Thiết kế cơ cấu phân phối khí động cơ Z6 trên xe Ford Focus

nhận biết góc mở bướm ga một cách liên tục (và phát ra dữ liệu này từ tín hiệu VTA), do đó loại này nhận biết góc mở bướm ga chính xác hơn. * Kết cấu và nguyên lý hoạt động: Cảm biến vị trí bướm ga loại phần tử Hall gồm có các mạch IC Hall làm bằng các phần tử Hall và các nam châm quay quanh chúng. Các nam châm được lắp trên trục của bướm ga và quay cùng trục bướm ga. Khi bướm ga mở các nam châm quay cùng một lúc và các nam châm này thay đổi vị trí của chúng. Vào lúc đó IC Hall phát hiện thay đổi từ thông gây ra bởi sự thay đổi vị trí nam châm và tạo ra điện áp của hiệu ứng Hall từ các cực VTA và VTA2 theo mức thay đổi này. Tín hiệu này được truyền đến ECU động cơ như tín hiệu mở bướm ga. Hình 3-16 Cảm biến vị trí bướm ga 1: Các IC Hall; 2: Các nam châm; 3: Bướm ga * Mạch điện cảm biến vị trí bướm ga Hình 3-17 Sơ đồ điện cảm biến vị trí bướm ga 1: Các IC Hall; 2: Các nam châm Cảm biến vị trí bướm ga có 2 tín hiệu phát ra VTA và VTA2. VTA được dùng để phát hiện góc mở bướm ga và VTA2 được dùng để phát hiện hư hỏng trong VTA. Điện áp cấp vào VTA và VTA2 thay đổi từ 0-5V tỉ lệ thuận với góc mở của bướm ga. ECU thực hiện một vài phép kiểm tra để xác định đúng hoạt động của cảm biến vị trí bướm ga và VTA. 3.3.5. Cảm biến vị trí trục cam: Hình 3-18 Cảm biến vị trí trục cam. 1 - Cuộn dây; 2 - Thân cảm biến ; 3 - Lớp cách điện; 4 - Giắc cắm. * Nguyên lý làm việc: Trên trục cam đối diện với cảm biến vị trí trục cam là đĩa tín hiệu G có 3 răng. Khi trục cam quay, khe hở không khí giữa các vấu nhô ra trên trục cam và cảm biến này sẽ thay đổi. Sự thay đổi khe hở tạo ra một điện áp trong cuộn nhận tín hiệu được gắn vào cảm biến này, sinh ra tín hiệu G. Tín hiệu G này được truyền đi như một thông tin về góc chuẩn của trục khuỷu đến ECU động cơ, kết hợp nó với tín hiệu NE từ trục khuỷu để xác định điểm chết trên kì nén của mỗi xy lanh để đánh lửa và phát hiện góc quay trục khuỷu. ECU động cơ dùng thông tin này để xác định thời gian phun và thời điểm đánh lửa. Hình 3-19 Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí trục cam. 1 - Rôto tín hiệu ; 2 - Cuộn dây cảm biến vị trí trục cam. 3.3.6. Cảm biến vị trí trục khuỷu: Hình 3-20 Cảm biến vị trí trục khuỷu. 1 - Cuộn dây; 2 - Thân cảm biến ; 3 - Lớp cách điện; 4 - Giắc cắm. Đĩa tạo tín hiệu NE được làm liền với puly trục khuỷu và có 36 răng, thiếu 2 răng (thiếu 2 răng vì ứng với từng tín hiệu được tạo ra do sự chuyển động quay của một răng ta sẽ xác định được 100 của góc quay trục khuỷu và xác định được góc đánh lửa sớm của động cơ). Chuyển động quay của đĩa tạo tín hiệu sẽ làm làm thay đổi khe hở không khí giữa các răng của đĩa và cuộn nhận tín hiệu NE, điều đó tạo ra tín hiệu NE. ECU sẽ xác định khoảng thời gian phun cơ bản và góc đánh lửa sớm cơ bản dựa vào tín hiệu này. Khi răng càng ra xa cực nam châm thì khe hở không khí càng lớn, nên từ trở cao, do đó từ trường yếu đi. Tại vị trí đối diện, khe hở nhỏ, nên từ trường mạnh, tức là có nhiều đường sức từ cắt, trong cuộn dây sẽ xuất hiện một dòng điện xoay chiều, đường sức qua nó càng nhiều, thì dòng điện phát sinh càng lớn. Tín hiệu sinh ra thay đổi theo vị trí của răng, và nó được ECU đọc xung điện thế sinh ra, nhờ đó mà ECU nhận biết vị trí trục khuỷu và tốc động cơ. Loại tín hiệu NE này có thể nhận biết được cả tốc độ động cơ và góc quay trục khuỷu tại vị trí răng thiếu của đĩa tạo tín hiệu, nhưng không xác định được điểm chết trên của kỳ nén hay kỳ thải. Hình 3-21 Sơ đồ mạch điện cảm biến vị trí trục khuỷu. 1 - Rôto tín hiệu; 2 - Cuộn dây cảm biến vị trí trục cam. 3.3.7 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát: Hình 3-22 Cảm biến nhiệt độ nước làm mát 1: Điện trở; 2: Thân cảm biến; 3: Lớp cách điện; 4: Giắc cắm dây * Nguyên lý làm việc: Cảm biến này nhận biết nhiệt độ của nước làm mát bằng một nhiệt điện trở bên trong. Nhiên liệu sẽ bay hơi kém khi nhiệt độ thấp, vì vậy cần có một hỗn hợp đậm hơn. Vì lý do này, khi nhiệt độ nước làm mát thấp, điện trở của nhiệt điện trở tăng lên và tín hiệu điện áp THW cao được đưa đến ECU. Dựa vào tín hiệu này, ECU sẽ tăng lượng nhiên liệu phun vào làm cải thiện khả năng tải trong quá trình hoạt động của động cơ lạnh. Ngược lại khi nhiệt độ nước làm mát cao, một tín hiệu điện áp THW thấp được gửi đến ECU làm giảm lượng phun nhiên liệu. Do điện trở R trong ECU và nhiệt điện trở trong của cảm biến nhiệt độ nước làm mát được mắc nối tiếp nên điện áp của tín hiệu THW thay đổi khi giá trị điện trở của nhiệt điện trở thay đổi. ` Hình 3-23 Sơ đồ mạch điện cảm biến nhiệt độ nước làm mát 1: Cảm biến; 2: Điện trở nhiệt; 3: Khối điều khiển;4: Khối điện trở giới hạn dòng 3.3.8 Cảm biến lưu lượng khí nạp: Các loại cảm biến lưu lượng khí nạp như sau: * Cảm biến lưu lượng thể tích khí nạp + Loại xoáy quang học Karman + Loại cánh * Cảm biến khối lượng khí nạp + Loại dây sấy Ta chọn cảm biến khối lượng khí nạp loại dây sấy vì có kết cấu gọn nhẹ, sức cản nạp do cảm biến tạo ra thấp, không có cơ cấu cơ khí nên độ bền cao. Hình 3-24 Kết cấu cảm biến lưu lượng khí nạp kiểu dây nóng 1: Nhiệt điện trở; 2: Dây sấy platin * Nguyên lý làm việc: Dòng điện chạy vào dây sấy làm cho nó nóng lên. Khi không khí chạy qua, dây sấy được làm nguội tương ứng với khối lượng không khí nạp, bằng cách điều chỉnh dòng điện chạy vào dây sấy này để giữ cho nhiệt độ dây sấy không đổi, dòng điện đó sẽ tỉ lệ thuận với lượng không khí nạp bằng cách phát hiện dòng điện đó ta xác định được lượng không khí nạp. Trong trường hợp này, dòng điện có thể chuyển thành điện áp và gửi đến ECU động cơ. Hình 3-25 Sơ đồ mạch điện điều khiển của cảm biến đo lưu lượng khí nạp 1: Bộ khuyếch đại; 2: Ra(nhiệt điện trở); 3: Rh(bộ sấy) Cảm biến lưu lượng khí nạp có một dây sấy được ghép vào mạch cầu. Mạch cầu này có đặc tính là các điện thế tại điểm A và B bằng nhau khi tích của điện trở theo đường chéo bằng nhau (Ra + R3)*R1=Rh*R2. Khi dây sấy (Rh) được làm mát bằng không khí nạp, điện trở tăng lên dẫn đến sự hình thành độ chênh giữa các điện thế của các điểm A và B. Một bộ khuyếch đại xử lý phát hiện chênh lệch này và làm tăng điện áp đặt vào mạch này (làm tăng dòng điện chạy qua dây sấy). Khi thực hiện việc này, nhiệt độ của dây sấy lại tăng lên dẫn đến việc tăng tương ứng trong điện trở cho đến khi điện thế của các điểm A và B trở nên bằng nhau (các điện áp của các điểm A và B trở nên cao hơn). Bằng cách sử dụng các đặc tính của loại mạch cầu này, cảm biến lưu lượng khí nạp có thể đo được khối lượng khí nạp bằng cách phát hiện điện áp ở điểm B. Trong hệ thống này nhiệt độ của dây sấy (Rh) được duy trì liên tục ở nhiệt độ không đổi cao hơn nhiệt độ của không khí nạp, bằng cách sử dụng nhiệt điện trở (Ra). Do đó có thể đo được khối lượng khí nạp một cách chính xác mặc dù nhiệt độ khí nạp thay đổi, ECU động cơ không cần phải hiệu chỉnh thời gian phun nhiên liệu đối với nhiệt độ không khí nạp. Ngoài ra khi mật độ không khí giảm xuống do độ cao, khả năng làm mát của không khí giảm xuống so với cùng thể tích khí nạp ở mức nước biển. Do đó mức làm mát cho dây sấy này giảm xuống. Vì khối khí nạp được phát hiện cũng giảm xuống, nên không cần phải hiệu chỉnh mức bù cho độ cao lớn. Khi ECU phát hiện thấy cảm biến lưu lượng bị hỏng một mã nào đó, ECU sẽ chuyển vào chế độ dự phòng. Khi ở chế độ dự phòng, thời điểm đánh lửa được tính toán bằng ECU, dựa vào tốc độ động cơ và vị trí của bướm ga. Chế độ dự phòng tiếp tục cho đến khi hư hỏng được sửa chữa. 3.3.9. Nguyên lý hoạt động của hệ thống xoay trục cam nạp: * Nguyên lý điều khiển điện tử: Hình 3-26 Sơ đồ điều khiển điện tử. ECU của động cơ tính toán thời điểm phối khí tối ưu nhất dựa trên các tín hiệu từ các cảm biến, sau đó so sánh với thời điểm phối khí thực tế và điều khiển van dầu làm xoay trục cam đi một góc cần điều chỉnh. Cảm biến vị trí trục khuỷu và cảm biến vị trí trục cam làm nhiệm vụ nhận biết thời điểm phối khí thực tế của động cơ nhờ ECU động cơ. Ngoài ra cảm biến vị trí trục khuỷu còn nhận biết tốc độ của động cơ. Cảm biến vị trí bướm ga và cảm biến vị trí lưu lượng khí nạp cho biết tải của động cơ đang hoạt động, các tín hiệu nhận được từ cảm biến được đưa về ECU động cơ để xử lý. Bộ xử lý ECU của động cơ nhận các tín hiệu của các cảm biến và xử lý để đưa các tín hiệu ra bộ điều khiển để điều khiển van phối khí đóng mở phù hợp với chế độ làm việc của động cơ. * Nguyên lý làm việc của bộ điều khiển ở chế độ xupáp mở muộn nhất: Bộ điều khiển ở chế độ mở muộn nhất ứng với các trường hợp động cơ ở các chế độ khi khởi động, động cơ dừng, động cơ chạy ở chế độ không tải và động cơ chạy ở chế độ nhiệt độ thấp. Các chế độ này yêu cầu yêu cầu hỗn hợp phải đậm để động cơ dễ khởi động, chạy không tải ổn định hơn… Đồng thời ở các chế độ này bướm ga thường mở nhỏ nên độ chân không trước xupáp nạp thấp. Do đó độ chênh áp giữa áp suất trước và sau xupáp nạp nhỏ vì vậy khí nạp mới khó đi vào xilanh. Hệ số khí sót trong xilanh ở các chế độ này lớn và có xu thế quay lại đường nạp. Để giảm lượng khí sót này cần phải mở trễ xupáp nạp. Khi áp suất khí sót đủ nhỏ thì độ chênh áp giữa áp suất trước và sau xupáp nạp đủ lớn, lúc này việc mở xupáp nạp là phù hợp nhất để khí nạp được nạp đầy vào trong xilanh. Lúc này van điều khiển được chỉnh ở vị trí xoay trễ bằng tần số tín hiệu trễ từ bộ điều khiển điện tử ECU, áp suất dầu tương ứng được ép vào buồng cánh gạt phía mở trễ để làm quay trục cam theo hướng điều chỉnh trễ. Bộ điều khiển giữ ở chế độ muộn nhất nhờ chốt hãm ở trên cánh quay lắp chặt với trục cam. Trong truờng hợp này đường dầu về phía muộn sẽ thông với cate làm áp suất giảm, đường dầu về phía sớm được bơm dầu vào. Do đó bộ điều khiển giữ ở chế độ mở muộn nhất. Tóm lại ở các chế độ này thời điểm phối khí của trục cam nạp cần trễ lại và độ trùng lặp phối khí giảm đi để làm giảm hệ số nạp và lượng khí sót chạy lại đường nạp, trong trường hợp này ta chỉ cần phun vào đường nạp lượng nhiên liệu ít nhưng vẫn đảm bảo được hỗn hợp đậm. Vì vậy làm cho động cơ hoạt động ở các chế độ này ổn định hơn, cải thiện được tính kinh tế nhiên liệu khi khởi động. Hình 3-27 Trạng thái bộ điều khiển ở chế độ muộn nhất. 1 - Vỏ van ; 2 - Lò xo ; 3 - Đường dầu về; 4 - Đường dầu đi; 5 – Đường dầu về; 6 - Phớt chắn dầu; 7 - Cuộn dây điện từ; 8 – Piston; 9 – Dắt cắm; 10, 11- Đến bộ điều khiển; 12 – Trục cam; 13 – Vỏ bộ điều khiển; 14 – Chốt hãm; 15 – Bulông; 16 – Phớt chắn dầu. * Nguyên lý làm việc của bộ điều khiển ở chế độ giữ: Khi tăng tốc độ và tải thì ECU động cơ điều khiển van cung cấp dầu vào bộ điều khiển quay trục cam về phía xupáp nạp mở sớm dần lên phù hợp với chế độ hoạt động của động cơ. Lúc này góc trùng điệp tăng lên để tăng lượng hồi lưu khí thải và để giảm nồng độ khí thải độc hại và cải thiện tính kinh tế nhiên liệu, đồng thời xupáp nạp cũng đóng sớm hơn để tránh cho hỗn hợp khí và nhiên liệu quay lại đường nạp để tăng hệ số nạp. Khi tăng tốc, tải đến mức nào đó thì yêu cầu hỗn hợp nhạt dần để đảm bảo tính kinh tế nhiên liệu. Do đó, ECU động cơ điều khiển van cung cấp dầu cho bộ điều khiển phối khí quay trục cam đúng thời điểm tính toán của ECU. Lúc này van điều khiển dịch sang trái và dầu đi vào đường mở muộn với áp suất cao đẩy chốt hãm thắng lực lò xo và mở khoá chốt hãm. Mặt khác, dầu đi vào khoang mở sớm đẩy cánh quay lắp chặt với trục cam ngược chiều kim đồng hồ làm xupáp nạp mở sớm lên. Đồng thời, dầu trong đường dầu thông với khoang mở muộn về cate. Đến một thời điểm nào đó cam nạp quay đúng bằng góc mà ECU tính toán với chế độ làm việc của động cơ ở thời điểm đó nhờ tín hiệu phản hồi từ cảm biến trục khuỷu. Lúc này ECU động cơ điều khiển van phân phối khí đóng các đường dầu thông với cate và không cho dầu đi vào bộ điều khiển của hệ thống. Khi đó bộ điều khiển ở trạng thái giữ. Nếu có sự thay đổi tải hay tốc độ động cơ thì ECU sẽ điều khiển lại trạng thái giữ cho phù hợp với chế độ làm việc của động cơ. Hình 3-28 Sơ đồ bộ điều khiển ở trạng thái giữ. 1 - Vỏ van ; 2 - Lò xo ; 3 - Đường dầu về; 4 - Đường dầu đi; 5 – Đường dầu về; 6 - Phớt chắn dầu; 7 - Cuộn dây điện từ; 8 – Piston; 9 – Dắt cắm; 10, 11- Đến bộ điều khiển; 12 – Trục cam; 13 – Vỏ bộ điều khiển; 14, 15 – Bulông; 16 – Phớt chắn dầu. * Nguyên lý làm việc của bộ điều khiển ở chế xupáp nạp mở sớm nhất: Trường hợp ứng với động cơ hoạt động ở tốc độ thấp đến trung bình và tải nặng. Động cơ thường xuyên hoạt động ở dãi tốc độ này. Khi tăng tải độ mở của bướm ga lớn làm cho sức cản dòng khí giảm nên độ giảm áp trên đường nạp nhỏ làm cho áp suất trước xupáp nạp cao. Do vậy thời điểm phối khí phải sớm lên và sớm nhất ở trường hợp 100% tải để tận dụng dòng khí nạp đi vào xilanh khi áp suất trong xilanh nhỏ hơn áp suất trước xupáp nạp. Hơn nữa xupáp nạp mở sớm để tăng lượng hồi lưu khí thải nội bộ để giảm tổn thất khí động do đó cải thiện tính kinh tế nhiên liệu và giảm nồng độ khí thải độc hại. Ngoài ra, cùng lúc đó xupáp nạp cũng đóng sớm hơn để giảm hiện tượng hỗn hợp khí quay ngược lại đường nạp. Để điều khiển ECU động cơ nhận tín hiệu từ các cảm biến vị trí trục khuỷu, cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến lưu lượng khí nạp, cảm biến vị trí trục cam để nhận biết chế độ làm việc của động cơ. Lúc này ECU điều khiển van phối khí dịch sang trái, áp suất dầu tương ứng được cấp vào buồng cánh gạt phía mở sớm để đẩy cánh quay về phía mở sớm đồng thời mở thông với cate ở đường dầu về phía muộn. Do đó cánh quay quay đến vị trí xupáp mở sớm nhất . Hình 3-29 Sơ đồ bộ điều khiến ở chế độ mở sớm. 1 - Vỏ van ; 2 - Lò xo ; 3 - Đường dầu về; 4 - Đường dầu đi; 5 – Đường dầu về; 6 - Phớt chắn dầu; 7 - Cuộn dây điện từ; 8 – Piston; 9 – Dắt cắm; 10, 11- Đến bộ điều khiển; 12 – Trục cam; 13 – Vỏ bộ điều khiển; 14, 15 – Bulông; 16 – Phớt chắn dầu. 4. Tính toán các thông số cơ bản của cơ cấu phân phối khí: 4.1. Xác định kích thước của tiết diện lưu thông: Tiết diện lưu thông của xupáp ảnh hưởng đến chất lượng nạp thải của động cơ. Vì vậy khi thiết kế cần tăng đường kính xupáp càng lớn càng tốt nhưng bị hạn chế bởi đường kính xilanh, Diện tích mặt nấm xupáp của các động cơ hiện nay thường chiếm khoảng 25 40% diện tích đỉnh pittông, tuy vậy trong động cơ xăng dùng buồng cháy bán cầu hoặc chõm cầu, xupáp bố trí nghiêng hai bên nên diện tích xupáp lớn đến 35% diện tích đỉnh pittông. Ở động cơ Z6 dùng nhiều xupáp cho một xilanh (4 xupáp) thì diện tích này mới tăng được 40% so với diện tích đỉnh pittông. Diện tích xupáp nạp thường lớn hơn diện tích xupáp thải khoảng 10 15% và thường bằng 15 35% diện tích đỉnh pittông. Khi tính toán tiết diện lưu thông của xupáp phải dựa vào giả thiết lưu động ổn định của dòng khí khi đi qua họng đế xupáp. Ta coi dòng khí nạp hoặc thải có tốc độ bình quân và tốc độ của piston không đổi. Căn cứ vào điều kiện lưu động ổn định và liên tục của dòng khí, ta có: (4 – 1). Trong đó: - Tốc độ trung bình của dòng khí qua họng đế xupáp (m/s). - Tiết diện lưu thông của họng đế xupáp (cm2). - Đường kính họng đế xupáp - Số xupáp và - mật độ của dòng khí ở họng xupáp và ở trong xilanh, coi= . - Tốc độ bình quân của pittông. Từ công thức (4 – 1) ta có: (4 – 2) Với (m/s). Và (cm2) S – Hành trình pittông. S = 83,6 (mm). n – Số vòng quay trục khuỷu. n = 6000 (vòng/phút) D – Đường kính xilanh. D = 78 (mm). Từ (4 – 2) ta rút ra tốc độ bình quân của dòng khí qua họng đế xupáp. (4 – 3) Đường kính họng đế xupáp: (4– 4) Tốc độ bình quân của dòng khí thải thường lớn hơn dòng khí nạp khoảng 20 50%. Do đó xupáp thải làm nhỏ hơn xupáp nạp. Vì vậy mặt nấm của xupáp thải có độ cứng vững lớn, khó biến dạng và diện tích chịu nhiệt nhỏ hơn. Hình 4-1 Tiết diện lưu thông qua xupáp. Tiết diện lưu thông fkx qua xupáp (tiết diện vành khăn) được xác định theo công thức: (4 – 5) Với: d1 = dh + 2.e ; h’ = h.cos ; e = h’.sin Thay vào (4 – 5) ta được: fkx = .h.(dh.cos + h.sin.cos2). (4 – 6) Rõ ràng fkx phụ thuộc vào và h, khi càng nhỏ tiết diện lưu thông càng lớn. Hành trình h càng lớn fkx càng lớn. Tuy vậy hành trình h bị hạn chế bởi tiết diện của họng đế xupáp, tiết diện lưu thông không thể lớn hơn tiết diện họng đế xupáp. Khi = 00 , thì fkx = và hành trình xupáp hmax = dh /4 Khi = 450 thì hành trình xupáp phải lớn hơn mới có thể đạt được điều kiện tiết diện lưu thông bằng tiết diện họng đế xupáp. Trong động cơ ngày nay, hành trình xupáp nằm trong phạm vi: h = (0,18 0,3) dh * Tiết diện lưu thông qua xupáp nạp: Theo thực nghiệm và tính toán nhiệt tốc độ của dòng khí nạp được chọn: vkn = (40 115) (m/s) chọn vkn = 60 (m/s) Số xupáp nạp i = 2. Từ (4 – 4) suy ra đường kính họng nạp: dhn = (mm) Chọn h = 0,27 dhn = 0,27.29,12 = 7,86 (mm) Góc côn của nấm xupáp nạp: = 450 Từ (4 – 6) ta có: fkx = .7,86.(29,12.cos450 + 7,86.sin450.cos2450) = 576,78 (mm2). Kiểm nghiệm lại tiết diện lưu thông thực của xupáp nạp theo (4 – 2). vkn = vp. = 16,72.69,22 (m/s). vkn (70 90) (m/s). Vậy vkn thỏa mãn điều kiện. * Tiết diện lưu thông qua xupáp thải: Theo thực nghiệm và tính toán nhiệt tốc độ của dòng khí thải được chọn: vkt = (1,2 1,5) vkn = 1,2.69,22 = 83,064 (m/s) Số xupáp thải i = 2. Từ (4 – 4) suy ra đường kính họng thải: dht = (mm) Chọn h = 0,3 dht = 0,3.24,74 = 7,422 (mm) Góc côn của nấm xupáp thải: = 450 Từ (4– 6) ta có: fkx = .7,422.(24,74.cos450 + 7,422.sin450.cos2450) = 468,83 (mm2). Kiểm nghiệm lại tiết diện lưu thông thực của xupáp thải theo (4 – 2). vkt = vp. = 16,72.85,2 (m/s). vkt < (70 90) (m/s). Vậy vkt thỏa mãn điều kiện. 4.2. Phân tích chọn dạng cam: 4.2.1. Yêu cầu: Khi chọn dạng cam, cần phải xét các điểm sau: * Dạng cam phải đảm bảo cơ cấu phối khí có trị số “thời gian – tiết diện” lớn nhất nghĩa là khả năng lưu thông dòng khí lớn nhất. Vì vậy cam phải mở xupáp thật nhanh, giữ cho xupáp mở ở vị trí lớn nhất thật lâu và khi đóng thì đóng thật nhanh xupáp. * Dạng cam phải thích hợp để giai đoạn mở và đóng xupáp có gia tốc và vận tốc nhỏ nhất. Do đó cơ cấu phân phối khí làm việc êm, ít va đập và hao mòn. * Dạng cam phải đơn giản, dễ chế tạo. Trên cơ sở đảm bảo 3 yêu cầu trên, động cơ ta thiết kế dùng loại cam lồi. 4.2.2. Phương pháp thiết kế cam: Cam của động cơ Z6 được ta chọn là loại cam thiết kế trên cơ sở định sẵn dạng cam. Với phương pháp này, mặt cam là tập hợp của những cung tròn, cung parabol hoặc đường thẳng.v.v. để dễ gia công. Sau đó căn cứ vào quy luật nâng đã định, đạo hàm hai lần với góc quay của trục cam để tìm quy luật gia tốc rồi kiểm tra xem có phù hợp với yêu cầu về gia tốc của cơ cấu phân phối khí hay không. Theo phương pháp này có ưu điểm là đảm bảo tính công nghệ gia công trục cam được đơn giản. Ngoài ra khi thiết kế theo phương pháp này sẽ phù hợp cho động cơ có tốc độ thấp và trung bình. Loại cam lồi cung tròn có trị số thời gian – tiết diện lớn nhất. Tuy vậy loại cam lồi này có gia tốc dương lớn nhất do đó cơ cấu phối khí khi làm việc va đập rất mạnh. Trong giai đoạn đóng mở xupáp, lực quán tính tác dụng lên mặt cam có trị số rất lớn. Vì vậy trị số cho phép của gia tốc dương phụ thuộc vào độ cứng của bề mặt tiếp xúc của cam với con đội và độ cứng vững của trục cam cũng như khả năng chịu tải của ổ trục cam. Trị số cho phép của gia tốc âm, phụ thuộc vào khả năng làm việc của lò xo. Để giảm kích thước của lò xo và giảm phụ tải tác dụng lên lò xo, thường phải khống chế trị số tuyệt đối của gia tốc âm ở phạm vi nhỏ nhất. Từ quan điểm trên ta thấy dạng cam lồi có trị số tuyệt đối của gia tốc âm nhỏ nhất nên kích thước của lò xo xupáp nhỏ nhất. Để khắc phục nhược điểm gia tốc dương quá lớn của dạng cam lồi có thể dùng các biện pháp công nghệ và thiết kế để tăng độ cứng bề mặt và độ cứng vững của trục cam. 4.3. Dựng hình cam lồi: * Cam nạp: Góc công tác của cam nạp . (4 – 7). Trong đó: = 370 góc mở sớm của xupáp nạp. = 530 Góc đóng muộn của xupáp nạp. Đường kính trục cam: dc = 25 (mm). Độ nâng lớn nhất của con đội: h = 7,86.(mm). Bán kính lưng cam: R1 = (1,52,5) h = 2,1.7,86 = 16,5 (mm). Để thõa mãn dạng cam lồi của xupáp ta phải có điều kiện chọn h < r < h/2 7,86 < r < 3,93. Ta chọn bán kính cung đỉnh cam nạp: r = 4 (mm). Cách dựng: Đối với cam nạp . + Vẽ vòng tròn tâm O bán kính R1 = 16,5 (mm), xác định góc AOA’ = . + Trên đường phân giác của góc AOA’ ta lấy EC = h (E thuộc vòng tròn bán kính R1). + Vẽ vòng tròn đỉnh cam có tâm O1 bán kính r = 4 (mm) nằm trên đường phân giác đó. Vòng tròn này đi qua điểm C. + Vẽ cung tròn có bán kính tiếp tuyến với hai vòng tròn trên có tâm O2 nằm trên đường kéo dài của OA. + Sau khi đã xác định được R1, hmax, , và r1 bán kính cung tiếp tuyến ngoài có thể xác định từ quan hệ tam giác vuông O1MO2 như sau: Hình 4-2 Dựng hình cam lồi của cam nạp. Kẻ O1M vuông góc với OA. Xét tam giác vuông O1MO2 có: (O1O2)2 = (O1M)2 + (O2M)2. Đặt D = R1 + hmax – r = 16,5 + 7,86 – 4 = 20,36 (mm). Mặt khác ta có: . Từ đó ta xác định : = = . Hình 4-3 Xác định bán kính của cam nạp. Bán kính R của nấm con đội. Để con đội không bị kẹt, bán kính R phải lớn hơn OK. OK = ( - R1).sin. Từ tam giác O1MO2 ta có: . . Nếu muốn cho con đội không bị kẹt, phải đảm bảo điều kiện: (mm). Chọn R = 15 (mm). * Cam thải: Góc công tác của cam thải Trong đó = 530 Góc mở sớm của xupáp thải. = 30 Góc đóng muộn của xupáp thải. Đường kính trục cam: dc = 25 (mm). Độ nâng lớn nhất của con đội: h = 7,422 (mm). Bán kính cung đỉnh cam thải: r = 4 (mm). Bán kính lưng cam: R1 = 16,5 (mm). Cách dựng: Đối với cam thải . + Vẽ vòng tròn tâm O bán kính R1 = 16,5 (mm), xác định góc AOA’ = . + Trên đường phân giác của góc AOA’ ta lấy EC = h (E thuộc vòng tròn bán kính R1). + Vẽ vòng tròn đỉnh cam có tâm O1 bán kính r = 4 nằm trên đường phân giác đó. Vòng tròn này đi qua điểm C. + Vẽ cung tròn có bán kính tiếp tuyến với hai vòng tròn trên có tâm O2 nằm trên đường kéo dài của OA. + Sau khi đã xác định được R1, hmax, , và r1 bán kính cung tiếp tuyến ngoài có thể xác định từ quan hệ tam giác vuông O1MO2 như sau: Hình 4-4 Dựng hình cam lồi của cam thải. Kẻ O1M vuông góc với OA. Xét tam giác vuông O1MO2 có: (O1O2)2 = (O1M)2 + (O2M)2. Đặt D = R1 + hmax – r = 16,5 + 7,422 – 4 = 19,922 (mm). Mặt khác ta có: . Từ đó ta xác định : = = (mm). Hình 4-5 Xác định bán kính của cam thải. Bán kính R của nấm con đội. Để con đội không bị kẹt, bán kính R phải lớn hơn OK. OK = ( - R1).sin. Từ tam giác O1MO2 ta có: . . Nếu muốn cho con đội không bị kẹt, phải đảm bảo điều kiện: . (mm) Chọn R = 15 (mm). 4.4. Động học con đội đáy bằng: Nguyên cứu quy luật động học con đội, mặt làm việc của cam lồi gồm 2 phần: Phần cung AB với bán kính và phần cung BC bán kính r. Quy luật động học của con đội trên hai phần này khác nhau. 4.4.1. Động học con đội đáy bằng trong giai đoạn I (cung AB): Hình 4-6 Động học con đội đáy bằng trong giai đoạn I. a) Chuyển vị của con đội: Khi con đội trượt đến một vị trí bất kì tương ứng với cam quay một góc , con đội tiếp xúc với cam tại M thì chuyển vị của con đội có thể xác định theo quan hệ sau: . . (4 – 8) Trong đó: (mm); R1 = 16,5 (mm). Vậy: = (68,7 – 16,5).(1 - cos) = 52,2.(1 - cos). (4 – 9) Khi ta có: 1,78 (mm). b) Vận tốc con đội: Ta có công thức tính vận tốc con đội. . Vận tốc trục cam: 314 (rad/s). Nên: (4 – 10) Khi thì = 4,242 (m/s). c) Gia tốc của con đội: Ta có công thức tính gia tốc của con đội: = == wc. Do đó: = wc2.(r - R1).cos = 3142.(68,7 – 16,5).10-3.cos = 5146,7.cos (m/s2). (4 – 11) Khi con đội tiếp xúc tại điểm A của cam thì = 00. Khi con đội tiếp xúc tại điểm B của cam thì = Nhận xét: Khi = 00 thì gia tốc đại cực đại: (m/s2). 4.4.2. Động học con đội đáy bằng trong giai đoạn II (cung BC): a) Chuyển vị của con đội: Khi con đội trượt đến vị trí bất kì nào đó tại điểm M trên cung BC ứng với góc quay nào đó thì chuyển vị của con đội được tính như sau: . (4 – 12). . b) Vận tốc con đội: Ta có công thức tính vận tốc con đội như sau: (4 – 13) Tại điểm C có = 0 và tại điểm B có = như vậy góc tính ngược lại với chiều quay của trục cam nên: . Do đó: (4– 14). . (4 – 15). c) Gia tốc con đội: Ta có công thức tính gia tốc của con đội: . (4– 16). Hinh 4-7 Động học của con đội trong giai đoạn II Vậy ta được động học của con đội trong giai đoạn I và II của xupáp nạp: * Chuyển vị của con đội: Với (4– 17). * Vận tốc của con đội: Với (4 – 18). * Gia tốc của con đội: Với (4– 19). Trong đó là góc quay của trục cam. với là góc quay của trục cam trong giai đoạn I. với . 5. Tính kiểm nghiệm các chi tiết trong cơ cấu phân phối khí động cơ Z6: 5. 1. Quy dẫn khối lượng các chi tiết máy trong cơ cấu phối khí: Để xác định được lực quán tính của cơ cấu phân phối khí, cần phải quy dẫn toàn bộ khối lượng của các chi tiết máy trong cơ cấu phân phối khí về đường tâm xupáp. Do đó lực quán tính tác dụng lên cơ cấu phân phối khí có thể tính theo công thức sau: Pjk= - mok .jk Trong đó: - jk - gia tốc của xupáp. - mok - khối lượng của cơ cấu phối khí quy dẫn về đường tâm xupáp. Trong động cơ Z6, cơ cấu phân phối khí dẫn động trực tiếp xupáp vì vậy khối lượng mok bằng tổng các khối lượng của xupáp, con đội, móng hãm và khối lượng quy dẫn của lò xo. Do khối lượng quy dẫn của lò xo molx = . Nên ta có: mok = mxpn+mđl +mmh+mlx + mcđ. Trong đó: mxpn - Khối lượng của xupáp nạp; mxp = 97,5 (g). mđl - Khối lượng của đĩa lò xo; mđl = 30 (g). mmh - Khối lượng của móng hãm; mmh=10 (g). mlx - Khối lượng của lò xo xupáp; mlx = 67,5 (g). mcđ - Khối lượng của con đội; mcđ=86 (g). mok = 97,5 + 30 + 10 +67,5 + 86 = 291 (g). Trong cơ cấu phân phối khí dẫn động trực tiếp. Khối lượng của cơ cấu quy dẫn về đường tâm xupáp cũng chính là khối lượng của cơ cấu quy dẫn về đường tâm con đội. Vậy: mot = mok = 291 (g) = 0,291 (kg). Trong đó: mot là khối lượng của cơ cấu phối khí quy dẫn về đường tâm con đội. Lực quán tính tác dụng lên cơ cấu phối khí quy dẫn về đường tâm xupáp được xác định theo công thức: Với (5– 1) Lực quán tính tác dụng lên cơ cấu phối khí quy dẫn về đường tâm con đội được xác định theo công thức: Pjt = mot.jt Pjt – Lực quán tính tác dụng lên cơ cấu. jt – Gia tốc con đội. 5.2. Tính toán lò xo xupáp: Ta tính cho trường hợp con đội và xupáp ở phía cam nạp vì tại đó khối lượng quy dẫn sẽ lớn hơn khối lượng quy dẫn về tâm con đội ở cam thải do khối lượng xupap thải nhỏ hơn xupap nạp mà khối lượng các chi tiết khác của cơ cấu thì như nhau. Lò xo xupáp có nhiệm vụ đóng kín xupáp trên đế và đảm bảo cho xupáp đóng mở theo đúng quy luật của cam, nhất là trong giai đoạn chuyển động của con đội có gia tốc âm Giai đoạn mà con đội có gia tốc âm (giai đoạn 2), xupáp và các chi tiết khác trong cơ cấu phối khí có xu hướng rời khỏi mặt cam. Do đó lực lò xo phải lớn hơn lực quán tính Pik ở mọi chế độ tốc độ. Vì vậy: Plx = k.Pjk Trong đó: k – Hệ số an toàn (1,25 1,6). Chọn k = 1,5 Plx = 1,5.Pjk Xupáp thải phải đảm bảo luôn đóng kín trong quá trình nạp (nhất là đối với động cơ xăng trong quá trình chạy không tải, bướm ga đóng nhỏ, độ chân không trong xilanh lớn, áp suất cuối quá trình nạp pa có thể giảm đến 0,015 MN/m2 trong khi đó áp suất trên đường thải pr = 0,102 0,11 MN/m2 cao hơn áp suất khí trời). Do vậy độ chênh áp = pr pa = 0,09 MN/m2. Dưới tác dụng của xupáp thải có thể bị hút mở ra nếu lò xo yếu, vì vậy lực nén ban đầu của lò xo plxo phải đảm bảo lớn hơn lực khí thể tác dụng lên xupáp thải plxo > pkxp = ; Plxo > (N). Với dht: Đường kính họng đế xupáp thải. * Xây dựng đồ thị xác định đường đặc tính lò xo: Từ các công thức (4 – 17), (4 – 19) và (5 – 1) bằng cách cho biến thiên từ (0 ) ta lập được bảng các giá trị của h; Pjx và Plx theo : Bảng 5 – 1 (độ) 00 100 150 150 200 300 400 500 67,50 h (mm) 0 0,79 1,78 1,78 2,98 5,04 6,57 7,52 7,86 Pjx (N) -1498 -1475 -1447 409 444 503 547 574 584 Plx (N) -2246 -2212 -2170 614 666 755 821 861 876 Jx (N) 5146,7 5068 4971 -1407 -1526 -1730 -1880 -1974 -2007 - Trước tiên ta vẽ đường cong biểu diễn hành trình nâng của xupáp hk = f(ak). Vẽ đường biểu diễn lực quán tính Pjk = f’(ak). Sau khi lựa chọn hệ số k, vẽ đường biểu diễn lực tác dụng lên lò xo Plx= k.Pjk. Bên phải của đồ thị vẽ đường cong biểu diễn đường đặc tính của lò xo (tung độ biểu thị độ biến dạng, hoành độ biểu thị lực lò xo). Ta thực hiện cách dựng như sau: - Từ các điểm C’, B’, A’ trên đồ thị hk = f(ak) kẻ các đường song song với tung độ cắt đường biểu diễn Plx tại các điểm C, B, A. Vì vậy ta xác định được lực lò xo trên các điểm này. Đem trị số các lực này đặt trên các đường song song với hoành độ qua các điểm C’’, B’’, A’’nối các điểm này với nhau bằng một đường thẳng kéo dài cắt tung độ của hệ trục fOPlx ở O ta có đặt tính biến dạng của lò xo như hình - Lực Plxmax ứng với biến dạng fmax, lực plx0 ứng với biến dạng ban đầu f0 khi lắp ghép (lúc này hành trình xupáp hk = 0). - Biết đựợc đặc tính của lò xo, ta xác định được độ cứng C của lò xo. (5 – 2) Trong đó: Plxmax – Lực lò xo ứng với độ biến dạng lớn nhất (fmax). Plxmax = 876 (N). Plxmin – Lực lò xo nhỏ nhất khi xupáp đóng kín. Từ đặc tính của lò xo ta xác định được Plxmin = 614 (N). hmax – Độ mở cực đại của lò xo (hmax = 7,86 (mm)). . - Mômen xoắn lò xo: Nếu lực lò xo Plx tác dụng trên phương đường tâm của lò xo thì mômen xoắn của lò xo được tính theo công thức: (5– 3) Trong đó: Dtb – Đường kính trung bình của lò xo. Dtb = ( 0,8 0,9) dhn= 0,85.29,12 = 24,75 (mm). Ta tính trong trường hợp lực lò xo khi xupáp mở lớn nhất, vì vậy Plx = 876(N). Từ công thức (5 -3) ta có: (N.m). Chiều dài của lò xo khi xupáp mở lớn nhất được xác định theo công thức: Lmin = i.d + ict. (5 – 4). Trong đó: i – Số vòng của lò xo; i = ict + (2 3) = 8 (vòng). ict – Số vòng công tác của lò xo (5 12) (vòng); chọn ict = 6 (vòng). - Khe hở giữa các vòng lò xo khi biến dạng lớn nhất (0,50,9) (mm). ta chọn: = 0,5 (mm). d – Đường kính dây quấn lò xo (3 5) (mm); chọn d = 3 (mm). Thay vào công thức (5 – 4) ta có: Lmin = 8.3 + 6.0,5 = 27 (mm). Chiều dài lò xo khi xupáp đóng kín: L0 = Lmin + hmax = 27 + 7,86 = 34,86 (mm). Chiều dài của lò xo ở trạng thái tự do: Llx = L0 + f0 34,86 (mm). Hình 5-1 Đồ thị đặc tính lò xo. 5. 3. Tính toán kiểm nghiệm trục cam: Khi tính toán ta giả thuyết rằng như một dầm có tiết diện đồng đều được đặt tự do trên 2 gối tựa. …Sơ đồ tính toán được biểu diễn như hình vẽ. Hình 5-2 Sơ đồ tính bền trục cam. Nếu bỏ qua ma sát và trọng lực (vì các lực này rất nhỏ so với các lực khác) thì lực tác dụng lên trục cam sẽ là: PTmax = Plxo + Pjt + Pkt (5 – 5) Trong đó: Plxo - lực nén ban đầu của lò xo xupáp. (Trạng thái xupáp đóng kín). Plxo = Plxmin = 614 (N). Pjt - Lực quán tính của cơ cấu phối khí khi bắt đầu mở xupáp quy dẫn về đường tâm con đội. Pjt = - mot.jx Với mot = 0,291 (kg) – Khối lượng của cơ cấu phối khí qui dẫn về đường tâm con đội. jx = 5146,7 (m/s2) - Gia tốc của cơ cấu phối khí khi bắt đầu mở xupáp qui dẫn về đường tâm con đội. = = 1497,7 (N). Pkt - Lực khí thể tác dụng lên mặt nấm xupáp thải qui dẫn về đường tâm con đội. Với: - Diện tích mặt nấm xupáp nạp. 0,61.10-3 (m2). pkt – Áp suất khí thể trong buồng cháy khi bắt đầu mở xupáp. Chọn pkt = 1,1 (MN/m2). 0,671.10-3 (MN). Thay vào công thức (5 – 5) ta có: PTmax = Plxo + Pjt + Pkt =614 +1497,7 + 671 = 2782,7 (N). Do vậy mômen uốn lớn nhất trên trục cam được tính theo công thức: Trong đó: l – Koảng cách giữa 2 tâm gối đỡ; l = 95 (mm). l1 và l2 – Khoảng cách từ 2 gối đỡ đến cam chịu lực PTmax. l1 = 20 (mm); l2 = 75(mm). =43,94 (N.m) = 43,94.10-6 (MN.m). Ứng suất uốn của trục cam được tính theo công thức: (5 – 6) 28,68 (MN/m2). Với d và d0 là đường kính ngoài và đường kính trong của trục cam. dc = 25 (mm); d0 = 4 (mm). * Mômen xoắn: Mômen xoắn đạt cực đại khi lực PT ở xa tâm trục cam nhất, con đội lúc này trượt hết phần cung có bán kính . Mômen xoắn trục cam do lực lò xo và lực quán tính gây ra trên mặt cam được xác định theo công thức: (5 – 7) Trong đó: là lực lò xo và lực quán tính khi cam quay đến điểm B. A – Cánh tay đòn lớn nhất của lực PT0: (5 – 8) = 14,3 (mm). (N). (N). Vậy Mx = 14,3.10-3.(2170 + 1447) = 51,72 (N.m). * Độ võng cho phép: Nếu trên đoạn trục tính toán có hai cam cùng tên thì độ võng cho phép của trục cam được tính theo công thức: f = 3,4.PTmax. (5 – 9) Trong đó: E - Môđuyn đàn hồi của vật liệu chế tạo trục cam. E = (2 2,2).105 (MN/m2); Ta chọn E = 2,1.105 (MN/m2). f = 3,4.2782,7.10 -6 ..103 = 0,095 (mm). Độ võng cho phép của trục cam nằm trong phạm vi [f] = (0,05 0,1) mm. Vậy trục cam thỏa mãn về độ võng. * Ứng suất tiếp xúc trên mặt cam: Trong quá trình làm việc, trên mặt cam và con đội xuất hiện ứng suất tiếp xúc. Ứng suất tiếp xúc được tính theo công thức: (5 – 10) Trong đó: b – Chiều rộng cam; b = 14 (mm). - Bán kính cung ngoại tiếp của cam; = 68,7 (mm). E – Môđuyn đàn hồi; E = 2,1.105 (MN/m2). PTmax – Lực tác dụng lên cam; PTmax = 2782,7.10 -6 (MN). 3,26.102 (MN/m2). 5. 4. Tính toán sức bền con đội: Thông thường kiểm nghiệm áp suất tiếp xúc trên thân con đội. Khi cam tiếp xúc với con đội ở điểm B mômen xoắn trục cam Mx có giá trị lớn nhất. Mômen này làm cho con đội bị nghiêng và tiếp xúc không đều. Áp suất tiếp xúc được xác định theo công thức: (5 – 11) Trong đó: d và l – Đường kính và chiều dài tiếp xúc của thân con đội. d = 29,96 (mm) và l = 27,5 (mm). 13,70.106 (N/m2). 5. 5. Tính toán sức bền xupáp: Tính sức bền của nấm xupáp có thể dùng công thức Back, giả thuyết nấm xupáp như đĩa tròn đặt trên đế tựa hình trụ: Ứng suất uồn mặt nấm được xác định theo công thức: (5 – 12) Với: pz – Áp suất khí thể lớn nhất. Chọn pz = 5,8 (MN/m2). d – Đường kính trung bình của nấm xupáp; d = dnn = 27,8 (mm). - Chiều dày mặt nấm; = 3 (mm). 150,27 (MN/m2). Vì cơ cấu phối khí động cơ Z6 xupáp được dẫn động trực tiếp vì vậy ta cần xác định áp suất tiếp xúc nén trên thân. Áp suất nén tiếp xúc được tính theo công thức: (5 – 13). Với d và l – đường kính và chiều dài thân xupáp dtn = 5,48 (mm) và ltn = 83,4 (mm). 8,14.106 (MN/m2). 6. Những hư hỏng và phương pháp kiểm tra, sửa chữa các chi tiết trong cơ cấu phân phối khí: 6.1. Những hư hỏng: Cơ cấu phân phối khí được dẫn động từ trục cam đến xupáp làm việc trong điều kiện chịu nhiệt độ cao, chịu lực ma sát lớn khi làm việc và chịu nhiều va đập nên thường bị mòn. Sự mài mòn của bất kỳ chi tiết nào trong cơ cấu đều có thể dẫn đến hiện tượng xupáp đóng mở không đúng yêu cầu, gây ảnh hưởng xấu đến quá trình làm việc của động cơ. Do điều kiện làm việc của cơ cấu phối khí như vậy nên các chi tiết của cơ cấu thường xảy ra các hư hỏng chính sau: Xupáp và đế xupáp là các chi tiết làm việc trong điều kiện khắc nghiệt nhất vừa chịu lực ma sát lại vừa chịu va đập. Thường xuyên tiếp xúc với nhiệt độ cao đặt biệt là xupáp thải. Do đó bề mặt làm việc của xupáp và đế xupáp không những bị mòn mà còn bị cháy rỗ dẫn đến đóng không kín gây lọt khí làm giảm công suất, tăng lượng tiêu hao nhiên liệu của động cơ. Ống dẫn hướng xupáp nếu mòn nhiều sẽ gây va đập xupáp làm tăng mài mòn thân xupáp đồng thời sẽ gây lọt dầu vào trong xilanh động cơ do đó làm tăng tiêu hao dầu bôi trơn và kết muội than trong buồng đốt. Các chi tiết dẫn động xupáp như đòn bấy, con lăn, lò xo và các chi tiết lắp ghép chúng đều bị mòn hoặc biến dạng cũng ảnh hưởng đến sự làm việc của xupáp. Đối với trục cam các vấu cam phân phối khí luôn tiếp xúc và tỳ vào đế con đội nên bị mòn nhiều hoặc bị biến dạng do ma sát. Nếu vấu cam bị mòn nhiều sẽ làm giảm hành trình của con đội do đó làm giảm độ mở của xupáp. Con đội sẽ bị mòn nhiều ở phần thân và đáy. Nếu là bôi trơn cưỡng bức khe hở phần thân và phần dẫn hướng sẽ làm giảm áp lực dầu bôi trơn. Nếu là con đội cơ khí sự mài mòn bề mặt tiếp xúc sẽ làm giảm khe hở miệng xupáp. Bộ phận dẫn động trục cam: Các gân bánh răng, bánh xích, dây đai bị mài mòn cũng làm sai lệch pha phân phối khí của động cơ tức là thời điểm đóng mở xupáp không đúng yêu cầu đồng thời gây nên tiếng ồn và gõ trong quá trình làm việc. 6.2. Các phương pháp kiểm tra, phân loại chi tiết: Sau khi tháo và rửa sạch, các chi tiết được kiểm tra, phân loại để xác định phương án xử lý. Các chi tiết được phân làm 3 nhóm: Các chi tiết được dùng lại không phải sửa chữa, các chi tiết cần được phục hồi, sửa chữa và các chi tiết hư hỏng bỏ đi. Việc kiểm tra phân loại các chi tiết bao gồm các công việc đo đạc, quan sát, kiểm tra chi tiết và so sánh kết quả đo với các tiêu chuẩn kỹ thuật kiểm tra để quyết định phương án xử lý. Việc kiểm tra các chi tiết cần phải căn cứ vào đặc điểm kết cấu, điều kiện làm việc và tiêu chuẩn kỹ thuật của chi tiết. Việc kiểm tra được thực hiện bằng quan sát và dùng dụng cụ đo và phải tiến hành theo quy trình nhất định. Đối với mỗi chi tiết cần có một phương án kiểm tra nhất định. * Kiểm tra chi tiết dạng trục: bao gồm trục khuỷu, trục cam của động cơ. Hư hỏng thường gặp của các chi tiết này là mòn cổ trục, cổ biên, mòn rãnh then, cong và xoắn trục. Công việc kiểm tra các chi tiết này đòi hỏi phải có dụng cụ chuyên dùng, phù hợp với từng hư hỏng của chi tiết. * Kiểm tra kích thước lỗ: Kiểm tra kích thước xilanh, bạc cam và bạc lót cổ trục. Chủ yếu việc kiểm tra này là xác định đường kính lớn nhất, nhỏ nhất và trung bình, độ ô van, độ côn. Dụng cụ để kiểm tra các chi tiết này là dụng cụ đo lỗ, phổ biến nhất là các loại panme đo lỗ, đồng hồ đo lỗ hoặc các đồng hồ so. * Kiểm tra các chi tiết tĩnh: Hư hỏng thường gặp ở các chi tiết này là nứt vỡ, biến dạng của các gối đỡ các trục cam, khuỷu hoặc đường tâm của các ổ đỡ không trùng nhau, tâm xilanh không thẳng góc với tâm trục khuỷu. Công việc kiểm tra hư hỏng các chi tiết này phải sử dụng đồng hồ so và bàn máp, bàn rà. * Kiểm tra các vòng bi, bánh răng: - Kiểm tra vòng bi: Đối với những chi tiết này chúng ta không sửa chữa mà chỉ kiểm tra, quan sát để phát hiện các hư hỏng như nứt, vỡ, tróc rỗ, xướt bề mặt đường lăn. Để đánh giá chính xác vòng bi thì phải đo độ rơ dọc trục và độ rơ hướng kính rồi so với tiêu chuẩn đã cho để quyết định việc tái sử dụng hay thay thế. Dụng cụ để kiểm tra vòng bi chủ yếu là đồng hồ so và bàn máp kết hợp với giá đỡ. - Kiểm tra các bánh răng: Đối với các bánh răng cũng không sửa chữa mà thay mới nếu hư hỏng. Các hư hỏng thường gặp của bánh răng là mài mòn, nứt vỡ, tróc rỗ hoặc mòn ránh then. Dụng cụ để kiểm tra các hiện tượng hư hỏng của bánh răng là thước cặp đo răng, calíp. Ngoài ra cần phải kiểm tra độ rơ ăn khớp giữa các cặp bánh răng. 6.3. Phương pháp kiểm tra sửa chữa các chi tiết của cơ cấu phân phối khí động cơ Z6: 6.3.1. Kiểm tra sửa chữa xupáp: Kiểm tra xupáp thường dùng bằng mắt thường như hiện tượng cháy, rổ, xướt, mòn sâu ở mặt côn của nấm, mặt côn tiếp xúc với móng hãm bị mòn quá nhiều thì xupáp cần được thay thế. Nếu xupáp hư hỏng không thấy rõ bằng mắt thì phải dùng các thiết bị chuyên dùng để kiểm tra trước khi quyết định sửa chữa như thước panme, các đồng hồ so… Hình 6-1 Kiểm tra xupáp Hình 1.a) Kiểm tra chiều dày mép nấm xupáp. Nếu chiều dày mép nấm xupáp nhỏ hơn giá trị cho phép thì phải thay xupáp. Hình 1.b) Kiểm tra chiều dài của xupáp. Nếu kích thước của xupáp khi đo nhỏ hơn giá trị nhỏ nhất thì cần phải thay xupáp. Hình 1.c) Kiểm tra độ mòn của thân xupáp. Dùng thước panme ta tiến hành kiểm tra tại 3 vị trí như hình minh họa. * Việc kiểm tra đánh giá khe hở lắp ghép giữa thân xupáp và ống dẫn hướng ,cũng có thể cho phép đánh giá được sự hao mòn của thân xupáp, tuy nhiên theo cách kiểm tra này, độ tin cậy không bằng cách trên, bởi vì ở đây có sự hao mòn của cả ống dẫn hướng, để cho đầu xupáp cao hơn mặt phẳng thân máy hoặc nắp máy khoảng 10 mm. Dùng đầu tiếp xúc của đồng hồ so chạm vào mép của xupáp, lắc tán xupáp và quan sát sự dịch chuyển của kim đồng hồ ta sẽ có kết quả đo. Khe hở lớn nhất cho phép giữa ống dẫn hướng và thân xupáp là 0,1 (mm). Hình 6-2 Kiểm tra khe hở giữa thân xupáp và ống dẫn hướng. + Sửa chữa xupáp: - Nếu bề mặt làm việc của nấm xupáp bị cháy rỗ nhẹ, thì dùng phương pháp xoáy thủ công để đạt được độ bóng theo yêu cầu xupáp. Xupáp sau khi sửa chữa phải đảm bảo độ côn, độ ô van, độ cong của thân xupáp nằm trong giới hạn cho phép. - Nếu xupáp bị bám muội than: Tẩm dầu diezel (để vài phút), dùng mũi cạo nhẹ tránh trầy xướt bề mặt. Sau đó dùng xăng rửa sạch. 6.3.2. Kiểm tra sửa chữa ống dẫn hướng: Ống dẫn hướng phải kiểm tra sửa chữa nếu cần thay mới. Ống dẫn hướng còn là chi tiết chuẩn để gia công sửa chữa hoặc thay mới xupáp và đế xupáp. Thông thường thì ống dẫn hướng mòn hơn thân xupáp. Khe hở cho phép giữa 2 chi tiết này là không lớn hơn 0,1 (mm). Nếu lớn hơn cần thay mới ống. Dụng cụ kiểm tra độ mòn này được thực hiện bằng dưỡng, kiểm tra và sử dụng thướt panme để đo dưỡng. Khi kiểm tra tiến hành đo tại 3 vị trí như hình 5 - 3. Công việc sữa chữa ống dẫn hướng không đáng kể thường thì thay mới sau khi kiểm tra khe hở làm việc với thân xupáp không đạt yêu cầu. Việc thay ống dẫn hướng chủ yếu là ép bằng dụng cụ trung gian tarôren lắp bulông dùng búa hoặc máy ép để tháo lắp. Hình 6-3 Kiểm tra ống dẫn hướng. 6.3.3. Kiểm tra sửa chữa đế xupáp: - Phương pháp kiểm tra: + Dùng mắt thường để quan sát các vết rỗ và mòn trên đế xupáp, dùng bột phấn để kiểm tra các vết nứt của đế. + Dùng dầu hỏa để kiểm tra độ kín của đế và của xupáp. Phương pháp kiểm tra độ kín của đế xupáp và xupáp bằng cách đổ dầu hỏa vào cổ hút và cổ xả rồi để trong thời gian từ 5 đến 10 phút nếu không thấy dầu ngấm qua là đế xupáp và xupáp kín. Hình 6-4 Kiểm tra đế xupáp. + Kiểm tra vị trí tiếp xúc của xupáp : bôi một lớp mỏng PRUSSAIAN BLUE (hay chì trắng) vào bề mặt của xupáp tiêu chuẩn, lắp xupáp, ấn nhẹ xupáp để không được xoay xupáp sau đó quan sát trên xupáp nếu màu xanh xuất hiện 3600 xung quanh đế xupáp thì đế xupáp đồng tâm. Nếu không ta phải tiến hành doa lại đế xupáp. - Phương pháp sửa chữa: + Nếu đế xupáp bị cháy rỗ, mòn thành gờ sâu ở bề mặt làm việc bị nứt hoặc ghép lỏng với nắp xilanh cần phải được thay mới. Trường hợp đế không bị cháy rỗ nhưng đã xoáy nhiều lần làm cho đế xupáp bị tụt sâu quá 1,5 (mm) so với ban đầu thì cần phải thay đế mới. + Bề mặt làm việc của đế xupáp phải được mài bằng đá mài định hình (có góc côn bằng góc côn cần mài của đế) để doa hoặc mài được mặt đế có góc côn theo yêu cầu với độ đồng tâm cao cần chọn đá mài có góc nghiêng và đường kính phù hợp. + Rà xupáp với đế xupáp: Xupáp và đế xupáp sau khi mài cần phải rà để đạt độ kín khít. Nguyên lý rà là tạo chuyển động giữa 2 bề mặt với nhau. Rà xupáp có thể thực hiện bằng tay hoặc thiết bị rà lồng dưới nấm xupáp 1 lò xo mềm để nâng xupáp. Khi rà không nên bôi quá nhiều bột rà vì có thể lọt xuống ống dẫn hướng gây nên mòn ống dẫn hướng. * Chú ý khi thay mới đế xupáp: Khi khoét lỗ để thay đế xupáp, trục dao khoét phải được dẫn hướng bằng lỗ dẫn hướng xupáp. Chọn đế phải đảm bảo có độ dôi để lắp ghép theo yêu cầu. Có thể ngâm vòng đế vào nước đá 30 phút cho co lại rồi ép vào cho dễ dàng. 6.3.4. Kiểm tra sữa chữa lò xo xupáp: Dùng dụng cụ chuyên dùng có đồng hồ đo để kiểm tra chiều cao của lò xo khi bị nén. Lực nén lớn nhất để kiểm tra là 262,8N và chiều cao tương ứng là 27,5 (mm). Nếu lò xo không đạt được yêu cầu này cần phẩi thay thế. Hình 6-5 Kiểm tra chiều dài lò xo khi chịu nén. - Dùng thước cặp để kiểm tra chiều dài của lò xo ở trạng thái tự do. - Chiều dài tự nhiên của lò xo là l = 34,86 (mm). Hinh 6-6 Kiểm tra chiều dài lò xo. - Dùng êke để kiểm tra độ vuông góc của lò xo. Đặt thước trên một tấm phẳng, dựng đứng lò xo trên tấm phẳng và dịch chuyển lò xo sát vào góc vuông của thước sau đó xoay lò xo và chú ý khoảng cách giữa vòng dây lò xo trên cùng với thước. Nếu độ không vuông góc α vượt quá 20 thì phải thay mới. Khi lắp lò xo xupáp vào nắp xi lanh,chú ý đầu lò xo có vòng dây cuộn xít phải được lắp về phía nắp máy. Hình 6-7 Kiểm tra độ vuông góc của lò xo. 6.3.5. Kiểm tra sửa chữa con đội xupáp: - Thông thường con đội không sửa chữa mà thay mới nếu kiểm tra thấy độ mòn vượt quá giới hạn cho phép. - Các hư hỏng thường gặp của con đội mòn, vỡ , gãy. Sự mòn của con đội do các nguyên nhân sau: Lò xo xupáp quá căng., độ rơ dọc trục cam quá lớn,… - Kiểm tra đường kính chỗ lắp ghép con đội trên nắp máy. Kiểm tra tại 2 vị trí như hình. Đường kính nằm trong giới hạn cho phép d = 30 30,025 (mm). Hình 6-8 Kiểm tra đường kính lắp ghép con đội. - Kiểm tra đường kính ngoài của con đội. Dùng thước panme đo tại 2 vị trí như hình. Đo đường kính ngoài cho phép nằm trong giới hạn d = 29,959 29,975 (mm). Hình 6-9 Kiểm tra đường kính con đội. - Với cách đo trên ta có thể xác định được khe hở cho phép giữa con đội và lỗ lắp con đội trên nắp máy: Khe hở cho phép là 0,025 0,066 (mm). Nếu khe hở có giá trị vượt quá giới hạn này, cần được thay thế con đội. 6.3.6. Kiểm tra sửa chữa trục cam: - Việc kiểm tra trục cam trước tiên phải thực hiện bằng quan sát để phát hiện các hư hỏng như: xướt, rổ, mẻ bề mặt cam, rãnh then bị biến dạng. Nếu trục cam không có các hư hỏng nặng thì cần kiểm tra độ cong vênh của trục, độ mòn các cổ trục và vấu cam để sửa chữa. - Công việc kiểm tra trục cam được thực hiện như sau: + Nếu kiểm tra độ cong thì phải đặt trục trên giá V và dùng đồng hồ so để kiểm tra. Gá trục cam lên hai khối V sau đó gá đồng hồ so vào cổ giữa của trục cam và tiến hành xoay trục cam 3600 rồi quan sát trên đồng hồ so. Lấy giá trị trên đồng hồ so trừ đi độ ô van của cổ trục rồi chia đôi ta sẽ được độ cong của trục cam. Yêu cầu độ cong của trục cam không được lớn hơn 0,03 (mm) nếu lớn hơn thì phải nắn lại trục. Hình 6-10 Kiểm tra độ cong của trục cam. + Kiểm tra độ đảo trục cam: Đặt trục cam lên hai khối V. Sử dụng đồng hồ so, đo độ đảo tại cổ trục giữa. Nếu thấy độ đảo vượt quá giới hạn thì phải thay trục cam. + Kiểm tra chiều cao vấu cam. Dùng thước panme đặt vào 2 đầu của vấu cam như hình 6-11. Xác định được giá trị cần đo. Chiều cao vấu cho phép nhỏ nhất. Đối với cam nạp h = 41,3 (mm). Đối với cam thải h = 41,43. Nếu xác định nhỏ hơn 2 giá trị này cần thay thế cam hoặc phục hồi lại biên dạng và độ bóng bề mặt cam (hàn đắp rồi gia công cơ khí) việc sữa chữa sao để đảm bảo được góc đóng mở xupáp. Hình 6-11 Kiểm tra chiều cao cam. + Kiểm tra cổ trục cam: Dùng thước kẹp đo cổ trục theo 2 phương X và Y như hình 22. Đường kính cổ trục nhỏ nhất cho phép là 24,91 (mm). Nếu nhỏ hơn giá trị này cần được sửa chữa. Khi trục cam bị mòn được sửa chữa bằng gia công cơ khí theo cốt. Việc mài cổ trục được thực hiện trên máy mài chuyên dùng và trục cam được định vị trên 2 mũi tâm, được dẫn động bằng tốc kẹp. Bạc cam cũng được thay mới theo kích thước cốt sửa chữa tương ứng của cổ trục cam. Hình 6-12 Kiểm tra đường kính cổ trục cam. - Sửa chữa và thay bạc trục cam: Bạc trục cam thường được chế tạo theo kích thước cổ trục. Khi trục sửa chữa người ta ép các bạc cũ ra kiểm tra bề mặt lắp ghép và dùng trục dẫn để ép bạc mới vào. + Trước khi thay bạc cần kiểm tra và thực hiện các bước: Vệ sinh sạch bạc cần ép. Kiểm tra kích thước lỗ cần lắp bạc, kiểm tra mật độ xướt, đảo của bề mặt so với đường tâm chung. Xác định chính xác thứ tự các bạc vì kích thước cổ trục cam khác nhau và nhỏ dần từ ổ đầu tiên đến ổ cuối cùng, chọn trục dẫn có kích thước phù hợp để lắp bạc.Chú ý ép bạc vào vị trí sao cho các lỗ dầu trùng với các lỗ dầu trên thân máy. Sau khi lắp xong cần kiểm tra độ thẳng tâm của chúng. 6.3.7. Kiểm tra dắt cắm van dầu OCV: + Kiểm tra dắt cắm van điều khiển OCV: Ngắt nguồn điện van OCV. Dùng ôm kế đo điện trở tại 2 điểm A và B của van. Nếu các giá trị điện trở đo được không nằm trong khoảng cho phép là (6,9 7,9) ôm, thì phải thay thế. Hình 6-13 Kiểm tra điện trở dắt cắm. 7. Kết luận: Sau thời gian hơn ba tháng làm đồ án tốt nghiệp với đề tài "Thiết kế cơ cấu phối khí trên động cơ Z6" đến nay em đã cơ bản hoàn thành với sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo hướng dẫn cùng các thầy cô trong khoa. Trong đề tài này em đi sâu tìm hiểu tính năng hoạt động và thiết kế cơ cấu phân khí trong động cơ Z6. Mục 1 em nêu lên mục đích và ý nghĩa của việc chọn đề tài Ở mục 2 của đồ án em đã trình bày tổng quan về cơ cấu phối khí của động cơ đốt trong từ cổ điển đến hiện đại Ở mục 3, mục trọng tâm của đồ án em đi sâu phân tích kết cấu các chi tiết, phương án bố trí và dẫn động xupáp, phương án bố trí trục cam và dẫn động trục cam. Đồng thời cũng ở mục này em đi sâu nghiên cứu kết cấu và nguyên lý làm việc của hệ thống thay đổi góc phân phối khí trong cơ cấu phân phối khí động cơ Z6. Mục 4 và 5 là mục tính toán các thông số cơ bản cũng như kiểm nghiệm sức bền của các chi tiết trong cơ cấu phân phối khí động cơ Z6. Mục 6 của đồ án em nêu ra một số hư hỏng và phương pháp sữa chữa các chi tiết trong cơ cấu phân phối khí. Thông qua đồ án tốt nghiệp giúp em hiểu sâu hơn về tầm quan trọng của cơ cấu phối khí và điều đó cũng đã được các nhà chuyên môn luôn nghiên cứu và tìm cách nâng cao tính năng của động cơ nhằm phục vụ cho nhu cầu của đời sống. Do thời gian hạn chế, nhiều phần chưa được trang bị trong thời gian học tập tại trường, tài liệu tham khảo còn hạn chế và chưa cập nhật đủ thông tin nên cần phải hoàn thiện thêm. Qua đề tài này đã bổ sung cho em thêm nhiều kiến thức chuyên ngành động cơ đốt trong, hiểu sâu về động cơ Z6 đặc biệt là hệ thống phân phối khí, Z6 là động cơ được trang bị bởi nhiều cơ cấu, nhiều chi tiết mang tính tự động điều khiển … Những điều đó làm cho động cơ luôn hoạt động tối ưu ở mọi chế độ làm việc. Sau cùng em rất mong được sự góp ý và chỉ bảo của các thầy cô giáo để em được hoàn thiện hơn về kiến thức cũng như đề tài này. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hồ Tấn Chuẩn, Nguyễn Đức Phú, Trần Văn Tế, Nguyễn Tất Tiến. “Kết Cấu Và Tính Toán Động Cơ Đốt Trong”. Hà Nội: NXB Đại học Trung học chuyên nghiệp; 1979. [2] Trần Thanh Hải Tùng. “Bài giảng phun xăng điện tử ”. Đà Nẵng: Đại học Bách khoa Đà Nẵng. [3] Trần Thanh Hải Tùng. “Bài giảng môn hoc tính toán thiết kế động cơ đốt trong ”. Đà Nẵng: Đại học bách khoa Đà Nẵng. [4] Nguyễn Tất Tiến. “Nguyên Lý Động Cơ Đốt Trong ”. Hà Nội: NXB Giáo dục; 2000. [5] “Z6 Engine Mechanical”. 2004. [6] “Focus-Vietnam Workshop manual”. 2004. [7] [8] [9]