KURZUS: Gépszerkezetek számítógépes tervezése

MODUL: Összeszerelés I.

5.4. lecke: Dinamikus mechanizmus vizsgálat

Cél: A kinematikailag felépített forgattyús mechanizmus dinamikai vizsgálata a Creo szoftver Mechanism alkalmazása segítségével.

Követelmények: Ön akkor sajátította el a tananyagot, ha

  • tud tetszőleges idő hosszúságú, és képkocka számú dinamikus vizsgálatot definiálni,
  • tud dinamikus vizsgálatot definiálni szervo motorral, vagy anélkül,
  • tud dinamikus vizsgálatot definiálni tetszőleges számú külső terhelő erőkkel, nyomatékokkal,
  • alkalmazni tudja dinamikus vizsgálat esetén az alapértelmezett gravitációt,
  • tud mechanizmus kényszeren reakcióerőt, -nyomatékot mérni,
  • tud állandó külső erőt, nyomatékot definiálni a szerkezetre,
  • tud táblázatosan megadott függvényű külső erőt, nyomatékot definiálni a szerkezetre,
  • tud külső erőt, nyomatékot definiálni a szerkezetre tetszőleges változó függvényében,
  • tud egy külső erő, nyomaték lefutását kiértékelő mérést definiálni.

Kulcsfogalmak: mechanizmus, dinamikai vizsgálat, analízis, mérés kiértékelés

Időszükséglet: 50 perc

1. Dinamikai vizsgálat előkészítése
Anyagminőség

A dinamikus működéshez hangsúlyosan át kell nézni, hogy minden összeállítást felépítő *.prt-nek,azaz minden alkatrésznek meglegyen a megfelelő anyagminőség tulajdonsága (például általános acél esetében a parancs: File/Prepare/Model Properties/Material-change STEEL). Ugyanis az anyagminőség adja a sűrűséget, ami a modellezett alkatrész térfogata alapján a tömeget adja.

Ha a motorblokk.prt-nek nem adunk sűrűséget, mivel abban nincsen térfogatot képező építőelem, és ha egyéb esetben is elmarad a sűrűség megadása, a szoftver kitölti a sűrűség tulajdonságot egységnyi mértékkel, a mértékegység pedig a választott alap mértékegységeknek megfelelően alakul; például mm, N, s esetén [tonna/mm3]-re adódik. Álló alkatrészeknél ez nem feltétlen gond, de a mozgást végzőknél komoly eltérést okoz.

Ellenőrizze a forgattyus_mechanizmus.asm összeállításban, hogy minden alkatrésznek megvan-e a saját anyagminősége! Megjegyzés: az alkatrészek megnyithatók a modellfából is, a jobb gomb/Open paranccsal, így könnyebb lehet az áttekintés.

Alap mértékegységrendszer

A mértékegységek szempontjából inkább a teljes összeállítási fájl a fontos, ugyanis ott fogunk erőkkel, nyomatékokkal dolgozni, ami miatt itt a mm, N, s a szokásos mértékegységek. Az előzőekből következik, hogy az erő N-ban, a nyomaték pedig Nmm-ben lesz értendő. A szoftver egyébként mutatni fogja a mértékegységeket, de figyelni kell, hogy az lesz-e ott, amit mi szeretnénk. Természetesen az alkatrészeknél és a részösszeállításoknál is fontos, hogy ne legyen téves adat.

Ellenőrizze a forgattyus_mechanizmus.asm összeállításban, hogy minden összeállításban és alkatrészben be van-e állítva a mm, N, s alapmértékegységek! (File/Prepare/Model Properties/Units-change mmNs)

2. Dinamikus analízis

A mozgó szerkezet erő-, és nyomatékhatások szerinti vizsgálatát a dinamikus (Dynamic) típusú analízissel lehet megtenni.

Lényegében a kinematikus analízishez nagyon hasonló. Eltérés ott van, hogy itt az analízis vizsgálati idejének hosszát egy számmal kell megadni (Duration), valamint aktív az Ext Loads (külső terhelések), ahova az erők, nyomatékok kerülnek. Itt lehet bekapcsolni, hogy a vizsgálatban figyelembe legyen-e véve a gravitáció (Enable Gravity), és a súrlódások (Enable All Friction). Mind az erőket, mind a súrlódásokat előre kell definiálni, a gravitáció esetében pedig csak az irányát és nagyságát kell ellenőrizni a megfelelő parancsikonnal (Gravity). Az alapértelmezett irány a -y ("lefele"), és a 9806.65 [mm/sec2] nagyság.

A példa most a forgattyús mechanizmus összeállítás azon része, amikor a motorblokk.prt, és a forgattyús_tengely.prt-k vannak beszerelve, és ezen mechanizmust forgatjuk 3000 [1/min] fordulatszámmal, majd vizsgáljuk a csapterhelés alakulását, azaz egyfajta kiegyensúlyozatlansági vizsgálatot végzünk.

Dinamikus vizsgálat készítése:

  • Hozzon létre egy új összeállítási fájlt, (kiegyensulyozatlansag.asm), amiben az előző leckének megfelelően szerelje be a motorblokk.prt-t, és a forgattyustengely.prt-t!
  • Készítsen servo motort, ami a kényszer forgástengelyét hajtja 18000 [deg/sec]-val (=3000 [1/min])!
  • Hozzon létre, és futasson le egy dinamikus (Type-Dynamic) analízist, ami 0.1 [s]-ig tart (Duration), a képkocka arány (Frame Rate) 10000, a Motors fülön az 18000 [deg/sec]-vel forgató servo motor van, az Ext Loads fül pedig üresen maradjon!
Dinamikus analízis
1. ábra
2. Reakcióerő mérés

A mechanizmus kényszerekben támasztó felületek, vagy tengelyek esetében ki lehet értékeltetni a támaszból származó reakcióerőt, vagy reakciónyomatékot (Connection Reaction); akár komponensek szerint is (Component). Beállítható továbbá az is, hogy a támasz, vagy a támasztott alkatrész koordinátarendszerében legyen-e kifejezve a reakció (Expressd in), és hogy melyik testre hatóról van szó (Exerted On).

Készítsen reakcióerő mérést (Measure)!

  • Connection Connection_7,
  • Type Connection Reaction,
  • Component Force X,
  • Expressd in Body 1 Connection CSYS (a támasz koordinátarendszere),
  • Exerted On Body 2 (támasztott alkatrész, azaz itt a forgattyús tengely).
A főcsapnál ébredő támaszerő függőleges komponensének mérése
2. ábra

Készítsen megjelenítő grafikont az előzőleg definiált mérésből!

6000 1/min fordulatszámon a modell kiegyensúlyozatlanságából származó függőleges támaszerő komponens ingadozása
3. ábra
3. Erő-, nyomatékterhelés (Force/Torque)

A mechanizmus szerkezet működése vizsgálható erő vagy nyomaték terhelése mellett. A vektorok irányát (Direction) többnyire koordináta rendszer szerint komponensekkel adjuk meg, de lehetőség van kijelölt elem (pl.: él) szerinti irány meghatározásra is. A vektor nagysága (Magnitude) négy móddal definiálható.

A lehetőségek:

  • Constant - állandó érték,
  • Table - táblázatosan meghatározott, ahol egy, az értékpárok szerint felállított függvény jön létre,
  • User Defined - analitikus módon felírt függvény határozza meg a lefutást,
  • Custom Load - a Creo más alkalmazásából származó érték kerül felhasználásra.
Erő-, nyomatékvektor nagyság megadása
4. ábra
Constans nyomaték

Az első, az állandó érték ugyanúgy működik, mint ahogyan a Servo motor esetében volt a konstans nagyság beírása, csak itt ez a Magnitude fülön található.

Hozzon létre egy állandó forgattyús tengelyt terhelő nyomatékot a Forgattyus_mechanizmus.asm összeállításban, ami az autóban, mint munkagépben felmerült nyomatékigényt jelent majd. Ezt kell a motornak, mint erőgépnek teljesítenie, kielégítenie.

  • Kattintson a Force/Torque ikonra, vagy a mechanizmusfában az ennek megfelelő helyen a jobb gomb/New parancsra!
  • Nevezze el a terhelést terhelo_nyomatek-nak!
  • A Type mezőt állítsa Body Torque-ra!
  • Jelölje ki a forgattyús tengelyt!
  • A Magnitude fülön maradjon a Constant beállítás a Function mezőnél, az értéke pedig 170000-legyen, aminek a mértékegysége fölötte olvasható N/mm!
  • A Direction fülön a WCS (azaz world coordinate system)-ben értelmezetten a koordináta irányokat x: -1; y: 0, z: 0-ra állítsa!
Állandó értékű terhelő nyomaték megadása
5. ábra
Erőfüggvény, táblázatosan

A táblázatos módszerrel, egy erőfüggvény definiálható. Meg kell adni a függvény erőértékeit (Newton-ban), egy választott változó értékeihez párosítva.

A baloldali oszlopban függőlegesen a változó értékei szerepelnek, a jobboldaliban pedig a függvény értékei. Változó lehet az idő (t), és bármely mérésben definiált elem (például: a korábbiakban definiált "szog", "szog_total", "focsap_tamaszero_X_fuggo"). Az adatokat lehet soronként is bevinni, valamint tabulátorral tagolt egyszerű ASCII kódolású szövegfájlban is, amiben a törtrészt tizedes pontokkal választjuk el az egészrésztől.

Készítse el a dugattyúkra ható gázerőket!

  • Mentse el a gazero_henger_1.txt (gazero_henger_1.txt , gazero_henger_2.txt , gazero_henger_3.txt , gazero_henger_4.txt ) állományt a számítógépére, az összeszerelés mellé! A gazero_henger_1.txt egy korábbi labormérésből származó adathalmaz. A többi adatsor pedig abból képzett, (a négyhengeres négyütemű motor gyújtási ciklusa miatti) 180°-okkal eltolt adatsorok, amit például táblázatkezelő programmal el lehet végezni.
  • Állítsa be munka könyvtárnak az összeszerelés mappáját!
  • Kattintson a Force/Torque ikonra, vagy a mechanizmusfában az ennek megfelelő helyen a jobb gomb/New parancsra!
  • Nevezze el a terhelést gazero_henger_1-nek!
  • A type mezőt hagyja Point Force-on!
  • Jelölje ki az első dugattyún lévő terheles segéd pontot (segéd pontok láthatósága bekapcsolandó)!
  • A Direction fülön a WCS (azaz world coordinate system)-ben értelmezetten a koordináta irányokat x: 0; y: -1, z: 0-ra állítsa!
  • A Magnitude fülön Function mezőnél a TABLE beállítás legyen (a mértékegység itt N)!
  • A File mezőben lévő megnyitás ikonnal tallózza ki a lementett gazero_henger_1.txt-t! A *.txt fájlok akkor látszanak, ha a szűrőt All Files-ra állítjuk (ez az adatfájl a dugattyúra ható erőt adja meg a forgattyús tengely szögállásának függvényében, 0-720°-közt)!
  • Válassza ki a Variable mezőben a szog-et változónak (ez volt az a szöghelyzet mérés, ami tetszőleges fordulat után is a forgattyús tengely szögét 0-720°-közt adja meg)!
  • Végezze el a többi dugattyúra is a megfelelő gázerő definiálását! Ügyeljen, hogy a text file nevének végén a számjegy a henger sorszámát mutatja, ahhoz mérten olvassa be azt az adott dugattyúhoz (1. dugattyú - gazero_henger_1.txt; 2. dugattyú - gazero_henger_2.txt; 3. dugattyú - gazero_henger_3.txt; 4. dugattyú - gazero_henger_4.txt)!
  • Készítsen mentést!
Gázerő táblázatosan
6. ábra
4. Összetett dinamikus vizsgálatok

Az előzőekben megismert, és elkészített vizsgálati elemek alapján, és azok felhasználásával mélyebben tanulmányozható forgattyús mechanizmus működése.

Dinamikus vizsgálat a gázerők és a terhelő nyomaték mellett

Alkalmazásra kerülnek a gázerők és a terhelő nyomaték, amelyek felhasználásával kimérendő a forgattyús tengely szögsebessége, és a gázerő lefutások.

Definiáljon egy újabb dinamikus analízist, gazerok_terhelonyomatek névvel:

  • a vizsgálat hossza legyen 0.2 [s] (Duration),
  • a képkocka arány 10000 [frame/s] (Frame Rate),
  • a Motors fül legyen üres,
  • az Ext Loads fülön a terhelo_nyomatek, és a gazero_henger_1-4 legyenek,
  • a terhelo_nyomatek csak 0.1 [s]-tól működjön (From),
  • futtassa le a vizsgálatot (RUN)!
Dinamikus analízis a gázerők és a terhelőnyomaték alkalmazásával
7. ábra
Szögsebesség mérés

Definiáljon egy szögsebességet kiértékelő mérést:

  • kattintson a Measures ikonra,
  • kattintson a New ikonra (fehér lap),
  • adja a mérésnek a szogsebesseg nevet,
  • a típusnak a velocity-t válassza,
  • jelölje ki a forgattyús tengelyt beszerelő kényszer forgástengelyét!
Szögsebesség mérés
8. ábra

Rajzoltassa ki a szögsebesség-idő függvényt!

Szögsebesség alakulása [deg/sec]-ben kifejezve, a gázerők, és a terhelőnyomaték hatásaként
9. ábra
Gázerő mérés

A gázerők értékei, a lefutásuk a mérés oldalról is megmutathatók. Erre használatos a Net Load mérés típus. A diagramnak a helyes gyújtási sorrendet kell mutatnia; 1, 3, 4, 2 henger sorrend.

Gázerő mérés
10. ábra
Gázerők-Forgattyússzög függvények lefutása közös diagramban
11. ábra
A gázerők dinamikus vizsgálata rögzített szögsebesség mellett

Alkalmazásra kerülnek a gázerők és a 18000 [deg/sec]-os servo motor. Kimérendők lesznek a főcsapra, és az első forgattyús csapra ható erőkomponensek.

Definiáljon egy újabb dinamikus analízist, gazero_servomotor18000 névvel:

  • a vizsgálat hossza legyen 0.04 [s] (Duration),
  • a képkocka arány 10000 [frame/s] (Frame Rate),
  • a Motors fülön a ServoMotor_18000 legyen,
  • az Ext Loads fülön a gazero_henger_1-4 legyenek,
  • futtassa le a vizsgálatot (RUN)!
Analízis a gázerőkkel és a 18000 [deg/sec]-os servo motorral
12. ábra
Főcsap támaszerő mérés

A főcsapon mért támaszerőt jelen modellen egy pontban tudjuk mérni, amire mind a négy gázerő összpontosul teljes mértékben, hiszen merevtest rendszerben dolgozik a mechanizmus alkalmazása a Creo-nak. A csapon mért reakcióerő-vektor irányának és nagyságának változását követhetjük a következő diagramon, ahol az erő vízszintes komponensének függvényében jelenik meg a függőleges komponens. A komponenseket a forgattyus_mechanizmus.asm ASM_DEF_CSYS-jében, és a forgattyús tengelyre hatóan kell értelmezni.

A vízszintes és a függőleges reakcióerő komponens
13. ábra
A függőleges reakcióerő komponens a vízszintes függvényében
14. ábra
Önellenőrző kérdés

1. feladat

Készítsen grafikont, ami az egyes dugattyút terhelő gázerőt rajzol ki, a löket függvényében!

Megoldás, gázerő-löket

2. feladat

Készítsen diagramot, ami megmutatja, hogy az első forgattyús csapon mért reakcióerő vektor iránya és nagysága milyen görbét ír le!

Az erőkomponenseket a forgattyus_mechanizmus.asm ASM_DEF_CSYS-jében, és a hajtórúdra hatóan kell értelmezni!

Megoldás, az első forgattyús csapon mért reakcióerő által leírt görbe