Bài 22
Thân máy và nắp máy
Giới thiệu chung
Thân máy và nắp máy là nhưng chi tiết cố định,dùng để lắp các cơ cấu và hệ thống động cơ
Cấu tạo thân máy rất đa dạng tuỳ thuộc vào mỗi loại động cơ,thân máy có thể được chế tạo liền khối hoặc gồm 1 số phần được lắp ghép với nhau bằng bulông hoặc gugiông
Cấu tạo thân máy rất đa dạng tuỳ thuộc vào mỗi loại động cơ,thân máy có thể được chế tạo liền khối hoặc gồm 1 số phần được lắp ghép với nhau bằng bulông hoặc gugiông

Trong thân máy phần để lắp xilanh gọi là động cơ thân xilanh

Phần để lắp trục khuỷu gọi là cacte hoặc hộp trục khuỷu
Cacte có thể chia làm hai khối : nữa trên và nữa dưới. Ở một số loại động cơ ,nữa trên cacte được gắn liền với thân xilanh. Ở các động cơ xe máy cacte được chia làm hai nữa theo mặt phẳng vuông góc với trục khuỷu của động cơ
Thân máy
Nhiệm vụ
Thân máy dùng để lắp các cơ cấu và hệ thống của động cơ
Cấu tạo

Cấu tạo thân máy phụ thuộc vào sự bố tri của các xilanh,cơ cấu và hệ thống của động cơ. Động cớ có sự khác bịêt chủ yếu là:

Thân xilanh của động cơ làm mát bằng nước có cấu tạo khoang chứa nước làm mát
Than xilanh động cơ làm mát bằng không khí có cánh tản nhiệt

Nắp máy
Nắp máy (còn gọi là nắp xilanh) cúng với xilanh và đỉnh pitông tạo thành buồng máy của động cơ
Nắp máy còn dùng các ch tiết và cụm chi tiết cũng như bugi hoặc vòi phun một số chi tiết của cơ cấu phan phối khí ; để bố trí các đường ống nạp-thải, áo nước làm mát hoặc cánh tản nhiệt…..
Cấu tạo
Nắp máy có cấu tạo bằng nước dùng cớ cấu phấn phối khí xupap treo có cấu tạo khá phức tạp do phái cấu tạo áo nước làm mát ,cấu tạo đường ống nạp và lõ lắp các xupap…
Nắp máy động cơ làm mát bằng không khí dùng cơ cấu phân phối khí xupap đặt hoặc động cơ 2 thì thường có cấu tạo đơn giản hơn
Nắp máy là một chi tiết cố định có hình dạng phức tạp nhất của động cơ đốt trong dùng pít tông. Nắp máy có thể có dạng liền khối cho tất cả các xy lanh, riêng rẽ cho từng nhóm hoặc cho từng xy lanh. Các điều kiện làm việc của nắp máy là rất nặng nề và biến thiên tuỳ thuộc vào các yếu tố tác động lên nó, trước hết là tải của động cơ và tốc độ biến thiên của tải. Nắp máy tiếp xúc trực tiếp và liên tục với hỗn hợp công tác và môi chất làm mát nên nhiệt độ tại các điểm riêng biệt không giống nhau. Sự không đồng nhất của nhiệt độ tại các điểm gây nên tải trọng nhiệt cho nắp máy. Tải trọng này đồng tác dụng với tải cơ học gây ra những hỏng hóc của nắp máy.
Trên nắp máy có các dạng ứng suất khác nhau tác dụng và có thể chia thành hai nhóm chính (theo nguyên nhân gây nên ứng suất) đó là ứng suất cơ và ứng suất nhiệt.
Nhóm ứng suất cơ gồm có ứng suất dư, ứng suất lắp ghép, ứng suất tạo bởi áp suất trong xy lanh, ứng suất tạo nên bởi các ngoại lực truyền tới nắp máy khi động cơ hoạt động.

Nhóm ứng suất nhiệt được tạo bởi trường nhiệt độ không đồng đều khi động cơ làm việc và gồm có ba thành phần như sau:
+ ứng suất nhiệt tựa tĩnh tạo bởi hiệu số trị số trung bình của chất lỏng làm mát nắp máy và của môi chất công tác bên trong xy lanh.
+ ứng suất nhiệt biến thiên tần số thấp, xuất hiện bởi sự thay đổi của tải bên ngoài (ví dụ khởi động động cơ, chuyển từ chế độ không tải sang nhận tải, tăng tốc, lên xuống dốc, dừng máy...) Về bản chất, mỗi chế độ làm việc chuyển tiếp đều gây nên ứng suất nhiệt dạng này.
+ ứng suất nhiệt biến thiên tần số cao, xuất hiện trên lớp bề mặt đáy dưới nắp xy lanh do tiếp xúc trực tiếp với môi chất công tác có nhiệt độ biến thiên theo chu trình công tác trong xy lanh. Do có tính ỳ nhiệt của vật liệu, nên càng vào sâu bên trong lòng vật liệu, biên độ biến thiên càng giảm rất nhanh theo quy luật giao động tắt dần.
Phần trên và các thành bên nắp máy có trường nhiệt khá đồng đều và trị số nhiệt độ gần với nhiệt độ của chất lỏng làm mát, nên ứng suất nhiệt không lớn. Mặt dưới của đáy dưới nắp máy chịu tải nhiệt nặng nề nhất. Trên bề mặt này, ứng suất nhiệt đạt trị số (tuyệt đối) lớn nhất. Bởi trường nhiệt độ không đồng đều và không ổn đã tạo nên ứng suất nhiệt biến thiên trong giới hạn rộng và đồng tác dụng với áp suất khí cháy, gây nên trạng thái ứng suất rất phức tạp cho nắp máy.
Để đánh giá trạng thái làm việc và khả năng chịu lực của nắp xy lanh cần phải xác định được các thành phần ứng suất mà trước hết là ứng suất gây nên bởi áp suất khí thể và ứng suất nhiệt.Với xu hướng cường hoá công suất bằng cách tăng tốc độ trục khuỷu và tăng áp thì việc đánh giá khả năng chịu lực lại càng cấp thiết đối với động cơ diesel cũng như động cơ xăng.


Trên nắp máy có các dạng ứng suất khác nhau tác dụng và có thể chia thành hai nhóm chính (theo nguyên nhân gây nên ứng suất) đó là ứng suất cơ và ứng suất nhiệt.
Nhóm ứng suất cơ gồm có ứng suất dư, ứng suất lắp ghép, ứng suất tạo bởi áp suất trong xy lanh, ứng suất tạo nên bởi các ngoại lực truyền tới nắp máy khi động cơ hoạt động.
Nhóm ứng suất nhiệt được tạo bởi trường nhiệt độ không đồng đều khi động cơ làm việc và gồm có ba thành phần như sau:
+ ứng suất nhiệt tựa tĩnh tạo bởi hiệu số trị số trung bình của chất lỏng làm mát nắp máy và của môi chất công tác bên trong xy lanh.
+ ứng suất nhiệt biến thiên tần số thấp, xuất hiện bởi sự thay đổi của tải bên ngoài (ví dụ khởi động động cơ, chuyển từ chế độ không tải sang nhận tải, tăng tốc, lên xuống dốc, dừng máy...) Về bản chất, mỗi chế độ làm việc chuyển tiếp đều gây nên ứng suất nhiệt dạng này.
+ ứng suất nhiệt biến thiên tần số cao, xuất hiện trên lớp bề mặt đáy dưới nắp xy lanh do tiếp xúc trực tiếp với môi chất công tác có nhiệt độ biến thiên theo chu trình công tác trong xy lanh. Do có tính ỳ nhiệt của vật liệu, nên càng vào sâu bên trong lòng vật liệu, biên độ biến thiên càng giảm rất nhanh theo quy luật giao động tắt dần.
Phần trên và các thành bên nắp máy có trường nhiệt khá đồng đều và trị số nhiệt độ gần với nhiệt độ của chất lỏng làm mát, nên ứng suất nhiệt không lớn. Mặt dưới của đáy dưới nắp máy chịu tải nhiệt nặng nề nhất. Trên bề mặt này, ứng suất nhiệt đạt trị số (tuyệt đối) lớn nhất. Bởi trường nhiệt độ không đồng đều và không ổn đã tạo nên ứng suất nhiệt biến thiên trong giới hạn rộng và đồng tác dụng với áp suất khí cháy, gây nên trạng thái ứng suất rất phức tạp cho nắp máy.
Để đánh giá trạng thái làm việc và khả năng chịu lực của nắp xy lanh cần phải xác định được các thành phần ứng suất mà trước hết là ứng suất gây nên bởi áp suất khí thể và ứng suất nhiệt.Với xu hướng cường hoá công suất bằng cách tăng tốc độ trục khuỷu và tăng áp thì việc đánh giá khả năng chịu lực lại càng cấp thiết đối với động cơ diesel cũng như động cơ xăng.


Câu 2 : Chọn vật liệu & thành phần & kí hiệu
1, Thành phần hóa học của mác hợp kim, cơ sơ lý luận để chọn thành phần.
a, Thành phần hóa học :
Hợp kim nhôm AA356.0 bao gồm các nguyên tố sau (ngoài Al) :
Si : 6.5-7.5 %
Fe : 0.12 %
Cu : 0.10 %
Mn : 0.05 %
Mg : 0.30-0.40 %
Zn : 0.05 %
Ti : 0.20 %
Kim loại khác : 0.15 %
b, Cơ sở chọn vật liệu :
Hợp kim chế tạo nắp xi lanh thì trước hết phải có tính đúc: cần phải có mấy đặc điểm là có nhiệt độ nóng chảy vừa phải, độ chảy loãng tốt, có độ bền đảm bảo. Hợp kim nhôm silic sẽ đảm bảo được đặc tính này. Hàm lượng silic càng cao thì độ chảy loãng càng lớn, nhưng độ bền sẽ giảm hơn. Thường thì dùng loại hợp kim có hàm lượng silic khoảng 7% (hợp kim A356).

2, Kí hiệu và thành phần tương đương theo các tiêu chuẩn: TCVN, ASTM, JIS, ΓOCT.
Mü : AA356,0
TCVN : AlSi7Mg0,3CuĐ ( 7%Si; 0.3%Mg; <0.1%Cu)
Liªn x« : A9

Câu 3 : Vai trò hợp kim chính
Hợp kim chính trong AA356.0 là silic ( Si ). Trong hệ Al- nguyên tố hợp kim chỉ có hệ Al-Si có cùng tinh với thành phần hợp kim ít nhất nên tốn ít hợp kim, rẻ nên dùng để đúc được dùng phổ biến. Hơn nữa tổ chức và cơ tính hợp kim Al-Si phụ thuộc nhiều vào tốc độ nguội và biến tính rất mạnh. Si trong hợp kim sẽ giúp hợp kim có độ chảy loãng tốt, với hàm lượng vừa phải ko làm ảnh hưởng đến độ bền. AA356.0 được cải thiện độ bền bằng cách cho thêm Mg (0.3-0.4%). Mg sẽ cùng với Si tạo thành pha hóa bền Mg2Si qua quá trình nhiệt luyện hóa bền. Chúng ta sẽ thu dc pha α + Mg2Si + Si .Ngoài ra Cu, Zn cũng được cho thêm vào để cải thiện cơ tính và tính đúc, tạo pha hóa bền w(AlxMg5Cu4Si4) θ(CuAl2) khi nhiệt luyện. Cr được cho thêm cùng Mn tạo pha Al6Cr và α nhỏ mịn phân tán gây hóa bền mạnh chi tiết khi ép (hiệu ứng ép). Fe để lại ảnh hưởng xấu do pha β (Al-Fe-Si) dạng tấm dòn. Tuy nhiên sự có mặt của Mg làm hình thành pha α(Al-Fe-Si-Mn) nhỏ mịn cải thiện ảnh hưởng xấu của Fe. Nếu Fe vượt quá 0.45%, hàm lượng Mn sẽ ko dưới một nửa hàm lượng Fe.


Câu 4 : Thuộc tính vật liệu
1, Nhiệt độ chảy, nhiệt độ ủ, nhiệt độ tôi, thường hóa.
Nhiệt độ nóng chảy : 677-816°C
Nhiệt độ tôi : 535-541°C ( giữ tại nhiệt độ này trong vòng 8 giờ đồng hồ sau đó làm nguội trong nước sôi từ 150-212 °C)
Nhiệt độ ủ hóa già : 152-157°C ( giữ tại nhiệt độ này trong vòng 3-5 giờ đồng hồ)
Thường hóa ngoài không khí : 20-30°C
2, Giản đồ pha Al-Si
( Trang bên)
3, Tổ chức tế vi đạt được khi làm nguội chậm qua các tới hạn & % các pha, đặc điểm cơ tính.
Đặc điểm cơ tính :
Tôi :σb = 225 Mpa .
Hóa già tự nhiên : σb = 245 MPa
Hóa già nhân tạo : σb = 260 MPa
Sau khi làm nguội chậm qua các tới hạn. Cơ tính của vật liệu đúc phụ thuộc nhiều vào tốc độ làm nguội và biến tính. Tuy nhiên chưa biến tính và hóa già chi tiết cung đã có cơ tính rất tốt. Chi tiết thu dc có cơ tính rất tốt tổ chức tế vi nhỏ mịn có kết cấu bền vững. Chi tiết có độ bền nhiệt cao. Chi tiết có thể làm việc trong điều kiện ứng suất thay đổi phức tạp nhiệt độ biến thiên liên tục. Ưu điểm của hợp kim nhôm đúc được thể hiện rõ ràng vượt trội trong chi tiết. Hầu như khó có vật liệu ngoài hợp kim nhôm nào có thể vươt qua dc hợp kim A356.0 trong việc cải thiện cơ tính của chi tiết làm việc trong điều kiện ứng suất phức tạp như vậy.
Chi tiết có độ cứng và tính chống mài mòn cao. HB = 65-95 (HRB = 49)

Chi tiết có độ bền và sức chịu tải lớn .

Modul đàn hồi : 72.4 Gpa
Giới hạn chảy : ≥ 152 MPa
Giới hạn bền : σb = 260Mpa
giới hạn bền kéo : ≥ 228 MPa
giới hạn bền nén : σ0.2 = 185 MPa
giới hạn bền xoắn : 205 MPa
giới hạn bền mỏi : 90 Mpa
Giới hạn phá hủy : δ = 4%

Chi tiết có tính gia công tương đối : tính cắt gọt: 50%

Câu 5 : Chế tạo chi tiết
Nắp xi lanh động cơ đốt trong được chế tạo qua 2 bước chính : Đúc tạo phôi và gia công tinh bề mặt làm việc bằng máy CNC
Đúc :
Tiến hành đúc trong khuôn kim loại ở nhiệt độ 677-788°C. Có thể kết hợp hóa nhiệt luyện hóa bền để tạo pha hóa bền: Mg2Si. Tiến hành tôi tại nhiệt độ 535-541°C trong vòng 8 giờ. Sau đó hóa già trong nước nóng.Có thể sử dụng chất biến tính (2/3 NaF + 1/3 NaCl). Thường hóa trong dầu hoặc nước nóng ở nhiệt độ 152-157°C trong vòng 3-5 giờ. Sau đó để ngoài không khí trước khi gia công cắt gọt.
Đồ gá :
Kẹp thủy lực, 1 chi tiết / 1 đồ gá
Gia công cắt gọt :
Gia công đặc biệt :(Gia công trên máy CNC) Sử dụng nhiều mũi khoan và dao doa liên tiếp, sử dụng dụng cụ đặc biệt để gá và định hướng, dao doa lệch tâm, tiện súng tia lửa điện. Chủ yếu là gia công tinh bề mặt. Toàn bộ hình dạng sơ bộ của chi tiết được định hình trên đúc.
Máy lắp đặt
Hệ thống giàn tải robot lắp ghép 28 J88

Ghi chú :.
Đồ gá được thiết kế xây dựng cung cấp cho nắp trái tay và phải tay, dùng tốt cho cả kiểu 6 và 8 xi lanh

Vật liệu thay thế:
Có thể sử dụng hợp kim nhôm đúc có tính chất tương đương gần giống ví dụ như : AA356.1; AA356.2; AA357.0; AA355.0