Do đó mômen uốn đỉnh sẽ là: = ) (MN.m)
Coi thì:
= (MN.m) (CT 1-2/I)
Môđun chống uốn của tiết diện đỉnh:
(
Do đó ứng suất uốn đỉnh piston: (CT 1-3/I)
Ứng suất cho phép như sau: Đối với piston nhôm hợp kim:
+) Đỉnh không gân [σu ] = 20 - 25 MN/m2 +) Đỉnh có gân [σu ] = 100 - 190 MN/m2
Ta chọn vật liệu làm piston là nhôm hợp kim, đỉnh có gân tăng bền nên ta có [σu ] = 100190 MN/m2
2.3.3.3 Tính kiểm nghiệm bền đầu piston
Tiết diện nguy hiểm của phần đầu piston là tiết diện cắt ngang của rãnh xéc măng dầu (FI-I)
a. Ứng suất kéo
= (MN/ (CT 1-6/I)
Trong đó: mI-I là khối lượng phần đầu piston phía trên tiết diện I-I Tính khối lượng phía trên tiết diện I-I: (kg)
Áp dụng công thức : Trong đó:
+ là khối lượng riêng vật liệu làm piston, với piston làm bằng hợp kim nhôm ta chọn = 2,7. kg/
+ V là thể tích phần đầu piston phía trên mặt cắt I-I : V = Trong đó:
là thể tích phần đầu piston phía trên mặt cắt I-I coi là đặc
)
2 là thể tích phần rỗng của đầu piston phía trên mặt cắt I-I
= D − 2.t = 75 − 2.3 = 69 (mm) = 0,069 (m) = – 2.S = 69 − 2.8 = 53 (mm) = 0,053 (m) =
là thể tích phần rãnh xéc măng phía trên mặt cắt I-I
= (2.0,003 +(
Thể tích phần đầu piston là: V=
Khối lượng phần đầu piston là:
= V. .2,7. = 0,7 (kg) Ứng suất cho phép: [σk] ≤ 10 MN/m2
Tính diện tích FI-I của tiết diện I-I:
= D − 2.t = 75 − 2.3 = 69 (mm) = 0,069 (m) = – 2.S = 69 − 2.8 = 53 (mm) = 0,053 (m) ADCT:
= 1,5. (
ADCT:
. (cos+ λ.cos 2)
Trong đó: - λ là thông số kết cấu: λ = = = 0,25
- R là bán kính quay của trục khuỷu (mm): R = =
- là vận tốc góc của piston (rad/s) được xác định theo công thức: = = 628 (rad/s)
Từ biểu thức tính gia tốc J ta nhận thấy J đạt giá trị cực đại khi cos Khi đó ta có:
R λ)
= 42,5.. = 20951,65 (m/s) = = 9,7 (MN/
Nhận xét thấy = 9,7 MN/ < [σk] = 10 MN/m2 nên đầu piston thoả mãn về sức bền kéo.
b. Ứng suất nén
Ứng suất nén tiết diện I-I được xác định theo công thức: (CT 1-7/I)
= . 7,95 = 23,4 (MN/
Đối với piston làm bằng hợp kim nhôm ta có [ n ]= 25 (MN/ < ]= 25 (MN/
Vậy đầu piston thoả mãn điều kiện chịu nén.
2.3.3.4 Tính kiểm nghiệm bền thân piston
Tính nghiệm bền thân piston chủ yếu là kiểm tra áp suất tiếp xúc của thân với xilanh: ; MN/m2 (CT 1-8/I)
Trong đó: - là lực ngang cực đại
Có thể sơ bộ xác định theo công thức kinh nghiệm sau:
Đối với động cơ xăng:
= 0,3. λ.[(16,25 -). - 16]. MN (Tính toán ĐCĐT tập II/55) = 0,3.0,25.[(16,25 - 10,5).7,95 – 16].0,0752
= 12. (MN)
- là chiều dài thân piston: lth = H − (c + 2.a + 2. + )
= 0,06 – (0,005+2.0,003+2.0,002+0,003) = 0,042 (m) - D là đường kính piston
Như phần trên đã tính được = 17 (m/s) > 9 (m/s) nên: + Đối với động cơ tốc độ cao [ = 0,6-0,12 MN/m2
= 0,38 (MN/m2)
Nhận xét thấy < [ = 0,61,2 (MN/m2). Vậy thân piston đảm bảo bền.
2.3.3.5 Tính kiểm nghiệm bền bệ chốt piston
Đối với bệ chốt piston ta cần tính áp suất nén để kiểm tra xem có đảm bảo điều kiện bôi trơn không
Áp suất riêng trên bề mặt của nửa trên lỗ bệ chốt được xác định như sau: (MN/m2)
Trong đó:
- là chiều dài bệ chốt tiếp xúc với bệ chốt: = = = 0,023 (m)
- : Lực quán tính do khối lượng nhóm piston gây nên, sẽ đạt trị số lớn nhất khi piston ở ĐCT cuối nén, đầu cháy-giãn nở:
= 8,55 (MN/m2)
Đối với chốt lắp tự do, piston làm bằng hợp kim nhôm ta có [ = 2025 (MN/m2) Nhận xét thấy < [ nên bệ chốt piston đảm bảo bền.
2.3.3.6 Tính nghiệm bền chốt piston
Chốt piston làm việc trong trạng thái chịu uốn, chịu cắt, chịu va đập và biến dạng
a. Ứng suất uốn chốt
Với giả thiết sự phân bố tải trọng riêng lên các vùng bề mặt như hình trên, ứng suất lớn nhất xuất hiện giữa chốt được tính như sau:
Hình 2.20: Sơ đồ tính toán chốt piston
Khi chịu lực khí thể, chốt bị uốn lớn nhất ở tiết diện giữa chốt. Mômen uốn chốt có thể xác định theo công thức:
; MN.m (CT 1-10/I)
Mô đun chống uốn của tiết diện chốt piston bằng:
Trong đó: l- khoảng cách gữa hai gối đỡ ld- chiều dài đầu nhỏ thanh truyền dcp- đường kính chốt piston - đường kính lỗ rỗng của chốt – hệ số độ rỗng của chốt: = 0,75
Nếu coi chiều dài chốt piston lcp ≈ 3. l1 và l1 ≈ ld thì ứng suất uốn chốt piston tính theo sơ đồ hình 2.20 có thể tính theo công thức:
(CT 1-11/I) Thay số ta được:
= = 42,9 (MN/m2)
Chọn vật liệu làm chốt piston bằng thép hợp kim có [σu ]= 150÷250 (MN/m2) σu < [σu ] nên chốt piston đảm bảo bền uốn.
b. Ứng suất cắt
Chốt piston chịu cắt ở tiết diện I-I hình 2.20 ứng suất cắt xác định theo công thức: (MN/m2) (CT 1-12/I)
Trong đó: là tiết diện ngang chốt (m2) = = 1,37.10-4 (m2) = = 12,8 (MN/m2)
Chọn vật liệu làm chốt piston bằng thép hợp kim có [τc]= 50÷70 (MN/m2)
< [τc]= 50÷70 (MN/m2) nên chốt piston đảm bảo bền cắt.
c. Ứng suất tiếp xúc trên đầu nhỏ thanh truyền
; MN/m2 (CT 1-13/I)
= = 7,6 (MN/m2)
Chốt được nắp lỏng với bệ chốt : [Kb]= 20÷35 ( MN/m2)
Nhận xét thấy Kb < [Kb] nên chốt đảm bảo điều kiện bền tiếp xúc.
d. Ứng suất biến dạng
Khi biến dạng chốt biến dạng tạo thành dạng méo. Theo Kinaxosvili lực tác dụng theo chiều chốt piston phân bố theo đường parabon có số mũ từ 2,5÷3. Trên phương thẳng góc với đường tâm chốt tải trọng phân bố theo đường sin như hình 2.21
Hình 2.21: Ứng suất biến dạng trên tiết diện chốt piston
Đối với loại chốt có độ rỗng = 0,75 độ biến dạng có thể xác định theo công thức sau: .k (CT 1-14/I)
Trong đó: k- hệ số hiệu đính: k= [1,5-15. = 0,86
E- Mô đun đàn hồi của thép: E= 2.105 MN/m2 ADCT:
= 6,7.10-6 (m2) Độ biến dạng tương đối: 0,002 mm/cm
= = 0,0003 (mm/cm) < 0,002 (mm/cm) (CT 1-15/I) Khi chốt bị biến dạng phân bố theo hình 2.21b
Trên các điểm 1,2,3,4 có ứng suất lớn nhất
Ứng suất kéo tại điểm 1 của mặt ngoài (φ = 0°) tính theo công thức sau: = .[0,19. - ].k (CT 1-16/I)
= .[0,19. – ( MN/m2) = -7,43
Ứng suất nén tại điểm 3 của mặt ngoài: = .[0,174. - ].k (CT 1-17/I)
= .[0,174. – ( MN/m2) = 4,95
Ứng suất nén tại điểm 2 của mặt trong: = .[0,19. - ].k (CT 1-18/I)
= .[0,19. – ( MN/m2) = 7,86
Ứng suất kéo tại điểm 4 của mặt trong (φ = 90°): = .[0,174. - ].k (CT 1-19/I)
= .[0,174. – ( MN/m2) = -4,75
Theo kết quả tính toán ứng suất kéo tai điểm 1 mặt ngoài và ứng suất nén tại điểm 2 mặt trong có giá trị lớn nhất
Vậy chốt piston đảm bảo điều kiện biến dạng.
2.3.4 Tính toán kiểm nghiệm bền xéc măng
Kích thước xéc măng khí có liên quan mật thiết với ứng suất của xéc măng là chiều dày t. Chiều dày xéc măng t thường đã được chuẩn hoá. Có thể xác định trong phạm vi:
D/t = 20 ÷ 30 và A/t = 2,5 ÷ 4 Chọn A = 3.t = 3.0,0035 = 0,0105 (m) Trong đó:
D - đường kính xilanh
A - độ mở miệng của xéc măng ở trạng thái tự do
2.3.4.1 Ứng suất uốn
Xéc măng không đẳng áp khi xéc măng làm việc - ứng suất công tác có thể xác định theo công thức Ghinxbua:
(CT 1-20/I) Trong đó:
– hệ số ứng suất phần miệng xéc măng. Tuỳ theo quy luật phân bố áp suất phần miệng có thể chọn = 1,741,87. Chọn = 1,8
– hệ số phân bố áp suất. Thông thường có thể chọn = 0,196 E – Modun đàn hồi của hợp kim gang: E= 1,2.105 MN/m2 ADCT:
(CT 1-20/I)
= = 336,25 (MN/m2) Xét thấy < [] = 300 400 (MN/m2) Vậy xéc măng đảm bảo bền uốn.
2.3.4.2 Ứng suất lắp ghép xéc măng vào piston
(CT 1-21/I) Trong đó: m – hệ số lắp ghép Lắp ghép bằng đệm: ta chọn m= 1,57 ADCT: = = 341,62 Xét thấy < [] = 400 450 (MN/m2) Vậy xéc măng đảm bảo bền lắp ghép.
2.3.4.3 Ứng suất khi gia công định hình
= (1,251,3). (CT 1-22/I)
Chọn = 1,25. = 1,25. 336,25 = 420,3 (MN/m2)
Ứng suất cho phép [] = 420,3 (MN/m2) < [ σu3] = 450 MN/m2
(CT 1-23/I) = = 0,3 (MN/m2)
Chương III: Thiết kế nhóm Piston bằng phần mềm Catia
3.1 Ứng dụng phần mềm Catia V5-R21
3.1.1 Giới thiệu phần mềm
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 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 Hewlett-Packard HP- UX
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
3.1.2 Ứng dụng catia
Ứng dụng trong lắp ráp và mô phỏng động học Ứng dụng trong lập trình và mô phỏng gia công Ứng dụng trong phân tích động lực học
Ứng dụng trong kết cấu xây dựng và kiến trúc Ứng dụng trong thiết kế đường ống cấp
3.1.3 Chức năng của các module
- Mechanical Design:
Hình 3.1: Giao diện Mechanical Design
Là một sản phẩm 3D cao cấp. Với giao diện thân thiện và trực quan nó có thể giúp nhà thiết kế đưa ra các sản phẩm thiết kế một cách dễ dàng và nhanh chóng. Những sản phẩm được tạo ra từ Mechanical Design có thể dễ dàng thiết lập các ràng buộc cơ khí, tự động định vị các bộ phận và kiểm tra được tính thống nhất khi lắp ráp
Trong Mechanical Desgin có rất nhiều module nhỏ khác nhau như: Part design, Mold tooling design, Drafting…Với sự đa dạng đó CATIA giúp người dùng có thêm nhiều
- Module Shape:
Hình 3.2: Giao diện Shape
Là sản phẩm cao cấp và vượt trội của CATIA so với những phần mềm khác. Shape chuyên dụng để thiết kế cho những sản phẩm có biên dạng, bề mặt phức tạp. Ngoài ra, Shape còn sử dụng được trong công nghệ thiết kế ngược
Một số module của shape như: Digitized Shape Editor, Sketch Tracer
- Digital Mockup:
Là bộ tổng hợp những chức năng của CATIA dùng để mô phỏng động học, động lực học, kiểm tra va chạm khi thiết kế với CATIA
- Ergonomics Design & Analysis:
Hình 3.4: Giao diện Ergonomics Design và Analysis
Đây là cụm module phục vụ cho việc mô phỏng và phân tích những tương tác của con người trong quá trình sản xuất
- Equidment and System:
Hình 3.5: Giao diện Equidment and system
Equidment and System cung cấp một bộ sản phẩm cho phép thiết kế đồng thời và tích hợp các hệ thống điện, nước và cơ khí trong môi trường 2D hoặc 3D. Nó bao
gồm các sản phẩm để tối ưu hóa việc thiết kế các bản mạch và thiết kế các sản phẩm cơ cấu
- ACE Plant: cho phép nhà thiết kế tối ưu hóa cách bố trí nhà máy sản xuất
- Module Machining Simulation: Chuyên sử dụng cho việc thiết lập và mô phỏng
máy CNC
Hình 3.6: Giao diện Module Machining simulation
- Module Machining: Chuyên sử dụng cho việc thiết lập và mô phỏng chương trình
Hình 3.7: Giao diện Modle Machining
3.2 Các lệnh cơ bản trong các module
3.2.1 Module Mechanical Design
Giao diện Part Design:
Một khối part được thiết kế bằng cách là thêm vật liệu, lọai bỏ bớt vật liệu. Trong phần này, chúng ta sẽ học cách để thiết kế một khối part theo những chỉ dẫn bên dưới
Pad (Tạo part bằng cách Extrude 1 sketch profile):
Công cụ thường xuyên được sử dụng trong việc tạo một khối 3D. Nó có chức năng kéo một biên dạng 2D thành một khối 3D
Clickick vào Pad nằm trên thanh công cụ. Hộp thoại Pad Definition xuất hiện:
Drafting Fillet Pad (Tạo 1 pad có vát mặt bên và vo tròn các cạnh):
Clickick vào Drafted Filleted Pad trên thanh công cụ. Hoặc vào Insert > Sketch- Based Freature > Drafted Filleted Pad. Sau đó chọn Sketch dùng để tạo Pad
Hộp thoại Drafted Filleted Pad Defìnition xuất hiện:
Clickick vào Multi Pad
Trên thanh công cụ. Hoặc Insert > Dressup-Based Feature > Multi Pad. Sau đó chọn Sketch dùng đế tạo Pad. Hộp thoại Multi Pad Defìnition xuất hiện:
Pocket (Tạo hốc cho part):
Clickick vào Pocket trên thanh công cụ. Hoặc vào Insert > Sketch-Based Feature > Pocket
Multi-Pocket (Tạo hốc với nhiều profile):
Clickick vào Multi-Pocket trên thanh công cụ. Hoặc Insert > Sketch-Based Feature > Multi-Pocket. Sau đó chọn Sketch dùng để tạo Pocket. Hộp thoại Multi- Pocket xuất hiện:
Clickick vào Drafted Filleted Pocket trên thanh công cụ. Hoặc vào Insert > Sketch-Based Freature > Drafted Filleted Pocket. Chọn biên dạng của Poket. Hộp thoại Drafted Filleted Pocket Definition xuất hiện:
Lệnh Shaft (Tạo trục):
Clickick vào Shaft trên thanh công cụ. Hoăc vào Insert > Sketch-Based Freature > Shaft. Hộp thoại Shaft Definition xuất hiện:
Lệnh Groove (Tạo rãnh):
Groove là lệnh tạo một vật thể bằng cách khoét một vật thể có săn. Phần vật thể bị khoét đi được tạo bằng cách xoay một biên dạng quanh một trục quay
Clickick vào Groove trên thanh công cụ. Hoặc vào Insert > Sketch-Based Freature > Groove. Hộp thoại Goove Definition xuất hiện:
Lệnh Hole (Tạo lỗ với vị trí xác định):
Clickick vào Hole trên thanh công cụ.Hoặc vào Insert > Sketch-Based Feature > Hole. Sau đó chọn mặt phẳng cần tạo Hole. Hộp thoại Hole Definition xuất hiện:
Lệnh Rib (Tạo gân):
Clickick vào Rib Definition trên thanh công cụ. Hoặc vào Insert > Sketch-Based Features > Rib. Xuất hiện hộp thoại Rib:
Lệnh slot (Cắt part theo 1 đường cong):
Clickick vào Slot trên thanh công cụ. Hoặc Insert > Sketch-Based Feature > Slot. Hộp thoại Slot Definition xuất hiện:
Stiffener (Tạo gân trợ lực):
Clickick vào Stiffener trên thanh công cụ. Hoặc vào Insert > Sketch-Based Feature > Stiffener. Hộp thoại Stiffener Deíinition xuất hiện:
Lệnh Multi-Sections Solid (Tạo solid từ nhiều mặt phẳng vẽ phác qua một đường
cong chỉ hướng):
Lệnh Loft cho phép tạo các mô hình có hình dạng phức tạp bằng cách nối các biên dạng trên các mặt phẳng. Lệnh Loft không hạn chế số biên dạng vẽ phác. Nhưng chú ý các biên dạng phải được sắp xếp sao cho khi vật thể tạo thành thì các bề mặt của vật thể không được giao nhau
Khi sử dụng lệnh Loft thì các biên dạng không được nằm trên cung một mặt phẳng Clickick vào Loft trên thanh công cụ. Hoặc vào Insert > Sketch-Based Freature > Loft. Hộp thoại Loft Definition xuất hiện:
Removed Multi-Section Solid (Khoét rỗng solid từ một mô hình Multi Section-solid):
Lệnh Remove Loft cho phép tạo mô hình bằng cách khoét một mô hình có sẵn. Mô hình dùng để khoét được tạo bằng cách nối các biên dạng trên các mặt phẳng
Clickick vào Remove Loft trên thanh công cụ. Hoặc vào Insert > Sketch-Based Freature > Remove Loft. Hộp thoại Remove Loft Definition xuất hiện:
Edge Fillet: Bo tròn 1 bề mặt trên thanh công cụ. Hoặc Clickick vào Insert > Dress-Up Features > Edge Fillet. Hộp thoại Edge Fillet Defìnition xuất hiện:
Variable Radius Fillet: (Bo tròn 1 bề mặt với những giá trị bán kính khác
nhau) trên thanh công cụ. Hoặc Clickick vào Insert > Dress-Up Features > Variable Radius Fillet. Hộp thoại Variable Edge Fillet hiện ra:
Chamfer: (Vát bề mặt) trên thanh công cụ. Hoặc Clickick vào Insert > Dress- Up Features > Chamfert. Hộp thoại Chamfer Definition xuất hiện:
Draft Angle: (Vát bề mặt với 1 góc) trên thanh công cụ. Hoặc Clickick vào Insert > Dress-Up Features > Draft Angle. Hộp thoại Draft Definition xuất hiện:
Variable Draft: (Vát bề mặt với những góc khác nhau) trên thanh công cụ.