KURZUS: Gépszerkezetek számítógépes tervezése

MODUL: Összeszerelés I.

5.3. lecke: Mechanizmus vizsgálat

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

Követelmények Ön akkor sajátította el a tananyagot, ha

  • tud alkatrészhez anyagtulajdonságot rendelni,
  • tudja egy alkatrész, vagy összeállítás alapmértékegységeit átállítani,
  • meg tudja állapítani a modellfából, és a mechanizmusfából, hogy egy adott komponens beszerelési kényszerének mi a neve,
  • a modellfa részleteinek megjelenését szabályozó szűrőt át tudja álltani,
  • tud adott pozícióba mozgató servo motort definiálni,
  • tud állandó sebességet adó servo motort definiálni,
  • tud kinematikus analízist készíteni adott időtartammal, adott képkocka számmal,
  • tud servo motort időzíteni a kinematikus analízisben,
  • tud visszajátszást készíteni egy lefutatott analízisről,
  • tud helyzet mérést definiálni,
  • tud sebesség mérést definiálni,
  • tud egyenlettel mérést definiálni,
  • tud idő függvényű grafikonokat kirajzoltatni a mérési eredményekből,
  • tud mérési eredmény függvényű grafikonokat kirajzoltatni a mérési eredményekből.

Kulcsfogalmak: mechanizmus, kinematikai vizsgálat, analízis, mérés kiértékelés

Időszükséglet: 50 perc

1. Anyagminőség, modell tulajdonságok

Az egyik fontos előkészítés egy mozgó modell esetén a helyes kényszerezés, amit a normál összeszerelésben kell megtenni. A másik célszerű feladat, amit a konkrét alkalmazás indítása előtt ajánlott elvégezni, az az alkatrész fájlok anyagtulajdonságokkal való felruházása. Az anyagminőség számunkra legfontosabb jellemzője a sűrűség. Ugyanis a modellezés során elkészített geometriából következik a test térfogata, amit a sűrűséggel összeszorozva annak tömege adódik ki. A dinamikai analízishez, ahol az erők és a gyorsulások is számítanak, a tömegek nélkülözhetetlen adatok.

A creo programban több anyag előre definiált adattáblája található. Az egyik alkalmazásra kerülő anyag a STEEL - általános acél, 7827 [kg/m3]-es sűrűséggel, ez van hozzárendelve a dugattyún kívül az összes alkatrészhez. A dugattyúknál használatos anyag az AlSi12Cu4Ni2Mg ötvözet, ami sűrűsége szempontjából megegyezőnek vehető a Creo-ban található AL2014-es anyagéval, 2793,55 [kg/m3], azaz a mm, N, s mértékegységrendszerben 2,79355*10-9 [tonna/mm3].

Nyissa meg a csapszeg alkatrészt, dugattyu_csapszeg.prt!

  • Nyissa le a File fület, és válassza a Prepare menüponton belül a Model Properties hivatkozást!
  • A Materials csoporton belül a Material sort keresse meg, majd a sor végén a CHANGE szóra kattintson!
  • A következő ablakban a steel.mtl fájlt jelölje ki dupla kattintással, hogy az piros nyíllal kiemelten megjelenjen a Material in Model ablakban!
Anyagminőség, mértékegységek beállítása
1. ábra

material_and_units.mp4

Az anyagminőség részletes adatlapjába a jobb egérgomb Properties paranccsal tudunk belenézni. Ott többek között a sűrűség, a szilárdságtani és hőtani jellemzők találhatóak.

Anyagtulajdonságok
2. ábra

A Model Properties ablakba visszatérve a második sorban a Units, azaz az alkatrészfájlhoz tartozó alap mértékegységek láthatók, és a Change-dzsel lehet itt is változtatni.

Előfordulhat az a hiba, hogy egy alkatrészt inch-ben mért méretekkel rajzolunk meg, mert az az alapértelmezett alkatrész sablonunk, és nem változtattunk rajta. Ez általában akkor derül ki, amikor egy másikhoz akarjuk összeszerelni, amit milliméterben készítettünk, de a 25,4-szer kisebb alkatrészt talán meg sem látjuk a másik mellett. Ekkor kell az alapmértékegységeken változtatni. De, mivel úgy dolgoztunk, hogy a milliméter mértékegységet feltételeztük, nem konvertálásról, hanem átvezetésről, interpretálásról (Interpret) van szó, azaz 1" = 1 mm! A feladatokban célszerű a mmNs mértékegységrendszer használata.

Nézze meg a videón a mértékegységek beállításának módját!

mertekegyseg.mp4

A helyes mértékegységek és az anyagminőség megadása után a Mass Properties sorban a kék alapon fehér i betűre kattintással tájékozódhatunk a modell geometriai, fizikai, mechanikai mértékeiről. Ne felejtsük el menteni az alkatrészfájlunkat!

Alkatrész tömeg információ
3. ábra
2. Mechanizmus

A további munka a forgattyus_mechanizmus.asm összeállítás egy belső alkalmazásában folytatódik, tehát az Applications-ön belül kattintsunk a Mechanism ikonra! Saját kezelő felületet kapunk. Vannak műveletek, amit kizárólag ebben a környezetben tudunk elvégezni, és vannak, amelyek a összeállításból öröklődtek ide, azaz itt is megjelennek.

A modullal a cél a szerkezetünk kinematikai és dinamikai vizsgálata (Mechanism Analysis), a mozgás visszajátszása (Playback) és a lefuttatott vizsgálat kiértékelése (Measures). A mozgást egyrészt állandó fordulatszámú forgatás (Servo Motor) mellett nézzük, másrészt a hengerenkénti nyomáslefutásokból származó gázerő adatsorral (Force) teszteljük, terhelőnyomaték (Torque) mellett.

Mechanizmus alkalmazás kiinduló felület
4. ábra
3. Mechanizmusfa vs. modellfa

A mechanizmus alkalmazáson belül definiálható építőelemek külön rendszerben strukturálódnak, illetve a korábbi elemek is új megnevezéssel jelennek meg ott, a mechanizmusfában (Mechanism Tree). Az itt létrehozható elemek a Gravity, Motors, Springs, Dampers, Bushing Loads, Forces/Torques, Initial Conditions, Termination Conditions, Analysis, Playbacks.

  • Gravity: nehézségi gyorsulás.
  • Motors: mozgató motorok.
  • Springs: rugók.
  • Dampers: csillapítók.
  • Bushing Loads: terhelés átadás tulajdonságok, pl. két összehegesztett alkatrész közt.
  • Forces/Torques: erők, nyomatékok.
  • Initial Conditions: kezdeti feltételek.
  • Termination Conditions: analízis megszakítási feltételek.
  • Analysis: analízisek, vizsgálatok.
  • Playbacks: visszajátszások.

A korábban definiált, de itt megjelenők az alkatrészek, összeállítások, és azok mechanizmus kényszerei (Bodies, Connections). Megjegyzendő, hogy vannak kizárólag a mechanizmus környezetben létrehozható kényszerek, amik a következőek:

  • Cams (bütyök felület követés),
  • 3D Contacts (ütközés),
  • Gears (fogaskerékhajtás, ellentétes forgásirányú hajtás),
  • Belts (szíjhajtás, azonos forgásirányú hajtás).
Mechanizmusfa
5. ábra
Bodies

Nézzük az alkatrészeket, részösszeállításokat! A modellfában megszokotthoz képest a mechanizmusfában az első ág a testeket gyűjti össze (Bodies). Testnek számít egy alkatrész vagy részösszeállítás, ami mechanizmus kényszerrel van kényszerezve. Ez alapján található kilenc Body, a négy-négy dugattyú (Body 1-4) és hajtórúd részösszeállítás (Body 6-9), valamint egy forgattyús tengely (Body 5). A nem mozgó alapot (Ground) képviseli maga a forgattyus_mechanizmus.asm a motorblokk.prt alkatrésszel. A belső ágakban pedig a kapcsolódások is megtalálhatóak.

Mechanizmusfa, Bodies
6. ábra
Connections

Az egyes kapcsolatokból kiindulva elemezhető a mechanizmus szerkezet, hogy mely testek közt van értelmezve egy-egy kényszer, és melyek a szóba jöhető elmozdulás és forgás irányok.

Az alábbi ábrán a mechanizmusfa kapcsolati része látható. Kiemeltük rajta a forgattyús tengelyt kényszerező planar kényszer szettjének (Connection_1) a rögzített síkra merőleges tengelyét, mint forgástengelyt (Connection_1/Rotation Axis).

Keresse meg a saját összeállításában az alábbi forgástengelyt, ugyanis ez a későbbiekben is fontos szerepet játszik!

Mechanizmusfa, Connections
7. ábra
Modellfa beállítás

A modellfa részletezettsége, az egyes ágak mélységei szabályozhatóak. Alapesetben, összeállítási környezetben a modellfában csupán az alkatrészek, összeállítások láthatóak. Ha többet akarunk látni, akkor a modellfa szűrőjének beállításaiba kell lépnünk, és bejelölni a kívánt elemeket. Például: építőelemek - Features, kényszerek - Placement folder, letiltott elemek - Suppresd objects.

Modellfa, a szűrő beállításának módosítása előtt, közben és utána
8. ábra
4. Kinematikai vizsgálat

A szerkezetünk mozgás mechanizmusát vizsgálhatjuk kinematikus módon, amikor jellemzően az üzemi működés közbeni relatív, és abszolút pozíciók, sebességek kimérése a cél. A példánkban a forgattyús tengely szöghelyzetét vizsgáljuk.

Servo motor

A szerkezet mozgatható a mechanizmus motorok segítségével. A Servo motor pozícióba mozdít (type=Position), vagy sebességet ad (type=Velocity), vagy gyorsulást ír elő mozgás irányra, forgástengelyre (Motion Axis), illetve geometriai elemre.

Definiáljon egy 72 [°/s] (fok/szekundum)-ot előíró Servo motor-t a forgattyús tengelyt kényszerező planar kényszer szettjének a rögzített síkra merőleges forgástengelyére (Connection_1/Rotation Axis)!

Servo motor
9. ábra

servo_motor.mp4

Analízis (Analysis) Kinematic

A szerkezet mozgásviselkedését a terheléseket, tényezőket, feltételeket rögzítő vizsgálat elemekkel teszteljük.

Új mechanizmus anlalízis
10.ábra

Az új mechanizmus analízis kérése után állítsunk be egy kinematikai vizsgálatot (a Type ablakba a Kinematic-ot válasszuk):

A Preferences fülön három ablakrész található. A Graphical Display-en a vizsgálat alatti mozgásról készülő visszajátszható animáció beállításai találhatóak:

  • Start Time - kezdő időpillanat,
  • End Time - vég időpillanat,
  • Frame Count - képkocka szám,
  • Frame Rate - egy másodperc alatti képkockák száma,
  • Minimum Interval - képkockák közti idő

A Locked Entities ablakrészben zárolni lehet elemeket, de ez nem ezen tananyag része. Az alsó Initial Configuration a kiinduló helyzetre utal, ami jelen esetben maradjon a Current (aktuális helyzet), ugyanis a forgattyús tengely pozícionálásánál megadtunk regeneráló értéket, ami szerint a modell regenerálva az 5°-os pozícióba ugrik vissza.

Aktív a Motors-fül is, oda kerül be a Servo Motor, aminek működését időzíthetjük egy tól-ig (from-to) intervallumba. Amennyiben a motor definiálása már korábban megtörtént, akkor ide automatikusan bekerül az, egyébként a sor beszúró ikonnal tudunk servo motor működtetését felvenni. Továbbá alapértelmezett a teljes időintervallumon való servo motor működtetés FromStart To End. Ha adott időintervallumban szeretnénk csak használni egy motort, akkor egyszerűen számokkal megadható a kezdő és a vég időpont, másodpercekben értve.

Az OK gomb elfogadtatja az analízist, ami bekerül a mechanizmusfába. A Run pedig azonnal futtatja azt.

A futás alatt láthatjuk a modell mozgását, valamint alul egy feldolgozottság arányt mutató csíkot, ami mellett egy futást megszakító gomb van elhelyezve. A számítógépes erőforrásainknak, és a szoftverhez vásárolt licencnek a függvényében a futási idő hosszabb lesz, mint a vizsgálati Start time és az End time közötti 50 másodpercnyi idő különbség. (A mellékelt videón az 50 másodpercnyi időt 3 perc 50 másodpercig dolgozza fel a rendszer.)

Kinematikus analízis beállításai és a futtatás
11. ábra

kinematic.mp4

A futás után a szoftver memóriájában egy vizsgálati állomány jelenik meg, ami visszajátszásra, és kiértékelésekre használható fel.

5. Visszajátszás (Playback)

A lefuttatott analízisek a beállított képkocka szám szerint animációt képeznek, ami a Playback paranccsal hívható meg. A vizsgálati állomány kiválasztása után egy szokásosnak mondható videó lejátszó felületet kapunk.

Visszajátszás
12. ábra
6. Kiértékelés, mérések (Measures)

A mechanizmus analízis másik fontos célja, hogy mérési eredményeket jelenítsünk meg, és dokumentáljunk. Ennek bevezetését most egy forgattyús tengely szöghelyzetének alakulásával tesszük meg.

A mérésekhez a Measures parancsikonnaljuthatunk. Új kiértékelés definiálásához a fehér lap ikonra kell kattintani a felugró ablak közepe táján.

Szöghelyzet, teljes szögelfordulás mérése

Kiértékelendő a forgattyús tengely forgástengelyének (Connection_1.first_rot_axis) a szögállása (Type: Position), az analízis teljes időintervallumában (Evaluation Method: Each Time Step). Érdemes megfigyelni, a Type ablakrészben a mértékegységet (unit), deg = °, és a modellen megjelenő nyíl irányát, ami a pozitív forgásirányt mutatja.

Végezze el a mérés definiálását!

  • Kattintson a Measures ikonra!
  • Kattintson az új mérés definiálás ikonra (fehér lap)!
  • Adja a mérésnek a szog_total nevet!
  • Válassza a Position típust!
  • Jelölje ki a planar kényszer forgástengelyét Connection_1.first_rot_axis!
Szöghelyzet mérés definiálása
13 ábra

szog_total.mp4

Grafikon

A mérések megjelenítése grafikonnal történik, az ablakban a kijelölési sorrend a következő:

1.Jelölje ki az ablakban alul található választott analízis értékkészletet,
2.Jelölje ki a megjelenítendő mérés(eke)t,
3.Kattintson a bal felül található grafikon ikonra!
Forgattyús tengely szöghelyzetét mutató grafikon
14. ábra

A grafikon az idő (Time [s]) függvényében mutatja a forgattyús tengely forgástengelye teljes elfordulásának szögét fokokban (szog_total [deg]). Ha rákattintunk a grafikonra, a mérési helyen (karikák) kiértékelt eredményeket az ablakban alul mutatja a program.

Dugattyú pozíció, löket mérése

Vizsgálandó az első dugattyú hengerfej alsó felfekvő felületéhez képesti távolsága. Ez egy újabb kiértékelő mérést jelent, ami az előzőhöz hasonlóan itt is Position típusú, csak ebben az esetben egy a dugattyu.prt-hez tartozó segéd pont helyzetét kell vizsgálni, a forgattyus_mechanizmus.asm hengerfej felfekvő felületét szimbolizáló segéd koordinátarendszeréhez képest. Ügyelni kell, hogy a pozíciónak csak az y irányú komponense a kérdés!

Készítse el a dugattyú helyzetét kiértékelő mérést!

  • Hozzon létre a forgattyus_mechanizmus.asm fájlban egy új segéd koordinátarendszert, ami az alap ASM_DEF_CSYS-től y-irányban 230 mm-re fekszik, és forgassa úgy a koordináta tengelyek állását, hogy az újnak az y-tengelye a másikkal ellentétesen mutasson, azaz "lefele"!
  • Nevezze el az új koordinátarendszert hengerfej_koord-ra!
  • Hozzon létre új mérést, Position típusút, ami a Dugattyu.prt terheles segéd pontjának y irányú elmozdulás komponensét elemzi ki, a forgattyus_mechanizmus.asm hengerfej_koord segéd koordinátarendszeréhez képest.
Dugattyú helyzet mérés
15. ábra

loket.mp4

Szöghelyzet, 0-720°

A későbbiekben szükség lesz a forgattyús tengely szöghelyzetét a 0-720°-os tartományban való kifejezésére, ugyanis a négyütemű motor ciklusa két fordulat - azaz 720° -, alatt zajlik le. Ez a mérések közül egy egyedi egyenlet alapján történő kiértékelést jelent.

Az egyenlethez szükség lesz a Floor (más néven egészrész) függvényre, aminek a diagramját a képen láthatjuk. Ez egy egyszerű lépcsős függvény, ami egy valós számnak, (egy adott x értéknek) azt a legnagyobb egész számot felelteti meg, ami még nem nagyobb az adott számnál.

Az új mérés definiálása, után itt a User Defined típust kell választani, majd begépelni a következőt: szog_total-720*floor(szog_total/720). Tehát a teljes szögelfordulásból kivonjuk a megtett összes kétfordulatokat, azaz marad az utolsó be nem fejezett 720°, a 0-720° közötti szöghelyzet. Ez az érték tetszőleges fordulat után is a forgattyús tengely szögét 0-720°-közti értékként adja meg.

A mértékegység itt egyedileg állítható, és mivel ez egy szöghelyzet mérés a °, azaz a deg a megfelelő választás.

Egyedi mérés egyenlettel
16. ábra

A teljes szögelfordulás, és a 0-720° közti mérés eredményeit az alábbi ábra mutatja be. A felső diagramon a 0-720° közti szöghelyzet alakulása figyelhető meg, az alsón pedig az összes szögelfordulás.

A szog_total és a szog mérések összehasonlítása
17. ábra
Közös grafikon

Több mérési eredmény egyszerre is megjeleníthető. Ilyenkor egyszerűen a középső ablakrészben több mérést kell kijelölni a CTRL billentyű segítségével, majd utána kérni a grafikon kirajzoltatást. Valamint van egy kapcsoló cella (Graph measures separatelys), amit kipipálva a különböző méréseket elkülönítetten, de függőlegesen egymáshoz rendezett módon lehet megjeleníteni. Ha nincsen bejelölve a cella, akkor azonos tengelyekkel egymásra kerülnek a mérések görbéi.

Egyszerre több mérés elkülönített módon
18. ábra
Mérési eredményt mérési eredmény függvényében

A Measures vs. Time-ot a felsőlegördülő ablakban (Graph Type) a Measures vs. measure-re kell állítani, azaz az idő függvényében való megjelenítést egy tetszőleges mérési eredmény függvényében való kirajzoltatásra.

Löket a forgattyús tengely szögének függvényében
19. ábra
Önellenőrző kérdések

Készítsen grafikont, ami az első forgattyús csapon forgó hajtórúd, nagyszem cylinder kényszer szettjének a szögelfordulás mutatja, a forgattyús tengely szögelfordulásának a függvényében! A hajtórúd szöghelyzete a felső holtpontban legyen nulla, ahogyan a forgattyús tengelynél is az!

Az alábbi eredményt kell kapnia:

A hajtórúd szögelfordulásának alakulása a forgattyús tengely szögelfordulásának függvényében