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235KW发动机飞轮设计【汽车类】【3张图纸】【优秀】

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235kw 发动机 飞轮 设计 汽车 图纸
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235KW发动机飞轮设计

55页 21000字数+说明书+任务书+3张CAD图纸【详情如下】

任务书.doc

封面.doc

曲轴飞轮组装配图.dwg

离合器总装图.dwg

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235KW发动机飞轮设计论文.doc


目  录

摘要I

AbstractII

第1章 绪论1

1.1 选题目的、意义1

1.2 发动机飞轮国内外研究现状2

1.3 曲轴系统的扭转振动3

1.3.1 扭转振动的基本概念3

1.3.2 扭转震动的消减措施4

1.4 汽车离合器结构的发展5

1.5 飞轮设计方法6

1.6 主要研究内容8

第2章 飞轮转动惯量的确定9

2.1 飞轮转动惯量计算方法介绍9

2.1.1 转动惯量的切向力方法9

2.1.2 飞轮转动惯量的能量法11

2.2 柴油机曲轴的旋转不均匀度15

2.3 飞轮转动惯量计算17

2.3.1飞转的作用17

2.4 本章小结20

第3章 飞轮结构设计21

3.1 飞轮结构简介21

3.2 飞轮材料选取22

3.3 飞轮尺寸确定23

3.3.1 飞轮基本结构形式23

3.3.2 方案一:平板型飞轮24

3.3.3 方案二:盆型飞轮27

3.3.4 方案一与方案二对比29

3.4本章小结29

第4章 匹配离合器设计30

4.1 离合器功用及设计要求30

4.1.1 离合器的功用30

4.1.2 对摩擦离合器的基本性能要求30

4.1.3 膜片弹簧离合器概述31

4.2 离合器结构设计31

4.2.1 离合器的容量参数的计算31

4.2.2 从动盘零件的结构选型和设计33

4.2.3 压盘设计35

4.2.4 离合器盖设计35

4.3 本章小结36

第5章 曲轴飞轮组零件创建与机构运动分析37

5.1 CATIA软件简介37

5.2 连杆的创建37

5.2.1 连杆的特点分析37

5.2.2 连杆的建模思路37

5.3 活塞的创建38

5.3.1 活塞的特点分析38

5.3.2 活塞的建模思路39

5.4 曲轴的创建39

5.4.1 曲轴的特点分析39

5.4.2 曲轴的建模思路40

5.5 曲轴飞轮组运动分析40

5.5.1 定义曲轴、连杆、活塞及活塞销的运动连接40

5.5.2 设置曲轴与机座、活塞与活塞缸套之间的运动连接43

5.5.3 模拟仿真44

5.5.4运动分析44

5.6 本章小结47

结论48

参考文献49

致谢50

一、设计(论文)目的、意义

  惯性飞轮对稳定发动机的转速有重要作用,其惯量转动、整体重量、安装质心位置、总体结构型式对发动机的性能和寿命等有很大影响。本设计的目的是了解发动机惯性飞轮的结构型式、安装特点及设计方法,进行235kW发动机惯性飞轮的设计,包括惯性飞轮总体结构设计和优化、惯量和重量的匹配计算等。通过该论文工作,能够培养学生运用所学的专业理论知识独立进行工程设计的能力,提高专业理论水平和实际动手能力。同时培养学生的文献检索与综述的能力、独立工作能力以及撰写科技论文的方法等。

二、设计(论文)内容、技术要求(研究方法)

  设计内容:

惯性飞轮总体结构设计

惯量和重量的匹配计算等

机构优化

  技术指标:

  发动机标定转速角速度变化率:小于3%

  飞轮惯量:1.2-1.8Kg/m3

  带离合器压盘等附件的惯量为:2.5-3.2Kg/m3


摘  要

   为了更好的解决发动机曲轴扭震等问题,本设计以上柴6CL320-2的相关数据作为参照,对235直列六缸柴油机飞轮进行了惯量计算、结构设计、强度校核、离合器匹配,并对曲轴飞轮 组进行了有关运动学和动力学的理论分析与计算机仿真分析。

   飞轮是一个转动惯量很大的圆盘,其主要功用是将在作功行程中传输给曲轴的功的一部分储存起来,用以在其他行程中克服阻力,带动曲轴连杆机构越过上、下止点,保证曲轴的旋转角速度输出转矩尽可能均匀,并使发动机有可能克服短时间的超过载;此外,在结构上飞轮又往往用作汽车传动系统中的摩擦离合器的驱动件。

关键词:飞轮  惯量计算  结构设计  离合器  运动仿真


   使汽车的平顺性受到很大影响,使乘员产生不舒服和疲乏的感觉。而汽车的平顺性主要是保持汽车在行驶过程中产生的振动和冲击环境对乘员舒适性的影响在一定界限之内,因此平顺性主要根据乘员主观感觉的舒适性来评价,它是现代高速汽车的主要性能之一。汽车的振动还使其动力性无法充分发挥,经济性变差,还会影响到汽车的通过性、操纵稳定性,甚至损坏汽车的零部件,缩短汽车的使用寿命。汽车是由多个系统组成的复杂的振动系统,每个系统都存在振动问题,几个主要系统存在的振动问题如下:

   首当其冲的是发动机和传动系:汽车行驶时因汽缸内的燃气压力和运动件的不平衡惯性力周期性变化以及道路不平的结果都会使曲轴系统和发动机整机产生振动。其中,曲轴系统的扭振比较重要,而且与整车传动系统密切相关。曲轴受周期性变化的干扰力作用,这种干扰力会使发动机和传动系统产生强烈的扭振。对于扭振引起的这些装置的附加应力大大超过工作应力,这会影响发动机和传动系的工作质量和寿命,产生噪声,造成严重的破坏。除发动机和传动系统外,其它几个振动的系统分别为:制动系统、转向系统、悬架系统、车身和车架。

   严格控制发动机曲轴的扭转振动和降低传动系的扭转振动成为汽车工程人员密切关注和潜心研究的问题。在过去的实践中汽车设计师们采用了许多行之有效的措施,其中一个重要而广泛的措施就是为内燃机匹配飞轮。

   飞轮是一个转动惯量很大的圆盘,其主要功用是将在作功行程中传输给曲轴的功的一部分储存起来,用以在其他行程中克服阻力,带动曲轴连杆机构越过上、下止点,保证曲轴的旋转角速度输出转矩尽可能均匀,并使发动机有可能克服短时间的超过载;此外,在结构上飞轮又往往用作汽车传动系统中的摩擦离合器的驱动件。

   飞轮是发动机的关键安全件,其功能是调节发动机曲轴转速变化,起稳定转速的作用。发动机在任何工况下,既使是稳定工况,出于负荷的突变,发动机输出扭矩与其所带动的阻力矩之间不相等,而产生曲轴转动角速度的波动,引起曲轴回转的不均匀性。这会产生一系列不良后果:对曲轴驱动的部件产生冲击,影响工作可靠性。降低使用寿命,产生噪音曲轴振动等。因此必须控制曲轴回转的不均匀性在允许范围之内。飞轮正是利用其具有较大的转动惯量,在曲轴加速减速过程中吸收或释放其动能,稳定曲轴加速度的变化,从而稳定转速。

   四冲程发动机只有作功行程产生动力,其它进气、压缩、排气行程消耗动力,多缸发动机是间隔地轮流作功。扭矩呈脉动输出,这样就给曲轴施加了一个周期变化的扭转外力,令曲轴转动忽慢忽快。缸数越少越明显。另外,当汽车起步时,由于扭力突然剧增会使发动机转速急降而熄火。利用飞轮所具有的较大惯性,当曲轴转速增高时吸收部分能量阻碍其降速,当曲轴转速降低时释放部分能量使得其增速,这样一增一降,提高了曲轴旋转的均匀性。

1.2 发动机飞轮国内外研究现状

   在机械原理教科书中,将飞轮按其功能切分为稳速(稳定速度,减小波动幅度)和蓄能(积蓄能量、适时释出)两大类。近期有少量文献提出,利用飞轮夹补偿或平衡输入轴的外力矩,即出现外力矩平衡飞轮。外力矩平衡飞轮应具有变化的等效转动惯量,用以平衡输入轴外力矩的波动。严格地讲,稳速、蓄能和平衡外力矩波动三种功能可以同时体现在同—飞轮上,无法截然区分。


内容简介:
哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计摘 要为了更好的解决发动机曲轴扭震等问题,本设计以上柴6CL320-2的相关数据作为参照,对235直列六缸柴油机飞轮进行了惯量计算、结构设计、强度校核、离合器匹配,并对曲轴飞轮 组进行了有关运动学和动力学的理论分析与计算机仿真分析。飞轮是一个转动惯量很大的圆盘,其主要功用是将在作功行程中传输给曲轴的功的一部分储存起来,用以在其他行程中克服阻力,带动曲轴连杆机构越过上、下止点,保证曲轴的旋转角速度输出转矩尽可能均匀,并使发动机有可能克服短时间的超过载;此外,在结构上飞轮又往往用作汽车传动系统中的摩擦离合器的驱动件。关键词:飞轮 惯量计算 结构设计 离合器 运动仿真 AbstractIn order to better solve the engine crankshaft earthquake such issues, the design CL320-2 6 above wood of related data as a reference, to 235 kw in-line six diesel engine flywheel the inertia computation, structure design, intensity, clutch matching, and of crankshaft fly wheel about kinematics and dynamics theory analysis and computer simulation analysis. The flywheel is a rotating inertia big disc, its main function is to do work in transmission of the trip to the crankshaft part of the power stored up, in other tour to overcome resistance, drive the crankshaft linkage mechanism, the check point across, guarantee of the crankshaft angular velocity output torque evenly as much as possible, and make the engine may overcome more than in the short time; In addition, on the structure of the flywheel and often used in automobile transmission system of friction clutch of driving part. Key words: The flywheel; Inertia computation; Structure design; Clutch; Motion simulation目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 选题目的、意义11.2 发动机飞轮国内外研究现状21.3 曲轴系统的扭转振动31.3.1 扭转振动的基本概念31.3.2 扭转震动的消减措施41.4 汽车离合器结构的发展51.5 飞轮设计方法61.6 主要研究内容8第2章 飞轮转动惯量的确定92.1 飞轮转动惯量计算方法介绍92.1.1 转动惯量的切向力方法92.1.2 飞轮转动惯量的能量法112.2 柴油机曲轴的旋转不均匀度152.3 飞轮转动惯量计算172.3.1飞转的作用172.4 本章小结20第3章 飞轮结构设计213.1 飞轮结构简介213.2 飞轮材料选取223.3 飞轮尺寸确定233.3.1 飞轮基本结构形式233.3.2 方案一:平板型飞轮243.3.3 方案二:盆型飞轮273.3.4 方案一与方案二对比293.4本章小结29第4章 匹配离合器设计304.1 离合器功用及设计要求304.1.1 离合器的功用304.1.2 对摩擦离合器的基本性能要求304.1.3 膜片弹簧离合器概述314.2 离合器结构设计314.2.1 离合器的容量参数的计算314.2.2 从动盘零件的结构选型和设计334.2.3 压盘设计354.2.4 离合器盖设计354.3 本章小结36第5章 曲轴飞轮组零件创建与机构运动分析375.1 CATIA软件简介375.2 连杆的创建375.2.1 连杆的特点分析375.2.2 连杆的建模思路375.3 活塞的创建385.3.1 活塞的特点分析385.3.2 活塞的建模思路395.4 曲轴的创建395.4.1 曲轴的特点分析395.4.2 曲轴的建模思路405.5 曲轴飞轮组运动分析405.5.1 定义曲轴、连杆、活塞及活塞销的运动连接405.5.2 设置曲轴与机座、活塞与活塞缸套之间的运动连接435.5.3 模拟仿真445.5.4运动分析445.6 本章小结47结论48参考文献49致谢5053第1章 绪论1.1 选题目的、意义汽车工程的发展贯穿着以第二次和第三次工业革命为契机与标志的近现代世界工业文明飞速向前的轨迹。当今汽车高速化、轻量化、高效率和低阻尼的发展趋势使得振动与噪声问题愈发突出。汽车是一个具有质量、弹性和阻尼的振动系统。汽车整车或局部的振动使汽车的平顺性受到很大影响,使乘员产生不舒服和疲乏的感觉。而汽车的平顺性主要是保持汽车在行驶过程中产生的振动和冲击环境对乘员舒适性的影响在一定界限之内,因此平顺性主要根据乘员主观感觉的舒适性来评价,它是现代高速汽车的主要性能之一。汽车的振动还使其动力性无法充分发挥,经济性变差,还会影响到汽车的通过性、操纵稳定性,甚至损坏汽车的零部件,缩短汽车的使用寿命。汽车是由多个系统组成的复杂的振动系统,每个系统都存在振动问题,几个主要系统存在的振动问题如下:首当其冲的是发动机和传动系:汽车行驶时因汽缸内的燃气压力和运动件的不平衡惯性力周期性变化以及道路不平的结果都会使曲轴系统和发动机整机产生振动。其中,曲轴系统的扭振比较重要,而且与整车传动系统密切相关。曲轴受周期性变化的干扰力作用,这种干扰力会使发动机和传动系统产生强烈的扭振。对于扭振引起的这些装置的附加应力大大超过工作应力,这会影响发动机和传动系的工作质量和寿命,产生噪声,造成严重的破坏。除发动机和传动系统外,其它几个振动的系统分别为:制动系统、转向系统、悬架系统、车身和车架。 严格控制发动机曲轴的扭转振动和降低传动系的扭转振动成为汽车工程人员密切关注和潜心研究的问题。在过去的实践中汽车设计师们采用了许多行之有效的措施,其中一个重要而广泛的措施就是为内燃机匹配飞轮。飞轮是一个转动惯量很大的圆盘,其主要功用是将在作功行程中传输给曲轴的功的一部分储存起来,用以在其他行程中克服阻力,带动曲轴连杆机构越过上、下止点,保证曲轴的旋转角速度输出转矩尽可能均匀,并使发动机有可能克服短时间的超过载;此外,在结构上飞轮又往往用作汽车传动系统中的摩擦离合器的驱动件。飞轮是发动机的关键安全件,其功能是调节发动机曲轴转速变化,起稳定转速的作用。发动机在任何工况下,既使是稳定工况,出于负荷的突变,发动机输出扭矩与其所带动的阻力矩之间不相等,而产生曲轴转动角速度的波动,引起曲轴回转的不均匀性。这会产生一系列不良后果:对曲轴驱动的部件产生冲击,影响工作可靠性。降低使用寿命,产生噪音曲轴振动等。因此必须控制曲轴回转的不均匀性在允许范围之内。飞轮正是利用其具有较大的转动惯量,在曲轴加速减速过程中吸收或释放其动能,稳定曲轴加速度的变化,从而稳定转速。四冲程发动机只有作功行程产生动力,其它进气、压缩、排气行程消耗动力,多缸发动机是间隔地轮流作功。扭矩呈脉动输出,这样就给曲轴施加了一个周期变化的扭转外力,令曲轴转动忽慢忽快。缸数越少越明显。另外,当汽车起步时,由于扭力突然剧增会使发动机转速急降而熄火。利用飞轮所具有的较大惯性,当曲轴转速增高时吸收部分能量阻碍其降速,当曲轴转速降低时释放部分能量使得其增速,这样一增一降,提高了曲轴旋转的均匀性。1.2 发动机飞轮国内外研究现状在机械原理教科书中,将飞轮按其功能切分为稳速(稳定速度,减小波动幅度)和蓄能(积蓄能量、适时释出)两大类。近期有少量文献提出,利用飞轮夹补偿或平衡输入轴的外力矩,即出现外力矩平衡飞轮。外力矩平衡飞轮应具有变化的等效转动惯量,用以平衡输入轴外力矩的波动。严格地讲,稳速、蓄能和平衡外力矩波动三种功能可以同时体现在同飞轮上,无法截然区分。由于铸铁或钢制飞轮的线速度有一定的限制,因此,其单位质量所贮存的能量不大。例如时,飞轮单位质量所贮存的能量为1800。当时为7200。又由于有轴承的摩擦和空气阻力,运转时其能量损耗也较高。所以,普通的飞轮只能用以调节瞬时的不大的能量变化,而不能用作大容量的更高峰载荷补偿器,不能用作需要交配大能量的次能源贮存器。高比强度新材料的出现,例如纤维和晶须增强材料的研制成功,使飞轮单位密度强度有很大的提高,允许的线速度也大幅度的提高。因此大大增强了飞轮单位质量所能贮存的能量,如再配以磁悬装置和真空室,飞轮有可能作为需要较大能量的二次能源贮存器。除了采用高比强度的材料外,还研究了飞轮的最佳几何形状,以使飞轮各处应力分布合理而均匀,以及减少阻力,这样可进一步提高飞轮贮存能量的能力。此外,为了减小电动机的驱动力矩,采用变惯性力矩飞轮,如下图,该飞轮具有保证能在径向移动的滑块。图a是电机启动前滑块位置;图b是机组正常运行时滑块的位置。图1-1 变惯性力矩飞轮1.3 曲轴系统的扭转振动1.3.1 扭转振动的基本概念 在内燃机的使用实践中,人们早就发现,当内燃机达到某一转速时运转变得很不均匀,伴随着机械敲击和抖动,性能也变差了。如果这样长期运转下去,曲轴就可能断裂。当转速提高或降低一些,均使敲击和抖动减轻甚至消失。由此可见,这不是由于发动机的不平衡性引起的,否则抖动应随转速的提高而剧增,因为不平衡惯性力是与转速平方成正比的。大量理论和试验研究证明,这种现象的原因主要是由于曲轴发生了大幅度扭转振动所引起,由于轴系扭转刚度不足,在随时间周期变化的单拐转矩作用下,各曲拐间会产生相当大的周期性相对扭转,气缸数愈多,曲轴愈长,这种现象愈严重,这就是曲轴的扭转振动。当轴系达到某一转速时,施加在曲轴上的周期变化的转矩与曲轴本身振动频率之间产生“合拍”现象,这就是所谓的共振。发生共振时曲轴扭转变形的幅度将大大超过正常值,轻则产生很大的噪声,使磨损剧增,重则使曲轴断裂。因此,在设计内燃机时必须对轴系的扭振特性进行计算分析,以确定其临界转速,振型、振幅,扭转应力以及是否需要采取减振措施。 1扭转振动的定义 扭转振动是使曲轴各轴段间发生周期性相互扭转的振动,简称扭振。 2扭振的现象 1)发动机在某一转速下发生剧烈抖动,噪声增加,磨损增加,油耗增加,功率下降,严重时发生曲轴扭断。2)发动机偏离该转速时,上述现象消失。 3扭振发生的原因 1)曲轴系统由具有一定弹性和惯性的材料组成,本身具有一定的固有频率。 2)系统上作用有大小和方向呈周期性变化的干扰力矩。3)干扰力矩的变化频率与系统固有频率合拍时,系统产生共振。4、研究扭振的目的通过计算找出临界转速、振幅、扭振应力,决定是否采取减振措施。5、扭振当量系统的组成根据动力学等效原则,将当量转动惯量布置在实际轴有集中质量的地方;当量轴段刚度与实际轴段刚度等效,但设有质量。1.3.2 扭转震动的消减措施 曲轴系统发生扭振现象是必然的,只不过轻重程度不同。严重时都要采取扭振消减措施。消除或者减轻扭振带来的危害通常都是由下面几个途径来实现。1.使曲轴转速远离临界转速 在工作转速范围内产生扭振的转速叫做临界转速,所以要保证临界转速避开常用工作转速和标定转速。2.改变曲轴的固有频率 这是结构措施,通常在设计阶段考虑。通过改变结构参数,达到使固有频率远离外界强 迫力矩频率的目的。具体措施有: 1)提高曲轴刚度。 (1)增加主轴颈直径。 (2)减小曲轴长度。 (3)提高重叠度。 2)减小转动惯量。 (1)采用空心曲轴。 (2)降低平衡块质量。(3)降低带轮,飞轮质量。3.提高轴系的阻尼提高轴系的阻尼主要靠材料特性来达到。铸铁的材料阻尼比钢要高出80100,所以如果强度允许,可以把该钢曲轴改成铸铁曲轴,以达到减弱扭振的目的。4.改变激振强度5.采用减振装置1.4 汽车离合器结构的发展实际上早在1920年就出现了单片离合器,但由于当时技术设计上的缺陷,造成了单片离合器在结合时不够平顺等问题。但是,单片干式离合器结构紧凑,散热良好,转动惯量小,所以以内燃机为动力的汽车经常采用它,尤其是成功开发了价格便宜的冲压件离合器盖以后更是如此。多年的实际经验和技术上的改进使人们逐渐趋向于首先单片干式摩擦离合器,因为它具有从动部分转动惯量小、散热性好、结构简单、调整方便、尺寸紧凑、分离彻底等优点,而且由于在结构上采用一定的措施,已能做到平顺,因此现在广泛用于大、中、小各类车型中。离合器对降低曲轴系统的扭震起着至关重要的作用。采用具有轴向弹性的从动盘,提高了离合器的结合平顺性。离合器从动盘总成中装有扭转减震器,防止了传动系统的扭转共振、减小了传动系统噪声和动载荷。对于重型离合器,由于商用车趋于大型化,发动机功率不断增大,但离合器允许增大尺寸的空间有限(现离合器从动盘的直径已达430mm)。增加离合器扭转能力,提高其使用寿命,简化操作。已成为重型离合器当前的发展趋势。为了提高离合器的扭转能力,造重型汽车上采用双片干式离合器。从理论上讲,在相同径向尺寸下,双片离合器的扭转能力和使用寿命是单片一倍,但受到其他客观因素的影响(如散热等),实际的效果要比理论值要低一些。结构上采用拉式膜片弹簧的离合器,其允许的传扭能力要比推式大。从动盘采用金属陶瓷的离合器比一般有机片摩擦材料传扭能力提高30%,而使用寿命至少提高70%。1.5 飞轮设计方法多刚体动力学模拟是近十年发展起来的机械计算机模拟技术,提供了在设计过程中对设计方案进行分析和优化的有效手段,在机械设计领域获得越来越广泛的应用。它是利用计算机建造的模型对实际系统进行实验研究,将分析的方法用于模拟实验,充分利用已有的基本物理原理,采用与实际物理系统实验相似的研究方法,在计算机上运行仿真实验。目前多刚体动力学模拟软件主要有catia,ProMechanics,Working model3D,ADAMS等。多刚体动力学模拟软件的最大优点在于分析过程中无需编写复杂仿真程序,在产品的设计分析时无需进行样机的生产和试验。对内燃机产品的部件装配进行机构运动仿真,可校核部件运动轨迹,及时发现运动干涉;对部件装配进行动力学仿真,可校核机构受力情况;根据机构运动约束及保证性能最优的目标进行机构设计优化,可最大限度地满足性能要求,对设计提供指导和修正。目前国内人学和企业已经已进行了机构运动、动力学仿真方面的研究和局部应用,能在设计初期及时发现内燃机曲柄连杆机构干涉,校核配气机构运动、动力学性能等,为设计人员提供了基本的设计依据。在现代机械,特别是在高速运动的机械中,机器动力学是一个重要的研究课题,其中包括机器的周期性速度波动的调节。机器在稳定运动阶段中,由于驱动外力与阻抗外力不能时时相平衡,而其质量分布又不能作相应的变化,必然引起周期性的速度波动,以至影响机器的工作质量。这个问题至今还不能认为是已经彻底解决。目前,在机器上安装飞轮仍然是简便有效的调节速度波动的方法。现在,在大型的工程机械、精密齿轮机床和现代化最新研制的六足步行机器人中,都能见到飞轮装置,在另外一些机械中,虽然没有安装飞轮,但是许多构件却具有飞轮的效应。飞轮设计的核心问题是计算飞轮的转动惯量。计算飞轮转动惯量的途径是求解描述机械系统运动过程的动力学方程。对刚性构件组成的机械系统而言,其运动方程式集中地表达了外力、构件质量(包括飞轮的转动惯量)和构件运动之间的关系。因而飞轮设计的内容之一就是根据已知外力、给定的速度变化要求和构件质量计算出飞轮应有的转动惯量。外力是决定机械系统运动规律的主导因素。作用在机械系统上的外力可分为驱动力和工作阻力两类。驱动力由原动机传入,驱使机械系统运动而作正功,工作阻力由工作对象传来,阻抗机械系统运动而作负功。外力的变化规律将直接影响求解运动方程的具体方法和难易程度,通常将外力随运动参数和时间的变化规律称为机械系统的机械特性。下面先介绍几种常见到的外力变化规律:1常量力 作用在机械系统上的外力在稳定运动阶段为常量。例如液压传动系统的驱动力、构件的重力、在不计绳索重量时起重机的荷重、轧钢机和刨床上的生产阻力等。当机械系统的外力均为常量时,机械系统的运动方程将大为简化,计算飞轮转动惯量的方法也比较简单。2力是作用构件运动速度的函数 属于这类的外力有通风机的载荷、离心泵及螺旋桨的工作阻力等。3力是机构位置的函数 具有这类机械特性的机器力如:活塞式压缩机的工作阻力、掘土机的载荷、弹簧的弹力以及内燃机的输出力矩等都是机构位置的函数。4随时间而变化的作用力 如球磨机的磨削阻力即是随时间而变化的。在同一个机械系统中,可同时存在几个外力,它们可以是按同一规律变化,也可能分别按不同规律变化。当出现后一种情况时,整个外力系将同时是几个自变量的函数。 机械系统中每个可动构件的质量都影响着系统的运动。现有两类不同的方法来表达这种影响。一种方法是将构件质量对运动的影响表现为惯性力,将构件的惯性力视作机械系统的外力,并纳入平衡计算之中。但是,欲准确地计算出构件的惯性力,必须已知构件的真实运动速度和加速度,而在设计飞轮时,机械系统的真实运动常常是未能准确确定的。在此情况下,只能计算出惯性力的近似值。另一种方法是将各构件质量的作用以等效质量或等效转动惯量的形式引入机械系统的运动方程式。1.6 主要研究内容 本设计主要针对当今汽车的曲轴系统扭转振动问题,以合理匹配飞轮为主要研究内容。具体设计内容如下:1.飞轮转动惯量确定。2.飞轮结构设计。3.离合器匹配设计。4.基于catia的曲轴飞轮组零件创建与机构运动分析。第2章 飞轮转动惯量的确定2.1 飞轮转动惯量计算方法介绍在由内燃机驱动的机械系统中,驱动力是活塞位置的函数,如果载荷也随机构位置而变化,则此机械系统的外力仅为机构位置的函数。力是机构位置的函数时,计算飞轮转动惯量的方法很多,这些方法所依据的基本原理也不完全相同。最基本的有两种:切向力法和能量法。2.1.1 转动惯量的切向力方法图21所示为一内燃机机构。作用在滑块(活塞)3上的驱动外力P可根据内燃机的特性曲线求得,它是活塞位置的函数,曲柄1在工作过程中作近似匀速运动。现将外力向构件1简化。若不计摩擦力的影响,作用在滑块3上的外力应为 (2-1)图 2-1内燃机机构其中为连杆对滑块的作用力,沿连杆方向作用,R为导轨对滑块的反作用力,方向垂直于导轨。根据力系平衡条件式(2-1),可求出连杆对滑块的作用力,则滑块对连杆的作用力。因连杆为二力杆,故也是连杆对曲柄的作用力。将分解为曲柄上的法向力和切向力,则作用在曲柄1上的驱动力矩为,其中r为曲柄的长度,该力矩是曲柄转角的函数。在切向力法中,各构件质量对机械系统运动速度的影响。以惯性力形式反映在计算之中。 1滑块质量的作用设曲柄1以额定转速匀速转动,利用运动分析方法可以求出机构上各点的速度和加速度。滑块3的惯性力为 (2-2)式中为滑块的质量,为滑块的加速度。2连杆质量的影响为简化计算,采用质量静代换法。选替代质量、的质心分别在铰链A、B的中心处。根据替代条件得 (2-3) (2-4)式中、分别为连杆质心到铰链中心A、B的距离。替代质量产生的惯性力,为 (2-5)替代质量与曲柄1的质量一并计算。3曲柄的惯性力考虑了替代质量的作用后再加以平衡质量,可以近似地认为曲柄的质心在回转中心O处。在假定曲柄为匀速转动的情况下,可略去曲柄产生的惯性力矩作用。 综上所述,曲柄滑块机构中各构件的惯性力效应,最终近似地体现为滑块质量,及替代质量产生的惯性力。 4令表示作用在滑块3上全部外力之和 (2-6)将式(2-2)、(2-3)代入式(2-6),可求得,再将式(2-1)中力P改为,便可以求出计及惯性力的作用力、切向力和驱动力矩。若又已知阻抗力矩,便可求出剩余力矩曲线,分别如图2-2 a、b所示,其中 (2-7)剩余力矩曲线与横坐标轴所包围的面积为该力矩在相应转角范围内所做的功。横轴上方曲线包围的面积表示正功,下方为负功,统称为盈亏功。如图2-2b所示,曲线交横坐标轴于点A、B、C、D。A、B间的盈亏功应等于B、C间,C、D间和D、A间盈亏功之代数和。A、B间盈亏功的绝对值大于任何其他两点之间的相应值,故称为最大盈亏功,以表示之。在计算力矩时,已考虑了连杆、滑块等构件惯性力的影响,所以所作的功应等于曲柄及飞轮动能的增量。在点A、B间,曲柄及飞轮动能的增量最大,即曲柄与飞轮动能的最大值和最小值出现在点A、B对应的机构位置处。由于曲柄与飞轮的转动惯量皆为常量,故当机械系统处于点A、B相应的位置时,飞轮的角速度分别达到最小值和最大值。飞轮的转动惯量为 (2-8)式(2-8)中为曲柄的转动惯量。图 2-22.1.2 飞轮转动惯量的能量法 1.利用动能曲线计算飞轮的转动惯量始于1904年。这种方法在理论上是准确的,不失为一种实用的方法。设已知作用在机械系统上的等效外力矩是等效构件位置的函数,即驱动力矩 阻抗力矩 (2-9)由等效构件的起始位置到任意瞬时位置之间,外力矩所做的盈亏功可由下列求出 (2-10)外力矩所做之功j应当等于机械系统在对应区间内动能的增量机械系统在区间内的动能增量可表示为 或 (2-11)式(2-11)中;为机械系统中除飞轮外其余构件的等效转动惯量,它是等效构件位置的函数。故式(2-11)又可写成 (2-12)由式(2-11)可导出飞轮转动惯量的表达式: (2-13)如果选定时, 时, (2-14)利用式(2-13)可得 (2-15)又因为外力所做的功等于同一区间内机械系统动能的增量,即 (2-16)将以上各式代入式(2-13)后,得出飞轮转动惯量的表达式 (2-17)由于难以直接确定与的对应位置和,故不能按照式(2-14)计算。 2.为了求出与各自的对应位置改写式(2-12)为下列形式: (2-18)若记 则得 (2-19)若选取为某一固定参考位置,它所对应的瞬时速度为,等效转动惯量也为一固定值,此时为一常量,亦为一固定值。仅随值而变化。当的值为极大时,;反之,当的值为极小时, 则。上述情况与值的大小无关,所以在求的极值时,可任意设定值,甚至可令其等于零。由于为一常量,根据,的极值与的极值相对应,当时,; 当时,。3.下面介绍与的图解方法。(1)取坐标系a如图2-3a,的变化区间为。图 2-3(2)由于可任取值令以简化作图。(3)根据已知的等效力矩、,可以按照下式求出 (2-20)并作出曲线(图2-3a)。 (4)假定在区间内,恒等于,作出曲线 (图2-3b)。显然,曲线不同于真实的动能曲线,它们只重合于一点,即处,而在其他瞬间位置,的值均大于的对应值。(5)将与相减,得差值曲线(图2-3a)。曲线不是飞轮的真实动能曲线。飞轮的真实动能曲线的最大值等于的极大值,设此位置为,而在其他瞬间位置,的值均小于的对应值。可以根据的最大值求得的最大值,见图2-3a上的线段AB。(6)重新假设在区间内。作出曲线 (图2-3b)。曲线也不同于真实的动能曲线,它们只在时重合,而在其他瞬间位置,的值均小于的对应值。由曲线减去,得差值曲线。曲线也不是飞轮的真实动能曲线。当时,飞轮的真实动能曲线的最小值等于的极小值,而且对应同一角。可以根据的最小值求得的最小值,见图2-3a上的线段CD。 飞轮动能在一个循环内的最大差值相当于图2-3a上的线段AB与CD之和。因为,,所以飞轮的转动惯量为或 (2-21)2.2 柴油机曲轴的旋转不均匀度柴油机曲轴的旋转角速度与其瞬时的输出转矩之间的关系: (2-22)式中:阻力矩。假定阻力矩不随时间变化,并在稳定工况下, 柴油机机器配套装置的运动质量换算到曲轴中心线上的转动惯量总和; 曲轴旋转的瞬时加速度。从图2-4曲线看出:当期间,增加(剩余功被柴油机旋转部分所吸收);当期间,减小,曲轴依靠柴油机旋转部分贮蓄的动能继续转动;当时,不变。图2-4 柴油机的、的变化规律之间的关系a)曲线 b)曲线因此,在变化的一个周期内,把曲轴旋转角速度最大的变化幅度对其平均角速度之比值,用来标志柴油机曲轴旋转的稳定程度,叫做柴油机曲轴的旋转不均匀度。 (2-23)式中 的求法 (2-24)式中柴油机最大剩余功。 (2-25)柴油机及其配套装置的转动惯量。表2-1 柴油机的动力装置对其曲轴的旋转不均匀度的要求柴油机的动力装置的范围柴油机的动力装置的范围三相并联交流发电机船用主机带动交流发电机船用主机带动直流发动机船用辅机带动直流发电机主机直接传动螺旋桨的船舶电力传动的船舶或内燃机车1/250-1/3001/200-1/3001/150-1/2001/100-1/1501/20-1/401/50-1/100带有发电机的拖拉机高级汽车一般用途的汽车、拖拉机泵、压缩机、传动轴等机械传动的运输式装置一般用途动力装置1/100-1/2001/200-1/3001/40-1/501/20-1/501/30-1/2001/20-1/70飞轮转动惯量的大小关键在于的选择。对于带发电机的内燃机来说,要求以保证发电质量。对于带动车辆的运输式发动机,由于使用因素非常复杂,的选择非常分散。在常用工况下,车用发动机的运转不均匀系数达到1/50就可以了。对于可能在大阻力下起步或有其他短期超负荷的汽车,尤其是拖拉机来说,飞轮积聚的动能有助于起步和克服短期超负荷,所以飞轮转动惯量大一些有好处。特别对于高速内燃机,例如小轿车发动机,低速空转时的稳定性十分重要,因此小轿车发动机的飞轮转动惯量大一些,值也就小一些,在高速运转时会远小于1/50。有些车用汽油机在标定工况下到1/200甚至1/300。对于含有发电功能的工程机械和拖拉机柴油机来说,确定值要从发电的要求来选择。综上,因为本款柴油机为直列六缸,配置于一般牵引车上,所以取0.011。2.3 飞轮转动惯量计算2.3.1飞转的作用发动机的输出转出大于阻力矩时,吸收多余的功,使转速增加较少。发动机的输出转矩小于阻力矩时,释放储存的能量,使转速减少较小。总之,飞轮的作用就是调节曲轴转速变化,稳定转速。通常用发动机转矩不均匀系数和运转不均匀系数评价发动机运转的稳定性:发动机转矩不均匀系数 发动机运转不均匀系数 曲轴角速度变化率为 式中,为曲轴系统的总转动惯量。所以可以明显地看出,要想提高发动机运转的稳定性,降低曲轴角速度波动的措施有:1)增加气缸数,点火均匀,使由于气缸间歇性工作带来的冲击减少。2)增加发动机转动惯量,使角速度波动率减小。最有效的方法就是安装飞轮。2.3.2 飞轮转动惯量的确定在与和对应的转角和范围内,对式(6-5)积分得 (2-26)式中,为从曲轴角速度到对应的曲轴转角之间,发动机转矩曲线与阻力矩曲线之间所包围的面积(图2-2),称为盈亏功(Nm);为发动机运转不均匀系数,或称变速率;为平均角速度。 如果 式中,为一循环的有效功,则可根据算出盈亏功;为盈亏功系数,主要与气缸数有关;为有效功率(kw);n为转速(rmin)。图2-2发动机转矩与曲轴角速度的变化情况表2-2 四冲程柴油机的统计数据气缸数z12346812的范围1.1-1.30.5-0.80.2-0.40.2-0.40.06-0.10.01-0.030.005-0.01注:对于单缸柴油机,一般。对于曲轴夹角为的双杠四冲程柴油机,。对于曲轴夹角为的双缸柴油机,二冲程的;四冲程的。由表2-2 ,取0.08。发动机的总转动惯量中,飞轮占一大部分。令飞轮的转动惯量,为飞轮的转动惯量占发动机总惯量的比例,一般,一般多缸发动机取较小的数值,故本设计取。再引用前面的结果,则飞轮的转动惯量为 (2-27)因为,得2.4 本章小结飞轮设计的核心问题是计算飞轮的转动惯量,在由内燃机驱动的机械系统中,驱动力是活塞位置的函数,本章主要介绍了力是机构位置的函数的飞轮转动惯量计算方法,即切向力法和能量法,并对本设计的飞轮进行了惯量计算。第3章 飞轮结构设计3.1 飞轮结构简介 图3-1为几种柴油机的飞轮结构。柴油机的飞轮多数设计成轮缘形,这可使转动惯量相同的情况下飞轮重量较轻。飞轮由轮缘、轮盘和轮毂三部分组成(图3-1)。轮缘和轮盘的型式主要取决于功率输出装置和柴油机起动方式。例如;采用锥形摩擦离合器时,轮缘内表面设计成锥面:在运输用柴油机采用圆盘摩擦离合器时,利用轮盘平面来传递扭矩;在固定用或船用柴油机中有时将传动轴直接固定于飞轮端。图3-1 几种柴油机的飞轮结构柴油机采用电动机或汽油机起动时,飞轮轮缘上需安装飞轮齿圈。这时飞轮外径尺寸的选择应与起动机的布置结合考虑。飞轮与齿圈的连接可采用热静配合或螺栓连接。由于柴油机起动和调节的需要,飞轮上可刻有各种定时记号。因此飞轮与曲轴的相对位置不能任意改变,需根据安装记号进行安装。大型柴油机飞轮比较陈旧的设计为部分型,用螺栓连接起来。在小型风冷柴油机上也有将飞枪轮辐做成叶片形的,这时飞轮兼做冷却风扇。飞轮抢毂的构造取决于飞轮与曲轴的连接方式,有法兰涟接,键连接与花键连接。由于影响飞轮重量的因素十分复杂而飞轮的重量往往占发动机总重量中相当大的一部分(四缸机,110左右;六缸机,115120范围),所以实际上飞轮的尺寸多根据经验选择,要考虑到布置空间、起动机啮合和离地间隙等因素,然后根据发动机台架试验、道路试验来进行修正。3.2 飞轮材料选取首先根据柴油机结构的总体布置以及传动装置和飞轮齿圈的尺寸初步确定飞轮尺寸、b、h见(图3-2)。图3-2 飞轮示意图 (3-1)式中:飞轮轮缘平均直径飞轮轮缘外径飞轮轮缘内径通常飞轮外径,轮缘厚度。还应满足飞轮圆周速度小于或等于飞轮许用圆周速度的要求,因而飞轮外径,应满足下式: (3-2)式中 飞轮许用圆周速度。飞轮许用圆周速度:铸铁飞轮,铸钢飞轮:,型钢飞轮:(较大值用于小型高速柴油机,较小值用于大型柴油机)。 初取飞轮外径为525mm,则 (3-3)式中:,故表3-1 几种飞轮的材料及比强度材 料密度抗拉强度比强度铸铁HT300铸钢ZG270-500中碳合金结构钢铝合金钛合金马氏体实效钢玻璃纤维增强塑料高强度碳纤维环氧复合材料7300780078002770443080002000150030050090046010002800110014004.16.411.516.622.635.055.093.3所以选取铸钢ZG270-500为本设计的材料。3.3 飞轮尺寸确定3.3.1 飞轮基本结构形式本标准规定两种飞轮型式:平板型,见图(a);盆型,见图(b)表3-2飞轮规格与尺寸平板型盆型ABCDE螺孔数螺栓250265280310330350380395400430-350380395400430165165175185195200200215215235310325340365390395435435450475290305320345370375410410418450-360390405-44055555666886669999999M8M8M8M8M8M8M10M10M10M10(a)平板型 (b)盆型图3-33.3.2 方案一:平板型飞轮1根据飞轮的转动惯量、飞轮的惯性矩,得 (3-4)式中 ,得: 2轮缘截面面积 (3-5)式中:飞轮轮缘质量 飞轮轮缘中经 飞轮材料的密度已知:,得:3飞轮总质量计算 (3-6) (3-7)式中:辐板质量 飞轮轮缘质量 辐板厚度 轮缘内经 飞轮轴径 飞轮材料的密度式中:,得:4飞轮强度校核 对于幅板式飞轮可按等厚度旋转圆盘计算。主要校核拉伸应力、径向应力和切向应力。 高速旋转圆环拉伸应力的计算公式为 (3-8)式中:飞轮材料的密度 飞轮轮缘线速度已知:, 得: 铸钢的抗拉强度为500Mpa,则安全系数: 安全。旋转圆盘在旋旋转中心线为x距离的截面所受的径向拉应力为 (3-9)式中:飞轮材料的密度 最大角速度 泊松比 飞轮轮缘外径 飞轮轴径取导数得,故 (3-10)式中:, 得:推荐值,故安全。最大切应力发生在圆盘内孔表面,其值可按下列计算: (3-11)式中:, 得:推荐值,故安全。3.3.3 方案二:盆型飞轮1根据飞轮的转动惯量、飞轮的惯性矩,得 (3-12) 式中:,得: 2轮缘截面面积 (3-13)式中:飞轮轮缘质量 飞轮轮缘中经 飞轮材料的密度已知:,得:3飞轮总质量计算 (3-14) (3-15)式中:辐板质量 飞轮轮缘质量 辐板厚度 轮缘内经 飞轮轴径 飞轮材料的密度式中:, 得:4飞轮强度校核 对于幅板式飞轮可按等厚度旋转圆盘计算。主要校核拉伸应力、径向应力和切向应力。 高速旋转圆环拉伸应力的计算公式为 (3-16)式中:飞轮材料的密度 飞轮轮缘线速度已知:, 得: 铸钢的抗拉强度为500Mpa,则安全系数: 安全。旋转圆盘在旋旋转中心线为x距离的截面所受的径向拉应力为 (3-17)式中:飞轮材料的密度 最大角速度 泊松比 飞轮轮缘外径 飞轮轴径取导数得,故 (3-18)式中:, 得:推荐值,故安全。最大切应力发生在圆盘内孔表面,其值可按下列计算: (3-19)式中:, 得:推荐值,故安全。3.3.4 方案一与方案二对比飞轮总质量 飞轮总厚度 拉伸应力 最大径向拉应力 最大切应力 飞轮在匹配离合器时,方案一可匹配单片式摩擦离合器,结构简单;方案二则必须匹配双片式摩擦离合器,结构复杂。综上,方案一优于方案二。3.4本章小结 本章主要对柴油发动机飞轮的结构进行了简单介绍,并分两种方案对飞轮进行了结构设计对比,对比得在同样外径、提供同样的转动惯量的基础上,平板型飞轮方案优于盆型飞轮。第4章 匹配离合器设计4.1 离合器功用及设计要求4.1.1 离合器的功用离合器是设置在发动机与变速器之间的动力传递机构,其功用是能够在必要时中断动力的传递,保证汽车平稳地起步;保证传动系换档时工作平稳;限制传动系所能承受的最大扭矩,防止传动系过载。为使离合器起到以上几个作用,目前汽车上广泛采用弹簧压紧的摩擦式离合器,摩擦离合器所能传递的最大扭矩取决于摩擦面间的工作压紧力和摩擦片的尺寸以及摩擦面的表面状况等,即主要取决于离合器基本参数和主要尺寸。4.1.2 对摩擦离合器的基本性能要求为了保证离合器具有良好的工作性能,设计离合器应满足如下基本要求:1.在任何行驶条件下,即能可靠地传递发动机的最大转矩,并有适当的转矩储备,又能防止传东西过载。2.结合时要完全、平顺、柔和、保证汽车起步时没有抖动和冲击。3.分离时要迅速、彻底。4.从动部分转动惯量要小,以减轻换挡时变速器齿轮间的冲击,便于换挡和减小同步器的磨损。5.应有足够的吸热能力和良好的通风散热效果、以保证工作温度不至于过高,延长其使用寿命。6.应能避免和衰减传动系的扭转振动,并具有吸收震动、缓和冲击和降低噪声的能力。7.操纵轻便、准确、以减轻驾驶员的疲劳。8.作用在从动盘上的总压力和摩擦材料的摩擦因数在离合器工作过程中变化要尽可能小,以保证稳定的工作性能。9.具有足够的强度和良好的动平衡,以保证其工作可靠、使用寿命长。10.结构应简单、紧凑、质量小、制造工艺好、拆装、维修、调整方便等。4.1.3 膜片弹簧离合器概述膜片弹簧离合器是近年来在轿车和轻型载货汽车上广泛采用的一种离合器。因其作为压簧,可以同时兼起分离杠杆的作用,使离合器的结构大为简化,质量减少,并显著地缩短了离合器的轴向尺寸。其次,由于膜片弹簧与压盘以整个圆周接触,使压力分布均匀。另外由于膜片弹簧具有非线性弹性特性,故能在从动盘摩擦片磨损后,弹簧仍能可靠的传递发动机的转矩,而不致产生滑离。离合器分离时,使离合器踏板操纵轻便,减轻驾驶员的劳动强度。此外,因膜片是一种对称零件,平衡性好,在高速下,其压紧力降低很少,而周布置弹离合器在高速时,因受离心力作用会产生横向挠曲,弹簧严重鼓出,从而降低了对压盘的压紧力,从而引起离合器传递转矩能力下降。那么可以看出,对于轻型车膜片弹簧离合器的设计研究对于改善汽车离合器各方面的性能具有十分重要的意义。由于膜片弹簧离合器具有上述一系列优点,并且制造膜片弹簧离合器的工艺水平在不断提高,因此这种离合器在轿车及微型、轻型客车上得到广泛运用,由于设计的要求,所以本设计采用膜片弹簧离合器。4.2 离合器结构设计4.2.1 离合器的容量参数的计算离合器的容量是反映某一确定的汽车在正常使用离合器情况下,其传递转矩的能力。一般包括:最大滑磨转矩、滑磨功和温升速率。离合器容量设计合适,可使离合器在满足汽车各种要求的同时,最大限度地提高使用寿命。1.滑磨功W 通常采用单位压盘质量的滑磨功(W/m)、单位摩擦片面积滑磨功(W/A)、单位压盘质量的发动机功率(P/m)、单位摩擦片面积的发动机功率(P/A)、温升速率H和后备系数等来评价离合器传递扭矩的能力和使用寿命。W=(4-1)式中:=3.14,n=1356r/min,T=1272Nm,r=0.5294m,m=22360kg,i=5.0,i=12.96,sin,0.015,=0.85,则42432.178Nm。2.温升速率=0.1047 (4-2) 式中:各符号数值同上。则91240.483Nm。3.离合器转矩容量T(Nm)T= (4-3)式中:,离合器的后备系数,1272Nm。则。4.离合器摩擦片外径D、内径d及面积A根据发动机最大转矩初选摩擦片外径D,选定摩擦片的尺寸,然后根据摩擦面数量计算摩擦片总面积A,计算单位摩擦片面积的滑磨功W/A、温升速率/A和发动机功率单位摩擦片面积P/A,并且应不大于推荐值。因设计要求1272 Nm,排量为9.0L汽车,所以本设计采用外径430mm内径d=230mm摩擦片厚度为4mm单面面积为103672.6mm类型的摩擦片。则W/A0.409Nm/ mm,/A0.88Nm/( mms)可以看出W/A和/A均小于推荐值。5.压紧力F(N)因本设计D/d=1.871.7所以 (4-4)式中:,Z=2,则F=(1745322440.39)N6.摩擦片的单位压力P(N/ mm)P=F/a (4-5)式中:a=22089.3mm,P=(4087.114644.44)/22089.3=0.1850.210,均小于许用值。4.2.2 从动盘零件的结构选型和设计从动盘由从动片、摩擦片和从动盘毂3个基本组成部分。从动盘有两种结构形式:带扭转减振器的和不带扭转减振器的。不带扭转减振器的从动盘结构简单,重量较轻,从动盘中从动片直接铆在从动盘毂上;而带扭转减振器的从动盘,其从动片和从动盘毂之间却是通过减振弹簧弹性地连接在一起。本设计采用带扭转减振器的。1.从动片从动片要尽量减轻重量,并是质量的分布尽可能的靠近旋转中心,以获得最小的转动惯量。为了见笑转动惯量以减轻变速器换挡时的冲击,从动片一般都做得比较薄,本设计用2.0mm厚的钢板冲制而成。从动片分为整体式弹性从动片、分开式弹性从动片、组合式弹性从动片。本设计选取整体式从动片。2.从动盘毂本设计用从动盘外径为430mm,选花键齿数为10个,花键外径为45mm,花键内径为36mm,齿厚为5mm,有效齿长为65mm。计算挤压应力 =,P= (4-6) 式中:n=10, =1272ND=45mm,d=36mm,Z=1,h=4.5,l=65mm。则=5.00Mpa13.5 Mpa,所以安全。3.从动盘摩擦材料的选择从动盘摩擦材料大体可分为:石棉基摩擦材料、替代石棉的有机摩擦材料、金属陶瓷摩擦材料。本设计采用石棉基摩擦材料。4.膜片弹簧的设计和计算(1)负荷与变形按下式计算F= (4-7)其中,F是弹簧支点处负荷N;是当量内径(mm);是处的锥形高(mm);t是弹簧钢板厚度(mm);B是强压修正系数;是处的变形(mm);E是弹性模量,取E=2.1*MPa;D是弹簧外径(mm);A是喷丸修正系数;是支点变换系数。关于式中、A、B的计算:受窗口宽度、内径、窗口底边的形式影响,可用下面的经验公式计算。本设计底边为圆弧 (4-8)式中,N是膜片弹簧分离指个数。 A与喷丸的材料、硬度、碰撞角有关,同时还和膜片弹簧的尺寸参数有关。在设计弹簧负荷时,可在0.941.47范围内选取。B取决于弹簧的塑性变形的范围。它与设计规定的强压变形量及膜片弹簧的结构参数有关。外径 内径 分离指数目 N=16当量内径 支点转换系数 W=膜片厚度 t=取4.1mm。锥形高度 修正系数取 A=1.0058,B=3.1613(K取1.61)压平点变形 =C=,8.88mm峰值点变形 =Cmm5.28mm谷值点变形 =C+mm=12.48mm压平点处负荷 = 9796.5N同样可求得峰值点处负荷;谷值点处负荷。可以看出,计算结果都比较接近设计要求,膜片弹簧设计中预选的参数正确可用。4.2.3 压盘设计1.压盘传力方式的选择压盘和飞轮间常用的连接方式有:凸台连接方式,键连接方式,销连接方式。这几种传力方式有一个共同的缺点,即传力处之间有间隙,这样,在传力开始的瞬间,将产生冲击和噪声。由于传力零件之间有摩擦,将降低离合器操纵部分的传动效率。为了消除上述缺点,本设计采用传力片的传动方式。2.压盘几何尺寸的确定在摩擦片的尺寸确定后与它摩擦相接触的压盘内外径尺寸也就基本确定下来了。这样压盘几何尺寸最后归结为如何去确定它的厚度。压盘厚度的确定主要依据以下两点:压盘应具有足够的质量来吸收热量;压盘应具有较大的刚度保证在受热的情况下不致产生翘曲变形而影响离合器的彻底分离和摩擦片的均匀压紧。本设计压盘的厚度为25mm。3.压盘的材料压盘形状一般都比较复杂,而且还要求耐磨、传热性好和具有较理想的摩擦性能,本设计压盘材料为灰铸铁,为了增加其机械强度,另外增添了少量的锰。4.2.4 离合器盖设计1.离合器盖厚度为了减轻重量和增加刚度,小轿车和一般载货汽车的离合器盖常用厚度约为35mm的低碳钢板(如08钢板)冲压成比较复杂的形状。本设计采用5mm的低碳钢板。2.通风散热问题为了加强离合器的冷却,离合器盖上必须开许多通风窗口。3.对中问题对中方式常有以下两种:一是止口对中,铸造的离合器盖以外圆与飞轮上的内圆止口对中;二是用定位销或定位螺栓对中。本设计采用9个定位螺栓孔对中()。4.3 本章小结 本章主要对本设计发动机飞轮进行匹配离合器设计,其中包括:离合器功用与设计要求、容量参数计算、从动盘设计、膜片弹簧设计、压盘设计、离合器设计。第5章 曲轴飞轮组零件创建与机构运动分析5.1 CATIA软件简介CATIA是法国达索系统公司的CAD/CAE/CAM一体化软件,在世界CAD/CAE/CAM领域中处于领导地位,销售额蝉联第一至今。 CATIA被广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子、电器、消费品行业:它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域,满足了工业领域各类大、中、小型企业的需要。世界前20名的汽车企业有18家采用CATIA作为其核心设计软件。世界上已有超过13000个用户选择了CATIA,用户包括波音、克莱斯勒、宝马、奔驰、本田、丰田等著名企业。波音飞机公司使用CATIA完成了整个波音777的零件设计和电子装配,创造了业界的一个奇迹,从而也确定了CATIA在CADEAE/CAM行业的领先地位。CATIA是一个庞大的软件系统,包括了机械设计、曲面造型、工程分析、电子设计、人机工程等一百多个模块。5.2 连杆的创建5.2.1 连杆的特点分析 连杆由连杆体和连杆盖两部分组成。工作时,用螺栓和螺母将连杆体、连杆盖和曲轴装配在一起,用活塞销将连杆小头和活塞装配在一起。连杆的主要作用是将活塞的往复直线运动转化为曲轴的旋转运动。 (1)连杆有两个互相垂直的对称面,个对称面平行于连杆的圆环形端面,也就是锻造连杆毛坯的模具分型面;另一个对称面则通过两端圆孔的轴线。 (2)连杆毛坯通过锻造成型,因此,连杆体和连杆盖都具有模锻斜度,包括连杆体上的槽和凸台。 (3)连杆毛坯成型以后,加工表面主要集中在两端面和孔,其他表面大多属于非加工表面。5.2.2 连杆的建模思路连杆有连杆体和连杆盖组成,所以,可以对连杆体和连杆盖分别建模,完成后进行装配。连杆具有两个垂直的对称面,建模过程中可以利用两个对称面,对局部特征进行镜像和复制操作(见图5-1),从而快速完成特征创建。 图5-15.3 活塞的创建5.3.1 活塞的特点分析活塞是复杂的机械零件,活塞主要有顶部、头部和裙部三部分组成活塞在高温、 高压、高腐蚀的条件下,在气缸内做高速往复直线运动。要适应这样恶劣的工作条件,必须具有相应的结构。(1)活塞的顶部直接与高压气体接触,工作条件最恶劣。顶部外表面设计成凹面形,以利于燃烧室内的气体形成涡流,使燃料与空气混合得更均匀,燃烧得更充分; (2)在活塞头部的外面有四道环形槽,上边三道环形槽为气环槽,下边的一条为环形槽为油环槽;(3)活塞的裙部在活塞做直线往复运动时起导向作用。裙部顶端有两个往里凸起的销座;(4)在高温高压作用下工作时,活塞要产生热膨胀和受力变形。所以活塞裙部的轴截面应制成鼓形,活塞裙部的横截面应制成椭圆形,由于椭圆的长轴与短轴之间相差极小,所以三维建模时以圆形代替。5.3.2 活塞的建模思路为了快速准确地创建活塞模型,先抽取活塞模型中的对称部分, 由列表曲线创建活塞的四分之一轮廓,然后镜像生成活塞的整个轮廓。再创建活塞的顶部凹槽特征。之后创建活塞头部的气环槽和油环槽。最后创建各部分的倒圆角。活塞的主要建模思略如图5-2所示。 图5-25.4 曲轴的创建5.4.1 曲轴的特点分析曲轴是活塞式发动机中的个重要零件,发动机工作时,活塞向下的椎力,经连杆传到曲轴,由曲轴将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动,并向外输出功率。曲轴由三部分组成:曲轴前端、曲拐和曲轴后端。为了保证发动机长期可靠的工作,自轴具有以下特点:(1)曲轴上的连杆轴径偏置于曲轴的中心线,在连杆轴径的相反方向上都没有平衡重,以避免曲轴旋转时,产生严重的振动。(2)曲轴上有钻通的油孔,润滑油经过油道,从主轴颈流到连杆轴颈,进行润滑。曲轴的建模难点在平衡重的拉伸特征的建立和平衡重上的弧面的特征建立,曲轴的曲拐部分是对称的,所以先建立一半曲拐特征,而后镜像生成完整的曲拐,然后再分别创建曲轴前段和曲轴后端。5.4.2 曲轴的建模思路 图5-3曲轴的建模关键是平衡块特征的创建,四个平衡块特征的叠加完成曲轴大致一半的特征,再细化平衡块上的特征,然后镜像完成剩下对称的平衡块特征。最后再对曲轴两端的特征分别创建,即完成特征的操作,见图5-3所示。5.5 曲轴飞轮组运动分析四缸发动机曲轴、连杆和活塞的运动分析师教复杂的机械运动。曲轴做旋转运动,连杆做平动,活塞是直线往复运动。在用CATIA做曲轴、连杆和活塞的运动分析的步骤如下所示:(1)设置曲轴、连杆、活塞及活塞销的运动连接。(2)创建简易缸套机座。(3)设计曲轴与机座、活塞与活塞缸套之间的运动连接。(4)模拟仿真。(5)运动分析。5.5.1 定义曲轴、连杆、活塞及活塞销的运动连接1.创建组文件(1)点击“开始”选取“机械设计”中的“装配件设计”模块。(2)进入装配件设计模块后,点击添加现有组件图标,再点击模型树上的Product1图标,此时会出现文件选择对话框,按住Ctrl键,分别选取“Chapter8/huo-sai-xiao.CATPart、huo-sai. CATPart、lianganzujian. CATPart、quzhou. CATPart”,将这些零件体载入到Product1中。(3)此时,零件体载入后重合到一起,点击分解图标。然后点击模型树上的Product1,点击确定,此时弹出警告对话框,警告各零件的位置会发生变化,点击警告对话框的按钮“是”,我们会发现各个零件分解开来。(4)由于连杆体零件是装配体,各部分之间存在约束,点击“全部更新”按钮,我们会发现连杆体组件恢复装配后的样子。(5)点击“约束”工具栏中得“相和约束”图标,分别选择活塞销中心线及活塞孔中心线。然后点击“约束”工具栏中得“偏移约束”图标,选择活塞销的一个端面及活塞空一侧的凹下去细环端面,此时出现“约束属性”对话框。将对话框中得“偏移”一栏改为“3.75mm”,点击“确定”按钮,完成活塞销端面和活塞内凹孔细环端面之间的偏移约束关系。点击“全部更新”按钮,完成活塞与活塞销之间的约束。自此完成添加零部件工作。2.设置连杆体和活塞销的运动链接(1)点击“开始”选取“数字模型”中的“DMU 运动机构”模块,进入模型运动工作台。(2)单击“DMU 运动机构”工具栏中的“旋转接头”按钮右下方的箭头,出现“Kinematics Joint”对话框,如图5-12所示。(3)单击“Kinematics Joint(运动接头)”工具栏中的“Revolute Joint(旋转接头)”按钮弹出“Joint Creation:Revolute(生成旋转接头)”对话框。(4)单击对话框中的“New Mechanism(新运动机构)”按钮弹出“Mechanism Creation(生成运动机构)”对话框。单击对话框中的“确定”按钮,按照对话框中的默认机构名称“Mechanism.1”生成新的运动机构。同时“Mechanism Creation(生成运动机构)”对话框被关闭,回到“Joint Creation:Revolute(生成旋转铰)”对话框。(5)在连杆体零件中选择小孔中心线(注意这里选择的应该是连杆体小孔中衬套的中心线,因为与活塞销进行运动接触的是衬套),再选择活塞销的中心线。在连杆体零件中选择小孔衬套的一个端面,在活塞组件中选择活塞销的一个端面,在“Joint Creation:Revolute(生成旋转接头)”对话框中点选“Centered(居中)”单选钮,然后选择小孔衬套的另外一侧端面。此时“Joint Creation:Revolute(生成旋转接头)”对话框的各项内容如图5-4所示。单击对话框中的“确定”按钮,生成旋转接头。零件按接头配合在一起,同时在模型树中出现接头的名称。 图5-43.设置活塞销与活塞之间的运动连接(1)实际中,活塞与活塞销之间为过盈配合,所以这里我们把活塞与活塞销之间定为刚性连接。单击“DMU Kinematics(数字模型运动)”工具栏中的“Revolute Joint(旋转接头)”按钮右下方的箭头,出现“Kinematics Joint(运动接头)”工具栏。(2)单击“Rigid Joint(刚性连接)”按钮,弹出“Joint Creation Rigid(生成刚性连接)”对话框。(3)在图形选区上分别选择活塞销和活塞,“Joint Creation Rigid(生成刚性连接)”对话框内容被更新,显示出所选择的零件名称。(4)单击对话框中的“确定”按钮,生成刚性连接。零件刚性连接配合在一起,同时在模型树上出现刚性铰的名称。4.设置连杆体与曲轴的运动连接(1)单击“Kinematics Joint(运动接头)”工具栏中的“Revolute Joint(旋转接头)”按钮,弹出“Joint Creation:Revolute(生成旋转接头)”对话框,在连杆体零件中选择大孔中心线(注意这里选择的应该是连杆体大孔中轴瓦的中心线,因为与曲轴进行运动接触的是轴瓦),在选择曲轴的第一段的中心线。在连杆体零件中选择大孔轴瓦的一个端面,在曲轴中选择曲轴第一段的一个端面。在“旋转接头”对话框中点选“centerd(居中)”单选钮,然后选择大孔轴瓦和曲轴第一段的另外一侧端面。单击对话框中的确定按钮,生成旋转接头。零件配合在一起,同时在模型树中出现旋转接头的名称。(2)此时完成了曲轴与一个连杆体的运动链接,同样方法依次连接其他几缸。5.5.2 设置曲轴与机座、活塞与活塞缸套之间的运动连接1.设置曲轴与机座之间的运动连接(1)单击“开始”选取“数字模型”中的“DMU 运动机构”模块,进入模型运动工作台。 (2)单击“运动接头”按钮工具栏中的“旋转接头”按钮,弹出“生成旋转接头”对话框,分别选择简易机座的中心线和曲轴左端的中心线。简易机座的左端面和曲轴的左端面。“生成旋转接头”对话框内容被更新,然后单击“确定”完成运动连接,此时模型树上出现新的运动接头的名称。2.设置活塞缸套之间的运动链接(1)单击“DMU 运动机构”工具栏中的“旋转接头”按钮右下方的箭头,出现“运动接头”的对话框。(2)单击“圆柱运动接头”按钮,弹出“生成圆柱接头”对话框。(3)在装配零件上分别选择第一组活塞和缸套的中心线。此时“生成圆柱接头”对话框内容被更新,点击“确定”按钮,完成第一组活塞与缸套之间的运动链接。(4)按照上述同样的方法,依次完成其余活塞浴缸套之间的运动连接,此时特征数上出现新的运动接头。5.5.3 模拟仿真1.设置驱动在模型树上双击曲轴与机座的运动接头,弹出“生成旋转接头”对话框,将“角度驱动”一栏选上,如图5-5所示,点击确定完成驱动设置。图5-52.设置固定零件(1)单击“DMU 运动机构”工具栏中的“固定零件”按钮,弹出“新固定零件”对话框。(2)在图形区上选择简易机座零件,并点击“确定”按钮。(3)单击“确定”后,弹出一个“消息”对话框,提示现在设置的机构已经可以被模拟。单击对话框中的“确定”按钮,关闭对话框。3.模拟四缸内燃机运动单击“DMU 运动机构”工具栏中的“使用命令模拟”按钮,弹出“运动模拟”用命令模拟)”按钮,弹出“运动模拟”对话框。在对话框中拖动滑标改变角度范围。单击对话框中的“向前演示”按钮,六缸内燃机开始运动。5.5.4运动分析1.定义事件关联的参数关系(1)选择菜单工具栏中的“工具”“选项”命令,弹出“选项”对话框。选中“产品结构”选项卡,然后将“关系”选项激活。单击对话框中的“确定”。(2)在模型树上选择“机制.1”。(3)单击“知识”工具栏中的“公式”按钮,弹出“公式:机制.1”对话框。在对话框的“参数”文本框中选择的第二个选项“机制.1命令命令.1角度”,单击“添加公式”按钮,定义角度与时间的关系。(4)单击“添加
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