Tính toán kiểm nghiệm bền cho piston

Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án môn học
Khoa :Cơ Khí Động Lưc

c. Ma sát và ăn mòn hoá học
Piston làm việc thường ở trạng thái nửa khô, thiếu dầu bôi trơn nên ma sát lớn. Ngoài
ra đỉnh piston luôn tiếp xúc với khí cháy nên bị ăn mòn hóa học bởi các thành phần sinh ra
trong quá trình cháy. Do vậy yêu cầu khi thiết kế piston cần đảm bảo:
- Dạng piston tạo thành buồng cháy tốt nhất
- Tản nhiệt tốt để tránh kích nổ và bó kẹt
- Có trọng lượng nhỏ để giảm lực quán tính
- Đủ bền và đủ độ cứng vững để tránh biến dạng quá lớn
- Đảm bảo bao kín buồng cháy để công suất động cơ không giảm và ít tiêu hao
dầu nhờn.
1.1.3. Vật liệu chế tạo piston:
Vật liệu chế tạo piston phải đảm bảo cho piston làm việc ổn định và lâu dài trong
những điều kiện làm viêc khắc nghiệt đã nêu trên. Trong thực tế một số vật liệu sau đây
được dùng để chế tạo piston:
-Gang: Thường dùng gang xám, gang dẻo, gang cầu. Gang có sức bền nhiệt và bền
cơ học khá cao, hệ số giãn dài nhỏ nên khó bị bó kẹt, dễ chế tạo và rẻ. Tuy nhiên gang rất
nặng nên lực quán tính của piston lớn do đó gang chỉ dùng ở những động cơ tốc độ thấp.
Mặt khác hệ số dẫn nhiệt của gang nhỏ nên nhiệt độ đỉnh piston cao.
-Hợp kim nhôm: hợp kim nhôm có nhiều ưu điểm như nhẹ, hệ số dẫn nhiệt lớn, hệ
số ma sát với gang nhỏ, dễ đúc, dễ gia công nên được dùng khá phổ biến để chế tạo piston.
Tuy nhiên hợp kim nhôm có hệ số giãn nở dài lớn nên khe hở giữa piston và xylanh phải
lớn để tránh bó kẹt. Do đó lọt khí nhiều từ buồng cháy xuống hộp trục khuỷu, động cơ khó
khởi động và có tiếng gõ khi piston đổi chiều.
-Ở nhiệt độ cao sức bền của pittông giảm khá nhiều. Ví dụ khi nhiệt độ tăng từ
K
o
288
lên
K
o
623
sức bền của hợp kim nhôm giảm 65% đến 70% trong khi đó sức bền
của gang chỉ giảm 18% đến 20%. Mặt khác piston làm bằng hợp kim nhôm chịu mòn kém
và đắt.
SVTH :Phạm Hữu Tài
Lớp : LK8LC.1 Đ 5
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án môn học
Khoa :Cơ Khí Động Lưc

1.1.4. Kết cấu của piston
Pittông gồm có 4 phần chính:
Hình 1.1: Sơ đồ kết cấu piston.
a. Đỉnh piston : Là phần trên cùng của piston, cùng với xylanh và nắp xylanh tạo thành
buồng cháy.
Các dạng đỉnh piston của động cơ xăng và động cơ điêzel thường dùng giới thiệu
trên hình 1.1. Có thể chia dạng đỉnh thành 3 loại lớn: đỉnh bằng, đỉnh lồi và đỉnh lõm.
Hình 1.2: Các dạng đỉnh piston
- Đỉnh bằng (hình 1.2 a) là loại rất phổ biến. Nó có diện tích chịu nhiệt bé nhất, kết cấu
đơn giản, dễ chế tạo. Loại đỉnh này hay dùng cho piston động cơ xăng có tỷ số nén thấp và
động cơ điezel có buồng cháy dự bị hoặc xoáy lốc.
SVTH :Phạm Hữu Tài
Lớp : LK8LC.1 Đ 6
a b c
d e f
g h i
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án môn học
Khoa :Cơ Khí Động Lưc

- Đỉnh lồi (hình 1.2 b). Có độ cứng vững cao, không cần gân tăng bền dưới đỉnh nên
trọng lượng của piston nhỏ hơn nhưng diện tích chịu nhiệt lớn nên nhiệt độ của đỉnh
thường cao hơn đỉnh bằng. Loại đỉnh lồi thường dùng cho động cơ xăng có buồng cháy
chỏm cầu, xupáp treo (như động cơ Craysow, plinut…) và trong các động cơ xăng hai kỳ
công suất nhỏ như PD-10, Solex…
- Đỉnh lõm (hình 1.2 d), có thể tạo xoáy lốc nhẹ, tạo thuận lợi cho quá trình hình thành
khí hỗn hợp và cháy. Tuy nhiên sức bền kém và diện tích chịu nhiệt lớn hơn so với đỉnh
bằng. Loại đỉnh này dùng cho cả động cơ xăng và động cơ diesel.
- Đỉnh chứa buồng cháy là loại đỉnh thường gặp trong động cơ diesel. Đối với động cơ
diesel có buồng cháy trên đỉnh piston, kết cấu buồng cháy phải thoả mãn điều kiện sau đây
tùy trường hợp cụ thể:
+Phải phù hợp với hình dạng buồng cháy và hướng của chùm tia nhiên liệu
để tổ chức tạo thành hỗn hơp tốt nhất (hình 1.2 e)
+Phải tận dụng được xoáy lốc của không khí trong quá trình nén, hìng (1.2
c,f):buồng cháy omega;hình (2g) buồng cháy đenta; hình (1.2 h) buồng cháy MAN.
b. Đầu piston :
Đường kính đầu piston thường nhỏ hơn đường kính thân vì thân piston là phần dẫn
hướng của piston . Kết cấu đầu piston phải bảo đảm những yêu cầu sau:
- Bao kín tốt cho buồng cháy nhằm ngăn khí cháy lọt xuống cácte dầu và dầu bôi
trơn từ các te sục lên buồng cháy. Thông thường người ta dùng xécmăng để bao kín. Có hai
loại xécmăng là xécmăng khí để bao kín buồng cháy và xécmăng dầu để ngăn dầu sục lên
buồng cháy. Số xécmăng tuỳ thuộc vào loại động cơ:
+Động cơ xăng: 3 – 4 xécmăng khí, 1 – 2 xécmăng dầu.
+Động cơ diesel cao tốc: 3 – 6 xécmăng khí, 1 – 4 xécmăng dầu
+Động cơ diesel tốc độ thấp: 5 – 7 xécmăng khí, 1 – 4 xécmăng dầu
- Tản nhiệt tốt cho xécmăng vì phần lớn nhiệt của piston truyền qua xécmăng cho
xylanh đến môi chất làm mát. Để tản nhiệt tốt cho piston thường dùng các kết cấu đầu
piston sau:
- Phần chuyển tiếp giữa đỉnh và đầu có bán kính R lớn
- Dùng gân tản nhiệt ở dưới đỉnh piston
SVTH :Phạm Hữu Tài
Lớp : LK8LC.1 Đ 7
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án môn học
Khoa :Cơ Khí Động Lưc

- Tạo rãnh ngăn nhiệt ở đầu piston để giảm nhiệt lượng truyền cho xécmăng
thứ nhất
- Làm mát đỉnh piston
Hình 1.3:Rãnh ngăn nhiệt ở phần dầu piston
- Vấn đề sức bền: Tăng bền cho phần đầu piston chủ yếu bằng các gân
dưới đỉnh và gân nối liền với bệ chốt, cần phải lựa chọn kiểu gân hợp lý để dễ thao tác khi
đúc piston.
c. Thân piston
Tác dụng của thân piston là dẫn hướng cho piston chuyển động tịnh tiến theo
phương đường tâm xylanh và chịu lực ngang N. Khi thiết kế phần thân piston thường phải
giải quyết những vấn đề sau:
+ Chiều dài của thân piston
Chiều dài của thân piston được quyết định bởi điều kiện áp suất tiếp xúc, do lực
ngang N gây ra, phải nhỏ hơn áp suất tiếp xúc cho phép.
+ Vị trí của lỗ bệ chốt
+ Vị trí tâm chốt được bố trí sao cho piston và xylanh mòn đều, đồng thời giảm
va đập và gõ khi piston đổi chiều. Một số động cơ có tâm chốt lệch với tâm xylanh một giá
trị về phía nào đó sao cho lực ngang N
max
giảm để hai bên chịu lực N của piston và xylanh
mòn đều.
SVTH :Phạm Hữu Tài
Lớp : LK8LC.1 Đ 8
a b
b
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án môn học
Khoa :Cơ Khí Động Lưc

Trạng thái biến dạng của piston giới thiệu trên hình 1.4.
Hình 1.4: Trạng thái biến dạng của chốt piston.
Hình 1.4.a là trạng thái biến dạng của thân piston khi chịu nhiệt độ cao. Do kim loại
tập trung ở phần bệ chốt nên khi chịu nhiệt thân piston giãn nở theo đường tâm chốt.
Hình 1.4.b là trạng thái biến dạng của thân piston khi piston chịu lực khí thể. Áp
suất khí thể uốn cong đỉnh làm thân bị biến dạng cũng theo phương đường tâm chốt.
Hình 1.4.c là trạng thái biến dạng của piston khi thân chịu tác động của lực ngang
Chiều biến dạng trùng với phương đường tâm chốt.
Để khắc phục tình trạng bó piston người ta thường dùng các biện pháp thiết kế sau:
- Chế tạo thân piston có dạng ô van, trục ngắn trùng với phương đường tâm chốt.
- Tiện vát hoặc đúc lõm ở hai đầu bệ chốt chỉ để lại một cunng khoảng 90
0
÷
100
0
để chịu lực mà không ảnh hưởng nhiều đến phân bố lực
-Xẻ các rãnh chữ T, chữ U ngược hoặc rãnh ngang trong rãnh xéc măng dầu.
- Đúc gắn miếng hợp kim vào vùng bệ chốt để hạn chế giãn nở của vùng bệ chốt.
Do trạng thái nhiệt của piston giảm dần từ phía đỉnh xuống đến chân piston nên khe
hở giữa piston và xylanh cũng giảm dần.
d. Chân piston
Chân piston thường có vành đai để tăng độ cứng vững của vùng mặt trụ ở vành đai
này thường là chuẩn công nghệ khi gia công piston và là nơi điều chỉnh trọng lượng của
piston khi phân nhóm lắp ráp. Sai lệch về trọng lượng của các piston trong cùng một nhóm
không vượt quá (0.2
÷
0.6)% đối với động cơ ô tô.
SVTH :Phạm Hữu Tài
Lớp : LK8LC.1 Đ 9
a b c
N
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án môn học
Khoa :Cơ Khí Động Lưc

1.2. Chốt piston
1.2.1. Nhiệm vụ
Chốt piston là chi tiết nối piston với thanh truyền và truyền lực tác dụng trên piston
cho thanh truyền để làm quay trục khuỷu. Vì vậy tuy là một chi tiết máy có kết cấu đơn
giản nhưng lại rất quan trọng, yêu cầu có độ bền và độ tin cậy rất cao.
1.2.2. Điều kiện làm việc
Chốt piston chịu lực va đập, tuần hoàn, nhiệt độ cao và điều kiện bôi trơn khó khăn.
1.2.3. Vật liệu chế tạo
Để đảm bảo độ tin cậy cao, người ta thường dùng các loại thép hợp kim thành phần
các bon thấp để chế tạo chốt piston như: 20Cr; 15CrM; 18CrNiM… Để tăng độ cứng vững
cho bề mặt, tăng sức bền mỏi chốt được thấm than, xianua hoá, hoặc tôi cao tần và được
mạ bóng.
1.2.4. Kết cấu và các kiểu lắp ghép chốt piston
a. Kết cấu:
Kết cấu của chốt piston rất đơn giản, đều có dạng hình trụ rỗng để cho nhẹ. Các
chốt chỉ khác nhau ở phần ruột, cụ thể:
Hình 1.5: Chốt piston
- Mặt trong có dạng hình trụ (hình 1.5a) có ưu điểm là dễ chế tạo nhưng vật liệu
phân bố lại không hợp lý, trọng lượng lớn.
- Mặt trong có dạng côn (như hình 1.5b, c, d, e) tuy có kết cấu phức tạp nhưng chốt
nhẹ và có sức bền đồng đều hơn. Vì vậy các loại chốt này thường được dùng trên các động
SVTH :Phạm Hữu Tài
Lớp : LK8LC.1 Đ 10
a
b
c d
e
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án môn học
Khoa :Cơ Khí Động Lưc

cơ cao tốc. Kích thước đường kính ngoài của chốt phải thiết kế theo hệ trục để việc lắp
ghép đạt yêu cầu kỹ thuật, đảm bảo được khe hở lắp ghép với bệ chốt và khe hở lắp ráp với
đầu nhỏ thanh truyền.
b. Các kiểu lắp ghép chốt piston:
Hình 1.6: Các kiểu lắp ghép chốt piston.
Hình a.Lắp cố định chốt piston trên đầu nhỏ thanh truyền.
Hình b. Lắp cố định chốt piston trên bệ chốt.
Hình c. Lắp tự do chốt piston.
*Cố định chốt trên đầu nhỏ thanh truyền (Hình 1.6a)
Khi đó chốt phải được lắp tự do trên bệ chốt. Do không phải giải quyết vấn đề bôi trơn
của mối ghép với thanh truyền nên có thể thu hẹp bề rộng đầu thanh truyền và như vậy
tăng được chiều dài bệ chốt, giảm được áp suất tiếp xúc mòn tại đây.
* Cố định chốt piston trên bệ chốt (hình 1.6b)
Khi đó chốt phải được lắp tự do trên thanh truyền. Cũng giống như phương pháp trên
do không phải giải quyết vấn đề bôi trơn cho bệ chốt nên có thể rút ngắn chiều dài của bệ
để tăng chiều rộng đầu nhỏ thanh truyền, giảm được áp suất tiếp xúc của mối ghép này.
Tuy nhiên mặt phẳng chịu lực của chốt ít thay đổi nên tính chịu mỏi của chốt kém.
* Lắp tự do ở cả hai mối ghép (hình1. 6c)
- Khi lắp ráp, mối ghép giữa chốt và bạc đầu nhỏ thanh truyền là mối ghép lỏng, còn
mối ghép với bệ chốt piston là mối ghép trung gian có độ dôi 0,01
÷
0,02(mm) đối với
động cơ ô tô. Trong qúa trình làm việc do nhiệt độ cao, piston làm bằng hợp kim nhôm
SVTH :Phạm Hữu Tài
Lớp : LK8LC.1 Đ 11
a b c
c
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án môn học
Khoa :Cơ Khí Động Lưc

giãn nở nhiều hơn chốt piston nên chốt pittông có thể tự xoay. Khi đó mặt phẳng chịu lực
thay đổi nên chốt piston mòn đều hơn và chịu mỏi tốt hơn. Vì vậy phương pháp này được
dùng khá phổ biến hiện nay. Tuy nhiên phải giải quyết vấn đề bôi trơn ở cả hai mối ghép
và phải có kết cấu hạn chế di chuyển dọc trục của chốt, thông thường dùng vòng hãm hoặc
nút kim loại mềm có mặt cầu.
- Do mối ghép động nên phải giải quyết vấn đề bôi trơn cho các mối ghép này bằng
cách khoan lỗ để dẫn dầu cho xéc măng dầu gạt về hoặc khoan lỗ hứng dầu. Đối với thanh
truyền, để bôi trơn người ta có thể dùng lỗ hứng dầu hoặc bôi trơn cưỡng bức kết hợp với
làm mát đỉnh piston bằng dầu có áp suất cao dẫn từ trục khuỷu dọc theo thân thanh truyền.
1.3. XÐc măng
1.3.1. Nhiệm vụ
Như đã trình bày ở phần đầu piston, xéc măng khí làm nhiệm vụ bao kín tránh lọt khí
còn xécmăng dầu ngăn dầu bôi trơn từ hộp trục khuỷu sục lên buồng cháy.
1.3.2.Điều kiện làm việc của xéc măng
Cũng như píttông xécmăng chịu tải trọng cơ học lớn, nhất là xécmăng đầu tiên. Ngoài
ra xécmăng còn chịu lực quán tính lớn có chu kỳ và va đập. Đồng thời phải kể đến nhiệt độ
cao, ma sát lớn, ăn mòn hoá học và ứng suất uốn ban đầu khi lắp xécmăng vào rãnh piston.
1.3.3.Vật liệu và công nghệ chế tạo phôi xécmăng
Do điều kiện làm việc của xécmăng rất khắc nhiệt, nên vật liệu chế tạo xécmăng là
loại gang xám pha hợp kim, như niken, molipden, crôm, vôphram…Nhất là xécmăng khí
đầu tiên, được mạ crôm xốp có chiều dầy từ 0,03
÷
0,06 (mm), có thể tăng tuổi thọ của
xécmăng này lên 3
÷
3,5 lần.
1.3.4.Kết cấu của xécmăng
Xécmăng có kết cấu rất đơn giản. Nó có dạng một vòng tròn hở miệng như hình vẽ.
Kết cấu của xécmăng được đặc trưng bằng kết cấu của tết diện và miệng xécmăng.
a.Xécmăng khí
Xécmăng khí có nhiệm vụ bao kín buồng cháy ngăn không cho khí cháy lọt xuống các
te. Các tiết diện thường dùng giới thiệu như trên hình vẽ:
SVTH :Phạm Hữu Tài
Lớp : LK8LC.1 Đ 12
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án môn học
Khoa :Cơ Khí Động Lưc

Hình 1.7: Kết cấu xéc măng khí

- Loại tiết diện hình chữ nhật(hình 1.7 i): Là loại thông dụng nhất vì đơn giản nhất,
dễ chế tạo, nhưng có áp suất riêng không lớn, thời gian rà khít với xylanh sau khi lắp lâu.
trọng lượng xéc măng cao.
- Loại có mặt côn
β
(hình 1.7b) có áp suất tiếp xúc lớn và có thể rà khít nhanh
chóng vớí xylanh, tuy nhiên chế tạo phức tạp và phải đánh dấu khi lắp sao cho khi piston
đi xuống sẽ có tác dụng như một lưỡi cạo để gạt dầu.
-Loại xécmăng có tiết diện hình thang –vát (hình 1.7 g), có tác dụng giũ muội than
khi xécmăng co bóp do đường kính xylanh không hoàn toàn đồng đều theo phương dọc
trục, do đó tránh được hiện tượng bó kẹt.
-Loại xécmăng có tiết diện phức tạp là loại tổng hợp những ưu điểm của các loại tiết
diện, tuy nhiên loại này rất khó gia công.
Về kết cấu miệng của xécmăng, loại thẳng(hình 1.7.d) dễ chế tạo nhưng dễ lọt khí và sục
dầu qua miệng. Loại vát( hình 1.7.e) có thể khắc phục phần nào nhược điểm trên. Loại bậc
( hình 1.7f) bao kín tốt nhưng khó chế tạo.
SVTH :Phạm Hữu Tài
Lớp : LK8LC.1 Đ 13
Trường ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án môn học
Khoa :Cơ Khí Động Lưc

b.Xécmăng dầu và vấn đề ngăn dầu nhờn sục vào buồng cháy
Trong quá trình làm việc của động cơ đốt trong, xécmăng khí dù tốt đến mấy cũng
không thể ngăn được dầu nhờn sục vào buồng cháy của động cơ. Đó là vì xécmăng khí đã
có tác dụng “ bơm dầu” vào buồng cháy. Sơ đồ nguyên lý tác dụng bơm dầu của xécmăng
khí như hình vẽ:
Hình1.8: Tác dụng bơm dầu của xécmăng khí
1:Piston; 2:Xy lanh; 3Xécmăng
Từ hình vẽ ta thấy khi piston đi xuống, xécmăng vét dầu tụ vào trong rãnh xécmăng.
Khi piston đổi chiều, đi lên xécmăng khí tiếp xúc với mặt rãnh phía dưới, dồn dầu đi lên
phía trên. Khi piston đi xuống lần thứ hai, xécmăng lại tiếp xúc với mặt rãnh trên, ép số
dầu trong rãnh đi lên. Cứ như thế dầu nhờn đi dần vào buồng cháy gây lên hiện tượng sục
dầu.
để ngăn không cho dầu nhờn sục vào buồng cháy, phải dùng xécmăng dầu để gạt
dầu trở về các te, chỉ phân bố trên mặt gương xylanh một lớp dầu mỏng.
Kết cấu của xécmăng dầu như hình vẽ:
Hình 1.9: Kết cấu xéc măng dầu
SVTH :Phạm Hữu Tài
Lớp : LK8LC.1 Đ 14

Xem chi tiết: Tính toán kiểm nghiệm bền cho piston