Ứng dụng phần mềm CATIA trong tính toán kiểm tra bền nhóm khuỷu trục – thanh truyền –piston động cơ RM1037U

Ứng dụng phần mềm CATIA trong tính toán kiểm tra bền nhóm
khuỷu trục – thanh truyền –piston động cơ RM1037U
MỤC LỤC
MỤC LỤC..............................................................................................................................1
LỜI NÓI ĐẦU........................................................................................................................2
1. KHẢO SÁT CƠ CẤU KHUỶU TRỤC - THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ RM1037U.....4
1.1. Giới thiệu động cơ RM1037U.................................................................................4
1.2. Đặc điểm cơ cấu khuỷu trục - thanh truyền – piston động cơ RM1037U. .............7
1.2.1 Kết cấu nhóm Piston..........................................................................................7
1.2.2 Kết cấu nhóm thanh truyền...............................................................................9
1.2.3 Kết cấu nhóm trục khuỷu................................................................................12
2. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM CATIA.................................................................................15
2.1 Lịch sữ ra đời và các tính năng của phần mềm Catia [4] và [5].............................15
2.1.1 Lịch sử ra đời Catia.........................................................................................15
2.1.2 Tính năng của phần mềm Catia......................................................................15
2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn ứng dụng trong tính toán cơ học [6].....................20
2.2.1.Giới thiệu chung..............................................................................................20
2.2.2. Xấp xỉ bằng phương pháp phần tử hữu hạn...................................................21
2.2.3.Đinh nghĩa các phần tử hữu hạn..........................................................................21
2.2.4. Các phần tử hữu hạn.......................................................................................22
2.2.5. Phần tử quy chiếu, phần tử thực.....................................................................23
2.2.6. Một số dạng phần tử quy chiếu .....................................................................24
2.2.7. Lực, chuyển vị, biến dạng và ứng suất...........................................................25
2.2.8. Nguyên lý cực tiểu hóa thế năng toàn ...........................................................26
2.2.9. Sơ đồ tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn .....................................26
3. THIẾT KẾ MÔ HÌNH 3D CƠ CẤU KHUỶU TRỤC – THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ
RM1037U.............................................................................................................................29
3.1 Thiết kế 3D nhóm Trục khuỷu động cơ RM1037U...............................................29
3.2 Thiết kế 3D nhóm Piston động cơ RM1037U........................................................35
3.3 Thiết kế 3D nhóm Thanh Truyền động cơ RM1037U...........................................38
3.4 Lắp ráp 3D cơ cấu Khuỷu Trục – Thanh Truyền động cơ RM1037U...................41

4. TÍNH TOÁN CƠ CẤU KHUỶU TRỤC ĐỘNG CƠ RM1037U....................................46
4.1.Tính toán động học và động lực học cơ cấu khuỷu trục – thanh truyền- piston
động cơ RM1037U [1].................................................................................................46
4.1.1. Vẽ đồ thị công................................................................................................46
4.1.2. Đường biểu diễn lực quán tính của khối lượng chuyển động tịnh tiến .........50
4.1.3. Đồ thị biểu diễn gia tốc .................................................................................50
4.1.4. Khai triển các đồ thị.......................................................................................51
4.1.5. Vẽ đồ thị biểu diễn lực tiếp tuyến , lực pháp tuyến và lực ngang ................53
4.1.6. Vẽ đồ thị ΣT = f(α).........................................................................................56
4.2. Sơ đồ tính toán ......................................................................................................58
4.2.1. Các giá trị lực của trường hợp chịu lực pháp tuyến lớn nhất Zmax...............59
4.2.2. Các giá trị lực của trường hợp chịu lực tiếp tuyến lớn nhất Tmax.................59
4.2.3. Các giá trị lực của trường hợp chịu lực ∑Tmax.............................................60
4.3. Xây dựng lưới phần tử và áp đặt điều kiện biên...................................................61
4.3.1. Xây dựng phần tử lưới....................................................................................61
4.2.2. Áp đặt điều kiện biên......................................................................................65
4.3. Tính toán................................................................................................................68
4.3.1. Tính toán tỉnh học ( Computing Static Solutions)..........................................68
1


Ứng dụng phần mềm CATIA trong tính toán kiểm tra bền nhóm
khuỷu trục – thanh truyền –piston động cơ RM1037U
4.3.2. Xem kết quả biến dạng ( Visualizing Deformations )...................................69
4.3.3. Xem kết quả ứng suất hiệu dụng (Visualizing Von Mises Streeses )............72
5. Kết luận............................................................................................................................75
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................................76

LỜI NÓI ĐẦU

2


Ứng dụng phần mềm CATIA trong tính toán kiểm tra bền nhóm
khuỷu trục – thanh truyền –piston động cơ RM1037U
Cùng với việc phát triển của công nghệ thông tin và khoa học kỹ thuật với
mức độ chóng mặt trong thời đại ngày nay. Đã kéo theo sự phát triển của các ngành
nghề khác có liên quan. Với việc ứng dụng các thành tựu đạt được trong lĩnh vực
công nghệ thông tin đã giúp cho quá trình tự động hóa sản xuất của con người ngày
một hoàn thiện và tối ưu.
Đối với chuyên ngành cơ khí thì việc áp dụng công nghệ thông tin càng ngày
cấp thiết và đã liên tục diễn ra trong quá trình sản xuất để nhằm rút ngắn thời gian
và nâng cao chất lượng sản phẩm. Ngày nay, việc lên bản vẽ thiết kế không chiếm
nhiều thời gian của người thiết kế vì sự trợ giúp của các công cụ của công nghệ
thông tin. Trong đó các phầm mềm hỗ trợ thiết kế đã luôn được dùng để tiến hành
thiết kế chi tiết máy.
Nhận thấy được tầm quan trọng đó em đã được thầy giao đề tài Ứng dụng
phần mềm CATIA trong tính toán kiểm tra bền nhóm khuỷu trục – thanh truyền –
piston động cơ RM1037U. Đây là một đề tài mới đối với sinh viên ngành động lực,
nó không những giúp cho em có điều kiện để chuẩn lại các kiến thức đã học ở
trường mà còn có thể hiểu biết kiến thức nhiều hơn khi tiếp xúc với thực tế thiết kế.
Được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Quang Trung, các
thầy cô trong khoa cùng với việc tìm hiểu, tham khảo các tài liệu liên quan và vận
dụng các kiến thức được học, em đã cố gắng hoàn thành đề tài này. Mặc dù vậy, do
kiến thức của em có hạn, đề tài mới, phần mềm mới chưa được phổ biến ở Việt nam
việc tìm kiếm tài liệu gặp nhiều khó khăn nên đồ án sẽ không tránh khỏi những
thiếu sót. Em mong các thầy cô góp ý, chỉ bảo thêm để kiến thức của em ngày càng
hoàn thiện hơn.
Cuối cùng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn "Nguyễn
Quang Trung” cùng các thầy cô trong khoa và các bạn đã nhiệt tình giúp đỡ để em

hoàn thành đồ án này.
Đà Nẵng, ngày 04 tháng 06 năm 2011
Sinh viên thực hiện
VƯƠNG ÁI SƠN

3


Ứng dụng phần mềm CATIA trong tính toán kiểm tra bền nhóm
khuỷu trục – thanh truyền –piston động cơ RM1037U
1. KHẢO SÁT CƠ CẤU KHUỶU TRỤC - THANH TRUYỀN ĐỘNG CƠ
RM1037U
1.1. Giới thiệu động cơ RM1037U
Trong những năm gần đây với chính sách mở cửa rộng rãi của Nhà nước ta nên các
loại xe của hãng Toyota được nhập vào Việt Nam ngày một nhiều.Các loại xe nhập
vào Việt Nam có thể là nguyên chiếc hoặc bao gồm các phụ tùng và lắp ráp tại Việt
Nam. Các chủng loại xe đã có mặt tại thị trường Việt Nam như xe du lịch, xe tải
trung bình, xe tải nặng, . .
Động cơ RM1037U là loại động cơ được trang bị trên xe du lịch đời mới
Corolla của hãng Toyota. Với trình độ kỹ thuật sản xuất tiên tiến của hãng Toyota
đã cho ra đời loại động cơ RM1037U có thể tích toàn bộ của động cơ nhỏ nhưng
công suất phát ra lớn đã giúp cho việc bố trí động cơ trên xe được dễ dàng và tiết
kiệm được vật liệu chế tạo động cơ. Không những động cơ RM1037U có những ưu
việt trên mà nó còn đóng góp vào công việc làm sạch môi trường và tiết kiệm nguồn
tài nguyên cho con người.
Đồng thời xe được trang bị động cơ RM1037U, một trong những động cơ có
tính năng vượt trội. RM1037U là động cơ xăng với 4 xilanh được đặt thẳng hàng,
16 xupáp. Các xupáp được dẫn động trực tiếp từ cam. Cam được đặt trên nắp máy,
gồm 2 trục cam dẫn động xupáp (DOHC).
Xe TOYOTA COROLA có công thức lốp 4x2 là loại xedu lịch. Xe có kết cấu cứng

vững, độ bền và độ tin cậy cao, đầy đủ tiện nghi cho người sử dụng, đảm bảo an
toàn, kết cấu, hình dáng bên ngoài và nội thất có tính mỹ thuật tương đối cao, được
nhập và sử dụng phổ biến ở Việt Nam trong những năm gần đây.
Bố trí bên ngoài với cụm đèn pha theo dạng chóa đèn mới mang lại tầm nhìn
tốt hơn cho người điều khiển. Bên trong cabin, bảng điều khiển trung tâm được thiết
kế với tính thẩm mỹ cao đồng thời với ánh sáng xanh của các nút điều khiển giúp
người lái dễ dàng quan sát đảm bảo tính an toàn khi điều khiển xe.
Xe còn được bố trí hệ thống phanh đĩa ở bốn bánh kết hợp với hệ thống chống
bó cứng ABS cùng với hệ thống phân phối lực phanh điện tử EBD. Hai túi khí ở
ghế trước cùng các dây đai an toàn ở các ghế đảm bảo an toàn tối đa cho người điều
khiển và hành khách khi xảy ra va chạm…
Thông số kỹ thuật của động cơ RM1037U:

4


Ứng dụng phần mềm CATIA trong tính toán kiểm tra bền nhóm
khuỷu trục – thanh truyền –piston động cơ RM1037U
Bảng 1 - 1 Thông số động cơ [7]

13

Hạng mục
Số xi lanh
Thứ tự nổ
Tỉ số nén
Đường kính xilanh
Hành trình pittông
Số vòng quay không tải tối thiểu
Công suất cực đại (hp/ rpm)

Mômen xoắn cực đại (Nm/ rpm)
Tham số kết cấu
Áp suất cực đại (MN/m^2)
Khối lượng nhóm piston(kg)
Khối lượng nhóm thanh truyền
(kg)
Góc đánh lửa sớm (độ)

14

Góc phối khí (độ)

15

Hệ thống bôi trơn

STT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

16
17

Hệ thống làm mát
Hệ thống phối khí

Thông số
4
1 - 3- 4 - 2
8,5
78,8
76
650
110/ 5200
150 / 3400
λ
Pzmax
mpt

Đơn vị

mtt

0,7

mm
mm
v/phút
KW
N.m

0,27
5,5
0,6

θs
14
α1
12
α2
17
α3
44
α4
8
Cưởng bức cácte ướt
Cưởng bức bằng môi chất
lỏng
16valve – DOHC

Bảng 1 - 2 Thông số của xe TOYOTA Corolla [7]
Động cơ
Hãng sản xuất
Loại động cơ
Kiểu động cơ
Dung tích xi lanh (cm)
Công suất cực đại (hp/ rpm)
Momen xoắn cực đại (Nm/ rpm)
Loại xe
Hộp số truyền động
Hộp số

Nhiên liệu
Loại nhiên liệu
Kích thước, trọng lượng

TOYOTA
1.6
4 xilanh, thẳng hàng
1586
110/ 5200
150 / 3400
xe du lịch
5 cấp số tay
Xăng
5


Ứng dụng phần mềm CATIA trong tính toán kiểm tra bền nhóm
khuỷu trục – thanh truyền –piston động cơ RM1037U
Dài (mm)
Rộng (mm)
Cao (mm)
Chiều dài cơ sở (mm)
Trọng lượng không tải (kg)
Dung tích bình nhiên liệ (lít)
Cửa, chỗ ngồi
Số cửa
Số chỗ ngồi
Phanh, giảm sóc, lốp xe
Phanh trước

Phanh sau

Lốp xe
Vành mâm xe

4370 mm
1770 mm
1620 mm
2750 mm
1390 kg
60 lít
4 cửa
5 chỗ
Phanh đĩa
Chống bó cứng phanh ABS
Phân bố lực phanh điện tử EBD
Phanh đĩa
Chống bó cứng phanh ABS
Phân bố lực phanh điện tử EBD
205/55R16
Vành mâm đúc hợp kim kích thước 16
inch

6


Ứng dụng phần mềm CATIA trong tính toán kiểm tra bền nhóm
khuỷu trục – thanh truyền –piston động cơ RM1037U

Hình 1-1 Mặt cắt động cơ

1.2. Đặc điểm cơ cấu khuỷu trục - thanh truyền – piston động cơ RM1037U.
1.2.1 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 .
Thông số của piston:
Đường kính piston: D=78.8 mm
Chiều dài piston: L= 64
Đường kính lỗ chốt piston: d= 20 mm
Chiều sâu rảnh xéc măng: t=7 mm
Chiều rộng rảnh xéc măng khi: a=4 mm
Khoảng cách giữa hai xéc măng: b=5 mm
7


Ứng dụng phần mềm CATIA trong tính toán kiểm tra bền nhóm
khuỷu trục – thanh truyền –piston động cơ RM1037U
Đặc điểm kết cấu của piston được mô tả như hình 1 - 2

Hình 1 - 2 Kết cấu piston
Compression ring no.1: xéc măng khí thứ nhất
Compression ring no.1: xéc măng khí thứ hai
Oil ring: xéc măng dầu
Piston pin: chốt piston
Snap ring: xeclip
+ Kết cấu đỉnh Piston

- Kết cấu của đỉnh Piston : đỉnh lõm nhỏ 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 2 , số lượng rãnh xécmăng dầu 1.
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 .
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 .

8


Ứng dụng phần mềm CATIA trong tính toán kiểm tra bền nhóm
khuỷu trục – thanh truyền –piston động cơ RM1037U
Dạng của thân Piston: Dạng của thân Piston vát ở hai đầu bệ chốt Piston. Làm
như vậy là để khi Piston bị biến dạng do lực khí thể P Z, 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 .

1.2.2 Kết cấu nhóm thanh truyền

Hình 1 – 3 Thanh truyền – piston
Thông số thanh truyền:
Đường kính lỗ chốt: dc=20 mm
Đường kính lỗ đầu to: dt=47 mm
Chiều dầy đầu nhỏ: δ=15 mm
− 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.

Hình 1 - 4 Đầu nhỏ thanh truyền khi chốt piston lắp ghép tự do.
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
9


Ứng dụng phần mềm CATIA trong tính toán kiểm tra bền nhóm
khuỷu trục – thanh truyền –piston động cơ RM1037U
chốt piston và bạc lót đầu nhỏ bằng đường dẫn dầu khoan dọc theo thân thanh
truyền.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 1 - 5

Hình 1 - 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.

Hình 1 - 6 Tiết diện thân thanh truyền.

-

Thân thanh truyền có tiết diện chữ I (hình 1 -6) được dùng rất nhiều trong
động cơ ô tô máy kéo và các động cơ cao tốc. Loại thân có tiết diện loại này sữ
dụng vật liệu rất hợp lý do đó trọng lượng thanh truyền nhỏ mà độ cứng vững của
thanh truyền lớn. Loại thân thanh truyền có tiết diện chữ I thường chế tạo theo
phương pháp rèn khuôn, thích hợp với phương án sản xuất lớn.
Đầu to thanh truyền:

10


- 0.1

Ứng dụng phần mềm CATIA trong tính toán kiểm tra bền nhóm
khuỷu trục – thanh truyền –piston động cơ RM1037U

Hình 1 - 7 Đầu to thanh truyền
Kích thước đầu to thanh truyền phụ thuộc vào đường kính và chiều dài chốt
khuỷu. Đầu to thanh truyền phải đảm bảo các yêu cầu sau:
+ Có độ cứng vững lớn để bạc lót không bị biến dạng nhất là đối với bạc lót
mỏng.
+ Kích thước nhỏ gọn để đảm bảo lực quán tính chuyển động quay nhỏ; giảm
được tải trọng lên chốt khuỷu, ổ trục và giảm kích thước hộp trục khuỷu, đồng thời
tạo khả năng đặt trục cam gần với trục khuỷu, do đó làm cho buồng cháy của loại
động cơ dùng xupáp đặt nhỏ gọn hơn.
+ Chổ chuyển tiếp giữa thân và đầu to phải có góc lượn lớn để giảm ứng suất

tập trung.
+ Dễ lắp ghép cụm piston thanh truyền với trục khuỷu.
Trong hầu hết các động cơ nhất là động cơ ô tô máy kéo, đầu to thanh truyền
được cắt thành hai nữa, nữa trên làm liền với thân thanh truyền, nữa dưới cắt rời ra
làm thành nắp đầu to thanh truyền. Hai nữa của đầu to thanh truyền lắp ghép với
nhau bằng bulông hay gujông. Trong trường hợp này bạc lót đầu to cũng làm thành
hai nữa, nữa trên làm liền với thân thanh truyền, nữa dưới cắt rời ra làm thành nắp
đầu to thanh truyền. Hai nữa của đầu to thanh truyền lắp ghép với nhau bằng bu
lông hay gujông. Trong trường hợp này bạc lót đầu to cũng làm thành hai nữa.
Để điều chỉnh khe hở giữa bạc lót đầu to và chốt khuỷu trong quá trình sửa
chữa sau này, đôi khi người ta lắp những miếng đệm mỏng bằng thép vào mặt phân
chia của hai nữa đầu to. Khi bạc mòn khe hở tăng lên người ta lấy dần các miếng
đệm ra để điều chỉnh khe hở.
11


Ứng dụng phần mềm CATIA trong tính toán kiểm tra bền nhóm
khuỷu trục – thanh truyền –piston động cơ RM1037U
Nhưng khuyết điểm của việc dùng những miếng đệm này là giảm độ cứng
vững của đầu to, do đó tải trọng tác dụng lên bulông sẻ tăng lên. Ngoài ra khi lấy
bớt các miếng đệm điều chỉnh ra lỗ lắp chốt khuỷu không tròn nữa, phải cạo rà lại
bạc lót mới dùng được.
1.2.3 Kết cấu nhóm trục khuỷu
Trục khuỷu gồm có các phần: Đầu trục khuỷu, khuỷu trục (chốt, má,cổ trục
khuỷu) và đuôi trục khuỷu.
Đầu trục khuỷu thường dùng để lắp bánh răng dẫn động bơm nước,bơm dầu
bôi trơn, bơm cao áp, bánh đai (puly) để dẫn động quạt gió và đai ốc khởi động để
khỏi động động cơ bằng tay quay.

Hình 1 - 8 Kết cấu tổng thể đầu trục khuỷu

Cổ trục : các cổ trục có cùng kích thước đường kính. (Đường kính cổ trục
thường tính theo sức bền và điều kiện hình thành màng dầu bôi trơn, quy định thời
gian sử dụng và thời gian sửa chữa động cơ).
Trong một vài động cơ cổ trục làm lớn dần theo chiều từ đầu đến đuôi trục để
đảm bảo sức bền va khả năng chịu lực của cổ trục được đồng đều hơn.
Khi đường kính cổ trục tăng làm tăng thêm độ cứng vững trục khuỷu mặt khác
mô men quán tính độc cực của trục khuỷu tăng lên, độ cứng chống xoắn của trục
tăng lên mà khối lượng chuyển động quay hệ thống trục khuỷu vẫn không thay đổi.

12


Ứng dụng phần mềm CATIA trong tính toán kiểm tra bền nhóm
khuỷu trục – thanh truyền –piston động cơ RM1037U

Hình 1 - 9 Kết cấu khuỷu trục
Dch= 44 mm
Dc= 48 mm
Chốt khuỷu: có thể lấy đường kính của chốt khuỷu lấy bằng đường kính của
cổ trục khuỷu, nhất là động cơ cao tốc do phụ tải và lực quán tính lớn muốn vậy để
tăng khả năng khả năng làm việc bạc lót và chốt khuỷu người ta thường tăng đường
kính chốt khuỷu.
Như vậy kính thước và khối lượng đầu to thanh truyền đầu to sẽ tăng theo tần
số dao động riêng sẽ giảm có thể xảy ra hiện tượng cộng hưởng trong phạm vi tốc
độ sử dụng cho phép. Vì vậy cần phải lựa chọn chiều dài sao cho có thể thoã mãn
điều kiện hình thành màng dầu bôi trơn, và trục khuỷu có độ cúng vững lớn, do đó
để giảm trọng lượng chốt khuỷu phải làm rỗng, chốt khuỷu rỗng có tác dụng chứa
dầu bôi trơn bạc lót đầu to thanh truyền giảm khối lượng quay thanh truyền, lỗ rỗng
trong chốt khuỷu có thể làm đồng tâm hoặc lệch tâm với chốt khuỷu.
Má khuỷu: là bộ phận nối liền giữa cổ trục và chốt khuỷu, hình dạng má

khuỷu chủ yếu phụ thuộc vào dạng động cơ, trị số áp suất khí thể và tốc độ quay
của trục khuỷu.
Khi thiết kế má khuỷu động cơ cần giảm trọng lượng , má khuỷu có nhiều
dạng nhưng chủ yếu dạng má hình chữ nhật và hình tròn có kết cấu đơn giản dễ chế
tạo, dạng má hình ô van có kết cấu phức tạp loại má khuỷu hình chữ nhật phân bố
lợi dụng vật liệu không hợp do tăng khối lượng không cân bằng má khuỷu, má
khuỷu dạng tròn sức bền cao có khả năng giảm chiều dày má do đó có thể tăng
chiều dài cổ trục và chốt khuỷu và giảm mài mòn cổ trục và chốt khuỷu mặt khác
má tròn dễ gia công.
Đối trọng lắp trên khuỷu có hai tác dụng:

13


Ứng dụng phần mềm CATIA trong tính toán kiểm tra bền nhóm
khuỷu trục – thanh truyền –piston động cơ RM1037U
+ Cân bằng mô men lực quán tính không cân bằng động cơ chủ yếu là lực
quán tính ly tâm nhưng đôi khi dùng để cân bằng lực quán tính chuyển động tịnh
tiến như động cơ chữ V
+Giảm phụ tải cho cổ trục nhất là giữa động cơ bốn kỳ có 4,6,8 xi lanh vì ở
động cơ này có lực quán tính và mô men quán tính tự cân bằng nhưng ứng suất giữa
cổ trục chịu ứng suất uốn lớn, khi dùng đối trọng mô men quán tính nói trên được
cân bằng nên cổ trục giữa không chịu ứng suất uốn do lực quán tính mô men gây ra.
Mặt khác trục khuỷu không phải là chi tiết cứng vững tuyệt đối và thân máy trong
thực tế bị biến dạng nên trong động cơ dùng đối trọng để cân bằng.
Đuôi trục khuỷu thường lắp với các chi tiết máy của động cơ truyền dẫn công
suất ra ngoài máy công tác.
- Trục thu công suất động cơ thường đồng tâm với trục khuỷu, dùng mặt bích
trục khuỷu để lắp bánh đà.
1

2

4

3

5

6
B

A

48

+ 0.05
- 0.05

44

+ 0.05
- 0.05

7

11

40

+ 0.05
- 0.05

32

+ 0.05
- 0.05

A

11
528

B

+ 0.05
- 0.05

Hình 1 - 10 Kết cấu tổng thể trục khuỷu nguyên
1- lỗ dầu cổ khuỷu; 2- đường dầu; 3- lỗ dầu chốt khuỷu; 4-;
5- cổ khuỷu; 6- đối trọng; 7-vành chắn dầu; 8- mặt bích.
Ngoài kết cấu dùng để lắp bánh đà trên đuôi trục khuỷu còn có lắp các bộ
phận đặc biệt:
+Vành chắn dầu trên đuôi trục khuỷu có tác dụng ngăn không cho dầu nhờn
chảy ra khỏi các te.
Các dạng trục khuỷu phụ thuộc vào số xi lanh, cách bố trí xi lanh số kỳ động
cơ và thứ tự làm việc của các xi lanh kết cấu trục khuỷu phải đảm bảo động cơ làm
việc đồng đều biên độ dao động và mô men xoắn tương đối nhỏ.
- Động cơ làm việc cân bằng ít rung động.
14

8


Ứng dụng phần mềm CATIA trong tính toán kiểm tra bền nhóm
khuỷu trục – thanh truyền –piston động cơ RM1037U
- Ứng suất sinh ra do dao động xoắn nhỏ.
- Công nghệ chế tạo giá thành rẻ.
Kích thức của trục khuỷu phụ thuộc chủ yếu vào khoảng cách giữa hai đường
tâm xi lanh, chiều dày của lót xi lanh và phương pháp làm mát. Đối với động cơ hai
kỳ kích thước trục khuỷu còn phụ thuộc vào hệ thống quét thải.
2. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM CATIA
2.1 Lịch sữ ra đời và các tính năng của phần mềm Catia [4] và [5]
2.1.1 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 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
2.1.2 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 nghiệp hàng không. Nó giải quyết công việc một
15


Ứng dụng phần mềm CATIA trong tính toán kiểm tra bền nhóm
khuỷu trục – thanh truyền –piston động cơ RM1037U
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 2 - 1 Mô hình sản phẩm catia
- Mechanical Design:

Hình 2 - 2 Mô hình tạo bằng 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.
- 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, vẽ các

biên dạng phức tạp. Tối ưu các biên dạng bề mặt, xây dựng các hình dạng chi tiết
16


Ứng dụng phần mềm CATIA trong tính toán kiểm tra bền nhóm
khuỷu trục – thanh truyền –piston động cơ RM1037U
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.

Hình 2 - 3 Mô hình tạo bằng Shape Design and Styling
- Catia solids geometry:

Hình 2 - 4 Mô hình hóa vật thể
Hình 2 - 5 Mô phỏng động học
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 2 - 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 2 - 5)
- Catia image design:

17


Ứng dụng phần mềm CATIA trong tính toán kiểm tra bền nhóm
khuỷu trục – thanh truyền –piston động cơ RM1037U
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 2 - 6)

Hình 2 - 6 Thể hiện sự mô tả tính chất vật lý của vật liệu
-Catia nc - lathe:
Tạo chương trình chứa phần nguyên công tiện dưới dạng đầu ra APT hoặc
CL-File. (hình 2 - 7)

Hình 2 - 7 Thể hiện modul tiện trong Catia

18


Ứng dụng phần mềm CATIA trong tính toán kiểm tra bền nhóm
khuỷu trục – thanh truyền –piston động cơ RM1037U

Hình 2 - 8 Thể hiện modul phay trong Catia
- Catia nc - mill:
Tạo chương trình chứa phần nguyên công phay.(hình 2 - 8)
- 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 2 - 9)

Hình 2 - 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 những 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:
19


Ứng dụng phần mềm CATIA trong tính toán kiểm tra bền nhóm
khuỷu trục – thanh truyền –piston động cơ RM1037U

Hình 2 - 10 Mô hình thể hiện khả năng thiết kế đường ống
Thiết kế những tuyến ống dẫn phức tạp, toán tử logic với vật thể, thăm dò va
chạm…(hình 2 - 10)

Hình 2 - 11 Mô hình tạo bằng Structural design and Stellwak

- 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 2 - 11)
2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn ứng dụng trong tính toán cơ học [6]
2.2.1.Giới thiệu chung
Sự tiến bộ của khoa học, kỹ thuật đòi hỏi người kỹ sư thực hiện những đề án
ngày càng phức tạp, đắt tiền và đòi hỏi độ chính xác, an toàn cao.
Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) là một phương pháp rất tổng quát và
hữu hiệu cho lời giải số nhiều lớp bài toán kỹ thuật khác nhau. Từ việc phân tích
trạng thái ứng suất, biến dạng trong các kết cấu cơ khí, các chi tiết trong ô tô, máy
20


Ứng dụng phần mềm CATIA trong tính toán kiểm tra bền nhóm
khuỷu trục – thanh truyền –piston động cơ RM1037U
bay, tàu thuỷ, khung nhà cao tầng, dầm cầu, v.v, đến những bài toán của lý thuyết

trường như: lý thuyết truyền nhiệt, cơ học chất lỏng, thuỷ đàn hồi, khí đàn hồi, điệntừ trường v.v. Với sự trợ giúp của ngành Công nghệ thông tin và hệ thống CAD,
nhiều kết cấu phức tạp cũng đã được tính toán và thiết kế chi tiết một cách dễ dàng.
Trên thế giới có nhiều phần mềm PTHH nổi tiếng như: NASTRAN, ANSYS,
TITUS, MODULEF, SAP 2000, CASTEM 2000, SAMCEF .v.v.
Để có thể khai thác hiệu quả những phần mềm PTHH hiện có hoặc tự xây dựng
lấy một chương trình tính toán bằng PTHH, ta cần phải nắm được cơ sở lý thuyết,
kỹ thuật mô hình hoá cũng như các bước tính cơ bản của phương pháp.
2.2.2. Xấp xỉ bằng phương pháp phần tử hữu hạn
Giả sử V là miền xác định của một đại lượng cần khảo sát nào đó (chuyển vị,
ứng suất, biến dạng, nhiệt độ, v.v.). Ta chia V ra nhiều miền con ve có kích thước và
bậc tự do hữu hạn. Đại lượng xấp xỉ của đại lượng trên sẽ được tính trong tập hợp
các miền ve.
Phương pháp xấp xỉ nhờ các miền con ve được gọi là phương pháp xấp xỉ bằng
các phần tử hữu hạn, nó có một số đặc điểm sau:
Xấp xỉ nút trên mỗi miền con ve chỉ liên quan đến những biến nút gắn vào nút của ve
và biên của nó,
Các hàm xấp xỉ trong mỗi miền con ve được xây dựng sao cho chúng liên tục trên ve
và phải thoả mãn các điều kiện liên tục giữa các miền con khác nhau.
Các miền con ve được gọi là các phần tử.
2.2.3.Đinh nghĩa các phần tử hữu hạn
2.2.3.1. Nút hình học
Nút hình học là tập hợp n điểm trên miền V để xác định hình học các PTHH.
Chia miền V theo các nút trên, rồi thay miền V bằng một tập hợp các phần tử ve có
dạng đơn giản hơn. Mỗi phần tử ve cần chọn sao cho nó được xác định giải tích duy
nhất theo các toạ độ nút hình học của phần tử đó, có nghĩa là các toạ độ nằm trong
ve hoặc trên biên của nó.
2.2.3.2. Qui tắc chia miền thành các phần tử
Việc chia miền V thành các phần tử ve phải thoả mãn hai qui tắc sau:
Hai phần tử khác nhau chỉ có thể có những điểm chung nằm trên biên của
chúng. Điều này loại trừ khả năng giao nhau giữa hai phần tử. Biên giới giữa các

phần tử có thể là các điểm, đường hay mặt (Hình 1.1).
21


Ứng dụng phần mềm CATIA trong tính toán kiểm tra bền nhóm
khuỷu trục – thanh truyền –piston động cơ RM1037U
Tập hợp tất cả các phần tử ve phải tạo thành một miền càng gần với miền V cho
trước càng tốt. Tránh không được tạo lỗ hổng giữa các phần tử.
v1

v2

v2
v1

biên giới

biên giới

v1

v2
biên giới

Hình 1.1. Các dạng biên chung giữa các phần tử

2.2.4. Các phần tử hữu hạn
Có nhiều dạng phần tử hữu hạn: phần tử một chiều, hai chiều và ba chiều.
Trong mỗi dạng đó, đại lượng khảo sát có thể biến thiên bậc nhất (gọi là phần tử
bậc nhất), bậc hai hoặc bậc ba v.v. Dưới đây, chúng ta làm quen với một số dạng

phần tử hữu hạn hay gặp.
2.2.4.1. Phần tử một chiều

Phần tử bậc nhất

Phần tử bậc hai

Phần tử bậc ba

2.2.4.2. Phần tử hai chiều

Phần tử bậc nhất

Phần tử bậc hai

Phần tử bậc ba

2.2.4.3. Phần tử ba chiều
Phần tử tứ diện

22


Ứng dụng phần mềm CATIA trong tính toán kiểm tra bền nhóm
khuỷu trục – thanh truyền –piston động cơ RM1037U

Phần tử bậc nhất

Phần tử bậc ba

Phần tử bậc hai

Phần tử lăng trụ

Phần tử bậc nhất

Phần tử bậc hai

Phần tử bậc ba

2.2.5. Phần tử quy chiếu, phần tử thực
Với mục đích đơn giản hoá việc xác định giải tích các phần tử có dạng phức
tạp, chúng ta đưa vào khái niệm phần tử qui chiếu, hay phần tử chuẩn hoá, ký
hiệu là vr. Phần tử qui chiếu thường là phần tử đơn giản, được xác định trong không
gian qui chiếu mà từ đó, ta có thể biến đổi nó thành từng phần tử thực ve nhờ một
phép biến đổi hình học re. Ví dụ trong trường hợp phần tử tam giác (Hình 1.2).
(5)

y
(4)

η

r3

0,1
r1

0,0

1,0

(3)

v2
r2

vr

v3

(1)

v1
(2)

ξ

x

Hình 1.2. Phần tử quy chiếu và các phần tử thực tam giác

23


Ứng dụng phần mềm CATIA trong tính toán kiểm tra bền nhóm
khuỷu trục – thanh truyền –piston động cơ RM1037U
Các phép biến đổi hình học phải sinh ra các phần tử thực và phải thoả mãn các
qui tắc chia phần tử đã trình bày ở trên. Muốn vậy, mỗi phép biến đổi hình học phải
được chọn sao cho có các tính chất sau:

Phép biến đổi phải có tính hai chiều (song ánh) đối với mọi điểm ξ trong phần
tử qui chiếu hoặc trên biên; mỗi điểm của vr ứng với một và chỉ một điểm của ve và
ngược lại.
Mỗi phần biên của phần tử qui chiếu được xác định bởi các nút hình học của biên đó
ứng với phần biên của phần tử thực được xác định bởi các nút tương ứng.
Chú ý:

- Một phần tử qui chiếu vr được biến đổi thành tất cả các phần tử thực ve cùng loại
nhờ các phép biến đổi khác nhau. Vì vậy, phần tử qui chiếu còn được gọi là phần tử
bố-mẹ.

- Có thể coi phép biến đổi hình học nói trên như một phép đổi biến đơn giản.
- ζ (ξ, η) được xem như hệ toạ độ địa phương gắn với mỗi phần tử.
2.2.6. Một số dạng phần tử quy chiếu
2.2.6.1. Phần tử qui chiếu một chiều

-1

0

1 ξ

-1

1 ξ

0

/2

Phần tử bậc hai

Phần tử bậc nhất

0 1/2

-1

-1

ξ

1

Phần tử bậc ba

2.2.6.2. Phần tử qui chiếu hai chiều
η

η

η
1

1

1

1

/2

vr
0,0

1

Phần tử bậc nhất

ξ

1 ,1
/ /
2 2

r

v

0,0

1

/

2

1 ,2
/3 /3

2

/3

1

/

1

Phần tử bậc hai

ξ

2 ,1
/3 /3

vr

3

0,0

1

/

2
3

/

3

1

ξ

Phần tử bậc ba

2.2.6.1. Phần tử qui chiếu ba chiều
Phần tử tứ diện

24


Ứng dụng phần mềm CATIA trong tính toán kiểm tra bền nhóm
khuỷu trục – thanh truyền –piston động cơ RM1037U
ζ

ζ

ζ

0,0,1

0,0,1

0,0,1

η

vr
0,0,0

η

vr

0,1,0

0,1,0
1,0,0

1,0,0

ξ

Phần tử bậc nhất

η

vr

0,1,0
1,0,0

ξ

Phần tử bậc hai

ξ

Phần tử bậc ba

Phần tử sáu mặt
ζ

ζ

0,1,1

vr

vr

η

η

1,1,0

1,1,0

ξ

Phần tử bậc nhất

0,1,1

vr

η
ξ

ζ

0,1,1

Phần tử bậc hai

1,1,0

ξ

Phần tử bậc ba

2.2.7. Lực, chuyển vị, biến dạng và ứng suất
Có thể chia lực tác dụng ra ba loại và ta biểu diễn chúng dưới dạng véctơ cột:
- Lực thể tích

f : f = f[ fx, fy , fz]T

- Lực diện tích T : T = T[ Tx, Ty , Tz]T
- Lực tập trung Pi: Pi= Pi [ Px, Py , Pz]T
Chuyển vị của một điểm thuộc vật được ký hiệu bởi:
u = [u, v, w] T
(1.1)
Các thành phần của tenxơ biến dạng được ký hiệu bởi ma trận cột:

ε = [εx , εy, εz, γyz, γxz, γxy] T
Trường hợp biến dạng bé:
 ∂u
ε =
 ∂x

∂v
∂y

∂w
∂z

∂v ∂w
+
∂z ∂y

∂u ∂w
+
∂z ∂x

(1.2)
∂u ∂v 
+ 
∂y ∂x 

T

(1.3)

Các thành phần của tenxơ ứng suất được ký hiệu bởi ma trận cột:

σ = [σx , σ y, σz, σ yz, σ xz, σ xy] T
(1.4)
Với vật liệu đàn hồi tuyến tính và đẳng hướng, ta có quan hệ giữa ứng suất với biến
dạng:
σ=Dε

(1.5)

Trong đó: E là môđun đàn hồi, ν là hệ số Poisson của vật liệu.
25