Mô phỏng động học cơ cấu phân phối khí động cơ IFA trên Catia P3 pot

Chọn dạng cam lồi cho động cơ IFA:loại này có trị số tiết diện lưu thông lớn nhất trong
các dạng cam nhưng gia tốc dương lớn gây va đập lớn. Tuy vậy loại cam này có gia tốc
âm bé nhất không đòi hỏi lò xo có độ cứng lớn giảm được mài mòn cho trục cam.
3.2.3.3 Dạng cam lồi :
Góc công tác của cam nạp ϕ
n
= (180
0
+ ϕ
o
1
+ϕ
o
2
)/2= (180
0
+8
0
+38
0
)/2=113
0

Góc công tác của cam thải ϕ
t
= (180
0
+ϕ
o
5
+ϕ

o
6
)/2=(180
0
+44
0
+8
0
)/2= 116
0

Với: ϕ
o
1
, ϕ
o
2
, ϕ
o
5
, ϕ
o
6
: góc mở sớm đóng muộn xupap nạp và thải.
Chọn: - đường kính trục cam dc=22 (mm)
Độ nâng lớn nhất của con đội h
x
=h/i
h
nmax

=8,5/1,72= 4,94 (mm)
h
tmax
=8,5/1,72= 4,94 (mm)
Bán kính cung thứ nhất và cung thứ 3 của cam:R=dc/2+(1÷2,5)=22/2+2=13mm
Chọn bán kính cung đỉnh cam: r = 3,64 (mm)
Cách dựng :
• Đối với cam nạp ϕ
n
= (180
0
+ ϕ
o
1
+ϕ
o
2
)/2= (180
0
+8
0
+38
0
)/2=113
0
)
+Vẽ vòng tròn tâm O có bán kính R ,xác định góc AOÀ = ϕ
n

+Trên đường phân giác của AOÀ lấy EC= h

nmax
=h/i=8,5/1,72=4,94 (mm)(E∈ Vòng tròn
bk R)
+Vẽ vòng tròn đỉnh cam có tâm O
1
bán kính r nằm trên đường phân giác ấy,vòng tròn ấy
đi qua C.
+Vẽ cung tròn bán kính ρ tiếp tuyến với 2 vòng tròn trên có tâm O
2
nằm trên đường kéo
dài của AO , ρ được xác định như sau:



Hình 3-13: Dựng hình cam lồi Hình 3-14: Xác địng Bán kính ρ
Kẻ O
1
M vuông góc AO.Xét tam giác vuông O
1
MO
2
có (O
1
O
2
)
2
= O
1
M

2
+O
2
M
2
Đặt D = R+h-r ta có (ρ-r)
2
= (Dsinϕ/2)
2
+ [(ρ - R) + Dcos(ϕ
n
/2)]
⇒ ρ=
)
2
cosDrR(2
R
2
cosRD2rD
222
ϕ
−−
+
ϕ
−−

ρ =
)
2
113

cos3,1464,313(2
13
2
113
cos3,14.13.264,33.14
222
o
o
−−
+−−
=53,75 (mm)
D =R+h
x
-r =13+4,94-3,64=14.3(mm)
Góc quay của cam sinθ
max
= O
1
M/(ρ-r) = D sin(ϕ
n
/2)/( ρ-r)
sinθ
max
=14,3 sin(113
o
/2)/( 53,75-3,64)=0,24⇒θ
max
= 13,88
o

• Đối với cam thải cách dựng hoàn toàn tương tự (ϕ
t
= 116
0
).
3.2.3.4. Động học của con đội hình trụ :(Đối với cam nạp).
3.2.3.4.1 Động lực học của con đội trong giai đoạn 1:

Hình 3-15: Động học con đội đáy bằng giai đoạn I.
a) Chuyển vị của con đội: khi con đội trượt đến một ví trí bất kì ứng với góc θ nào đó,
con đội tiếp xúc với cam tại M, chuyển vị :
]cos)([)(
22
θ
ρ
ρ
θ
RRNOENMOMEh
−
+
−=+−==
)cos1)(R(h θ−−ρ=
θ

Khi θ=θ
max
=13,88
o

max)cos1)((

max
θ
ρ
θ
−−= Rh = (53,75-13)(1-cos13,88
o
)= 1,18 (mm )
b) Vận tốc con đội :
θ
ω=
θ
θ
==
θθθ
θ
d
dh
dt
d
d
dh
dt
dh
v
c
mà vận tốc trục cam
dt
d
c
θ

=ω

nên:
()
θ−ρω=
θ
sinRv
c

Mà vận tốc của trục cam:
ω
c
=
dt
d
θ
=
30
.
c
n
π
=
2.30
.
k
n
π
=
2.30

2250.14.3
= 117,75 (rad/s).
Nên: v
θ
= ω
c
.(ρ - R
1
).sinθ
Vậy: v
θ
=117,75.(53,75 - 13).10
3
. sinθ = 4,79. sinθ (m/s).
c) Gia tốc của con đội .
Lấy đạo hàm hai vế phương trình theo thời gian, ta có công thức tính gia tốc của
con đội con đội:
j
θ
=
d
t
dv
θ
=
d
t
d
.
d

dv
θ
θ
θ
= ω
c
.
θ
θ
d
dv

Do đó: j
θ
= ω
c
2
.(ρ - R
1
).cos
θ

j
θ
= 117,75
2
.(53,75 - 13). 10
−
3
.cos

θ
= 565. cos
θ
. (rad/s).
Khi con đội tiếp xúc tại điểm A của cam thì
θ
= 0. Khi con đội tiếp xúc tại B
Thì
θ
=
θ
max
, góc
θ
max
xác định theo tam giác O
1
O
2
M, O
1
M vuông góc với O
2
A.
sin
θ
max
=
21
1

OO
MO
=
r
D
n
−
ρ
ϕ
2
sin.
=14,3 sin(113
o
/2)/( 53,75-3,64)=0,24
⇒θ
max
= 13,88
o

Nhận xét khi
θ
= 0 thì gia tốc đạt cực đại.
j
θ
(max)
= ω
c
2
.(ρ - R). = (53,75 - 13).10
−

3
. 117,75
2

⇒ j
θ
(max)
= 565 (rad/s
2
).
3.2.3.4.2 Động lực học của con đội trong giai đoạn 2:

Hình 3-16: Động học con đội đáy bằng giai đoạn 2.
a). Chuyển vị của con đội:
h
γ
= EM = MO
2
+ O
1
N - EN.
⇒ h
γ
=r + D.cosγ - R.
h
γ
=3,64 + 14,3.cosγ - 13 = 14,3.cosγ - 9,36.
b). Vân tốc của con đội.
Lấy đạo hàm hai vế phương trình theo thời gian, ta có công thức tính tốc độ của
con đội con đội:

v
γ
=
dt
dh
γ
=
dt
d
d
dh
γ
γ
γ
.
Vì tại điểm C có γ = 0 và tại điểm B có γ = γ
max
như vậy góc γ tính ngược lại với
chiều quay của trục cam nên:
dt
d
γ
= -ω
c
.
Do đó:
v
γ
= -ω
c

.
dt
dh
γ
.
Rút ra: v
γ
= ω
c
.D.sinγ
v
γ
= 117,75.14,3.sinγ.10
−
3
= 1,68.sinγ

c). Gia tốc của con đội con đội.
Lấy đạo hàm hai vế của phương trình đối với thời gian, ta có công thức tính gia
tốc của con đội:
j
γ
=
d
t
dv
γ
=
dt
d

d
dv
γ
γ
γ
.
= -ω
c
.
d
t
dv
γ
.
Rút ra: j
γ
= -ω
c
2
.D.cosγ = -(117,75)
2
.14,5.cosγ.10
-3

j
γ
= -201,04 .cosγ.
Vậy: j
γ
= -201,04 .cosγ. (m/

2
s
) (γ =
2
n
ϕ
-θ ).

4. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM CATIA
4.1 LỊCH SỬ RA ĐỜI VÀ CÁC TÍNH NĂNG CỦA PHẦN MỀM CATIA
4.1.1 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.
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
UNIX.
Năm 1990, General Dynamics/Electric Boat Corp đã chọn CATIA như là công cụ
chính thiết k
ế 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
4.1.2. 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 nghiệ
p hàng không. Nó giải quyết công việc một cách triệt để, từ khâu thiết
kế mô hình CAD (Computer Aided Design), đến khâu sản xuất dưa trên cơ sở CAM
(Computer Aided Manufacturing, khả năng phân tích tính toán, tối ưu hóa lời giải dựa
trên chức năng CAE(Computer Aid Engineering) của phần mềm CATIA. Các Môdun
chính của CATIA như sau:







Hình 4-1. Mô hình sản phẩm catia
- 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.

Hình 4-2. Mô hình tạo bằng Mechanical Design
- Shape design and styling:
Modul này cho phép thiết kế các bề mặt có biên dạng, kiểu dáng phức tạp trong

lĩnh vực thiết kế võ ô tô, tàu biển, máy bay…Thiết lập bản vẽ nhanh, v
ẽ các biên dạng
phức tạp. Tối ưu các biên dạng bề mặt, xây dựng các hình dạng chi tiết bằng số hóa tọa
độ các điểm. Tạo những hình ảnh tương tác bắt mắt qua việc thay đổi camera, gán vật
liệu, củng như tạo chuyển động, diễn tả kết quả ở không gian phối cảnh qua chức năng
Photo Studio. Nó có thể tái lập nhanh cấu trúc bề mặt một chi tiết.






Hình 4-3. Mô hình tạo bằng Shape Design and Styling
- 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 4.4)

- Catia kinematics:
Giúp xác định cấu trúc động học của cơ cấu, mô phỏng và phân tích chuyển động,
xác định vận tốc và gia tốc của các chi tiết, cơ cấu, đường chuyển động và giải quyết các
bài toán va chạm.(hình 4.5)
- Catia image design:
Hình 4-4. Mô hình hóa vật thể Hình 4-5. Mô phỏng động học
Tạo sự biểu diễn thực với phần khuất hoàn toàn, xác định điều kiện chiếu sáng và
các thông số bề mặt của đối tượng.
- Catia finite element modeller:
Tạo mô hình tổng thể, mô tả tính chất vật lý và vật liệu, điều kiện biên và tải trọng
đối tượng.(hình 4.6)







-Catia nc - lathe:
Tạo chương trình chứa phần nguyên công tiện dưới dạng đầu ra APT hoặc CL-File. (hình
4.7)

- Catia nc - mill:
Tạo chương trình chứa phần nguyên công phay.(hình 4.8):
Hình 4-6. Thể hiện sự mô tả tính chất vật lý của vật liệu
Hình 4-7 Thể hiện modul tiện trong catia









- Catia robotic:
Thiết kế và mô phỏng robot với các lệnh chuẩn, định nghĩa cấu trúc robot, đặc trưng
hình học, động học, đồng bộ hóa nhiều robot…(hình 4.9).






Hình 4-9. Mô phỏng hoạt động trong Catia
- 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 nh

ững phần tử cơ bản, vẽ các sơ đồ, thiết lập các liên kết
logic giữa các phần tử và điều khiển chúng.
- Catia piping and tubing:
Thiết kế những tuyến ống dẫn phức tạp, toán tử logic với vật thể, thăm dò va
chạm…(hình 4.10):

Hình 4-8. Thể hiện modul phay trong Catia









- Catia structural design and steelwak:
Công cụ tổ hợp cho thiết kế các sản phẩm phức tạp có tính chất vật liệu khác nhau .(hình
4.11):








Hình 4-11.

4.2 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.

Hình 4-12. Màn hình giao diện sketch
Sau khi tạo ra được hình vẽ phác 2D bằng các lệnh trong sketch, ta bắt đầu tạo các
chi tiết dạng 3D. Môi trường vẽ chi tiết 3D dạng solid thuộc trình ứng dụng Part Design,
mô trường Part Design gồm các thuộc tính xây dựng chi tiết cơ bản, các kỷ năng dựng
khối. Cung cấp các khả năng quản lý thông số chi tiết, hiệu chỉnh và thay đổi bất kỳ một
định dạng nào của chi tiết.

Hình 4-12. Môi trường làm việc Part Design
Kỷ 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.

Hình 4-13. Dựng khối trong Catia
Ngoài việc dựng khối theo biên dạng, Catia củng cho phép chúng ta lựa chọn tính
năng giới hạn các biên dạng ngoài của chi tiết được tạo ra bởi một đường dẫn xung quanh
các Section.


Hình 4-14. Tạo chi tiết bằng lệnh Multi-Section Solid
Trong Catia các thuật toán bề mặt Surface-Based Features là một trong những thuật
toán linh hoạt, nó dùng để xữ 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
4.15 )

Hình 4-15. Mô tả thuật toán Surface

Ngoài ra nó còn có một số lệ
nh đặc thù như lệnh Stiffener dùng trong thiết kế các
gân tăng cứng hay gân chịu lực của vật thể một cách nhanh chóng.( hình 4.16 )

Hình 4-16. Tạo gân chịu lực bằng lệnh Stiffener

4.3 TRÌNH ỨNG DỤNG LẮP RÁP ASEMBLY DESIGN
4.3.1. Tính năng của Assembly Design
Trong thiết kế máy hoặc một hệ thống thiết bị, người thiết kế thường được đòi hỏi
kỷ năng thiết kế lắp ráp. Vì trong nguyên tắc thiết kế chế tạo máy, một bản vẽ lắp hoàn
chỉnh phải được thiết kế trước, sau đó mới tính đến các thông số hình học trong từng chi
ti
ết đơn.
Trong môi trường ứng dụng CAD/CAM, nhờ những thông số hình học của từng chi
tiết đơn ấy chúng ta dễ dàng thiết kế và dựng mô hình 3D cho sản phẩm. Sau đó chúng ta
sẽ lắp ráp chúng lại với nhau theo từng thuộc tính ràng buộc và các mối quan hệ tương
tác của các chi tiết, từ đó dễ dàng phát hiện ra những sai sót trong thiết kế ban đầu để
hiệu chỉnh và thay đổi mô hình một cách nhanh chóng.
Vơi phần mềm Catia, tính năng của trình ứng dụng lắp ráp Assembly Design rất dễ
dàng sử dụng và đầy đủ các tính năng ràng buộc. Nhờ đó mà ta có thể xây dựng mô hình
lắp ráp 3D nhanh chóng, cùng với những thuộc tính cho phép gán vật liệu mà sản phẩm
3D hoàn chỉnh có một cách thể hiệ
n trung thực.

Hình 4-17. Môi trường làm việc Assembly Design.
4.3.2. Phương pháp, trình tự thiết kế bản vẽ lắp trong Assembly Design
Sau khi thiết kế nên các chi tiết chúng ta sẽ sữ dụng tính năng của trình ứng dụng
lắp ráp Assembly để xây dựng nên mô hình lắp ráp 3D nhanh chóng, cùng với những
thuộc tính cho phép gán vật liệu vào sản phẩm 3D tạo ra cách nhìn trung thực cho sản
phẩm.

Để tiến hành thiết kế một bản vẽ lắp chúng ta cần gọi tên các chi tiết đã được thi
ết
kế hoặc gọi các sản phẩm có sẳn từ thư viện của Catia. Tùy vào mối liên hệ ràng buộc
giữa các chi tiết mà chúng ta lựa chọn nên các ràng buộc cho các chi tiết đó. Những ràng
buộc lắp ghép củng tuân thủ theo các dạng chuyển động tự do của chi tiết. Một chi tiết
trong không gian có 6 chuyển động tự do hay còn gọi là 6 bậc tự do.
Ràng buộc là cụm từ dùng để khống chế các phương chuyển
động tự do của vật thể
trong không gian 3 chiều. Ở đây, chúng ta vừa khống chế phương chuyển động tự do vừa
tạo mối quan hệ giữa vật thể tự do và vật thể cố định. Khi thay đổi vị trí của vật thể cố
định sẽ kéo theo các vật thể tự do có mối quan hệ với nó.
Trong thiết kế bản vẽ lắp bằng Assembly có 4 ràng buộc cơ bản đó là:
- Concidence Constrain: ràng buộc đồng trục, điểm, mặt phẳng cho các đối tượng

Hình 4-18. Ràng buộc đối tượng đồng trục
- Contact Constraint: ràng buộc tiếp xúc cho các đối tượng

Hình 4-19. Ràng buộc đối tượng tiếp xúc
- Offsets Constrain: ràng buộc khoảng cách song song giữa các đối tượng

Hình 4-20. Ràng buộc khoảng cách
- Angle Constrain: ràng buộc theo góc giữa các đối tượng.
Sau khi lắp ráp xong sản phẩm nếu thấy cần phải hiệu chỉnh bất kỳ một phần nào đó
của chi tiết con trong môi trường lắp ghép chúng ta vẫn có thể chỉnh sữ
a từng chi tiết đó
để tạo ra sản phẩm với độ chính xác cao hơn. Lúc đó giao diện sẽ trở về trình Part Design
và chún
g
cần hiệ
u

M
ộ
sản phẩ
m
ráp sản
nhiều g
ó

g
ta có thể
u
chỉnh.
ộ
t ứng dụn
g
m
t
r
ước và
phẩm một
ó
c độ khác
n
thao tác c
h
g
quan trọn
g
sau khi lắ
p

cách trun
g
n
hau và lư
u
Hình 4-
2
h
ỉnh sữa g
i
g
nửa của
t
p
ráp. Nó c
h
g
thực và
c
u
lại cảnh l
ắ
2
1. T
r
ạng t
h
i
ống như tr
o

tr
ình Asse
m
h
o chúng t
a
c
hính xác.
C
ắ
p ráp cho
t
h
ái hình ản
h
o
ng t
r
ình
P
m
bly là
t
ạo
h
a
cách nhìn
C
húng ta c
t

ừng trạng t
h
h
bản vẽ lắ
p
P
art Design
h
ình ảnh c
h
t
r
ực quan
v
ó thể xem
h
ái.
p
dạng rời
đối với c
h
h
o các trạn
g
v
ề quá t
r
ìn
h
sản phẩm

h
i tiết
g
thái
h
lắp
dưới