Piston Dci PAC Cozma George

37
FACULTATEA DE MECANICĂ ŞI TEHNOLOGIE Proiectare Asistată de Calculator Analiza statica si analiza modurilor proprii de vibratie pentru piston dCi camera “ω” An universitar: 2011-2012 Sem. : II CMPA 1

Transcript of Piston Dci PAC Cozma George

Page 1: 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

Page 2: Piston Dci PAC Cozma George

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

Page 3: Piston Dci PAC Cozma George

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

Page 4: Piston Dci PAC Cozma George

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

Page 5: Piston Dci PAC Cozma George

2. Modelare

5

Page 6: Piston Dci PAC Cozma George

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

Page 7: Piston Dci PAC Cozma George

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

Page 8: Piston Dci PAC Cozma George

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

Page 9: Piston Dci PAC Cozma George

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

Page 10: Piston Dci PAC Cozma George

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

Page 11: Piston Dci PAC Cozma George

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

Page 12: Piston Dci PAC Cozma George

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

Page 13: Piston Dci PAC Cozma George

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

Page 14: Piston Dci PAC Cozma George

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

Page 15: Piston Dci PAC Cozma George

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

Page 16: Piston Dci PAC Cozma George

Deformed mesh.1 (Fig.3.4)

Figura 3. 4

Von Mises stress (nodal value).1 (Fig. 3.5)

Figura 3. 5

16

Page 17: Piston Dci PAC Cozma George

Translational displacement vector.1 (Fig. 3.6)

Figura 3. 6

Valoarea maxima a tensiunii (Fig.3.7)

Figura 3. 7

17

Page 18: Piston Dci PAC Cozma George

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

Page 19: Piston Dci PAC Cozma George

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

Page 20: Piston Dci PAC Cozma George

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

Page 21: Piston Dci PAC Cozma George

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

Page 22: Piston Dci PAC Cozma George

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

Page 23: Piston Dci PAC Cozma George

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

Page 24: Piston Dci PAC Cozma George

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

Page 25: Piston Dci PAC Cozma George

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

Page 26: Piston Dci PAC Cozma George

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

Page 27: Piston Dci PAC Cozma George

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

Page 28: Piston Dci PAC Cozma George

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

Page 29: Piston Dci PAC Cozma George

Occurrence: 9 - Value: 12799Hz

Figure 10

On deformed mesh ---- On boundary ---- Over all the model

Occurrence: 10 - Value: 14767.1Hz

Figure 11

29

Page 30: Piston Dci PAC Cozma George

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