuỷu
Tĩnh tại, tau
thủy
Thộp Cỏc-
bon
2/)10070( mMN 2/)12080( mMN 2/)8050( mMN
Oto, mỏy kộo,
D/c cao tốc
Thộp hợp
kim
2/)12080( mMN 2/)180120( mMN 2/)10060( mMN
107
Tài liệu tham khảo
1.Hồ Tế Chuẩn, nguyên Đức Phú, Trần Văn Tế, Nguyễn Tất tiến 1974, Kết cấu
và tính toán động cơ đốt trong tập II, NXB ĐH và trung học chuyên nghiệp, Hà
Nội.
2.V.X.Kalixki, a.i.mandon, g.e.nagula 1979, Ôtô, NXB công nhân kỹ
thuật Hà Nội.
3.Hồ Tế Chuẩn, nguyên Đức Phú, Trần Văn Tế, Nguyễn Tất tiến, Phạm Văn Thể
1984, Kết cấu và tính toán động cơ đốt trong tập I, NXB ĐH và trung học
chuyên nghiệp, Hà Nội.
4.Nguyên Tất Tiến 2000, Nguyên lý động cơ đốt trong, NXB Giáo dục, Hà Nội.
5.Nguyễn Tấn Quốc, Kết cấu tính toán động cơ đốt trong, Trường ĐHSP kỹ
thuật Hưng Yên.
6.Phạm Minh Tuấn 2001, Động cơ đốt trong, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà
Nội.
GS.TS. Nguyễn Tất tiến, GVC. Đỗ Xuân Kính 2004, Giáo trình kỹ thuật sửa
chữa ôtô máy nổ, NXB Giáo dục, Hà Nội.
7. TS. Đinh Ngọc Ân 2009, Cấu tạo động cơ đốt trong - ĐHBK Hà Nội.
8. Th.S. Đặng tấn Cường, TS. Nguyễn Tử Dũng, PGS, TS. Nguyễn Đức Phú 1988,
Bài giảng thiết kế và tính tóan động cơ đốt trong, ĐHBK Hà Nội.