Ứng dụng phần mềm CATIA trong tính toán kiểm tra bền nhóm khuỷu trục – thanh truyền –piston động cơ RM1037U

MỤC LỤC MỤC LỤC 1 LỜI NÓI ĐẦU 3 1. KHẢO SÁT CƠ CẤU KHUỶU TRỤC THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ RM1037U 4 1.1. Giới thiệu động cơ RM1037U 4 1.2. Đặc điểm cơ cấu khuỷu trục thanh truyền – piston động cơ RM1037U. 8 1.2.1 Kết cấu nhóm Piston. 8 1.2.2 Kết cấu nhóm thanh truyền 9 1.2.3 Kết cấu nhóm trục khuỷu 12 2. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM CATIA 15 2.1 Lịch sữ ra đời và các tính năng của phần mềm Catia 4 và 5 15 2.1.1 Lịch sử ra đời Catia 15 2.1.2 Tính năng của phần mềm Catia 16 2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn ứng dụng trong tính toán cơ học 6 20 2.2.1.Giới thiệu chung 20 2.2.2. Xấp xỉ bằng phương pháp phần tử hữu hạn 21 2.2.3.Đinh nghĩa các phần tử hữu hạn 21 2.2.4. Các phần tử hữu hạn 22 2.2.5. Phần tử quy chiếu, phần tử thực 23 2.2.6. Một số dạng phần tử quy chiếu 24 2.2.7. Lực, chuyển vị, biến dạng và ứng suất 25 2.2.8. Nguyên lý cực tiểu hóa thế năng toàn 25 2.2.9. Sơ đồ tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn 26 3. THIẾT KẾ MÔ HÌNH 3D CƠ CẤU KHUỶU TRỤC – THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ RM1037U 28 3.1 Thiết kế 3D nhóm Trục khuỷu động cơ RM1037U 28 3.2 Thiết kế 3D nhóm Piston động cơ RM1037U 34 3.3 Thiết kế 3D nhóm Thanh Truyền động cơ RM1037U 37 3.4 Lắp ráp 3D cơ cấu Khuỷu Trục – Thanh Truyền động cơ RM1037U 40 4. TÍNH TOÁN CƠ CẤU KHUỶU TRỤC ĐỘNG CƠ RM1037U 45 4.1.Tính toán động học và động lực học cơ cấu khuỷu trục – thanh truyền piston động cơ RM1037U 1 45 4.1.1. Vẽ đồ thị công 45 4.1.2. Đường biểu diễn lực quán tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến 49 4.1.3. Đồ thị biểu diễn gia tốc 49 4.1.4. Khai triển các đồ thị 50 4.1.5. Vẽ đồ thị biểu diễn lực tiếp tuyến , lực pháp tuyến và lực ngang . 52 4.1.6. Vẽ đồ thị ΣT = f() 55 4.2. Sơ đồ tính toán 57 4.2.1. Các giá trị lực của trường hợp chịu lực pháp tuyến lớn nhất Zmax 58 4.2.2. Các giá trị lực của trường hợp chịu lực tiếp tuyến lớn nhất Tmax 58 4.2.3. Các giá trị lực của trường hợp chịu lực ∑Tmax 59 4.3. Xây dựng lưới phần tử và áp đặt điều kiện biên 60 4.3.1. Xây dựng phần tử lưới 60 4.2.2. Áp đặt điều kiện biên 64 4.3. Tính toán 67 4.3.1. Tính toán tỉnh học ( Computing Static Solutions) 67 4.3.2. Xem kết quả biến dạng ( Visualizing Deformations ) 68 4.3.3. Xem kết quả ứng suất hiệu dụng (Visualizing Von Mises Streeses ) 70 5. Kết luận 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 LỜI NÓI ĐẦU Cùng với việc phát triển của công nghệ thông tin và khoa học kỹ thuật với mức độ chóng mặt trong thời đại ngày nay. Đã kéo theo sự phát triển của các ngành nghề khác có liên quan. Với việc ứng dụng các thành tựu đạt được trong lĩnh vực công nghệ thông tin đã giúp cho quá trình tự động hóa sản xuất của con người ngày một hoàn thiện và tối ưu. Đối với chuyên ngành cơ khí thì việc áp dụng công nghệ thông tin càng ngày cấp thiết và đã liên tục diễn ra trong quá trình sản xuất để nhằm rút ngắn thời gian và nâng cao chất lượng sản phẩm. Ngày nay, việc lên bản vẽ thiết kế không chiếm nhiều thời gian của người thiết kế vì sự trợ giúp của các công cụ của công nghệ thông tin. Trong đó các phầm mềm hỗ trợ thiết kế đã luôn được dùng để tiến hành thiết kế chi tiết máy. Nhận thấy được tầm quan trọng đó em đã được thầy giao đề tài Ứng dụng phần mềm CATIA trong tính toán kiểm tra bền nhóm khuỷu trục – thanh truyền –piston động cơ RM1037U. Đây là một đề tài mới đối với sinh viên ngành động lực, nó không những giúp cho em có điều kiện để chuẩn lại các kiến thức đã học ở trường mà còn có thể hiểu biết kiến thức nhiều hơn khi tiếp xúc với thực tế thiết kế. Được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Quang Trung, các thầy cô trong khoa cùng với việc tìm hiểu, tham khảo các tài liệu liên quan và vận dụng các kiến thức được học, em đã cố gắng hoàn thành đề tài này. Mặc dù vậy, do kiến thức của em có hạn, đề tài mới, phần mềm mới chưa được phổ biến ở Việt nam việc tìm kiếm tài liệu gặp nhiều khó khăn nên đồ án sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Em mong các thầy cô góp ý, chỉ bảo thêm để kiến thức của em ngày càng hoàn thiện hơn. Cuối cùng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn Nguyễn Quang Trung” cùng các thầy cô trong khoa và các bạn đã nhiệt tình giúp đỡ để em hoàn thành đồ án này. Đà Nẵng, ngày 04 tháng 06 năm 2011 Sinh viên thực hiện VƯƠNG ÁI SƠN 1. KHẢO SÁT CƠ CẤU KHUỶU TRỤC THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ RM1037U 1.1. Giới thiệu động cơ RM1037U Trong những năm gần đây với chính sách mở cửa rộng rãi của Nhà nước ta nên các loại xe của hãng Toyota được nhập vào Việt Nam ngày một nhiều.Các loại xe nhập vào Việt Nam có thể là nguyên chiếc hoặc bao gồm các phụ tùng và lắp ráp tại Việt Nam. Các chủng loại xe đã có mặt tại thị trường Việt Nam như xe du lịch, xe tải trung bình, xe tải nặng, . . Động cơ RM1037U là loại động cơ được trang bị trên xe du lịch đời mới Corolla của hãng Toyota. Với trình độ kỹ thuật sản xuất tiên tiến của hãng Toyota đã cho ra đời loại động cơ RM1037U có thể tích toàn bộ của động cơ nhỏ nhưng công suất phát ra lớn đã giúp cho việc bố trí động cơ trên xe được dễ dàng và tiết kiệm được vật liệu chế tạo động cơ. Không những động cơ RM1037U có những ưu việt trên mà nó còn đóng góp vào công việc làm sạch môi trường và tiết kiệm nguồn tài nguyên cho con người. Đồng thời xe được trang bị động cơ RM1037U, một trong những động cơ có tính năng vượt trội. RM1037U là động cơ xăng với 4 xilanh được đặt thẳng hàng, 16 xupáp. Các xupáp được dẫn động trực tiếp từ cam. Cam được đặt trên nắp máy, gồm 2 trục cam dẫn động xupáp (DOHC). Xe TOYOTA COROLA có công thức lốp 4x2 là loại xedu lịch. Xe có kết cấu cứng vững, độ bền và độ tin cậy cao, đầy đủ tiện nghi cho người sử dụng, đảm bảo an toàn, kết cấu, hình dáng bên ngoài và nội thất có tính mỹ thuật tương đối cao, được nhập và sử dụng phổ biến ở Việt Nam trong những năm gần đây. Bố trí bên ngoài với cụm đèn pha theo dạng chóa đèn mới mang lại tầm nhìn tốt hơn cho người điều khiển. Bên trong cabin, bảng điều khiển trung tâm được thiết kế với tính thẩm mỹ cao đồng thời với ánh sáng xanh của các nút điều khiển giúp người lái dễ dàng quan sát đảm bảo tính an toàn khi điều khiển xe. Xe còn được bố trí hệ thống phanh đĩa ở bốn bánh kết hợp với hệ thống chống bó cứng ABS cùng với hệ thống phân phối lực phanh điện tử EBD. Hai túi khí ở ghế trước cùng các dây đai an toàn ở các ghế đảm bảo an toàn tối đa cho người điều khiển và hành khách khi xảy ra va chạm… Thông số kỹ thuật của động cơ RM1037U: Bảng 1 1 Thông số động cơ 7 STT Hạng mục Thông số Đơn vị 1 Số xi lanh 4 2 Thứ tự nổ 1 3 4 2 3 Tỉ số nén 8,5 4 Đường kính xilanh 78,8 mm 5 Hành trình pittông 76 mm 6 Số vòng quay không tải tối thiểu 650 vphút 7 Công suất cực đại (hp rpm) 110 5200 KW 8 Mômen xoắn cực đại (Nm rpm) 150 3400 N.m 9 Tham số kết cấu λ 0,27 10 Áp suất cực đại (MNm2) Pzmax 5,5 11 Khối lượng nhóm piston(kg) mpt 0,6 12 Khối lượng nhóm thanh truyền (kg) mtt 0,7 13 Góc đánh lửa sớm (độ) θs 14 α1 12 14 Góc phối khí (độ) α2 17 α3 44 α4 8 15 Hệ thống bôi trơn Cưởng bức cácte ướt 16 Hệ thống làm mát Cưởng bức bằng môi chất lỏng 17 Hệ thống phối khí 16valve – DOHC Bảng 1 2 Thông số của xe TOYOTA Corolla 7 Động cơ Hãng sản xuất TOYOTA Loại động cơ 1.6 Kiểu động cơ 4 xilanh, thẳng hàng Dung tích xi lanh (cm) 1586 Công suất cực đại (hp rpm) 110 5200 Momen xoắn cực đại (Nm rpm) 150 3400 Loại xe xe du lịch Hộp số truyền động Hộp số 5 cấp số tay Nhiên liệu Loại nhiên liệu Xăng Kích thước, trọng lượng Dài (mm) 4370 mm Rộng (mm) 1770 mm Cao (mm) 1620 mm Chiều dài cơ sở (mm) 2750 mm Trọng lượng không tải (kg) 1390 kg Dung tích bình nhiên liệ (lít) 60 lít Cửa, chỗ ngồi Số cửa 4 cửa Số chỗ ngồi 5 chỗ Phanh, giảm sóc, lốp xe Phanh trước Phanh đĩa Chống bó cứng phanh ABS Phân bố lực phanh điện tử EBD Phanh sau Phanh đĩa Chống bó cứng phanh ABS Phân bố lực phanh điện tử EBD Lốp xe 20555R16 Vành mâm xe Vành mâm đúc hợp kim kích thước 16 inch Hình 11 Mặt cắt động cơ 1.2. Đặc điểm cơ cấu khuỷu trục thanh truyền – piston động cơ RM1037U. 1.2.1 Kết cấu nhóm Piston. Piston gồm ba phần chính :  Đỉnh Piston : Là phần trên cùng của Piston , cùng với xi lanh và nắp máy tạo thành buồng cháy .  Đầu Piston : Bao gồm đỉnh Piston và vùng đai lắp xécmăng dầu và xécmăng khí làm nhiệm vụ bao kín buồng cháy .  Thân Piston : Phần phía dưới rãnh xécmăng dầu cuối cùng ở đầu Piston làm nhiệm vụ dẫn hướng cho Piston . Thông số của piston: Đường kính piston: D=78.8 mm Chiều dài piston: L= 64 Đường kính lỗ chốt piston: d= 20 mm Chiều sâu rảnh xéc măng: t=7 mm Chiều rộng rảnh xéc măng khi: a=4 mm Khoảng cách giữa hai xéc măng: b=5 mm Đặc điểm kết cấu của piston được mô tả như hình 1 2 Hình 1 2 Kết cấu piston Compression ring no.1: xéc măng khí thứ nhất Compression ring no.1: xéc măng khí thứ hai Oil ring: xéc măng dầu Piston pin: chốt piston Snap ring: xeclip + Kết cấu đỉnh Piston Kết cấu của đỉnh Piston : đỉnh lõm nhỏ có diện tích chịu nhiệt lớn hơn đỉnh bằng nhưng có ưu điểm là tạo ra xoáy lốc trong quá trình nén và trong quá trình cháy . + Kết cấu đầu Piston : Nhiệm vụ chủ yếu của đầu Piston là bao kín và là nơi bố trí rãnh xéc măng, số lượng rãnh xécmăng khí 2 , số lượng rãnh xécmăng dầu 1. Để giảm nhiệt cho xécmăng khí thứ nhất cần bố trí xécmăng khí thứ nhất càng gần khu vực nước làm mát càng tốt. Chọn số xécmăng khí theo nguyên tắc : áp suất khí thể càng cao , tốc độ càng thấp , đường kính xi lanh càng lớn thì chọn số xécmăng khí càng nhiều. + Kết cấu thân Piston : Thân Piston có tác dụng là dẫn hướng cho Piston chuyển động trong xi lanh và chịu lực ngang N . Để dẫn hướng tốt và ít va đập khe hở giữa thân Piston và xi lanh cần phải nhỏ. Chiều dài của thân càng lớn thì dẫn hướng càng tốt áp suất tác dụng lên Piston càng nhỏ, Piston ít bị mòn. Tuy nhiên thân càng dài thì khốilượng của Piston càng lớn và ma sát càng lớn . Vị trí của lỗ bệ chốt: khi chịu lực ngang nếu chốt Piston đặt ở chính giữa thân thì ở trạng thái tĩnh áp lực phân bố đều. Nhưng khi Piston chuyển động do lực ma sát tác dụng làm cho Piston có xu hướng quay quanh chốt nên áp suất của Piston nén trên xi lanh sẽ phân bố không đều nữa . Dạng của thân Piston: Dạng của thân Piston vát ở hai đầu bệ chốt Piston. Làm như vậy là để khi Piston bị biến dạng do lực khí thể PZ, lực ngang N và nhiệt, Piston không bị bó kẹt trong xi lanh Để khắc phục hiện tượng bó kẹt của piston người ta làm thân Piston có dạng ô van trục ngắn trùng với đường tâm chốt, hoặc tiện vát bớt mặt thân Piston ở phía hai đầu bệ chốt . 1.2.2 Kết cấu nhóm thanh truyền Hình 1 – 3 Thanh truyền – piston Thông số thanh truyền: Đường kính lỗ chốt: dc=20 mm Đường kính lỗ đầu to: dt=47 mm Chiều dầy đầu nhỏ: δ=15 mm  Đầu nhỏ thanh truyền: Kết cấu đầu nhỏ phụ thuộc vào kích thước chốt piston và phương pháp lắp ghép chốt piston với đầu nhỏ thanh truyền. Khi chốt lắp tự do đầu nhỏ thanh truyền có dạng hình trụ rỗng. Thanh truyền của động cơ lớn thường dùng đầu nhỏ dạng cung tròn đồng tâm, đôi khi dùng kiểu ô van để tăng độ cứng của đầu nhỏ. Hình 1 4 Đầu nhỏ thanh truyền khi chốt piston lắp ghép tự do. Khi lắp chốt piston tự do có sự chuyển động tương đối giữa chốt piston và đầu nhỏ nên phải chú ý bôi trơn mặt ma sát. Thông thường dầu nhờn được đưa lên mặt chốt piston và bạc lót đầu nhỏ bằng đường dẫn dầu khoan dọc theo thân thanh truyền.Kết cấu đầu nhỏ thanh truyền loại này phụ thuộc vào phương pháp cố định chốt piston trên đầu nhỏ.Cố định chốt piston trên đầu nhỏ thanh truyền theo kiểu giới thiệu trên hình 1 5 Hình 1 5 Cố định chốt Piston trên đầu nhỏ thanh truyền Thân thanh truyền: Chiều dài l của thân thanh truyền phụ thuộc vào tham số kết cấu. Tiết diện ngang của thân thanh truyền giới thiệu trên hình 1 6. Hình 1 6 Tiết diện thân thanh truyền. Thân thanh truyền có tiết diện chữ I (hình 1 6) được dùng rất nhiều trong động cơ ô tô máy kéo và các động cơ cao tốc. Loại thân có tiết diện loại này sữ dụng vật liệu rất hợp lý do đó trọng lượng thanh truyền nhỏ mà độ cứng vững của thanh truyền lớn. Loại thân thanh truyền có tiết diện chữ I thường chế tạo theo phương pháp rèn khuôn, thích hợp với phương án sản xuất lớn. Đầu to thanh truyền: Hình 1 7 Đầu to thanh truyền Kích thước đầu to thanh truyền phụ thuộc vào đường kính và chiều dài chốt khuỷu. Đầu to thanh truyền phải đảm bảo các yêu cầu sau: + Có độ cứng vững lớn để bạc lót không bị biến dạng nhất là đối với bạc lót mỏng. + Kích thước nhỏ gọn để đảm bảo lực quán tính chuyển động quay nhỏ; giảm được tải trọng lên chốt khuỷu, ổ trục và giảm kích thước hộp trục khuỷu, đồng thời tạo khả năng đặt trục cam gần với trục khuỷu, do đó làm cho buồng cháy của loại động cơ dùng xupáp đặt nhỏ gọn hơn. + Chổ chuyển tiếp giữa thân và đầu to phải có góc lượn lớn để giảm ứng suất tập trung. + Dễ lắp ghép cụm piston thanh truyền với trục khuỷu. Trong hầu hết các động cơ nhất là động cơ ô tô máy kéo, đầu to thanh truyền được cắt thành hai nữa, nữa trên làm liền với thân thanh truyền, nữa dưới cắt rời ra làm thành nắp đầu to thanh truyền. Hai nữa của đầu to thanh truyền lắp ghép với nhau bằng bulông hay gujông. Trong trường hợp này bạc lót đầu to cũng làm thành hai nữa, nữa trên làm liền với thân thanh truyền, nữa dưới cắt rời ra làm thành nắp đầu to thanh truyền. Hai nữa của đầu to thanh truyền lắp ghép với nhau bằng bu lông hay gujông. Trong trường hợp này bạc lót đầu to cũng làm thành hai nữa. Để điều chỉnh khe hở giữa bạc lót đầu to và chốt khuỷu trong quá trình sửa chữa sau này, đôi khi người ta lắp những miếng đệm mỏng bằng thép vào mặt phân chia của hai nữa đầu to. Khi bạc mòn khe hở tăng lên người ta lấy dần các miếng đệm ra để điều chỉnh khe hở. Nhưng khuyết điểm của việc dùng những miếng đệm này là giảm độ cứng vững của đầu to, do đó tải trọng tác dụng lên bulông sẻ tăng lên. Ngoài ra khi lấy bớt các miếng đệm điều chỉnh ra lỗ lắp chốt khuỷu không tròn nữa, phải cạo rà lại bạc lót mới dùng được. 1.2.3 Kết cấu nhóm trục khuỷu Trục khuỷu gồm có các phần: Đầu trục khuỷu, khuỷu trục (chốt, má,cổ trục khuỷu) và đuôi trục khuỷu. Đầu trục khuỷu thường dùng để lắp bánh răng dẫn động bơm nước,bơm dầu bôi trơn, bơm cao áp, bánh đai (puly) để dẫn động quạt gió và đai ốc khởi động để khỏi động động cơ bằng tay quay. Hình 1 8 Kết cấu tổng thể đầu trục khuỷu Cổ trục : các cổ trục có cùng kích thước đường kính. (Đường kính cổ trục thường tính theo sức bền và điều kiện hình thành màng dầu bôi trơn, quy định thời gian sử dụng và thời gian sửa chữa động cơ). Trong một vài động cơ cổ trục làm lớn dần theo chiều từ đầu đến đuôi trục để đảm bảo sức bền va khả năng chịu lực của cổ trục được đồng đều hơn. Khi đường kính cổ trục tăng làm tăng thêm độ cứng vững trục khuỷu mặt khác mô men quán tính độc cực của trục khuỷu tăng lên, độ cứng chống xoắn của trục tăng lên mà khối lượng chuyển động quay hệ thống trục khuỷu vẫn không thay đổi. Hình 1 9 Kết cấu khuỷu trục Dch= 44 mm Dc= 48 mm Chốt khuỷu: có thể lấy đường kính của chốt khuỷu lấy bằng đường kính của cổ trục khuỷu, nhất là động cơ cao tốc do phụ tải và lực quán tính lớn muốn vậy để tăng khả năng khả năng làm việc bạc lót và chốt khuỷu người ta thường tăng đường kính chốt khuỷu. Như vậy kính thước và khối lượng đầu to thanh truyền đầu to sẽ tăng theo tần số dao động riêng sẽ giảm có thể xảy ra hiện tượng cộng hưởng trong phạm vi tốc độ sử dụng cho phép. Vì vậy cần phải lựa chọn chiều dài sao cho có thể thoã mãn điều kiện hình thành màng dầu bôi trơn, và trục khuỷu có độ cúng vững lớn, do đó để giảm trọng lượng chốt khuỷu phải làm rỗng, chốt khuỷu rỗng có tác dụng chứa dầu bôi trơn bạc lót đầu to thanh truyền giảm khối lượng quay thanh truyền, lỗ rỗng trong chốt khuỷu có thể làm đồng tâm hoặc lệch tâm với chốt khuỷu. Má khuỷu: là bộ phận nối liền giữa cổ trục và chốt khuỷu, hình dạng má khuỷu chủ yếu phụ thuộc vào dạng động cơ, trị số áp suất khí thể và tốc độ quay của trục khuỷu. Khi thiết kế má khuỷu động cơ cần giảm trọng lượng , má khuỷu có nhiều dạng nhưng chủ yếu dạng má hình chữ nhật và hình tròn có kết cấu đơn giản dễ chế tạo, dạng má hình ô van có kết cấu phức tạp loại má khuỷu hình chữ nhật phân bố lợi dụng vật liệu không hợp do tăng khối lượng không cân bằng má khuỷu, má khuỷu dạng tròn sức bền cao có khả năng giảm chiều dày má do đó có thể tăng chiều dài cổ trục và chốt khuỷu và giảm mài mòn cổ trục và chốt khuỷu mặt khác má tròn dễ gia công. Đối trọng lắp trên khuỷu có hai tác dụng: + Cân bằng mô men lực quán tính không cân bằng động cơ chủ yếu là lực quán tính ly tâm nhưng đôi khi dùng để cân bằng lực quán tính chuyển động tịnh tiến như động cơ chữ V +Giảm phụ tải cho cổ trục nhất là giữa động cơ bốn kỳ có 4,6,8 xi lanh vì ở động cơ này có lực quán tính và mô men quán tính tự cân bằng nhưng ứng suất giữa cổ trục chịu ứng suất uốn lớn, khi dùng đối trọng mô men quán tính nói trên được cân bằng nên cổ trục giữa không chịu ứng suất uốn do lực quán tính mô men gây ra. Mặt khác trục khuỷu không phải là chi tiết cứng vững tuyệt đối và thân máy trong thực tế bị biến dạng nên trong động cơ dùng đối trọng để cân bằng. Đuôi trục khuỷu thường lắp với các chi tiết máy của động cơ truyền dẫn công suất ra ngoài máy công tác. Trục thu công suất động cơ thường đồng tâm với trục khuỷu, dùng mặt bích trục khuỷu để lắp bánh đà. Hình 1 10 Kết cấu tổng thể trục khuỷu nguyên 1 lỗ dầu cổ khuỷu; 2 đường dầu; 3 lỗ dầu chốt khuỷu; 4; 5 cổ khuỷu; 6 đối trọng; 7vành chắn dầu; 8 mặt bích. Ngoài kết cấu dùng để lắp bánh đà trên đuôi trục khuỷu còn có lắp các bộ phận đặc biệt: +Vành chắn dầu trên đuôi trục khuỷu có tác dụng ngăn không cho dầu nhờn chảy ra khỏi các te. Các dạng trục khuỷu phụ thuộc vào số xi lanh, cách bố trí xi lanh số kỳ động cơ và thứ tự làm việc của các xi lanh kết cấu trục khuỷu phải đảm bảo động cơ làm việc đồng đều biên độ dao động và mô men xoắn tương đối nhỏ. Động cơ làm việc cân bằng ít rung động. Ứng suất sinh ra do dao động xoắn nhỏ. Công nghệ chế tạo giá thành rẻ. Kích thức của trục khuỷu phụ thuộc chủ yếu vào khoảng cách giữa hai đường tâm xi lanh, chiều dày của lót xi lanh và phương pháp làm mát. Đối với động cơ hai kỳ kích thước trục khuỷu còn phụ thuộc vào hệ thống quét thải. 2. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM CATIA 2.1 Lịch sữ ra đời và các tính năng của phần mềm Catia 4 và 5 2.1.1 Lịch sử ra đời Catia CATIA bắt đầu được hãng sản xuất máy bay Pháp Avions Marcel Dassault phát triển, vào thời điểm đó là khách hàng của các phần mềm CADAM CAD. Lúc đầu phần mềm tên là CATI (Conception Assistée Tridimensionnelle Interactive tiếng Pháp nghĩa là Thiết kế ba chiều được máy tính hỗ trợ và có tương tác ). Nó đã được đổi tên thành CATIA năm 1981, khi Dassault tạo ra một chi nhánh để phát triển và bán các phần mềm và ký hợp đồng không độc quyền phân phối với IBM. Năm 1984, Công ty Boeing đã chọn CATIA là công cụ chính để thiết kế 3D, và trở thành khách hàng lớn nhất. Năm 1988, CATIA phiên bản 3 đã được chuyển từ các máy tính Mainframe sang UNIX. Năm 1990, General DynamicsElectric Boat Corp đã chọn CATIA như là công cụ chính thiết kế 3D, thiết kế các tàu ngầm hạt nhân của Hải quân Hoa Kỳ. Năm 1992, CADAM đã được mua từ IBM và các năm tiếp theo CADAM CATIA V4 đã được công bố. Năm 1996, nó đã được chuyển từ một đến bốn hệ điều hành Unix, bao gồm IBM AIX, Silicon Graphics IRIX, Sun Microsystems SunOS và HewlettPackard HPUX. Năm 1998, một phiên bản viết lại hoàn toàn CATIA, CATIA V5 đã được phát hành, với sự hỗ trợ cho UNIX, Windows NT và Windows XP từ 2001. Năm 2008, Dassault công bố CATIA V6, hỗ trợ cho các hệ điều hành Windows, các hệ điều hành không phải Windows không được hỗ trợ nữa 2.1.2 Tính năng của phần mềm Catia Phần mềm CATIA là hệ thống CADCAMCAE 3D hoàn chỉnh và mạnh mẽ nhất hiện nay, do hãng Dassault Systems phát triển, phiên bản mới nhất hiện nay là CATIA V5R19 , là tiêu chuẩn của thế giới khi giải quyết hàng loạt các bài toán lớn trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: xây dựng, cơ khí, tự động hóa, công nghiệp ô tô, tàu thủy và cao hơn là công nghiệp hàng không. Nó giải quyết công việc một cách triệt để, từ khâu thiết kế mô hình CAD (Computer Aided Design), đến khâu sản xuất dưa trên cơ sở CAM (Computer Aided Manufacturing, khả năng phân tích tính toán, tối ưu hóa lời giải dựa trên chức năng CAE(Computer Aid Engineering) của phần mềm CATIA. Các Môdun chính của CATIA như sau: Hình 2 1 Mô hình sản phẩm catia Mechanical Design: Hình 2 2 Mô hình tạo bằng Mechanical Design Cho phép xây dựng các chi tiết, các sản phẩm lắp ghép trong cơ khí. Vẽ và thiết kế các chi tiết 2D, 3D. Xuất bản vẻ 2D, lắp ráp các chi tiết, mô phỏng quá trình lắp ráp các chi tiết. Tạo mô hình khung dây và mặt ngoài. Ghi, chú thích và sai số kích thước trong không gian 3D. Shape design and styling: Modul này cho phép thiết kế các bề mặt có biên dạng, kiểu dáng phức tạp trong lĩnh vực thiết kế võ ô tô, tàu biển, máy bay…Thiết lập bản vẽ nhanh, vẽ các biên dạng phức tạp. Tối ưu các biên dạng bề mặt, xây dựng các hình dạng chi tiết bằng số hóa tọa độ các điểm. Tạo những hình ảnh tương tác bắt mắt qua việc thay đổi camera, gán vật liệu, củng như tạo chuyển động, diễn tả kết quả ở không gian phối cảnh qua chức năng Photo Studio. Hình 2 3 Mô hình tạo bằng Shape Design and Styling Catia solids geometry: Mô hình hóa thể tích để tạo hình, hiệu chỉnh và phân tích vật thể. Nó cho phép các toán tử logic giữa các vật thể (hợp, giao, trừ). Vật thể được tạo từ các đối tượng đơn giản bằng việc dịch chuyển hoặc quay Profile.(hình 2 4) Catia kinematics: Giúp xác định cấu trúc động học của cơ cấu, mô phỏng và phân tích chuyển động, xác định vận tốc và gia tốc của các chi tiết, cơ cấu, đường chuyển động và giải quyết các bài toán va chạm.(hình 2 5) Catia image design: Tạo sự biểu diễn thực với phần khuất hoàn toàn, xác định điều kiện chiếu sáng và các thông số bề mặt của đối tượng. Catia finite element modeller: Tạo mô hình tổng thể, mô tả tính chất vật lý và vật liệu, điều kiện biên và tải trọng đối tượng.(hình 2 6) Catia nc lathe: Tạo chương trình chứa phần nguyên công tiện dưới dạng đầu ra APT hoặc CLFile. (hình 2 7) Catia nc mill: Tạo chương trình chứa phần nguyên công phay.(hình 2 8) Catia robotic: Thiết kế và mô phỏng robot với các lệnh chuẩn, định nghĩa cấu trúc robot, đặc trưng hình học, động học, đồng bộ hóa nhiều robot…(hình 2 9) Catia building design and facilities layout: Tạo thiết kế các bản vẽ xây dựng, sắp đặt các đối tượng và định nghĩa mối quan hệ giữa chúng. Catia shematics: Công cụ để sắp đặt vị trí những phần tử cơ bản, vẽ các sơ đồ, thiết lập các liên kết logic giữa các phần tử và điều khiển chúng. Catia piping and tubing: Thiết kế những tuyến ống dẫn phức tạp, toán tử logic với vật thể, thăm dò va chạm…(hình 2 10) Catia structural design and steelwak: Công cụ tổ hợp cho thiết kế các sản phẩm phức tạp có tính chất vật liệu khác nhau .(hình 2 11) 2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn ứng dụng trong tính toán cơ học 6 2.2.1.Giới thiệu chung Sự tiến bộ của khoa học, kỹ thuật đòi hỏi người kỹ sư thực hiện những đề án ngày càng phức tạp, đắt tiền và đòi hỏi độ chính xác, an toàn cao. Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) là một phương pháp rất tổng quát và hữu hiệu cho lời giải số nhiều lớp bài toán kỹ thuật khác nhau. Từ việc phân tích trạng thái ứng suất, biến dạng trong các kết cấu cơ khí, các chi tiết trong ô tô, máy bay, tàu thuỷ, khung nhà cao tầng, dầm cầu, v.v, đến những bài toán của lý thuyết trường như: lý thuyết truyền nhiệt, cơ học chất lỏng, thuỷ đàn hồi, khí đàn hồi, điệntừ trường v.v. Với sự trợ giúp của ngành Công nghệ thông tin và hệ thống CAD, nhiều kết cấu phức tạp cũng đã được tính toán và thiết kế chi tiết một cách dễ dàng. Trên thế giới có nhiều phần mềm PTHH nổi tiếng như: NASTRAN, ANSYS, TITUS, MODULEF, SAP 2000, CASTEM 2000, SAMCEF .v.v. Để có thể khai thác hiệu quả những phần mềm PTHH hiện có hoặc tự xây dựng lấy một chương trình tính toán bằng PTHH, ta cần phải nắm được cơ sở lý thuyết, kỹ thuật mô hình hoá cũng như các bước tính cơ bản của phương pháp. 2.2.2. Xấp xỉ bằng phương pháp phần tử hữu hạn Giả sử V là miền xác định của một đại lượng cần khảo sát nào đó (chuyển vị, ứng suất, biến dạng, nhiệt độ, v.v.). Ta chia V ra nhiều miền con ve có kích thước và bậc tự do hữu hạn. Đại lượng xấp xỉ của đại lượng trên sẽ được tính trong tập hợp các miền ve. Phương pháp xấp xỉ nhờ các miền con ve được gọi là phương pháp xấp xỉ bằng các phần tử hữu hạn, nó có một số đặc điểm sau: Xấp xỉ nút trên mỗi miền con ve chỉ liên quan đến những biến nút gắn vào nút của ve và biên của nó, Các hàm xấp xỉ trong mỗi miền con ve được xây dựng sao cho chúng liên tục trên ve và phải thoả mãn các điều kiện liên tục giữa các miền con khác nhau. Các miền con ve được gọi là các phần tử. 2.2.3.Đinh nghĩa các phần tử hữu hạn 2.2.3.1. Nút hình học Nút hình học là tập hợp n điểm trên miền V để xác định hình học các PTHH. Chia miền V theo các nút trên, rồi thay miền V bằng một tập hợp các phần tử ve có dạng đơn giản hơn. Mỗi phần tử ve cần chọn sao cho nó được xác định giải tích duy nhất theo các toạ độ nút hình học của phần tử đó, có nghĩa là các toạ độ nằm trong ve hoặc trên biên của nó. 2.2.3.2. Qui tắc chia miền thành các phần tử Việc chia miền V thành các phần tử ve phải thoả mãn hai qui tắc sau: Hai phần tử khác nhau chỉ có thể có những điểm chung nằm trên biên của chúng. Điều này loại trừ khả năng giao nhau giữa hai phần tử. Biên giới giữa các phần tử có thể là các điểm, đường hay mặt (Hình 1.1). Tập hợp tất cả các phần tử ve phải tạo thành một miền càng gần với miền V cho trước càng tốt. Tránh không được tạo lỗ hổng giữa các phần tử. 2.2.4. Các phần tử hữu hạn Có nhiều dạng phần tử hữu hạn: phần tử một chiều, hai chiều và ba chiều. Trong mỗi dạng đó, đại lượng khảo sát có thể biến thiên bậc nhất (gọi là phần tử bậc nhất), bậc hai hoặc bậc ba v.v. Dưới đây, chúng ta làm quen với một số dạng phần tử hữu hạn hay gặp. 2.2.4.1. Phần tử một chiều 2.2.4.2. Phần tử hai chiều 2.2.4.3. Phần tử ba chiều Phần tử tứ diện Phần tử lăng trụ 2.2.5. Phần tử quy chiếu, phần tử thực Với mục đích đơn giản hoá việc xác định giải tích các phần tử có dạng phức tạp, chúng ta đưa vào khái niệm phần tử qui chiếu, hay phần tử chuẩn hoá, ký hiệu là vr. Phần tử qui chiếu thường là phần tử đơn giản, được xác định trong không gian qui chiếu mà từ đó, ta có thể biến đổi nó thành từng phần tử thực ve nhờ một phép biến đổi hình học re. Ví dụ trong trường hợp phần tử tam giác (Hình 1.2). Các phép biến đổi hình học phải sinh ra các phần tử thực và phải thoả mãn các qui tắc chia phần tử đã trình bày ở trên. Muốn vậy, mỗi phép biến đổi hình học phải được chọn sao cho có các tính chất sau: Phép biến đổi phải có tính hai chiều (song ánh) đối với mọi điểm  trong phần tử qui chiếu hoặc trên biên; mỗi điểm của vr ứng với một và chỉ một điểm của ve và ngược lại. Mỗi phần biên của phần tử qui chiếu được xác định bởi các nút hình học của biên đó ứng với phần biên của phần tử thực được xác định bởi các nút tương ứng. Chú ý: Một phần tử qui chiếu vr được biến đổi thành tất cả các phần tử thực ve cùng loại nhờ các phép biến đổi khác nhau. Vì vậy, phần tử qui chiếu còn được gọi là phần tử bốmẹ. Có thể coi phép biến đổi hình học nói trên như một phép đổi biến đơn giản.  (, ) được xem như hệ toạ độ địa phương gắn với mỗi phần tử. 2.2.6. Một số dạng phần tử quy chiếu 2.2.6.1. Phần tử qui chiếu một chiều 2.2.6.2. Phần tử qui chiếu hai chiều 2.2.6.1. Phần tử qui chiếu ba chiều Phần tử tứ diện Phần tử sáu mặt 2.2.7. Lực, chuyển vị, biến dạng và ứng suất Có thể chia lực tác dụng ra ba loại và ta biểu diễn chúng dưới dạng véctơ cột: Lực thể tích : f = f fx, fy , fzT Lực diện tích : T = T Tx, Ty , TzT Lực tập trung Pi: Pi= Pi Px, Py , PzT Chuyển vị của một điểm thuộc vật được ký hiệu bởi: u = u, v, w T (1.1) Các thành phần của tenxơ biến dạng được ký hiệu bởi ma trận cột:  = x , y, z, yz, xz, xy T (1.2) Trường hợp biến dạng bé: (1.3) Các thành phần của tenxơ ứng suất được ký hiệu bởi ma trận cột:  = x ,  y, z,  yz,  xz,  xy T (1.4) Với vật liệu đàn hồi tuyến tính và đẳng hướng, ta có quan hệ giữa ứng suất với biến dạng:  = D  (1.5) Trong đó: E là môđun đàn hồi,  là hệ số Poisson của vật liệu. 2.2.8. Nguyên lý cực tiểu hóa thế năng toàn Thế năng toàn phần  của một vật thể đàn hồi là tổng của năng lượng biến dạng U và công của ngoại lực tác dụng W:  = U + W (1.6) Với vật thể đàn hồi tuyến tính thì năng lượng biến dạng trên một đơn vị thể tích được xác định bởi: Do đó năng lượng biến dạng toàn phần: (1.7) Công của ngoại lực được xác định bởi: (1.8) Thế năng toàn phần của vật thể đàn hồi sẽ là: (1.9) Trong đó: u là véctơ chuyển vị và Pi là lực tập trung tại nút i có chuyển vị là ui Áp dụng nguyên lý cực tiểu thế năng: Đối với một hệ bảo toàn, trong tất cả các di chuyển khả dĩ, di chuyển thực ứng với trạng thái cân bằng sẽ làm cho thế năng đạt cực trị. Khi thế năng đạt giá trị cực tiểu thì vật (hệ) ở trạng thái cân bằng ổn định. 2.2.9. Sơ đồ tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn Một chương trình tính bằng PTHH thường gồm các khối chính sau: Khối 1: Đọc các dữ liệu đầu vào: Các dữ liệu này bao gồm các thông tin mô tả nút và phần tử (lưới phần tử), các thông số cơ học của vật liệu (môđun đàn hồi, hệ số dẫn nhiệt...), các thông tin về tải trọng tác dụng và thông tin về liên kết của kết cấu (điều kiện biên); Khối 2: Tính toán ma trận độ cứng phần tử k và véctơ lực nút phần tử f của mỗi phần tử; Khối 3: Xây dựng ma trận độ cứng tổng thể K và véctơ lực nút F chung cho cả hệ (ghép nối phần tử); Khối 4: Áp đặt các điều kiện liên kết trên biên kết cấu, bằng cách biến đổi ma trận độ cứng K và vec tơ lực nút tổng thể F; Khối 5: Giải phương trình PTHH, xác định nghiệm của hệ là véctơ chuyển vị chung Q; Khối 6: Tính toán các đại lượng khác (ứng suất, biến dạng, gradiên nhiệt độ, v.v.) ; Khối 7: Tổ chức lưu trữ kết quả và in kết quả, vẽ các biểu đồ, đồ thị của các đại lượng theo yêu cầu. Sơ đồ tính toán với các khối trên được biểu diễn như hình sau (Hình 1.3); 3. THIẾT KẾ MÔ HÌNH 3D CƠ CẤU KHUỶU TRỤC – THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ RM1037U Quy trình thiết kế trong Catia cho cơ cấu khuỷu trục thanh truyền động cơ RM1037U Hình 4 – 1 Sơ đồ quy trình thiết kế cơ cấu khuỷu trục thanh truyền dộng cơ RM1037U 3.1 Thiết kế 3D nhóm Trục khuỷu động cơ RM1037U Dựa vào bản vẽ kết cấu, các số liệu của Trục khuỷu động cơ RM1037U đo được ta tiến hành các bước xây dựng 3D nhóm trục khuỷu của động cơ RM1037U. Bước 1. Tạo sketch 1 trong mặt phẳng XY plane và sữ dụng lệnh Pad để đùn khối theo thuộc tính Dimension như hình và nhập chiều cao là 45 mm. Bước 2. Tạo sketch 2 trong mặt phẳng XY plane và sữ dụng lệnh Pad để đùn khối theo thuộc tính Dimension như hình và nhập chiều cao là 35 mm. Bước 3 Tạo sketch 3 trong mặt phẳng XY plane và sữ dụng lệnh Pad để đùn khối theo thuộc tính Dimension như hình và nhập chiều cao là 25mm. Bước 4. Tạo sketch 4 trong mặt phẳng XY plane và sữ dụng lệnh Pad để đùn khối theo thuộc tính Dimension như hình và nhập chiều cao là 11 mm. Bước 5. Tạo sketch 5 trong mặt phẳng XY plane và sữ dụng lệnh Pad để đùn khối theo thuộc tính Dimension như hình và nhập chiều cao là 40 mm. Bước 6. Tạo sketch 6 trong mặt phẳng XY plane và sữ dụng lệnh Pad để đùn khối theo thuộc tính Dimension như hình và nhập chiều cao là 11 mm. Bước 7. Tạo sketch 7 trong mặt phẳng XY plane và sữ dụng lệnh Pad để đùn khối theo thuộc tính Dimension như hình. Bước 8. Tạo sketch 8 trong mặt phẳng XY plane và sữ dụng lệnh Pad để đùn khối theo thuộc tính Dimension như hình. Bước 9 Tạo sketch 9 trong mặt phẳng XY plane và sữ dụng lệnh Pad để đùn khối theo thuộc tính Dimension như hình. Bước 10. Sữ dụng lệnh Mirror lấy đối xứng nhưng không xóa part nguồn đã vẽ ta được biên dạng trục khuỷu như hình. Bước 11. Tạo sketch 11 trong mặt phẳng XY plane và sữ dụng lệnh Pad để đùn khối theo thuộc tính Dimension như hình. Bước 12. Tạo sketch 12 trong mặt phẳng XY plane và sữ dụng lệnh Pad để đùn khối theo thuộc tính Dimension như hình. Bước 13 Tạo sketch 13 trong mặt phẳng XY plane và sữ dụng lệnh Pad để đùn khối theo thuộc tính Dimension như hình. Bước 14. Tạo lỗ tróng mặt bích trục khuỷu bằng lệnh hole với kích thước ren M16x1.5 Bước 15. Tạo 6 lỗ ren lắp bu lông mặt bích trục khuỷu bằng lệnh hole với kích thước ren M8x1.2 Bước 21. Sữ dụng lệnh Adge Fillet để bo các cạnh của trục khuỷu với bán kính bằng 2 mm. Hiệu chỉnh các bề mặt ta được chi tiết hoàn chỉnh. 3.2 Thiết kế 3D nhóm Piston động cơ RM1037U Dựa vào bản vẽ kết cấu, các số liệu của Piston động cơ RM1037U đo được ta tiến hành các bước xây dựng 3D nhóm Piston của động cơ RM1037U. Bước 1. Tạo một sketch.1 trong mặt phẳng XY plane có kích thước và biên dạng như hình sau: Bước 2. Sữ dụng lệnh Shaft tạo part theo biên dạng sketch.1 Bước 3. Tạo lỗ lắp chốt piston bằng cách sữ dụng lệnh pocket với biên dạng như hình. Bước 4. Tạo mặt lõm 2 bên chốt piston bằng lệnh Pocket theo biên dạng như hình. Bước 5. Tạo vòng hảm chốt piston với độ sâu 1.05mm đường kính 42.5mm bằng lệnh Pocket như hình. Bước 6. Tạo 8 lỗ dầu bôi trơn cho xéc măng dầu bằng cách sữ dụng lệnh Hole . Bước 7. Sữ dụng lệnh Adge Fillet bo cung các cạnh của Piston với bán kính 1mm. Hiệu chỉnh các bề mặt ta được chi tiết Piston hoàn chỉnh. 3.3 Thiết kế 3D nhóm Thanh Truyền động cơ RM1037U Sau khi nghiên cứu bản vẽ chi tiết thanh truyền, các kích thước cơ bản của nó chúng ta đưa ra cách thiết kết thanh truyền liền phần trên và dưới nhưng vẫn đảm bảo kích thước và tính mô phỏng của nó. Bước 1. Tạo một sketch.1 trong mặt phẳng XY plane có kích thước và biên dạng như hình sau: Bước 2. Dùng lệnh Pad để đùn khối theo thuộc tính Dimension và nhập chiều cao là 10 mm. Bước 3. Tạo sketch 6 trong mặt phẳng XY plane và sữ dụng lệnh Pad để đùn khối theo thuộc tính Dimension như hình. Bước 4. Tạo sketch 6 trong mặt phẳng XY plane và sữ dụng lệnh Pad để đùn khối theo thuộc tính Dimension như hình Bước 5. Tạo sketch 6 trong mặt phẳng XY plane và sữ dụng lệnh Pad để đùn khối theo thuộc tính Dimension như hình Bước 6. Tạo một sketch.1 trong mặt phẳng XY plane có kích thước và biên dạng như hình sau: Bước 7. Sữ dụng lệnh pocket tạo 2 lỗ với bán kính 40.04 và 80.04 như hình. Bước 8. Tạo một sketch.1 trong mặt phẳng XY plane có kích thước và biên dạng như hình sau: Bước 9. Sữ dụng lệnh pocket tạo 2 lỗ với bán kính 40.04 và 80.04 như hình. Bước 10. Sữ dụng lệnh Mirror lấy đối xứng nhưng không xóa part nguồn đã vẽ ta được biên dạng Piston như hình. Bước 11. Tạo rãnh và lỗ dầu bôi trơn cho đầu nhỏ thanh truyền bằng lệnh Hole Bước 12. Tạo 2 lỗ ren lắp bu lông đầu to thanh truyền bằng lệnh hole với kích thước ren M8x1.0 Ta được thanh truyền với kết cấu đầu to cắt thành hai nửa ( dạng kết cấu đầu to động cơ RM1037U ) như hình dưới. 3.4 Lắp ráp 3D cơ cấu Khuỷu Trục – Thanh Truyền động cơ RM1037U Khởi động trình lắp ráp Assembly design đặt tên cho sản phẩm lắp là Lắp ráp Click vào biểu tượng Existing component và sau đó di chuyển chuột lên Product và click trên đó trong specifitation tree. Hộp thoại file selection xuất hiện ta chọn file Trục khuỷu.CATPart để nhập đối tượng. Sau đó click chuột vào biểu tượng Existing component with Positioning . Hộp thoại file selection xuất hiện và chọn file thanh truyền. Thực hiện lắp ghép với Thanh truyền vào trục khuỷu. Click chọn biểu tượng Concidence Constraint và di chuyển chuột lên đối tượng mong muốn và chọn trục của đầu to thanh truyền và trục của trục lắp trên trục khuỷu như hình vẽ bên dưới. Tạo bề mặt tiếp xúc giữa hai mặt lắp ghép với nhau bằng lệnh Contact Constraint : Cập nhật lắp ráp thanh truyền vào trục khuỷu bằng lệnh Update ta được sản phẩm như hình. Ta được sản phẩm lắp thanh truyền thứ nhất vào trục khuỷu như hình dưới. Tiếp tục click chuột vào biểu tượng Existing component with Positioning . Hộp thoại file selection xuất hiện và chọn file piston.CATPart để nhập đối tượng với vị trí mong muốn. Hộp thoại Smart Move xuất di chuyển chuột lên đối tượng sau khi hình dáng con trỏ chuột có dạng mặt phẳng thì ta kéo đối tượng và thả tại vị trí mong muốn. Sau click OK để đóng hộp thoại. Thực hiện lắp ghép với Piston vào Thanh truyền. Click chọn biểu tượng Concidence Constraint và di chuyển chuột lên đối tượng mong muốn và chọn trục của đầu nhỏ thanh truyền và trục lắp chốt của piston như hình vẽ bên dưới. Tạo bề mặt tiếp xúc giữa hai mặt lắp ghép với nhau bằng lệnh Contact Constraint : Cập nhật lắp ráp Piston vào Thanh truyền bằng lệnh Update ta được sản phẩm như hình. Tiếp tục gọi chi tiết chốt piston bằng lệnh Existing component with Positioning . Lắp ghép chốt piston bằng lệnh Concidence Constraint lệnh Offsets Constraint ta được sản phẩm như hình. Lắp hoàn toàn tương tự đối với các chi tiết thanh truyền và piston lên trục khuỷu ta được sản phẩm hoàn chỉnh như hình. 4. TÍNH TOÁN CƠ CẤU KHUỶU TRỤC ĐỘNG CƠ RM1037U 4.1.Tính toán động học và động lực học cơ cấu khuỷu trục – thanh truyền piston động cơ RM1037U 1 4.1.1. Vẽ đồ thị công 41.1.1. Các số liệu chọn trước trong quá trình tính toán pr= 0,115 (MNm2) Áp suất khí sót. pa= 0,088 (MNm2) Áp suất cuối quá trình nạp. n1=1,34 Chỉ số nén đa biến trung bình.(1,34÷1,39) n2=1,23 Chỉ số giãn nở đa biến trung bình.(1,23÷1.27) ρ=1,00 Tỉ số giản nở sớm. 4.1.1.2. Xây dựng đường cong nén Phương trình đường nén: p.Vn1 = cosnt => pc.Vcn1 = pnx.Vnxn1 Rút ra ta có: , Đặt : .Ta có: Trong đó: pnx và Vnx là áp suất và thể tích tại một điểm bất kỳ trên đường nén. i là tỉ số nén tức thời. 0.088.8,61.34=1,57(MNm2) 4.1.1.3. Xây dựng đường cong giãn nở Phương trình đường giãn nở: p.Vn2 = cosnt => pz.Vcn2 = pgnx.Vgnxn2 Rút ra ta có: . Với : (vì  và đặt : . Ta có: . Trong đó pgnx và Vgnx là áp suất và thể tích tại một điểm bất kỳ trên đường giãn nở. 4.1.1.4. Tính Va, Vh, Vc Va = Vc +Vh . . . . Cho i tăng từ 1 đến ta lập được bảng xác định tọa độ các điểm trên đường nén và đường giãn nở. 4.1.1.5. Bảng xác định tọa độ các điểm trung gian Bảng 1 §ưêng nÐn §ường gi•n në i in1 1in1 Pc1in1 Pc(mm) i2 1i2 Pzρin2 Pz(mm) 1.00 1.00 1.00 1.57 62.92 1.00 1.00 5.50 220.00 2.00 2.53 0.40 0.62 24.84 2.35 0.43 2.35 93.80 3.00 4.36 0.23 0.36 14.44 3.86 0.26 1.42 56.96 4.00 6.41 0.16 0.25 9.80 5.50 0.18 1.00 40.00 5.00 8.64 0.12 0.18 7.28 7.24 0.14 0.76 30.40 6.00 11.03 0.09 0.14 5.72 9.06 0.11 0.61 24.28 7.00 13.57 0.07 0.12 4.64 10.95 0.09 0.50 20.08 8.00 16.22 0.06 0.10 3.88 12.91 0.08 0.43 17.04 8.60 17.87 0.06 0.09 3.52 14.11 0.07 0.39 15.60 Xác định các điểm đặc biệt: Điểm r(Vc,Pr) Vcthể tích buồng cháy Vc=0,08 l Práp suất khí sót, phụ thuộc vào tốc độ động cơ . chọn Pr=0.115 MNm2 vậy : r(0,08 ;0,115) • Điểm a(Va ;Pa) Với Va=ε.Vc=8,6.0,08=00.73 l. Pa=0,088MNm2 vậy điểm a(0,73 ;0,088). • Điểm b(Va;Pb). với Pb: áp suất cuối quá trình giãn nở. . vậy điểm b(0,73;0,39). Các điểm đặc biệt: r(Vc ; pr) = (0,08 ; 0,115) ; a(Va ; pa) = (0,73 ; 0,088) b(Va ; pb) = (0,73 ; 0,39) ; c(Vc ; pc) = (0,08 ; 1,57) z(Vc ; pz) = (0,08 ; 5,5). 4.1.1.6. Vẽ đồ thị công Để vẽ đồ thị công ta thực hiện theo các bước như sau: + Chọn tỉ lệ xích: . . + Vẽ hệ trục tọa độ trong đó: trục hoành biểu diễn thể tích xi lanh,trục tung biểu diễn áp suất khí thể. + Từ các số liệu đã cho ta xác định được các tọa độ điểm trên hệ trục tọa độ. Nối các tọa độ điểm bằng các đường cong thích hợp được đường cong nén và đường cong giãn nở. + Vẽ đường biểu diễn quá trình nạp và quá trình thải bằng hai đường thẳng song song với trục hoành đi qua hai điểm Pa và Pr. Ta có được đồ thị công lý thuyết. + Hiệu chỉnh đồ thị công: Vẽ đồ thị brick phía trên đồ thị công. Lấy bán kính cung tròn R bằng ½ khoảng cách từ Va đến Vc. Tỉ lệ xích đồ thị brick: . Lấy về phía phải điểm O’ một khoảng : OO’ . Giá trị biểu diễn : OO’= (mm) Dùng đồ thị Brick để xác định các điểm: Đánh lửa sớm (c’). Mở sớm (b’) đóng muộn (r’’) xupap thải. Mở sớm (r’) đóng muộn (d ) xupap hút. Áp suất cực đại của chu trình thực tế thường nhỏ hơn áp suất cực đại trong tính toán : pz’ = 0,85.pz = 0,85.5,5 = 4.675 (MNm2) pc’’ = pc + .( pz’ pc ) pc’’ = 1,57 + .( 4,675 1,57 ) = 2,605 (MNm2) Nối các điểm c’, c’’, z’ lại thành đường cong liên tục và dính vào đường giãn nở. Áp suất cuối quá trình giãn nở thực tế pb’’: Áp suất cuối quá trình giãn nở thực tế thường thấp hơn áp suất cuối quá trình giãn nở lý thuyết do mở sớm xupap thải. Pb’’ = pr + .( pb pr ) Pb’’ = 0,115 + .( 0,36 0,115 ) = 0,2375(MNm2). Nối các điểm b’, b’’ và tiếp dính với đường thải prx. Nối diểm r với r’, r’ xác định từ đồ thị Brick bằng cách gióng đường song song với trục tung cắt đường nạp pax tại r’. ) Sau khi hiệu chỉnh ta nối các điểm lại thì được đồ thị công thực tế. 4.1.2. Đường biểu diễn lực quán tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến Vẽ theo phương pháp Tole với trục hoành đặt trùng với ở đồ thị công, trục tung biểu diễn giá trị . Vẽ đường biểu diễn lực quán tính được tiến hành theo các bước như sau: + Chọn tỉ lệ xích trùng với tỉ lệ xích đồ thị công: + Xác định khối lượng chuyển động tịnh tiến: m’ = mpt + m1 Trong đó: m’ Khối lượng chuyển động tịnh tiến (kg). mpt = 0,6 (kg) Khối lượng nhóm piston. m1 Khối lượng thanh truyền qui về tâm chốt piston (kg). Theo công thức kinh nghiệm: m1 = (0,275 ÷ 0,285).mtt. Lấy m1 = 0,28.0,7 = 0,196 (kg). mtt = 0,7 (kg) Khối lượng nhóm thanh truyền. => m’ = 0,6 + 0,196 = 0,796 (kg). Để đơn giản hơn trong tính toán và vẽ đồ thị ta lấy khối lượng trên một đơn vị diện tích của một đỉnh piston: m = = = 107 (kgm2) Áp dụng công thức tính lực quán tính: pj = m.j , ta có: ω = = = 572,5 (rads) Tính: . . jEF = 3.R.λ.ω2 = 3.0,041.0,27.572,52 = 10884,78(ms2). pjmax = m.jmax = 107. 17066,27= 1,826 (MNm2). pjmin = m.jmin = 107.9809,74 = 1,05(MNm2) Đoạn: EF = m.jEF = 107.10884,78 = 1,164 (MNm2) 4.1.3. Đồ thị biểu diễn gia tốc Để vẽ đường biểu diễn gia tốc của piston ta sử dụng phương pháp Tole. + Chọn hệ trục tọa độ với trục Ox là trục hoành, trục tung là trục biểu diễn giá trị gia tốc. + Chọn tỉ lệ xích: (mms2mm) + Trên trục Ox lấy đoạn AB = S=2R=85. Giá trị biểu diễn: AB= (mm) . . jEF = 3.R.λ.ω2 = 3.0,041.0,27.572,52 = 10884,78(ms2). AC= 17066.27169.8=100,5 mm BD= 9809,74169,8=57,8 mm EF=10884,78169,8=64 mm Nối C với D. Đường thẳng CD cắt trục hoành Ox tại E. Từ E lấy xuống dưới một đoạn Nối CF và FD, đẳng phân định hướng CF thành 8 phần bằng nhau và đánh số thứ tự 0;1;2…đẳng phân định FD thành 8 phần bằng nhau và đánh số thứ tự 0’;1’;2’…vẽ các đường bao trong tiếp tuyến 11’;22’;33’…Ta có đường cong biểu diễn quan hệ . Hình 1 2 Đồ thị gia tốc 4.1.4. Khai triển các đồ thị 4.1.4.1. Khai triển đồ thị công trên tọa độ pV thành p=f(α) Để biểu diễn áp suất khí thể pkt theo góc quay của trục khuỷu  ta tiến hành: + Vẽ hệ trục tọa độ p . Trục hoành đặt ngang với đường biểu diễn trên đồ thị công. + Chọn tỉ lệ xích: (độmm). . + Dùng đồ thị Brick để khai triển đồ thị pv thành pα. + Từ các điểm chia trên đồ thị Brick, dựng các đường song song với trục Op cắt đồ thị công tại các điểm trên các đường biểu diễn quá trình: nạp, nén, cháy giãn nở, xả. + Qua các giao điểm này ta kẻ các đường song song với trục hoành gióng sang hệ toạ độ pα . Từ các điểm chia tương ứng 00, 100, 200,… trên trục hoành của đồ thị pα ta kẻ các đường thẳng đứng cắt các đường trên tại các điểm ứng với các góc chia trên đồ thị Brick và phù hợp với các quá trình làm việc của động cơ. Nối các điểm lại bằng đường cong thích hợp ta được đồ thị khai triển pα. 4.1.4.2. Khai triển đồ thị thành Đồ thị biểu diễn đồ thị công có ý nghĩa kiểm tra tính năng tốc độ của động cơ. Khai triển đường thành cũng thông qua đồ thị brick để chuyển tọa độ. Việc khai triển đồ thị tương tự khai triển PV thành P=f(α). 4.1.4.3. Vẽ đồ thị Theo công thức . Ta đã có n `1 và . Vì vậy việc xây dựng đồ thị p1 = f() được tiến hành bằng cách cộng đại số các toạ độ điểm của 2 đồ thị pkt=f() và p¬j=f() lại với nhau ta được tọa độ điểm của đồ thị p1=f() . Dùng một đường cong thích hợp nối các toạ độ điểm lại với nhau ta được đồ thị p1=f(). Hình 1 3 Đồ thị khai triển 4.1.5. Vẽ đồ thị biểu diễn lực tiếp tuyến , lực pháp tuyến và lực ngang . Các đồ thị: T = f(α), Z = f(α), N = f(α) được vẽ trên cùng một hệ toạ độ. Áp dụng các công thức: . Quá trình vẽ các đường này được thực hiên theo các bước sau: + Chọn tỉ lệ xích: (độmm). . + Căn cứ vào trị số . Tra các bảng phụ lục 2p, 7p, 11p trong sách Kết Cấu Và Tính Toán Động Cơ đốt Trong Tập 1 ta có các giá trị của: ; và . Dựa vào đồ thị khai triển p= f( ta có các giá trị của p1.Từ đó ta lập được bảng giá trị sau: Bảng 2 φ P1 sin(φ+β)cosβ T cos(φ+β)cosβ Z Tanβ N 0 75.792 0.00 0.00 1.00 75.792 0.00 0.00 10 74.199 0.22 16.31 0.98 72.467 0.05 3.48 20 68.962 0.43 29.60 0.91 62.616 0.09 6.40 30 60.244 0.62 37.23 0.80 48.069 0.14 8.21 40 48.892 0.78 38.03 0.65 31.915 0.18 8.62 50 35.817 0.90 32.30 0.48 17.222 0.21 7.57 60 22.044 0.99 21.74 0.29 6.4307 0.24 5.30 70 8.4445 1.03 8.69 0.10 0.8068 0.26 2.21 80 4.2769 1.03 4.42 0.10 0.4191 0.28 1.18 90 15.4741 1.00 15.47 0.28 4.3392 0.28 4.34 100 24.7472 0.94 23.19 0.45 11.02 0.28 6.83 110 32.0075 0.85 27.21 0.59 18.836 0.26 8.40 120 37.3189 0.75 27.83 0.71 26.432 0.24 8.97 130 40.5415 0.63 25.55 0.80 32.625 0.21 8.57 140 42.0385 0.51 21.35 0.88 36.965 0.18 7.41 150 42.6265 0.38 16.28 0.93 39.82 0.14 5.81 160 42.8718 0.25 10.93 0.97 41.646 0.09 3.98 170 42.9844 0.13 5.48 0.99 42.682 0.05 2.02 180 43.02 0.00 0.00 1.00 43.02 0.00 0.00 190 43.0344 0.13 5.48 0.99 42.731 0.05 2.02 200 42.9718 0.25 10.95 0.97 41.743 0.09 3.99 210 42.8265 0.38 16.36 0.93 40.006 0.14 5.83 220 42.5385 0.51 21.60 0.88 37.405 0.18 7.50 230 41.2415 0.63 25.99 0.80 33.188 0.21 8.72 240 38.4189 0.75 28.65 0.71 27.211 0.24 9.24 250 33.5075 0.85 28.48 0.59 19.719 0.26 8.79 260 27.0472 0.94 25.34 0.45 12.044 0.28 7.46 270 18.7741 1.00 18.77 0.28 5.2645 0.28 5.26 280 8.8769 1.03 9.17 0.10 0.8698 0.28 2.45 290 1.9445 1.03 2.00 0.10 0.1858 0.26 0.51 300 12.544 0.99 12.37 0.29 3.6593 0.24 3.02 310 21.997 0.90 19.84 0.48 10.577 0.21 4.65 320 28.392 0.78 22.08 0.65 18.534 0.18 5.00 330 29.585 0.62 18.28 0.80 23.606 0.14 4.03 340 23.63 0.43 10.14 0.91 21.455 0.09 2.19 350 4.0486 0.22 0.89 0.98 3.9541 0.05 0.19 360 27.9268 0.00 0.00 1.00 27.927 0.00 0.00 370 108.883 0.22 23.94 0.98 106.34 0.05 5.11 380 77.5554 0.43 33.28 0.91 70.418 0.09 7.19 390 49.2561 0.62 30.44 0.80 39.302 0.14 6.71 400 31.1276 0.78 24.21 0.65 20.319 0.18 5.49 410 22.5835 0.90 20.37 0.48 10.859 0.21 4.77 420 21.9564 0.99 21.65 0.29 6.4053 0.24 5.28 430 25.7555 1.03 26.51 0.10 2.4607 0.26 6.76 440 31.6769 1.03 32.71 0.10 3.104 0.28 8.74 450 38.1195 1.00 38.12 0.28 10.689 0.28 10.69 460 43.9372 0.94 41.17 0.45 19.565 0.28 12.12 470 48.6786 0.85 41.38 0.59 28.647 0.26 12.77 480 52.1228 0.75 38.87 0.71 36.917 0.24 12.54 490 53.994 0.63 34.02 0.80 43.451 0.21 11.41 500 54.491 0.51 27.67 0.88 47.915 0.18 9.60 510 54.0211 0.38 20.64 0.93 50.464 0.14 7.36 520 53.1903 0.25 13.56 0.97 51.67 0.09 4.93 530 51.7065 0.13 6.59 0.99 51.342 0.05 2.43 540 49.5995 0.00 0.00 1.00 49.6 0.00 0.00 550 47.5556 0.13 6.06 0.99 47.221 0.05 2.23 560 45.8093 0.25 11.68 0.97 44.5 0.09 4.25 570 44.4698 0.38 16.99 0.93 41.541 0.14 6.06 580 43.2105 0.51 21.94 0.88 37.996 0.18 7.61 590 41.6415 0.63 26.24 0.80 33.51 0.21 8.80 600 38.4189 0.75 28.65 0.71 27.211 0.24 9.24 610 33.1075 0.85 28.14 0.59 19.484 0.26 8.68 620 25.8472 0.94 24.22 0.45 11.509 0.28 7.13 630 16.5741 1.00 16.57 0.28 4.6476 0.28 4.65 640 5.3769 1.03 5.55 0.10 0.5269 0.28 1.48 650 7.3445 1.03 7.56 0.10 0.7017 0.26 1.93 660 20.944 0.99 20.66 0.29 6.1098 0.24 5.04 670 34.717 0.90 31.31 0.48 16.693 0.21 7.34 680 47.792 0.78 37.17 0.65 31.197 0.18 8.42 690 59.144 0.62 36.55 0.80 47.191 0.14 8.06 700 67.862 0.43 29.12 0.91 61.617 0.09 6.29 710 73.325 0.22 16.12 0.98 71.613 0.05 3.44 720 75.192 0.00 0.00 1.00 75.192 0.00 0.00 + Vẽ hệ trục tọa Decac trong đó trục hoành biểu thị giá trị góc quay trục khuỷu, trục tung biểu diễn giá trị của T,N,Z. Từ bảng 2 ta xác định được tọa độ các điểm trên hệ trục, nối các điểm lại bằng các đường cong thích hợp cho ta đồ thị biểu diễn: ; . + Việc vẽ đồ thị biểu diễn lực tiếp tuyến , lực pháp tuyến và lực ngang cho ta mối quan hệ giữa chúng cũng như tạo tiền đề cho việc tính toán và thiết kế về sau nhằm bảo đảm độ ổn định ngang, độ ổn định dọc của động cơ, phụ tải tác dụng lên chốt khuỷu, đầu to thanh truyền …đồng thời là cơ sở thiết kế các hệ thống khác như hệ thống làm mát, hệ thống bôi trơn… Hình 1 6 Đồ thị N T Z = f(). 4.1.6. Vẽ đồ thị ΣT = f() Để vẽ đồ thị tổng T ta thực hiện theo những bước sau: + Lập bảng xác định góc ứng với góc lệch các khuỷu theo thứ tự làm việc. + Góc lệch khuỷu trục của 2 xi lanh làm việc kế tiếp nhau: . + Thứ tự làm việc của động cơ RM1037U là: 1342. Ta có bảng xác định góc lệch công tác và thứ tự làm việc của các khuỷu trục: Xi lanh Tên kỳ làm việc αio 1 Nạp Nén Cháygiãn nở Thải 0 2 Nén Cháygiãn nở Thải Nạp 180 3 Thải Nạp Nén CháyGiãn nở 540 4 Cháygiãn nở Thải Nạp Nén 360 00 1800 3600 5400 7200 + Sau khi lập bảng xác định góc ứng với các khuỷu theo thứ tự làm việc, dựa vào bảng tính N, T, Z và lấy tỉ lệ xích μΣT = 2.μT = 2.0,025 = 0,05(MNm2.mm), ta lập được bảng tính . Trị số của ta đã tính, căn cứ vào đó tra bảng các giá trị đã tịnh tiến theo . Cộng tất cả các giá trị của ta có . α1 T1 α2 T2 α3 T3 α4 T4 Tong T 0 0.00 180 0.00 540 0.00 360 0.00 0.00 10 16.31 190 5.48 550 6.06 370 23.94 3.92 20 29.60 200 10.95 560 11.68 380 33.28 18.94 30 37.23 210 16.36 570 16.99 390 30.44 40.14 40 38.03 220 21.60 580 21.94 400 24.21 57.36 50 32.30 230 25.99 590 26.24 410 20.37 64.16 60 21.74 240 28.65 600 28.65 420 21.65 57.39 70 8.69 250 28.48 610 28.14 430 26.51 38.80 80 4.42 260 25.34 620 24.22 440 32.71 12.43 90 15.47 270 18.77 630 16.57 450 38.12 18.25 100 23.19 280 9.17 640 5.55 460 41.17 49.63 110 27.21 290 2.00 650 7.56 470 41.38 78.14 120 27.83 300 12.37 660 20.66 480 38.87 99.73 130 25.55 310 19.84 670 31.31 490 34.02 110.72 140 21.35 320 22.08 680 37.17 500 27.67 108.27 150 16.28 330 18.28 690 36.55 510 20.64 91.75 160 10.93 340 10.14 700 29.12 520 13.56 63.75 170 5.48 350 0.89 710 16.12 530 6.59 29.08 180 0.00 360 0.00 720 0.00 540 0.00 0.00 + Nhận thấy tổng T lặp lại theo chu kỳ 1800 vì vậy chỉ cần tính tổng T từ 00 đến 1800 sau đó suy ra cho các chu kỳ còn lại. + Vẽ đồ thị tổng T bằng cách nối các tọa độ điểm bằng một đường cong thích hợp cho ta đường cong biểu diễn đồ thị tổng T. Hình 1 5 Đồ thị + Sau khi đã có đồ