Piston Dci PAC Cozma George
Transcript of Piston Dci PAC Cozma George
FACULTATEA DE MECANICĂ ŞI TEHNOLOGIE
Proiectare Asistată de Calculator
Analiza staticasi analiza modurilor proprii de vibratie
pentru piston dCi camera “ω”
An universitar: 2011-2012
Sem. : II
CMPA
Cozma George
1
Cuprins
1. Introducere..........................................................................................................................3
1.1 Pistonul................................................................................................................................3
1.2 Fisa tehnica si parametrii functionali..................................................................................4
2. Modelare.............................................................................................................................6
3. Analiza statica...................................................................................................................14
4. Realizarea analizei modurilor proprii de vibratii..............................................................19
MESH:....................................................................................................................................21
ELEMENT TYPE:..................................................................................................................21
ELEMENT QUALITY:..........................................................................................................22
Materials.1...............................................................................................................................22
Boundary Conditions..............................................................................................................23
FREQUENCY Computation...................................................................................................24
Frequency Case Solution.1 - Deformed mesh.1......................................................................26
Bibliografie.................................................................................................................................31
2
1. Introducere
1.1 Pistonul
Pistonul – elementul cel mai solcitat al mecanismului motor; asigură evoluţia fluidului motor în
cilindru şi transmite arborelui cotit, prin intermediul bielei, lucru mecanic rezultat din transformarea
energiei chimice a combustibilului. Mişcarea alternativă a pistonului generează variaţiile periodice de
volum a cilindrului, pentru funcţionarea motorului. Această funcţionare implică o etanşeitate obţinută
fără frecare excesivă pe cămaşa cilindrului.
Pistonul lucrează în condiţii de temperatură şi presiune ridicate fiind supus unor importante
solicitări mecanice si termice. În acelaşi timp sub efectul presiunii gazelor şi al forţelor de inerţie,
asociate cu dificultatea realizării unei ungeri lichide, lucrul mecanic de frecare capătă valori însemnate
determinând o intensă uzură a pistonului şi cilindrului.
Împreună cu bolţul de piston şi segmenţii, pistonul propriu-zis îndeplineşte următoarele
funcţiuni, absolut necesare pentru funcţionarea motorului: preia şi transmite bielei forţa de presiune a
gazelor şi lucru mecanic dezvoltat de acesta precum şi forţele de inerţie; transmite cilindrului
reacţiunea normală produsă de bielă; etanşează cilindrul în ambele sensuri: împiedică scăparea gazelor
înspre carter şi pătrunderea uleiului în camera de ardere; preia şi evacuează o pare din căldura
dezvoltată prin arderea combustibilului; asigură reglarea cantităţii de ulei pe oglinda cilindrului.
Primele doua funcţi sunt preluate de piston împreună cu bolţul, care este organ de articulaţie, iar
urmatoarele funcţiuni sunt preluate de la piston împreună cu segmenţii. Pe lângă aceste funcţiuni,
pistonul mai îndeplineşte şi o serie de funcţiuni suplimentare, şi anume: conţine parţial sau integral
camera de ardere, crează o mişcare dirijată a gazelor în
cilindru; este organ de pompare la motoarele în patru timpi; este organ de
distribuţie şi în unele cazuri de pompă pentru
balezaji la motoarele în doi timpi.
Îndeplinirea acestor funcţii se asigurată
prin construcţia pistonului care se compune din (fig.1.1):
capul pistonului, regiunea port-segmenţi,
mantaua, umerii mantalei (locaşele bolţului).
Distanţa de la suprafaţa capului la axa locaşului bolţului
reprezinta o cotă principală, numită
înalţimea de compresiune.
Capul pistonului preia presiunea gazelor
şi închide spaţiul cu volum variabil al camerei de ardere. Forma capului de piston trebuie să faciliteze
arderea, fiind determinată de tipul motorului şi al camerei de ardere.
3
Fig. 1.1 Construcţia pistonului
Regiunea port-segmenţi este partea de etanşarecare conţine canalele în care se introduc
segmenţii.
Mantaua pistonului ghidează pistonul în mişcarea sa şi transmite pereţilor culindrului forţa
normală.
1.2 Fisa tehnica si parametrii functionali
Caracteristicile tehnice ale motorului pentru care se proiectează pistonul cu cameră unitară sunt
trecute în tabelele de ai jos. Petru realizarea analizei statice si dinamice din punct de vedere mecanic,
este necesar sa se materializeze solicitarile care apar in functionarea motorului , asupra pistonului.
4
Parametru Valoare UM
Material
Densitatea 2.82 Kg/dm3
Duritate 110
Rezistenta de rupere la tractiune
950
Rezistenta de rupere la oboseala
210
Modul Young 7e+010 N_m2
ProcesPresiunea maxima 130 bar
Temperatura maxima
2113 K
daN
cm2
DACIA LOGAN 1.5 dCiMotorizare MotorinăTip motor (1.5 dCi) K9KTip cutie viteze ManualaNivel de depoluare Euro 4
Caracteristici motorCilindree (cm3) 1.461Alezaj x Cursă (mm) 76x80.5Putere maxima (Kw/CP) 63 / 85Regim putere maxima (tr/min)
3.750
Cuplu maxim CEE (Nm) 200Regim cuplu maxim (tr/min)
1.900
Tip injectieDirectă comon rail cu turbocompresor şi schimbător aer-aer
PerformanţeViteza maximă (km/h) 162Accelerare 0 la 100 km/h (s)
13″
Mase (kg)Proprie 975Total maxim autorizat (MMAC)
1535
2. Modelare
5
Pentru modelare se va utiliza programul SolidWorks 2010 .
Pasul 1. Lansarea modelului :New→Part→OK
Pasul 2. Selectarea unui plan : Right plane→ Pasul 3. Se creaza profilul pistonului si apoi se coteaza corespunzator folosind comanda
(Fig.2.1).
Figura 2. 1
Pasul 4. Se iese din Sketch folosind comanda si apoi folosind comanda
Revolve din sub-categoria Features se creaza dimeniunea gabaritica a pistonlui . (Fig.2.2).
6
Figura 2. 2
Pasul 5. Pentru indepartarea materialului si executarea decupajelor fustei pistonului se
selecteaza Front plane si se apasabutonul . In Sketch se realizaeaza cu ajutorul comenzilor
Circle si Line profilul frezarii . Dupa iesirea din schita se va utiliza functia . In
fereastra functiei se bifeaza Trough All pe doua directi (Fig.2.3 ).
Figura 2. 3
7
Pasul 6. Localizarea si decuparea cameri de ardere de tip “ω”Camera de ardere este dispusa cu o anumita deviatie de la axa de centru a pistonului. Pentru
pozitionarea acesteia se va realiza un alezaj in capul pistonului cu centrul decalat fata axa pistonului.
Se selecteaza fata capului pistonului si se apasa , dupa realizarea schitei se vor parcurge fazele
pentru functia pe o singura directie cu adancimea din imagine .(Fig.2.4 )
Figura 2. 4
In continuare se creaza un plan paralel cu Front Plane ce trece prin centrul gaurii apeland
functia si subfunctia . In fereastra de Plane1 la First Reference se selecteaza Front
Plane si la se prescrie dimensiunea de descentrare a camerei de ardere fata de referinta initial aleasa.
Pentru realizarea profilului ω al cameri de ardere se selecteaza noul plan Plane1 si conform schitei din (Fig.2.5) Pentru o mai buna vizibilitate asupra schitelor realizate in ineriorul
pieselor se poate utiliza butonul Section View . Dupa realizarea schitei se va utiliza functia
. Pentru aceasta functie este necesar sa se defineasca o axa de rotatie si o schita cu contur inchis.
8
Figura 2. 5
In continuare se va realiza decupajul pentru obtinerea jocului functional dintre supape si capul pistonului(Fig.2.6). Schita se va realiza pe suprafata anterioara a capului pistonului si se va utiliza
functia conform pasilor anteriori si se va prescrie o adancime de 0.15 mm.
Figura 2. 6
9
Pentru finalizarea camerei de ardere se va utiliza functia din sectiunea Features conform (Fig.2.7).
Figura 2. 7
Pasul 7. Pentru o mai buna functionare a pistonului, in regimuri termice cu variatii ridicate si pentru a evita blcajul in cilindru , in mantaua pistonului se prevad goluri de material pe suprafata exterioara. Deoarece in zona de bosaje bolt, pentru o mai buna rezistenta mecanica, se utilizeaza o cantitate mai mare de material, aici dilatarea materialului poate duce la uzura prematura chiar gripare.
Aceste decupaje se realizeaza cuajutorul functiei , utilizand explicatiile de la Pasul 5. (Fig.2.8 ).
Figura 2. 8
Pasul 8.In continuare se vor realiza bosajele pentru bolt. Pentru aceasta se va genera un plan la o distanta de 34,700 mm fata de Right Plane ( vezi pasul 6). Dupa realizarea schitei din (Fig.2.9) se
10
selecteaza functia , la sectiunea From →Scketch Plane, Direction→Blind→26.00 mm→se bifeaza casuta Merge Results .
Figura 2. 9
Pasul 9. Dupa realizarea primului bosaj se va translata fata de referinta Right Plane folosind
functia utilizand functia conform (Fig.2.10)
Figura 2. 10
11
Pasul 10. Utilizand functia se va realiza bosaul pentru bolt conform(Fig.2.11).
Figura 2. 11
Pasul 11. Utilizand functia se genereaza razele de racordare dintre sportul bosajelor si mantaua pistonului (Fig.2.12 ). Se selecteaza suprafata colorata cu albastru conform figurei si se bifeaza Multiple radius filet si Tangent propagation. Pentru o vizualizare mai buna se poate utiliza functia Full preview.
Figura 2. 12
12
Pasul 11 Pentru o mai buna scurgere a uleiului spre carterul inferior se prevad canale utilizand
functia functia (Fig.2.13)
Figura 2. 13
Pasul 12. Pentru analizarea piesei n Catia V5 piesa se va salva cu extensia STEP conform (Fig.) Pentru realizarea analizei
Figura 2. 14
13
3. Analiza statica
Pentru analiza statica se vor stabili punctele de fixare si fortele care solicita arborele.
Pasul 1. Start → Analysis & Simulation → Generative Structural Analysis. Se selecteza apoi Static Frequency Analysis
Pasul 2. Surface slider→ Name Surface slider.1, Faces (se alezajele bozajelor si suprafetele de ghidaj ale mantalei ) → OK (Fig.3.1 )
Figura 3. 1
Pe suprafata superioara a pistonului se aplica o presiune 130 daN, orientata perpendicular pe suprafetele capului pistonului.
Astfel, in arborele de specificatii devine disponibil subelementul Pressure.1 Presunea este simbolizata pe suprafata prin patru sageti(Fig.3.2). Dupa stabilirea restrictiilor si a incarcarii, urmeaza etapa efectiva a calculului analizei
Pasul 3. Pressure → Name Clamp.1, Faces (selectarea fetelor contragreutatilor) → OK.
14
Figura 3. 2
Pasul 4. Se defineste marimea elementului finit (Fig.3.3)
Figura 3. 3
Pasul 5. Compute → All → OK (Actualizarea elementului Static case solution)
Dupa incheierea calculelor se vizualizeaza rezulatele:
15
Deformed mesh.1 (Fig.3.4)
Figura 3. 4
Von Mises stress (nodal value).1 (Fig. 3.5)
Figura 3. 5
16
Translational displacement vector.1 (Fig. 3.6)
Figura 3. 6
Valoarea maxima a tensiunii (Fig.3.7)
Figura 3. 7
17
Interpretarea rezultatelor
Pentru a gasi tensiunile maxime, respectiv, minime aparute in urma analizei, se activeaza rezultatul "Von Mises Stress", apoi, de pe bara Analysis Tools
se foloseste instrumentul Information pentru a afisa fereastra de informare cu acelasi nume.
Alaturi de aceasta fereastra, este prezentata si paleta de culori care insoteste rezultatul (imagine Von Mises). Valorile cele mai mici ale tensiunilor se afla in partea de jos a mantalei pistonului, cele maxime in canalu de montare inel de siguranta , dar fereastra de dialog contine si valorile explicite, in zona Extrema Values, astfel: Min 1.375x106 N/m2 si Max: 7.8×107 N/m2.
Avand in vedere ca rezistenta admisibila a materialului este de 9.5x107 N/m2, se poate trage concluzia ca modelul piesei va rezista presunii maxime aplicate (Fig. 3.8).
Figura 3. 8
18
4. Realizarea analizei modurilor proprii de vibratii
In cazul unei analize modale se presupune ca piesa vibreaza sub influenta unui impuls initial; in acest caz intereseaza modul propriu de vibratie si frecventa proprie de vibratie.
Pasul 1. Start → Analysis & Simulation → Generative Structural Analysis. Se selecteza apoi Free Frequency Analysis (Fig.4.1)
Figura 4. 1
Pasul 2. Se defineste marimea elementului finit (Fig.4.2).
Figura 4. 2
19
Pasul 3. Se alege numarul de frecvente dorite si tipul metodei de calcul a modurilor de vibratii (Fig.4.3, Fig. 4.4)
Figura 4. 3
Figura 4. 4
20
Pasul 4. Se calculeaza modurile proprii de vibratii folosind comanda Compute (Fig. 4.5).
Figura 4. 5
Pasul 5. Se foloseste comanda Von Mises Stress. Pasul 6. Se vizualizeaza toate datele calculului folosind Tools → Generate Report
MESH:
Entity Size
Nodes 7976
Elements 32403
ELEMENT TYPE:
Connectivity Statistics
21
TE4 32403 ( 100.00% )
ELEMENT QUALITY:
Mat
eri als.
1
Material Aluminium
Young's modulus 7e+010N_m2
Poisson's ratio 0.346
Density 2710kg_m3
Coefficient of thermal expansion 2.36e-005_Kdeg
Yield strength 9.5e+007N_m2
1. Free Frequency Case
Boundary Conditions
22
Criterion Good Poor Bad Worst Average
Stretch 32380 ( 99.93% ) 23 ( 0.07% ) 0 ( 0.00% ) 0.179 0.604
Aspect Ratio 32394 ( 99.97% ) 9 ( 0.03% ) 0 ( 0.00% ) 6.309 1.986
Figure 1
Minimum and maximum pivot
Value Dof Node x (mm) y (mm) z (mm)
1.1353e+003 Tz 976 3.3144e+001 -3.2685e+001 -1.3088e+001
2.3159e+009 Ty 2866 3.0316e+001 -2.7605e+001 -3.5924e+000
Minimum pivot
Value Dof Node x (mm) y (mm) z (mm)
1.2167e+003 Ty 7976 3.3144e+001 -3.2685e+001 -1.3088e+001
1.5873e+003 Tx 7976 3.3144e+001 -3.2685e+001 -1.3088e+001
6.2880e+003 Tz 7974 2.7892e+001 -4.5446e+001 1.7883e+001
7.4287e+003 Ty 7975 2.7665e+001 -4.2150e+001 -1.8098e+001
1.1210e+004 Tz 7975 2.7665e+001 -4.2150e+001 -1.8098e+001
1.8900e+007 Tz 1025 -3.4480e+001 -2.7204e+001 1.4811e+001
2.0602e+007 Tz 6320 -3.2492e+001 -3.7007e+001 -1.3256e+001
2.4592e+007 Tz 1441 -3.2599e+001 -4.5499e+001 -1.1598e+001
2.5511e+007 Tx 1025 -3.4480e+001 -2.7204e+001 1.4811e+001
Translational pivot distribution
Value Percentage
10.E3 --> 10.E4 2.0896e-002
10.E4 --> 10.E5 4.1792e-003
10.E5 --> 10.E6 0.0000e+000
10.E6 --> 10.E7 0.0000e+000
10.E7 --> 10.E8 4.2126e+000
10.E8 --> 10.E9 9.0735e+001
10.E9 --> 10.E10 5.0276e+000
FREQUENCY Computation
Modenumber
Frequency Hz
Stability
1 0.0000e+000 1.0000e-005
23
2 0.0000e+000 1.0000e-005
3 0.0000e+000 1.0000e-005
4 0.0000e+000 1.0000e-005
5 8.1521e-004 1.0000e-005
6 1.3831e-003 1.0000e-005
7 7.6237e+003 1.0000e-005
8 8.0648e+003 1.0000e-005
9 1.2799e+004 1.0000e-005
10 1.4767e+004 1.0000e-005
Modal participation :
ModeFrequency
Hz
Tx
(%)
Ty
(%)
Tz
(%)
Rx
(%)
Ry
(%)
Rz
(%)
1 0.0000e+000 20.85 25.97 0.85 2.070
.195
.26
2 0.0000e+000 48.23 15.43 5.38 0.76 17.95 34.60
3 0.0000e+000 18.69 4.77 59.92 9.52 10.07 9.78
4 0.0000e+000 0.45 16.85 11.72 0.09 55.08 3.33
5 8.1521e-004 9.94 34.26 2.32 0.00 16.49 43.02
6 1.3831e-003 1.84 2.73 19.80 87.56 0.22 4.02
7 7.6237e+003 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
8 8.0648e+003 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
9 1.2799e+004 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
10 1.4767e+004 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
Total 100.00 100.00 100.00 100.00 100.00 100.00
24
Frequency Case Solution.1 - Deformed mesh.1
Occurrence: 1 - Value: 0Hz
Figure 2
On deformed mesh ---- On boundary ---- Over all the model
Occurrence: 2 - Value: 0Hz
25
Figure 3
On deformed mesh ---- On boundary ---- Over all the model
Occurrence: 3 - Value: 0Hz
Figure 4
On deformed mesh ---- On boundary ---- Over all the model
Occurrence: 4 - Value: 0Hz
26
Figure 5
On deformed mesh ---- On boundary ---- Over all the model
Occurrence: 5 - Value: 0.000815215Hz
Figure 6
On deformed mesh ---- On boundary ---- Over all the model
Occurrence: 6 - Value: 0.00138307Hz
Figure 7
27
On deformed mesh ---- On boundary ---- Over all the model
Occurrence: 7 - Value: 7623.68Hz
Figure 8
On deformed mesh ---- On boundary ---- Over all the model
Occurrence: 8 - Value: 8064.83Hz
Figure 9
On deformed mesh ---- On boundary ---- Over all the model
28
Occurrence: 9 - Value: 12799Hz
Figure 10
On deformed mesh ---- On boundary ---- Over all the model
Occurrence: 10 - Value: 14767.1Hz
Figure 11
29
Bibliografie
1. Grunwald B. ,“Teoria , calculul si constructia motoarelor pentru autovehicule rutiere”. EDP
Bucuresti 1980
2. Curs Catia V5
3. Curs Solidworks 2010
4. Tutoriale
30