Đồ án: Thiết kế, tính toán và mô phỏng trục khuỷu động cơ diesel bằng Catia

Đồ án hướng dẫn chi tiết thiết kế, tính toán và mô phỏng trục khuỷu động cơ diesel bằng phần mềm Catia. Phân tích, kiểm nghiệm bền toàn diện.

• Người hướng dẫn: Th.S Xxx
• Chuyên ngành: Cơ khí
• Đề tài: Thiết kế tính toán, kiểm nghiệm nhóm trục khuỷu cơ cấu trục khuỷu thanh truyền. Mô phỏng cụm trục khuỷu trên động cơ Diesel bằng phần mềm Catia
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Thiết kế Trục Khuỷu Động cơ Diesel

Thiết kế trục khuỷu động cơ diesel là một trong những yếu tố quan trọng nhất trong kỹ thuật cơ khí hiện đại. Trục khuỷu đóng vai trò chuyển đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay, giúp động cơ diesel hoạt động hiệu quả. Cơ cấu khuỷu trục - thanh truyền bao gồm các bộ phận phức tạp như piston, thanh truyền, và trục khuỷu nguyên hoặc ghép. Quá trình thiết kế và mô phỏng trục khuỷu cần tuân theo các nguyên tắc tính toán động học, động lực học và kiểm nghiệm bền. Các điều kiện làm việc khắc nghiệt như áp suất cao, nhiệt độ cao và tải trọng lớn đòi hỏi thiết kế phải chính xác và an toàn.

1.1. Cấu trúc và Chức năng của Trục Khuỷu

Trục khuỷu bao gồm các thành phần chính như đầu trục, khuỷu trục, cổ khuỷu và đuôi trục. Cấu trúc trục khuỷu nguyên được ứng dụng phổ biến trong động cơ đốt trong. Mỗi khuỷu mang một thanh truyền kết nối với piston. Tùy loại động cơ, trục khuỷu có thể là trục khuỷu ghép hoặc trục khuỷu thiếu cổ. Chức năng chính là chuyển đổi lực từ piston thành mô-men xoắn.

1.2. Điều kiện Làm việc và Yêu cầu Thiết kế

Trục khuỷu động cơ diesel phải chịu đựng các lực phức tạp bao gồm lực quán tính, lực áp suất gas và lực từ thanh truyền. Yêu cầu thiết kế bao gồm độ bền cao, khả năng chống uốn, chống xoắn và chống mỏi. Vật liệu thường sử dụng là thép hợp kim với độ cứng và tính dẻo thích hợp.

II. Phương pháp Tính toán Động học và Động lực học

Tính toán động học là bước quan trọng trong quá trình thiết kế trục khuỷu. Phương pháp này xác định hành trình piston, tốc độ và gia tốc của piston theo góc quay của trục khuỷu. Đồ thị công chỉ thị P-V được xây dựng dựa trên các quá trình nạp, nén, cháy và giãn nở. Từ đó tính toán được các lực tác dụng trên khuỷu trục. Tính toán động lực học xác định lực quán tính, mô-men xoắn, ứng suất pháp và ứng suất cắt. Các thông số này được biểu diễn dưới dạng đồ thị theo góc quay α, giúp xác định các điểm tích lũy ứng suất cao.

2.1. Tính toán các Quá trình Công tác

Động cơ diesel 4 kỳ bao gồm quá trình nạp, nén, cháy và giãn nở. Tính toán quá trình nén xác định áp suất và nhiệt độ cuối nén. Quá trình cháy được tính toán dựa trên lượng nhiên liệu đốt và tỷ lệ nén. Quá trình giãn nở xác định công và lực tác dụng lên piston.

2.2. Xây dựng Đồ thị Lực và Ứng suất

Đồ thị biểu diễn lực quán tính Z theo α cho thấy sự biến thiên của lực trong suốt chu kỳ công tác. Đồ thị ứng suất được vẽ từ những kết quả tính toán lực tác dụng. Những điểm có ứng suất cực đại được xác định để thiết kế chi tiết phù hợp.

III. Ứng dụng Phần mềm Catia trong Thiết kế Trục Khuỷu

Phần mềm Catia V5 là công cụ mạnh mẽ để thiết kế và mô phỏng trục khuỷu động cơ diesel. Catia cung cấp các module chuyên biệt như Mechanical Design cho thiết kế chi tiết, giao diện Shape cho tạo hình bề mặt phức tạp, và module Analy/Simulatim cho kiểm nghiệm bền. Mô phỏng trục khuỷu bằng Catia bao gồm các bước: vẽ sketch 2D, tạo khối 3D, lắp ráp cụm, áp dụng ràng buộc và lực, chia lưới phần tử hữu hạn, và chạy tính toán. Kết quả mô phỏng cho thấy phân bố ứng suất, chuyển vị và biến dạng trên trục khuỷu, giúp xác định độ an toàn.

3.1. Các Module chính trong Catia

Module Mechanical Design dùng để thiết kế chi tiết từng bộ phận. Module Shape tạo bề mặt có hình dạng phức tạp. Module Analy thực hiện phân tích phần tử hữu hạn (FEA). Module Machining lập trình gia công CNC. Mỗi module có các công cụ và lệnh riêng biệt để xử lý các tác vụ khác nhau.

3.2. Quy trình Thiết kế Chi tiết Trục Khuỷu

Bước đầu tiên là vẽ sketch profile của trục khuỷu. Tiếp theo tạo cổ biên và má khuỷu bằng lệnh Pad và Dress. Sử dụng lệnh MIRROR để lấy đối xứng các phần tử. Tạo các lỗ ren, lỗ dầu để hoàn thiện chi tiết. Cuối cùng lắp ráp cụm piston-thanh truyền-trục khuỷu.

IV. Kiểm nghiệm Bền Trục Khuỷu bằng Catia

Kiểm nghiệm bền trục khuỷu là bước tối cần thiết để đảm bảo an toàn hoạt động. Trong Catia, quá trình kiểm nghiệm bắt đầu bằng việc chọn vật liệu (thường là thép hợp kim) có đặc tính yêu cầu. Tiếp theo đặt ràng buộc cố định tại các vị trí lắp và áp dụng lực tác dụng tại các vị trí chịu tải. Chia lưới phần tử hữu hạn được thực hiện với mật độ phù hợp để đạt độ chính xác cao. Sau khi chạy tính toán, phần mềm hiển thị phân bố ứng suất Von Mises, chuyển vị, và biến dạng. Nếu ứng suất cực đại nhỏ hơn giới hạn cho phép, thiết kế được chấp nhận.

4.1. Chuẩn bị và Áp dụng Tải trọng

Trước kiểm nghiệm, chọn vật liệu phù hợp dựa trên yêu cầu kỹ thuật. Ràng buộc cố định được đặt tại các vị trí tiếp xúc với ổ trục. Lực PZmax (lực tác dụng cực đại) được xác định từ tính toán động lực học và áp dụng tại phần cổ biên. Điều kiện biên này mô phỏng chính xác các điều kiện làm việc thực tế.

4.2. Phân tích Kết quả và Đánh giá An toàn

Kết quả mô phỏng hiển thị ứng suất phân bố trên toàn bộ trục khuỷu. Vùng có ứng suất cao thường tại các má khuỷu và cổ khuỷu. So sánh ứng suất cực đại với giới hạn bền của vật liệu xác định hệ số an toàn. Nếu hệ số an toàn đủ lớn, thiết kế được phê duyệt sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Mục đích, ý nghĩa của đề tài Ngày nay có rất nhiều phần mềm hỗ trợ cho công việc của người kỹ sư thiết kế. Giúp cho công việc của người thiết kế trở nên thuận lợi và tiết kiệm được rất nhiều thời gian. Trong các công đoạn của quá trình sản xuất cơ khí thì sự tiện ích của các phần mềm hỗ trợ thực sự có vai trò đóng góp hết sức to lớn. Từ việc lên bản vẽ thiết kế chi tiết máy đến việc mô phỏng lắp ghép và kiểm tra độ bền của các chi tiết máy trước khi đưa vào sản xuất thực tế.

Do đó, các phần mềm hỗ trợ đã tiết kiệm rất nhiều thời gian và kinh tế trong sản xuất, hạn chế và tránh những sai sót gặp phải trong quá trình sản xuất thực tế. Phần mềm : “Catia thiết kế và mô phỏng các cơ cấu máy” là một trong những phầm mềm hỗ trợ cho những người đang học tập cũng như làm việc trong lĩnh vực thiết kế chi tiết và cơ cấu máy. Và hiện tại phần mềm này là một trong những phần mềm mới chưa được ứng dụng phổ biến đối với sinh viên và kỹ sư của chúng ta. Vì vậy em chọn nghiên cứu ứng dụng phần mềm Catia làm đề tài tốt nghiệp cho mình.

Em đã thực hiện việc nghiên cứu học tập từ lý thuyết đến thực hành để sữ dụng phần mềm Catia trong thiết kế và mô phỏng các cơ cấu máy. Em hy vọng đề tài này sẽ mang đến cách nhìn tổng quan về thiết kế và mô phỏng chi tiết, cơ cấu máy trong Catia. Tạo tiền đề cho việc nghiên cứu sâu hơn các tính năng mà phần mềm hổ trợ, giúp cho người kỹ sư có cách nhìn mới về thiết kế, mô phỏng 3D một cách chính xác và trung thực. Tổng quan cơ cấu khuỷu trục - thanh truyền động cơ đốt trong.1 Nhiệm vụ, điều kiện làm việc của cơ cấu khuỷu trục - thanh truyền.

Nhiệm vụ Biến chuyển động tịnh tiến của Piston thành chuyển động quay của trục khuỷu để đưa công suất ra ngoài. 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 chiụ 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. 1 - Đối với thanh truyền: Trong quá trình làm việc, thanh truyền chịu lực tổng hợp của lực khí thể và lực quán tính (P). 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.

- Đối với Piston: Điều kiện làm việc của Piston rất nặng nhọc vừa chịu tải trọng cơ học vừa chịu tải trọng nhiệt. Ngoài ra Piston còn chịu ma sát và ăn mòn. + Tải trọng cơ học: trong quá trình cháy, khí hổn hợp cháy sinh ra áp suất rất lớn trong buồng cháy, trong chu kỳ công tác áp suất khí thể thay đổi rất lớn vì vậy lực khí thể có tính chất va đập + Tải trọng nhiệt: trong quá trình cháy Piston trực tiếp tiếp xúc với sản vật cháy có nhiệt độ rất cao. Mà như vậy nhiệt độ của Piston và nhất là nhiệt độ phần đỉnh Piston củng rất cao.

+ Ma sát và ăn mòn: Trong quá trình làm việc Piston chịu ma sát khá lớn do thiếu dầu bôi trơn và lực ngang N ép Piston vào xi lanh, ma sát càng lớn do biến dạng của Piston. Ngoài ra đỉnh Piston tiếp xúc trực tiếp với sản vật cháy nên còn bị sản vật cháy ăn mòn.2 Đặc điểm kết cấu của cơ cấu khuỷu trục - thanh truyền 1.1 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 piston động cơ Điesel 4 kỳ + 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  Đỉnh bằng là loại phổ biến nhất, có diện tích chịu nhiệt bé nhất và có kết cấu đơn giản dể 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.

Đỉnh lõm 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 chọn từ 35 , số lượng rãnh xécmăng dầu từ 1 3. 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.

3 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 thường không phải là hình trụ mà tiết diện ngang thường có dạng ô van hoặc 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.

2 Trạng thái biến dạng của Piston khi chịu nhiệt, lực khí thể PZ và lực ngang N 1.2 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.

a, Kết cấu thanh truyền động cơ một hàng xi lanh. Ở động cơ một hàng xi lanh số lượng thanh truyền sẽ băng 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. 4 d1 d2 b s dc dl Hình 1. 3 Đầu nhỏ thanh truyền khi chốt piston lắp ghép tự do. Trong động cơ máy bay, động cơ dùng trên ôtô, đầu nhỏ thanh truyền có dạng trụ mỏng ( hình 1.

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. Phía trên đầu nhỏ thanh truyền của động cơ cao tốc, đôi khi làm lồi lên một ít, vấu lồi này dùng để điều chỉnh trọng lượng và trọng tâm của thanh truyền. Đầu nhỏ thanh truyền của các động cơ dùng kiểu lắp chốt piston cố định trên đầu nhỏ thanh truyền có dạng như hình 1.

Đầu nhỏ thanh truyền khi lắp cố định với chốt piston. 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 2 - 5a,c tương đối khó khăn. 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. 6 Tiết diện thân thanh truyền. Loại thân thanh truyền có tiết diện tròn ( hình 1 - 6c,d) thường dùng trong động cơ tĩnh tại và động cơ tàu thuỷ tốc độ thấp. Ưu điểm của loại này là dễ chế tạo theo phương pháp rèn tự do và dễ gia công.

Khuyết điểm của loại thân thanh truyền này là sử dụng vật liệu không hợp lý. Vì trong mặt phẳng lắc của thanh truyền nó chịu lực lớn nhất, do đó yêu cầu thanh truyền phải có mô đuyn chống uốn trong mặt phẳng lắc lớn hơn so với môđuyn chống uốn trong mặt phẳng kia (mặt phẳng thẳng góc với mặt phẳng lắc). Vì vậy dùng thân thanh truyền có tiết diện tròn nếu đảm bảo độ cứng vững trong mặt phẳng lắc vừa đủ thì độ cứng vững trong mặt phẳng kia sẻ thừa. Hiện nay loại thân thanh truyền có tiết diện chữ I (hình 1 - 6a,b) được dùng rất nhiều trong động cơ ô tô máy kéo và các động cơ cao tốc.