MỤC LỤC
MỤC LỤC.....................................................................................................................................................................................................................i
LỜI NÓI ĐẦU………………………………………………………………...............................................................................................................…......1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU KHUỶU TRỤC – THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG..................................................................2
1.1. NHIỆM VỤ, ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC CỦA CƠ CẤU KHUỶU TRỤC – THANH TRUYỀN.......................................................................................2
1.2. ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU CỦA CƠ CẤU KHUỶU TRỤC – THANH TRUYỀN............................................................................................................3
1.3. CƠ CẤU KHUỶU TRỤC – THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ XI LANH BỐ TRÍ THẲNG HÀNG...............................................................................17
1.4. CƠ CẤU KHUỶU TRỤC – THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ XI LANH BỐ TRÍ CHỮ V...........................................................................................18
1.5. CƠ CẤU KHUỶU TRỤC – THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ XI LANH BỐ TRÍ HÌNH SAO.....................................................................................19
CHƯƠNG 2. KHẢO SÁT CƠ CẤU KHUỶU TRỤC – THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ B6...........................................................................................21
2.1. GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ B6…………………………………………………..............................................................................................................21
2.2. ĐẶC ĐIỂM CƠ CẤU KHUỶU TRỤC – THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ B6............................................................................................................29
CHƯƠNG 3. GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM CATIA VÀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN ỨNG DỤNG TRONG TÍNH TOÁN CƠ HỌC….....37
3.1. LỊCH SỬ RA ĐỜI VÀ CÁC TÍNH NĂNG CỦA PHẦN MỀM CATIA…..................................................................................................................37
3.2. PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN ỨNG DỤNG TRONG TÍNH TOÁN CƠ HỌC…………………………………………………………….....48
CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ MÔ HÌNH 3D CƠ CẤU KHUỶU TRỤC – THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ B6…………………………………………….……..56
4.1. THIẾT KẾ 3D NHÓM TRỤC KHUỶU ĐỘNG CƠ B6……………………….....................................................................................................…..56
4.2. THIẾT KẾ 3D NHÓM PISTON ĐỘNG CƠ B6………………………………..….....................................................................................................62
4.3. THIẾT KẾ 3D NHÓM THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ B6…………………….................................................................................................….....66
4.4. LẮP RÁP 3D CƠ CẤU KHUỶU TRỤC – THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ B6……………………………………………………….......................…..69
CHƯƠNG 5. TÍNH TOÁN TỐI ƯU CƠ CẤU KHUỶU TRỤC – THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ B6………………….……………………….…….….....77
5.1. TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU KHUỶU TRỤC – THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ B6……………………………....…...77
5.2. SƠ ĐỒ TÍNH TOÁN……………………………………………………............................................................................................................…......91
5.3. XÂY DỰNG LƯỚI PHẦN TỬ VÀ ÁP ĐẶT ĐIỀU KIỆN BIÊN………...............................................................................................................….96
5.4. TÍNH TOÁN………………………………………………………………..............................................................................................................…102
KẾT LUẬN……………………………………………………………………...................................................................................................................115
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………....................................................................................................................116
LỜI NÓI ĐẦU
Sự phát triển vượt bậc của công nghệ thông tin và khoa học kỹ thuật trong thời đại ngày nay đã kéo theo sự phát triển của các ngành nghề khác có liên quan. 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.
Áp dụng công nghệ thông tin trong ngành cơ khí đã hỗ trợ rất nhiều 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 “Tính toán tối ưu cơ cấu khuỷu trục - thanh truyền của động cơ B6 trên xe Mazda 323 bằng phần mềm Catia”. 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 : Ths……………, 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: Ths…………… cùng các thầy cô trong khoa và các bạn đã nhiệt tình giúp đỡ để em hoàn thành đồ án này.
....., ngày ... tháng .... năm 20...
Sinh viên thực hiện
.......................
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU KHUỶU TRỤC – THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
1.1. NHIỆM VỤ, ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC CỦA CƠ CẤU KHUỶU TRỤC – THANH TRUYỀN
1.1.1. Nhiệm vụ
Biến chuyển động tịnh tiến của Piston thành chuyển động quay của trục khuỷu để đưa công suất ra ngoài.
1.1.2. Điều kiện làm việc
Trong cơ cấu khuỷu trục - thanh truyền, mỗi chi tiết có điều kiện làm việc khác nhau:
- Trạng thái làm việc của trục khuỷu rất nặng:
+ Trục khuỷu chịu tác dụng của lực khí thể, lực quán tính. Các lực này có trị số rất lớn và biến thiên theo chu kỳ nhất định nên có tính chất va đập mạnh.
+ Các lực tác dụng gây ra ứng suất uốn và xoắn trục đồng thời còn gây ra hiện tượng dao động dọc và dao động xoắn làm động cơ rung động mất cân bằng.
+ Các lực này còn gây ra hao mòn các bề mặt ma sát cổ trục và trục khuỷu.
- Đối với thanh truyền: Trong quá trình làm việc, thanh truyền chịu lực tổng hợp của lực khí thể và lực quán tính (PS). Ngoài ra do thanh truyền chuyển động song phẳng nên nó cũng chịu lực quán tính tác dụng trên trọng tâm thanh truyền. Các lực này thường làm cho thanh truyền bị cong và bị xoắn.
1.2. ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU CỦA CƠ CẤU KHUỶU TRỤC – THANH TRUYỀN
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.
Đặc điểm kết cấu của piston được mô tả như hình 1.1.
+ Kết cấu đỉnh Piston
Kết cấu của đỉnh Piston: Đỉnh Piston có kết cấu rất đa dạng gồm đỉnh bằng, đỉnh lồi và đỉnh lõm ¼
Đỉnh bằng là loại phổ biến nhất, có diện tích chịu nhiệt bé nhất và có kết cấu đơn giản dễ chế tạo.
Đỉnh lồi có độ cứng vững cao, loại đỉnh này không cần bố trí các đường gân phía dưới đỉnh nên trọng lượng Piston có thể giảm. Loại đỉnh này ít kết muội than nhưng do bề mặt chịu nhiệt độ lớn nên có ảnh hưởng xấu tới quá trình làm việc của Piston.
+ 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 khối lượng của Piston càng lớn và ma sát càng lớn .
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
Trong động cơ đốt trong thông thường có một hoặc nhiều hàng xylanh. Tuỳ vào số hàng xi lanh mà kết cấu và số lượng thanh truyền sẽ khác nhau.
Động cơ nhiều hàng xi lanh có một trục khuỷu thường gồm hai loại là động cơ chữ V và động cơ hình sao. Thanh truyền của hai loại động cơ này rất đặc biệt có nhiều điểm khác hẳn so với thanh truyền động cơ một hàng xi lanh.
1.2.2.1. Kết cấu thanh truyền động cơ một hàng xi lanh
Ở động cơ một hàng xi lanh số lượng thanh truyền sẽ bằng số lượng xi lanh và trên một cổ khuỷu chỉ lắp một thanh truyền. Kết cấu của thanh truyền một hàng xi lanh gồm ba phần:
- 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.
- Thân thanh truyền:
Chiều dài l của thân thanh truyền phụ thuộc vào tham số kết cấu l. Tiết diện ngang của thân thanh truyền giới thiệu trên hình 1.6.
- 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.
1.2.2.2. Thanh truyền của động cơ chữ V
tuỳ theo vị trí lắp ghép thanh truyền của hai xi lanh chung khuỷu, thanh truyền của động cơ chữ V được chia ra thành hai loại.
- Loại thanh truyền trung tâm: Loại thanh truyền này có hai thanh truyền cùng lắp chung trên một chốt khuỷu nhưng cả hai thanh truyền cùng nằm trong một mặt phẳng nên một thanh truyền có hình dạng nạng ( thanh truyền ngoài) còn thanh truyền kia lắp đồng tâm và bị kẹp giữa phần nạng của thanh truyền nạng.
- Loại thanh truyền chính và thanh truyền phụ: Loại này gồm có một thanh truyền chính và một thanh truyền phụ lắp trên thanh truyền chính ( thanh truyền chính có chốt để lắp thanh truyền phụ). Loại thanh truyền này ngày nay được dùng khá nhiều vì nó có ưu điểm chính là kết cấu gọn nhẹ, giảm được kích thước và trọng lượng của động cơ, đồng thời vẫn đảm bảo độ cứng vững của đầu to thanh truyền. Song nó có nhược điểm là động học của piston và thanh truyền trên hai hàng xi lanh không giống nhau.
1.2.3. Kết cấu nhóm trục khuỷu nguyên
Trục khuỷu gồm có các phần: Đầu trục khuỷu, khuỷu trục (chốt, má, cổ trục khuỷu) và đuôi trục khuỷu.
Bộ dao động xoắn thường lắp ở đầu trục khuỷu là nơi có biên độ dao động xoắn lớn nhất.
Cổ trục: các cổ trục thường 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).
+ 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.
1.2.4. Kết cấu trục khuỷu ghép
Trục khuỷu ghép thường chế tạo riêng thành từng bộ phận. Cổ trục, má khuỷu, chốt khuỷu, ghép lại với nhau hoặc làm cổ trục riêng rồi ghép với khuỷu. Thường dùng trong động cơ cỡ lớn, trục khuỷu được chế tạo thành từng đoạn rồi ghép lại với nhau bằng mặt bích trục khuỷu lớn thường ghép trong động cơ cỡ lớn động cơ tàu thuỷ, động cơ tĩnh tại nhưng cũng dùng trong động cơ cỡ nhỏ, như xe mô tô, động cơ xăng cỡ nhỏ, động cơ cao tốc có công suất lớn để giảm hiện tượng dao động của trục cần rút ngắn chiều dài trục khuỷu .
1.3. CƠ CẤU KHUỶU TRỤC - THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ XI LANH BỐ TRÍ THẲNG HÀNG
Đối với động cơ xi lanh bố trí thẳng hàng thường sử dụng cơ cấu khuỷu trục thanh truyền lệch tâm. Cơ cấu khuỷu trục thanh truyền này được ứng dụng khá rộng rãi, nó có kết cấu đơn giản.
- Trục khuỷu lắp trên cơ cấu này thường dùng trục khuỷu nguyên, là loại trục khuỷu có các bộ phận cổ trục, khuỷu trục... làm liền với nhau thành một khối.
- Thanh truyền dùng trên cơ cấu này thường dùng thanh truyền có tiết diện thân hình chữ I, đây là loại thanh truyền có kết cấu đơn giản được chế tạo theo phương pháp rèn khuôn rất thích hợp với phương án sản xuất lớn.
1.5. CƠ CẤU KHUỶU TRỤC – THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ XI LANH BỐ TRÍ HÌNH SAO
Động cơ hình sao gồm các động cơ mà đường tâm xi lanh nằm trong các mặt phẳng thẳng góc với đường tâm của trục khuỷu. Loại động cơ này có khá nhiều xi lanh, các xi lanh sắp xếp theo các hình sao 3, 5, 7, 9 cánh. Mỗi cánh của động cơ hình sao tương đương với một hàng xy lanh, nên loại động cơ này cũng thuộc vào loại động cơ nhiều hàng xi lanh. Số xi lanh trên mỗi hàng xi lanh không quá 6. Số cánh trong hình sao không quá 9.
CHƯƠNG 2. KHẢO SÁT CƠ CẤU KHUỶU TRỤC – THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ B6
2.1. GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ B6
Động cơ B6 do hãng Mazda sản xuất, có dung tích xi lanh 1,6L. B6 là động cơ xăng với 4 xylanh được đặt thẳng hàng, 8 xupáp. Các xupáp được dẫn động từ cam thông qua giàn cò mổ. Cam được đặt trên nắp máy, gồm 1 trục cam dẫn động xupáp (SOHC). B6 dùng hệ thống phun xăng điện tử theo chu kỳ, giúp cho động cơ tiếp nhận nhiên liệu ổn định hơn và tiết kiệm được nhiên liệu.
Thông số kỹ thuật động cơ B6 như bảng 2.1.
Thông số xe Mazda 323 như bảng 2.2.
2.1.1. Cơ cấu phân phối khí
Cơ cấu phân phối khí mở và đóng xupáp hút và xả đúng lúc để làm tăng hiệu quả nạp và xả nhằm đáp ứng tốt yêu cầu hoạt động của động cơ. Trục khuỷu gián tiếp dẫn động trục cam thông qua bánh răng. Bộ phận dẫn động gồm: Bánh răng trục khuỷu, bánh răng trung gian, bánh răng trục cam, trục cam, con đội, đũa đẩy, cò mổ, xupáp và lò xo xupáp.
* Xupap:
Hình 2.3 là xupap của động cơ B6. Trong quá trình làm việc xupap chịu tải trọng động và tải trọng nhiệt lớn. Do mặt nấm xupap luôn va đập mạnh với đế xupap nên rất dễ biến dạng. Xupap tiếp xúc trực tiếp với khí cháy, xupap thải chịu nhiệt độ rất cao và chịu ăn mòn hóa học.
Đường kính xupap nạp bằng 6.970-6.985 mm, xupap thải bằng 6.965-6.980 mm.
* Lò xo xupap:
Hình 2.4 là xupap động cơ B6. Lò xo dùng để đóng kín xupap trên đế xupap và đảm bảo xupap đóng đúng theo qui luật của cam phân phối khí. Do đó trong quá trình đóng mở xupap không có hiện tượng trên mặt cam. Lò xo xupap làm việc trong điều kiện tải trọng động thay đổi rất đột ngột.
2.1.3. Hệ thống bôi trơn
* Cấu tạo: Sơ đồ hệ thống bôi trơn của động cơ B6 như hình 2.6.
* Nguyên lý làm việc:
Dầu nhờn chứa trong cácte được bơm dầu hút qua phao hút dầu qua lọc thô, khi đi qua bầu lọc thô, dầu được lọc sạch sơ bộ các tạp chất cơ học có kích cỡ các hạt lớn, tiếp theo đó dầu nhờn được đẩy vào đường dầu chính để chảy đến các ổ trục khuỷu, ổ trục cam,... Đường dầu 7 trong trục khuỷu đưa dầu lên bôi trơn ở chốt, ở đầu to thanh truyền rồi lên bôi trơn chốt piston. Nếu như không có đường dầu trên thanh truyền thì đầu nhỏ trên thanh truyền phải có lỗ hứng dầu. Trên đường dầu chính còn có đường dầu 6 đưa dầu đi bôi trơn các cơ cấu phối khí... Một phần dầu (khoảng 15 ÷ 20% lượng dầu bôi trơn do bơm dầu cung cấp ) đi qua bầu lọc tinh rồi trở về lại cácte.
2.2. ĐẶC ĐIỂM CƠ CẤU KHUỶU TRỤC – THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ B6
2.2.1. Kết cấu nhóm piston
Trong quá trình làm việc của động cơ, piston chịu lực rất lớn, nhiệt độ cao và ma sát mài mòn lớn. Do điều kiện làm việc như vậy nên vật liệu dùng để chế tạo piston có độ bền cao. Trên động cơ B6 vật liệu chế tạo piston là thép hợp kim, đỉnh piston lõm. Mỗi piston gồm có 3 rãnh xécmăng, trong đó gồm 2 rãnh xécmăng khí và 1 rãnh xécmăng dầu.
Thông số của piston:
Đường kính piston: D=78 mm
Chiều dài piston: L= 71,28
Đường kính lỗ chốt piston: d= 20 mm
Chiều sâu rãnh xéc măng: t=5 mm
Chiều rộng rãnh xéc măng khí: a=2,5 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.
- 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 2.13.
- 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.
2.2.3. Kết cấu nhóm trục khuỷu
Trục khuỷu động cơ B6 là loại đủ cổ trục gồm 5 cổ trục và 4 cổ khuỷu. Trục khuỷu là một trong những chi tiết máy quan trọng nhất, cường độ làm việc lớn nhất của động cơ đốt trong. Công dụng của trục khuỷu là tiếp nhận lực tác dụng trên piston truyền qua thanh truyền và biến chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu để đưa công suất ra ngoài (dẫn động các máy công tác khác). Trạng thái làm việc của trục khuỷu là rất nặng.
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.
CHƯƠNG 3. GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM CATIA VÀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN ỨNG DỤNG TRONG
TÍNH TOÁN CƠ HỌC
3.1. LỊCH SỬ RA ĐỜI VÀ CÁC TÍNH NĂNG CỦA PHẦN MỀM CATIA
3.1.1. 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.
3.1.2. Tính năng của phần mềm Catia
Phần mềm CATIA là hệ thống CAD/CAM/CAE 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.
- 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.
- 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 3.4).
- 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.
3.1.3. Thiết kế chi tiết 3D trong modul part design
Để thiết kế ra một sản phẩm 3D người thiết kế có thể bắt đầu bằng những đường cơ sở khác nhau nhưng đều phải bắt đầu từ sketcher cơ bản rồi từ đó xuất sang 3D để sử dụng những công cụ sẵn có thiết lập lên mô hình 3D.
Kỹ năng dựng khối trong Catia rất đa dạng, chúng ta có thể dựng những khối có biên dạng phức tạp hay dựng đồng thời nhiều biên dạng với các kích thước bất kỳ
Trong Catia các thuật toán bề mặt Surface-Based Features là một trong những thuật toán linh hoạt, nó dùng để xử lý các bề mặt và tạo nên các sản phẩm Solid một cách hoàn hảo. Như thuật toán Split dùng để cắt khối bởi một bề mặt cho trước, thuật toán Surface tạo khối từ một bề mặt bất kỳ bằng cách lấy bề dày cho bề mặt đó theo hai hướng ( hình 3.16 ).
3.2. PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN ỨNG DỤNG TRONG TÍNH TOÁN CƠ HỌC
3.2.1. 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, điện-từ 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.
3.2.2. 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.
3.2.3. Định nghĩa các phần tử hữu hạn
3.2.3.1. 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.
3.2.3.2. 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 3.22).
3.2.5. 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 3.24).
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 x 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.
3.2.7. 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 , fz]T
- Lực diện tích 
: T = T[ Tx, Ty , Tz]T
- Lực tập trung Pi: Pi= Pi [ Px, Py , Pz]T
3.2.8. Nguyên lý cực tiểu hóa thế năng toàn
Thế năng toàn phần P của một vật thể đàn hồi là tổng của năng lượng biến dạng U và công của ngoại lực tác dụng W:
P = U + W (1.6)
3.2.9. 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 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 3.25).
CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ MÔ HÌNH 3D CƠ CẤU KHUỶU TRỤC – THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ B6
Quy trình thiết kế trong Catia cho cơ cấu khuỷu trục thanh truyền động cơ B6
4.1. THIẾT KẾ 3D NHÓM TRỤC KHUỶU ĐỘNG CƠ B6
Dựa vào bản vẽ kết cấu, các số liệu của trục khuỷu động cơ B6 đo được ta tiến hành các bước xây dựng 3D nhóm trục khuỷu của động cơ B6.
* Bước 1. Tạo sketch 1 như hình vẽ và sử dụng lệnh Pad để đùn khối theo thuộc tính Dimension như hình và nhập chiều cao là 24 mm.
* Bước 3 Tạo sketch 3 như hình vẽ và sử dụng lệnh Pad để đùn khối theo thuộc tính Dimension như hình và nhập chiều cao là 22mm.
* Bước 5. Tạo sketch 5 như hình vẽ và sử dụng lệnh Pad để đùn khối theo thuộc tính Dimension như hình và nhập chiều cao là 22 mm.
* Bước 7. Tạo sketch 7 như hình vẽ và sử dụng lệnh Pad để đùn khối theo thuộc tính Dimension như hình.
* Bước 9 Tạo sketch 9 như hình vẽ và sử dụng lệnh Pad để đùn khối theo thuộc tính Dimension như hình.
* Bước 11. Tạo sketch 10 như hình vẽ và sử dụng lệnh Pad để đùn khối theo thuộc tính Dimension như hình.
* Bước 14. Tạo 1 lỗ ren lắp bu lông mặt bích trục khuỷu bằng lệnh hole với kích thước ren M8x1.2 sau đó dùng lệnh Circular để tạo 5 lỗ còn lại như hình vẽ.
* Bước 17. Sử dụng lệnh Adge Fillet để bo các cạnh của trục khuỷu với bán kính bằng 1.5 mm. Hiệu chỉnh các bề mặt ta được chi tiết hoàn chỉnh.
4.2. THIẾT KẾ 3D NHÓM PISTON ĐỘNG CƠ B6
Dựa vào bản vẽ kết cấu, các số liệu của Piston động cơ B6 đo được ta tiến hành các bước xây dựng 3D nhóm Piston của động cơ B6.
* Bước 1. Tạo một sketch.1 trong mặt phẳng XY plane có kích thước và biên dạng như hình.
* Bước 3. Tạo mặt lõm hai bên chốt piston bằng cách sử dụng lệnh pocket với biên dạng như hình.
* Bước 5. Tạo giá lắp chốt piston bằng cách sử dụng lệnh pad với biên dạng như hình.
* Bước 7. Tạo vòng hảm chốt piston với độ sâu 1.5 mm đường kính 23mm bằng lệnh Pocket như hình.
* Bước 9. Sử dụng lệnh Adge Fillet bo cung các cạnh của Piston với bán kính 5mm. Hiệu chỉnh các bề mặt ta được chi tiết Piston hoàn chỉnh.
4.4. LẮP RÁP 3D CƠ CẤU KHUỶU TRỤC – THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ B6
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.
Thực hiện lắp ghép với nữa trên thanh truyền vào trục khuỷu. Click chọn biểu tượng Concidence Constraint và di chuyển chuột lên đối tượng mong muốn và chọn trục của nữa dưới thanh truyền và trục của trục lắp trên trục khuỷu như hình vẽ bên dưới.
Cập nhật lắp ráp nữa trên thanh truyền vào trục khuỷu bằng lệnh Update ta được sản phẩm như hình.
Tiếp tục click chuột vào biểu tượng Existing component with Positioning. Hộp thoại file selection xuất hiện và chọn file nữa dưới thanh truyền.
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.
Cập nhật lắp ráp Piston vào Thanh truyền bằng lệnh Update 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.
Tiếp tục gọi chi tiết bánh đà bằng lệnh Existing component with Positioning.
Lắp bánh đà vào trục khuỷu bằng lệnh Concidence Constraint và Contact Constraint, ta được sản phẩm như hình.
CHƯƠNG 5. TÍNH TOÁN TỐI ƯU CƠ CẤU KHUỶU TRỤC – THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ B6
5.1. TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU KHUỶU TRỤC – THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ B6
5.1.1. Xây dựng đồ thị công
5.1.1.1. Các số liệu chọn trước trong quá trình tính toán
pr= 0,110 (MN/m2) - Áp suất khí sót.
pa= 0,085 (MN/m2) - Áp suất cuối quá trình nạp.
n1=1,35 - Chỉ số nén đa biến trung bình.(1,34÷1,39)
n2=1,25 - Chỉ số giãn nở đa biến trung bình.(1,23÷1.27)
ρ=1,00 - Tỉ số giản nở sớm.
5.1.1.2. Xây dựng đường cong nén
Phương trình đường nén: p.Vn1 = cosnt => pc.Vcn1 = pnx.Vnxn1
5.1.1.3. Xây dựng đường cong giãn nở
Phương trình đường giãn nở: p.Vn2 = cosnt => pz.Vcn2 = pgnx.Vgnxn2
5.1.1.4. Tính Va, Vh, Vc
Va = Vc +Vh
Thay số lần lượt được: Va = 0,447 (l)
Cho i tăng từ 1 đến e ta lập được bảng xác định tọa độ các điểm trên đường nén và đường giãn nở.
Xác định các điểm đặc biệt:
* Điểm r(Vc,Pr)
Vc-thể tích buồng cháy Vc=0,048 [l]
Pr-áp suất khí sót, phụ thuộc vào tốc độ động cơ . Chọn Pr=0,110 [MN/m2]
Vậy : r(0,048 ;0,110)
* Điểm a(Va ;Pa)
Với Va=ε.Vc=9,3.0,048=0,447 [l].
=> Pa=0,085[MN/m2]
Vậy điểm a(0,447 ;0,085).
Các điểm đặc biệt:
r(Vc ; pr) = (0,048 ; 0,110) ; a(Va ; pa) = (0,447 ; 0,085)
b(Va ; pb) = (0,447 ; 0,326) ; c(Vc ; pc) = (0,048 ; 1,725)
z(Vc ; pz) = (0,048 ; 5,3).
5.1.2. Đường biểu diễn lực quán tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến.
+ 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 ÷ 0,35).mtt. Lấy m1 = 0,3.0,7 = 0,21 (kg).
mtt = 0,7 (kg) - Khối lượng nhóm thanh truyền.
=> m’ = 0,6 + 0,21 = 0,81 (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 = 169,51 (kg/m2)
jEF = -3.R.λ.ω2 = -3.0,0418.0,25.544,542 = -9296,11(m/s2).
pjmax = - m.jmax = -169,51.15493,52= - 2,6702 (MN/m2).
pjmin = -m.jmin = 169,51.9296,11 = 1,6021(MN/m2)
Đoạn: EF = - m.jEF = 169,51.9296,11 = 1,6021 (MN/m2)
5.1.5. Xây dựng 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.
Quá trình vẽ các đường này được thực hiên theo các bước sau:
Bảng giá trị T, N, Z, Ptt thể hiện như bảng 5.2.
+ 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…
5.2. SƠ ĐỒ TÍNH TOÁN
Bỏ qua các điền kiện:
+ Trọng lực
+ Lực ma sát tại các khớp quay
+ Lực ngang của piston tác dụng lên xy lanh.
Sau khi tính toán động lực học của cơ cấu khuỷu trục – thanh truyền động cơ B6, ta xác định được các lực do hợp lực của lực quán tính và lực khí thể tác dụng lên các chi tiết ở mỗi vị trí của trục khuỷu để phục vụ cho việc tính toán sức bền của cơ cấu.
Từ sơ đồ tính toán ta thấy được các lực mà cơ cấu khuỷu trục – thanh truyền phải chịu trong quá trình làm việc. Trừ trọng lực ra chiều và trị số của các lực khác đều thay đổi theo vị trí của piston trong các chu trình công tác của động cơ. Trong các lực nói trên lực quán tính và lực khí thể có trị số lớn hơn cả nên trong quá trình tính toán sau này ta cũng thường chỉ xét đến hai loại lực này.
+ Hợp lực của lực quán tính và lực khí thể tác dụng trên chốt piston, sản sinh ra lực đẩy thanh truyền, nhưng đồng thời cũng tác dụng trên ổ trục và trên thân máy.
+ Lực quán tính chuyển động tịnh tiến tác dụng lên ổ trục, trên chốt khuỷu và trên chốt piston; lực quán tính chuyển động quay là một hằng số luôn tác dụng trên ổ trục của trục khuỷu.
Trục khuỷu có thể xảy ra nguy hiểm nhất ở các trường hợp chịu tải trọng sau:
- Trường hợp chịu lực pháp tuyến lớn nhất Zmax
- Trường hợp chịu lực tiếp tuyến lớn nhất Tmax
- Trường hợp chịu lực ∑Tmax
- Trường hợp chịu lực Pttmax
5.2.1. Các giá trị lực của trường hợp chịu lực pháp tuyến lớn nhất Zmax
Trong trường hợp này vị trí tính toán là α= αZmax
Góc αZmax xác định trên đồ thị Z=f (α) ta được αZmax=370o
Căn cứ vào đồ thị T ta có thể xác định trị số T ở các góc quay α
Nhìn vào bảng trên ta thấy khuỷu thứ 1 ngoài viêc chịu lực Zmax mà còn chịu thêm lực ∑Ti-1 lớn nhất.
5.2.2. Các giá trị lực của trường hợp chịu lực tiếp tuyến lớn nhất Tmax
Trong trường hợp này vị trí tính toán là α= αTmax
Góc αTmax xác định trên đồ thị T =f (α) ta được αTmax=680o
Căn cứ vào đồ thị T= f(α) ta có thể xác định trị số T ở các góc quay α
Do đó ta có thể xác định được trị số ∑Ti-1 tác dụng lên khuỷu của động cơ khi các khuỷu chịu lực Tmax bằng phương pháp lập bảng sau.
5.2.3. Các giá trị lực của trường hợp chịu lực ∑Tmax
Trong trường hợp này vị trí tính toán là α= α∑Tmax
Góc αTmax xác định trên đồ thị ∑T=f (α) ta được α∑Tmax= 130o
Căn cứ vào đồ thị T= f(α) ta có thể xác định trị số T ở các góc quay α
Do đó ta có thể xác định được trị số ∑Ti-1 tác dụng lên khuỷu của động cơ khi các khuỷu chịu lực Tmax bằng phương pháp lập bảng sau.
5.3. XÂY DỰNG LƯỚI PHẦN TỬ VÀ ÁP ĐẶT ĐIỀU KIỆN BIÊN
Do tính toán cơ cấu khuỷu trục động cơ B6 là chọn trường hợp trục khuỷu ở trạng thái tỉnh nên ta cần phải áp đặt thêm các cơ cấu thanh truyền – piston để việc tính toán được dễ dàng hơn và đồng thời việc áp đặt điều kiện biên cũng được thực hiện trên nhóm piston.
5.3.1. Xây dựng phần tử lưới
Ta cần tạo các ràng buộc cho các mối liên kết trong cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền đã lắp ghép.
5.3.1.1. Ràng buộc các đối tượng trùng nhau ( Coincidence Constraint )
(Mở file: Constraint trong phai *.CATProduct ta cần tính ).
Coincidence Constraints dùng để đặt các đối tượng trùng nhau.
Bảng các đối tượng có thể đặt Coincidence Constraints:
Click vào Coincidence Constraint trên thanh công cụ. Hoặc vào Insert > Coincidence. Sau đó chọn hai đối tượng cần đặt ràng buộc. Hộp thoại Constraints Properties xuất hiện.
Nhập các thông số cho hộp thoại:
- Name: Đặt tên cho ràng buộc nếu ta không đặt thì chương trình sẽ tự đặt tên cho ràng buộc.
- Supporting Elements: Thông báo các đối tượng vừa được chọn để đặt ràng buộc.
- Reconect: Chọn lại các đối tượng đặt ràng buộc. Muốn chọn lại đối tượng đặt ràng buộc ta Click vào đối tượng trong ô Supporting Elements rồi Click vào Reconect sau đó chọn đối tượng mới.
5.3.1.2. Ràng buộc các đối tượng tiếp xúc với nhau ( Contact Constraint )
(Mở file: Constraint trong phai *.CATProduct ta cần tính ).
Contact Constraint dùng để đặt các đối tượng tiếp xúc với nhau.
Bảng các đối tượng có thể đặt Contact Constraint.
5.3.1.3. Ràng buộc khoảng cách giữa 2 đối tượng ( Offset Constraint )
(Mở file: Constraint trong phai *.CATProduct ta cần tính ).
Offset Constraint dùng để đặt ràng buộc về khoảng cách giữa hai đối tượng.
Bảng các đối tượng có thể đặt Offset Constraint.
5.3.1.4. Ràng buộc góc giữa 2 đối tượng song song hoặc vuông góc với nhau (Angle Constraint)
(Mở file: Constraint trong phai *.CATProduct ta cần tính ).
Angle Constraint dùng để đo góc giữa hai đối tượng, đặt hai đối tượng song song với nhau hoặc đặt hại đối tượng vuông góc với nhau.
Click vào Angle Constraint trên thanh công cụ. Hoặc vào Insert > Angle. Sau đó chọn hai đối tượng cần đặt Constraints. Hộp thoại Constraints Properties xuất hiện.
Nhập các thông số cho hộp thoại:
- Chọn kiểu ràng buộc:
+ Perpendicularity: Đặt các đối tượng vuông góc với nhau.
+ Prallelism: Đặt các đối tượng song song với nhau.
+Angle: Đặt các đối tượng tạo với nhau một góc nào đó.
5.3.2. Áp đặt điều kiện biên
5.3.2.1. Tạo ngàm giữ ( Creating Clamps )
Mở file producttinhtoan.CATAnalysis.
Trước khi bắt đầu: bạn phải thực hiện bước như hình dưới.
Thay đổi tên của Clamp trong ô Name.
Chọn hình vẽ muốn thực hiện ( một bề mặt, một cạnh, một chi tiết thực ). Một vài hình vẽ nổi bật lên khi bạn di chuyển con trỏ lên nó.
5.3.2.2. Tạo áp lực ( Creating Pressures )
Áp lực là một cường độ tải trọng tiêu biểu được dùng cho những bề mặt hình vẽ mà được biểu diễn bởi hướng của lực tại mọi nơi của bề mặt hình vẽ.
Đối tượng áp lực thuộc về tải trọng có đơn vị là: N/m2
Mở file producttinhtoan.CATAnalysis.
5.3.2.3. Tạo gia tốc chuyển động của nhóm piston ( Acceleration )
Gia tốc chuyển động của nhóm piston đặc trưng cho khối lượng chuyển động khi động cơ đang hoạt động.
Gia tốc là một đại lượng tải trọng gồm hướng và độ lớn.
Đơn vị của gia tốc là : m/s2
Mở file producttinhtoan.CATAnalysis.
Trước khi bắt đầu: bạn phải thực hiện bước như hình dưới.
Nhập giá trị X, Y, Z cho hướng của vectơ lực. Nhập giá trị -7622,61 m/s2 cho Z. Những giá trị còn lại sẽ được tự động tính toán và thay thế.
Chọn mỗi một chi tiết thực hay một hình vẽ mà kết quả vectơ lực đã được dùng tại những điểm đã mặc định. Một vài hình vẽ nổi bật lên khi bạn di chuyển con trỏ lên nó.
5.4. TÍNH TOÁN
5.4.1. Trường hợp chịu lực pháp tuyến lớn nhất Zmax
5.4.1.1. Xây dựng phần tử lưới
Ta cần phải ràng buộc cho các mối liên kết trong cơ cấu khuỷu trục- thanh truyền đã lắp ghép.
Ràng buộc trùng nhau giữa các liên kết:
Cố định trục khuỷu:
Ràng buộc góc quay trục khuỷu:
Kết quả ràng buộc:
5.4.1.3. Kết quả tính toán
Kết quả tính toán:
- Biến dạng.
- Ứng suất.
- Chuyển vị.
* Nhật xét:
- Trường hợp Zmaxbị biên sdangj ở gối khyur 1, nguyên nhân là do trong trường hợp này thì tại vị trí cổ khuỷu thứ 1 (xylanh 1) chịu áp suất khí thể lớn hơn Pkt = 4,28[MN/m2]
- Trường hợp Zmax vùng ứng suất hiệu dụng ở chốt khuỷu thứ 1 và má khuỷu bên trái bên phải chịu ứng suất lớn nhất với σ=153,12[MN/m2]cũng ở vị trí này sẽ xảy ra nguy hiểm nhất. Để khắc phục sự nguy hiểm tại vị trí này ta cần tăng độ cứng của chốt và má khuỷu bằng cách tăng kích thước hoặc tôi cứng hoặc mạ Crom tại vị trí trên.
5.4.2. Trường hợp chịu lực tiếp tuyến lớn nhất Tmax
Ta thực hiện các bước xây dựng phần tử lưới, áp đặt điều kiện biên và tính toán tương tự như trường hợp chịu lực Zmax ta được kết quả trong trường hợp chịu lực Tmax như sau:
- Biến dạng :
- Ứng suất :
- Chuyển vị :
* Nhận xét :
- Trường hợp Tmax bị biến dạng mạnh ở gối khuỷu thứ 3 và 4 nguyên nhân là do trong trường hợp này thì tại vị trí cổ khuỷu thứ 4 (xy lanh thứ 4) chịu một áp suất khí thể lớn Pkt = 0,52[MN/m2].
- Trường hợp Tmax vùng ứng suất hiệu dụng tại ở chốt khuỷu 1 và 4, má khuỷu bên trái bên phải hai khuỷu này chịu ứng suất lớn, đặc biệt tại chốt khuỷu 4 chịu ứng suất lớn nhất σ = 45,93 [MN/m2], cũng ở vị trí này sẽ xảy ra nguy hiểm nhất. Để khắc phụ sự nguy hiểm tại vị trí này ta cần tăng độ cứng của chốt và má khuỷu bằng cách tăng kích thước hoặc tôi cứng hoặc mạ Crom tại vị trí trên.
5.4.4. Trường hợp chịu lực Pttmax
Ta thực hiện các bước xây dựng phần tử lưới, áp đặt điều kiện biên và tính toán tương tự như trường hợp chịu lực Zmax ta được kết quả trong trường hợp chịu lực ΣTmax như sau:
- Biến dạng:
- Ứng suất:
- Chuyển vị:
Nhận xét:
- Trường hợp Pttmax bị biến dạng mạnh ở gối khuỷu thứ 4 nguyên nhân là do trong trường hợp này thì tại vị trí cổ khuỷu thứ 4 (xy lanh thứ 4) chịu một áp suất lớn Pkt = 0,78[MN/m2].
- Trường hợp Pttmax vùng ứng suất hiệu dụng tại ở chốt khuỷu thứ 4, má khuỷu bên trái bên phải của khuỷu này chịu ứng suất lớn nhất σ = 53,54[MN/m2], cũng ở vị trí này sẽ xảy ra nguy hiểm nhất. Để khắc phục sự nguy hiểm tại vị trí này ta cần tăng độ cứng của chốt và má khuỷu bằng cách tăng kích thước hoặc tôi cứng hoặc mạ Crom tại vị trí trên.
5.4.4. Nhận xét
- Trong các trường hợp trên đều cho thấy sự biến dạng khác nhau tại những gối khuỷu khác nhau cho mỗi trường hợp tính.
- Trong các trường hợp trên đều cho thấy ứng suất hiệu dụng tại những gối khuỷu khác nhau cho mỗi trường hợp tính là khác nhau, ta có thể phân biệt được nhờ vào thanh màu thể hiện ứng suất, tại những vùng màu đỏ là nơi có ứng suất lớn nhất và cũng là nơi nguy hiểm nhất của trục khuỷu. Tất cả các trường hợp trên đều cho thấy ứng suất tập trung chủ yếu ngay tại vị trí giao nhau của chốt khuỷu với má khuỷu (vùng màu đỏ trên hình). Nguyên nhân là tại vị trí này có tiếp diện nhỏ và do kết cấu trục khuỷu có các vùng gây ra ứng suất tập trung cũng ở những vị trí này. Để khắc phục sự nguy hiểm tại vị trí này ta cần tăng độ cứng của chốt và má khuỷu bằng cách tăng kích thước hoặc tôi cứng hoặc mạ Crom tại vị trí trên.
- Theo kết quả tính toán thì trong trường hợp chịu lực Zmax sẽ nguy hiểm nhất do chịu ứng suất lớn nhất σ = 153,52[MN/m2]. Để khắc phục sự nguy hiểm tại vị trí này ta cần tăng độ cứng của chốt và má khuỷu bằng cách tăng kích thước hoặc tôi cứng hoặc mạ Crom tại vị trí trên.
KẾT LUẬN
Qua phần tính toán bền cơ cấu khuỷu trục-thanh truyền động cơ B6 ở trên cho thấy được một cách nhìn tổng quan về kết quả tính toán bằng phần mềm Catia, từ đó có những đánh giá riêng về các tính năng của phần mềm Catia so với các phương pháp tính toán thông thường..
Việc ứng dụng phần mềm Catia vào tính toán động cơ là một phương pháp hiện đại và cho kết quả khá chính xác. Phương pháp này có thể tính toán được các chi tiết lắp ghép với nhau, do đó kết quả sẽ chính xác hơn so với các phương pháp tính khác. Từ kết quả tính toán nhận thấy được động cơ B6 đang khảo sát đủ bền trong các trường hợp chịu tải khác nhau, tuy nhiên độ bền giữa các chi tiết chưa đồng đều nhau, cụ thể trục khuỷu dư bền và thanh truyền yếu hơn tất cả nên cần tăng thêm kích thước của thanh truyền.
Nhìn chung việc tính toán bằng phần mềm Catia vẫn còn sai số, điều này do trong quá trình thiết kế và tính toán tồn tại sai sót cũng như đã bỏ qua một số điều kiện trước tính toán, tuy nhiên kết quả vẫn nằm trong giới hạn cho phép./
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]. T.S Dương Việt Dũng “Giáo Trình Môn Học Kết Cấu Động Cơ Đốt Trong ”, Đà Nẵng, Đại học bách khoa Đà Nẵng, 2007.
[3]. Nguyễn Tất Tiến. “Nguyên Lý Động Cơ Đốt Trong ”, Hà Nội, NXB Giáo dục, 2000.
[4]. Trần Thanh Hải Tùng, “ Tập Bản Vẽ Bài Giảng Kết Cấu Tính Toán Động Cơ Đốt Trong”, Đà Nẵng, Đại học bách khoa Đà Nẵng, 2008.
[5]. Nguyễn Hữu Phước, “ Hướng Dẫn Sữ Dụng Catia V5”, NXB Giao thông vận tải, 2006.
[6]. Trần Đình Quý ( Chủ biên), Trương Nguyễn Trung, Trần Thị Văn Nga, “ Công Nghệ Chế Tạo Phụ Tùng”, Hà Nội, NXB Giao thông vận tải, 2005.
"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"