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通过集成磁轴承辅助有限元分析的一种新型飞轮储能存储系统的设计与建模 生会员， 平，学生会员， K. J. 级会员， 加坡共和国 , 新加坡 639798，南阳大道 2，南洋理工大学，先进电力电子研究中心 摘要 本文提出的是紧凑和高效的飞轮存储系统。该系统是由综合力学性能和磁轴承辅助，飞轮作为转子的驱动系统，并且该系统通过被夹在两个磁盘式定子之间而节省空间。通过主动磁轴承，转子飞轮旋转和保持在垂直方向的磁悬浮机械轴承和轴向磁通永磁同步电动机的助攻结合使用，而限制在径向方向的其他四个自由度的机械。所提出的系统的数学模型被推导出来。三维有限元方法是应用于通过研究和验证数学模型系统分析结果而支持系统可行性。 一 正文 在现代化电力行业，具有强度高，重量轻的先进复合材料，控制技术 和电子电力，飞轮能量存储系统（ 在成为一个传统的化学电池系统的可行性替代。其优点为储能密度高，充电放电风险较低，放电深度容易检测，能在较宽温度范围内操作，寿命更长，有利于环境。所以 认为是对于现在许多应用的一个有前景的技术 ，包括航空航天，交通运输，电力工业，军事，建筑服务。 一般来说，一个飞轮储能系统是由一个磁性的或机械的轴承支撑的由电机带动的飞轮，一个将机械能和电能内部转化系统的飞轮，控制增强电子的器件和触地轴承组成的。这个单独的除磁性轴承驱动电机使转子长，容易产生弯曲振动。且大电机轴承系统使得小型化【 5】 困难。为了克服这 些问题，自轴承永磁电机被引进。电机结合磁轴承和汽车功能为单一的磁性制动器。这样的设计由于不需要机械轴承可以降低整体的一种电机长。因此能够提高功率密度，减轻重量，降低转子的动态振动【 6】的敏感性。 如图 1 所示，沿 x， y， z 在飞轮轴有三个方向，使每一个轴的位移和旋转受机械或磁性的帮助来控制六个自由度。机械轴承具有结构简单，操作方便的优点，但由于摩擦损耗，应考虑润滑油的使用。特别是发生在轴 承，沿重力方向上即图 1沿 于这个原因，轴承使用机械轴承是不现实的，而其他的轴是可以承受的。主动磁轴承相对于传统轴承是可以承受的。主动磁轴承相对于传统轴承有许多优点，这些优点包括更高的能量效率，降低磨损，延长寿命，不需要润滑机械维修和较宽的操作温度。关于磁轴承有许多研究，但大多数人对待至少有五个自由度的对象是控制。由于控制每个自由度需要一个传感器，执行器和控制器，整个系统在机械 /电气部分和控制系统设计变得复杂。鉴于此，本文提出了一个新概念磁性轴承。其中轴只有两个自由度 受主动控制，即分别沿平移和旋转方向。其他方向的运动方向由机械轴承完全限制。主动磁轴承和机械轴承的结合使用可以减少控制的复杂性，使系统运动更加稳定，可行和具有成本效益。 图 1 飞轮的三个运动方向 目前，轴向磁通永磁电机（ 在许多应用中 已成为一个有吸引力的研究场【 8】【 9】。它们有几个独特的功能，如效率高，高能，高扭矩密度，低转子损耗和小磁厚度。然而缺点是该分布式绕组具有与线圈导体的有效部分相比的显著长度的端绕组。这显然会导致机器性能差。作为本机显著成分（即总在大多数机器设计的 50%以上）被产生热 量，但没有转矩。集中绕组可以解决这个问题。此外，他们有简单的设计，更容易安排及更高效率。 有限元分析法（ 被证明是特别灵活，可靠。有效的分析方法是工频电磁场和机电装置的合成。有限元法可以分析任何形状和材料的 路，有限元分析与其他永磁电机的分析方法相比的一个显著优点是其准确计算电枢反应，电磁力和力矩的固有能力。 本文中，一种集成磁轴承辅助新型飞轮储能系统被介绍。用电动机和发电机相结合并且使飞轮功能作为机器，以节省空间的转子。机械轴承是用来限制沿径向方向得位移和旋转，位移和旋转沿轴向方向由主动磁轴承 控制。利用数学模型所提出的系统的结构和电磁设计被呈现。三维有限元分析的实现，验证了数学模型和支持体系的可行性。本文中介绍的分析结果已经获得。 二 建设与计算所提出的系统 （ 1） 整个系统的配置 图 2所提出的系统的横截面图 图 2示出了所提出的的飞轮储能系统的横截面图。它的组分列于表 和 8是固定在该装置的壳体，其目的是从任何转子碎片消散径向动能，并确保在发生机械故障的情况下安全的上部和下部固定件。轴向磁通永磁同步电动机的实施来驱动其也用作转子的飞轮。 机械旋转球轴承安装在转子上，以限制其径向运动和辅助飞轮 /转子的旋转的外缘。 这种安排使结构不使用轴非常紧凑。但是机械轴承的孔的最大直径限制了最大速度。用油膜轴承 直径 速 以达到 3， 000,000【 13】。这意味着最高车速小于 2000转时该孔的直径为 150毫米。在更高的速度飞轮系统上，两个机械轴承可以安装在被固定在所述转子的中间轴的两端。用这种结构，速度可以高达 60000转以上。 轴向运动 可实现对旋转球轴承的轮辋正交安装的 4个 滑动球轴承的援助。 当转子旋转时（图中的项目 2和 102）， 非 接触式涡流位移传感器和光电传感器在两个定子的中空的中心设置 用以 检测 沿 位移和角位置。 起动操作时或在磁悬浮轴承故障的情况下，需要 着陆轴承。着陆轴承应安装 在 对 着 转子的外缘。在正常操作期间，存在所有的转子表面和触下轴承之间的小于 而实现了机械接触式的环境。 （ 2） 建议系统的基本特征 图 3显示了所提出的系统的基本特征。电动机及发电机用盘式几何组合成一个单一的电动机，如图 3 所示（ a）所示。转子兼作飞轮和被夹持两个圆盘型定子之间。此设计使盘式转子的转矩产生区。 如图所示在图 3（ b）中，每个上部和下部定子承载的一组三相绕组的铜与正弦电流供给 ;集中绕组被实现，以减少功率损耗。如果分布式绕组，绕组 圈导体的有效部分比端部是更长，从而绕组的铜损会更大。在这个特定的设计中，有 6个线圈，其中每个线圈都围绕定子齿。三相和三相电流的方向在特定的实例中的分布，如图 4显示。除了提高效率，结构简单，安装方便定子绕组也可实现这种设计。 永久磁铁被安装在转子的两个表面上，如图 3（ c）所示。这些 与磁通流过电动机的结构被描绘在图 4中。 预防性维护 都定居在相反的方向上 和 下转子面，所以他们会相互吸引，增加磁路的总光通量。 图 3所提出的飞轮系统的基本组成部分 （ a）定子转子组件 （ b）定子的绕组（ c）转子（ d）非磁性的护环 采用高强度非磁性材料制成的护圈是用来协助 图 3（ d）所示。 图 4电机发展结构和二维通量模式 磁悬浮轴承可以用吸引力来实现。定子和转子场之间的相互作用产生的轴向力，使得在转子和定子相互吸引。每个定子的电流可以独立调节，以控制转子上的净力，并保持它在两个定子的中间。沿着轴向轴的净力可求得 F = (1) 其中， 较低的定子和转子之间的力 ; 上定子和转子之间的作用力。 电动机 - 发电机相当于两个电动机，总转矩 T = (2) 其中， 2分别由上部和下部分别电机产生的转矩 （ 3） 电机尺寸 轴向磁通电机的尺寸可通过下式被转换到一个等效径向尺寸的机器得到 D= (3) L=i/2 (4) 其中 的外径和内径都内径的径向当量机和长度。当 3 从电机的输出方程，我们可以得到 （ 5） 然后，我们就可以得到 其中 中 被称为磁载荷， 千瓦是绕组系数 ; N和 分别表示额定功率，效率和功率因数 ; 本设计中， 空气间隙的最小长度是由机械约束集并且不大可能小于 铁 的深度一般应减少到最低值，以尽量减少磁体的成本。制造业的限制，很难有磁铁大于 此设计中， 毫升设定为 根据在表 机设计的结果可以得到如在表 只是一个测试设计验证系统结构的可行性和数学模型的正确性。所以在额定转速时只选择为 1500转每分钟。 三 如图 3所示，在定子的三相绕组分别记为 a， b和 久磁铁被安装在所述盘型转子的表面上，一个非凸转子最后获得。只有当励磁绕组被永久磁铁所取代时，电机可以被视为一个常规同步电机， 果与卷绕数 N 易分析。由定子相绕组与等效转子电流产生，如果可以被认为是第和 同的绕组 14 15的分布的正弦函数的粗略近似的磁动势的波形。其中 别测得的角度。假设极对数为 P，其功能如下 其中 N 对于被描绘为图 3的绕组分布（ b）所示，音调因数 1，分配系数 / 6） = 3/2，所以绕组系数千瓦 = 3/2。然后 其中 由 产生的等效的 其中， 示磁体长度和当磁铁由导磁的铁短路的磁场强度。然后 N 个 该 值 ， 可 以 实 现 如 R，为相对磁导率， 0为空气与 4 10 定子和转子的表面之间的有效气隙长度被定义为 通密度 作为一个例子，让我们判断，由于电流只在一个绕组漏感在这里忽略绕组的总磁链。 其中 子的外表面和内半径。同样地，我们可以得到 在 a和 在与上述相同的方式， 因此，其他的互感可求得 然后 其中 电感是由（ 18）（ 19）确定，（ 21） - （ 24）。 （ 31）的电感表达式可以当它们被表达的 存储的磁能可以被计算为 因此，可以得到的有吸引力的力 弗莱明左手法则，旋转扭矩 这里，定子和 的 G，所以在定子和转子在平衡点之间的有效气隙可求得 是约等于 1。然后 1可以通过代克 = Z， Q = 28）（ 29）进行计算，而 2可以通过替换来计算 G = Z， 和 中 的力和力矩是由（ 1） 和（ 2） 得到的。 在转子的径向运动由机械球轴承的限制。因此，转子的轴向运动是独立的径向运动。转子的轴向运动的动力学方程为 其中 重力被考虑在内。 总转矩的方程可以改写为 和 其中 是转子角，是转速。 电压方程可写为 四 . 有限元分析和模型验证 （ 1） 理论 在永磁电机的磁场总是与瞬态激励和非线性磁性材料相关。以下三个麦克斯韦方程有关的瞬态的应用程序。 其中， 是介质的电导率，和 从（ 36）和（ 37），可以得到 力和力矩可以计算为存储磁共能 W相对于小排量的导数。助能量可以写成 然后瞬时力 以小角度旋转位移的瞬时转矩 （ 2） 有限元分析 使用时步三维有限元模拟 16在第二节中描述的提出的系统进行了分析。分析模型的网格形状被示为图 5。只有一个定子和转子被实现在有限元分析中，为了节省计算时间，但它是有效的描述整个系统的性能 。 图 5分析模型的网格形状 图 6有限元模拟的结果时，定子伴随 50a）磁链（ b）引起的电压（ c）转速 在 开环的条件下， 50赫兹的正弦波电流，并且给定的 1500转每分的初始速度，无论是交链磁通量和感应电压是准正弦，而且速度稳定到同步速度最终。有限元法 析结果如图 6示。事实证明，电机可以作为一个正弦波电机进行分析，数学分析是站得住脚的。 图 7（ a）和（ b）示出了磁通密度在定子和转子。很明显，有分别具有定子和转子的表面磁通密度较高的区域 4。它代表 4极电机。永久磁铁 与留磁通密度 的 安装在转子的表面上，所以在根据 的 通密度是肯定比在其他地方更高。 图 7定子和转子的磁通分布（ a） 定子的磁通密度 (b)转子的磁通密度 （ 3） . 数学模型的验证 三个相电流可被分解为直轴电流，如下所示 其中，是转子的电角度。 使得 0，我们得到平均为零的扭矩如图 8所示，（ a）所示。显而易见的是，该扭矩没有关系的 分配 0和 Q =1时，力，转矩和转速也可以如图 8（ b）中所示获得的 。（ d）所示上的力和力矩是大致恒定的，并且速度线性增加。事实证明，扭矩是成正比的 过分配 后改变 们可以得到的轴向磁力和 矩曲线在起点处，如图 9所示。实线代表从（ 28）的计算结果和（ 29），以及星标记都是在有限元分析的结果时，它被分配了 。2=在 这样的设计更高的力和力矩偏离的计算曲线向下。这是由当高电流被输入的磁饱和引起的。 图 8当 ， 的有限元分析结果（ a） 时扭矩（ b） 时的力（ c） 时的（ d） 时的速度 在图 9（ a），用小于电流有限元模型和数学模型之间的误差仍然存在。这是因为当 0， 22N 占主导地位（ 28）所示的力值， 果用（ 14）和有限元分析软件计算出的值会导致对力值差异较大。图 9（ e）及（ f）是扭矩和动力的变化时，不同气隙长度分配。结果通过这两种方法获得的几乎是相同的。 图 9有限元模拟结果与解析计算结果的比较（ a） ， b）， d）， e） ， ，气隙长度变化时的力（ f） ， ，气隙长度变化时的力矩 为了进一步验证的数学模型， 导出的模拟结果随后可被用于与有限元分析的数据进行比较。 当 0和 Q =1的电流被分配到定子绕组，通过 0。电机在模拟的参数在表 过比较从 示于图 8（ 图中得到的力和扭矩曲线。 10分别当相同的电流分配，可以看出，它们的平均值是非常相似的，尽管有在有限元分析结果有一定的波动。 图 10通过图 8指定相同的电流的仿真结果图 (a)轴向磁力 b）通过同样，我们也可以输入相同的电压，这是电角向电动机模型在上述两种方法的功能，其结果，得到与 图 1所示。 11。力的相应的曲线，扭矩是在形状和价值观相似。其结果是，支持该数学模型的正确性的证明。 从有限元分析结果和有限元法和模拟结果之间的比较，很显然，所提出的系统是可行的，并且衍生数学模型是准确的，并且可以被用来设计的驱动系统。 图 11通过指定相同的电压的 a）轴向磁力的 b）轴向磁场力的有限元分析（ c）通过 d）转矩的有限元分析 五 一种新颖的飞轮储能系统与局部自支承飞轮转子已经提出了这样的纸张。系统的结构及设计方法的细节 进行了描述。数学模型是来自和三维有限元分析已经进行，以验证所提出的设计和数学模型。支持所有的分析结果所提出的系统的可行性，并证明了数学模型的正确性。该系统的原型目前正在开发中。 参考文献 1航空航天应用的“飞轮储能技术的开发，子系统杂志 卷 13，页 9 1998年 6月。 2 飞轮技术：过去，现在，和第二十一世纪的预测，”子系统杂志， 13卷，第 13 1998年 8月。 3“飞轮电池再次到来，” 39，页 462002年 4月。 4 宇宙飞船能量存储系统， 电子系统杂志， 13卷，第 27 1998。 5 H. Y. “小的混合型自轴承马达的新设计，高速主轴， 卷 8，页 111 2003年 3月。 6 “驱动器的收益为 第 35卷，第 4482 1999年 11月。 7 O. “吸引型磁轴承控制在一个单一的方向”，业应用，卷 36，页 1138 20007 年 / 8月。 8 A. M. F. “轴向磁通内部永磁同步电机：参数辨识和稳态性能的测量，” 业应用。，卷 36，第 15812000年十一月 /十二月。 9 A. M. F. “一个轴向磁场和径向磁通结构之间的永磁同步电机相比， 工业应用。，卷 38， 6，第 1517002年十一月 /十二月。 10 K. R. “性能比较径向和轴向场中，永磁无刷电机，”， 司 第 37卷，第 1219 - 1226， 2001年九月 /十月 11 电机的有限元分析， 1995。 12 J. F. M. 永磁电机技术， 司， 2002。 13 应用摩擦学：轴承的设计、润滑。约翰威利父子有限公司， 2001。 14 C. r., 和 电动机械，第五版。纽约：麦格劳山， 1992。 15 P. C. O. S. D. 二版。 16 麦斯威尔三维参数化参考指南， 2002。 is in is by as of is to of M to in in of in of is of of I. of is a to as of of of a 1-4. As a is a In a is of a or a to in to to it 5. To a is a of a to 6. As 1, x , y z of be of or of of be on is of z 1, is in it is to be of of of of in at OF of of OF a an a in of of 7. a of in of an in by of of in an 8 9. as is of to of of a . P. . J. 2, 39798, 1. of 05/$2005 1157 in as a of 0% of in is no 10. to be in of 11 12. EM M of A EM to M is to In a by is to be a as in to to by of is 3D to of in F . of of . on is to in of is to is as a on of to of of of By N ,000,000 13. is 0,000 50 In be at of is in of up 0,000 be on of in of to (2 10 2). or in of be of is a .5 mm a B. of of a as a). as is of As b), of a of to be to If of to of of be In of a of of at a F 0 1 2 3 2. of 1158 4. of be in on of as c). of Ms in in in so in A of is to Ms in as d). be by an of be to on it in of be 1= (1) F is 2F is is to be 2+ (2) T T by C. of he of be to of an by (3) 2 (4) oD iD of D of is 3. of we 0 (5) we 3208(1)(1)(6) C is Q is of in sn is in 3011 10, = (7) of as A is wK is EK is MF In . of is by is to be .3 be to a so as to of it to In gl is .5 ml is to .5 to I, be as is a to of of So 4. D (a) (b) (c) (d) 3. of (a) (b) (c) (d) 1159 is to 500 s of as a, b c on of a is as a be as a if by M be by of by an of by be as of of as of 14 15. s r a d of , as as =(8) ( )()2322bs = =(9) ( )()2cs = +=+(10) =(11) sN is of of in of b), , ) = 3/2, so = . be s (12) is of in of MF is to (13) ml mH is by of f fN i be 22 = (14) rB is r is is of 410 . of is as g , as 0(15) As an us of to in a /022/0() () . as s as s s +=(16) 22202()8as o i = (17) of we as bs cs = (18) o. of of of 30 of 6 .5 ir .5 8 2 8 0 ir of 16 I 500 0 s 160 22202()8f = (19) a f is 022/0()() . 4as s f r s if iP +=(20) In as be 202()L = (21) 2202()2 / 3 )8= (22) 2202()2 / 3 )8=+ (23) be (24) ()= ff cf fT ac bs ac cs L L = (25) is of 8)(19) 21)-(24). 31) be in = (26) be )( )1i 2f d = (27) sF be )2202222 2 2 2()s d i = =+(28) s sT be 203( )3()216dq qd f = (29) of Ms at is so at be (/)cg m + (30) is s is . F T be by g + ,1 28)(29) F T be by g , 2 z is of in 1) 2). of by of is of of of f= + (31) is in of is of be (32) , (33) is of is is be () L + (34) 1() ()ad rd pi L L = (35) . M to = =G GG(36) /=G G(37) 0B=G(38) J is of elect 哈工大华德学院毕业设计（论文）评语 姓名： 辛子超 学号： 1089311125 专业： 车辆工程 毕业设计（论文）题目： 235动机飞轮设计 工作起止日期： 2011 年 10 月 11 日起 2011 年 12 月 29 日止 指导教师对毕业设计（论文）进行情况，完成质量及评分意见： 指导教师签字： 指导教师职称： 评阅人评阅意见： 评阅教师签字 ： 评阅教师职称： 答辩委员会评语： 根据毕业设计（论文）的材料和学生的答辩情况，答辩委员会作出如下评定： 学生 毕业设计（论文）答辩成绩评定为 ： 对毕业设计（论文）的特殊评语： 答辩委员会主任（签字） 职称： 答辩委员会副主任（签字）： 职称 ： 答辩委员会委员（签字）： 年 月 日 毕业设计（论文）任务书 学生姓名 辛子超 系部 汽车工程系 专业、班级 车辆工程0893111 指导教师姓名 宋立伟 职称 教授 从事 专业 电机与电器 是否外聘 是 否 题目名称 235动机飞轮设计 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 235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： 1、 惯性飞轮总体结构设计 2、 惯量和重量的匹配计算等 3、 机构优化 技术指标： 发动机 标定转速 角速度变化率： %3 飞 轮惯量： .1 带离合器压盘等附件的惯量为： .2 ； 三、设计（论文）完成后应提交的成果 1、 查找相关资料，调查国内外发动机惯性飞轮的研究现状和技术特点 2、 进行 235动机惯性飞轮的分析和设计 3、 进行相关的性能计算和核算 4、 撰写论文。 四、设计（论文）进度安排 1、 2011 10 11 10 15：确定毕业设计题目，查找并阅读相关文献，学习相关知识； 2、 2011 10 16 10 22：综述国内、外研究现状，对课题进行方案论证，完成开题； 3、 2011 10 23 10 31：进行总体方案设计，完成主要零 部件的具体设计； 4、 2011 11 01 11 26：设计方案的分析和优化，完成中期检查； 5、 2011 11 27 12 10：相关性能核算、确定设计方案，绘制图纸，完成结题检查； 6、 2011 12 11 12 20：提交设计分析总结报告，撰写论文并准备答辩。 五、主要参考资料 1 孙序良 M等教育出版社， 2 史绍熙 M国农业机械出版社， 3 袁兆成 M械工业出版社， 4 杨连生内燃机设计 M国农业出版社， 1981. 6 张英会 轮 M械工业出版社， 7 余志生汽车理论 M 北京：机械工业出版社， 2006 05. 8 王望予汽车设计 M 北京：机械工业出版社， 2004 08. 六、备注 指导教师签字： 年 月 日 教研室主任签字： 年 月 日 哈尔滨工业大学华德应用技术学院 毕业设计（论文） 题 目 235动机飞轮设计 专 业 车辆工程 学 号 1089311125 学 生 辛子超 指导教师 宋立伟 答辩日期 哈工大华德学院 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 I 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 6相关数据作为参照，对 235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 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 n to of as a 35 kw of is a is to do in of to of in to of as as in In on of in of of 尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 录 摘要 . 1 章 绪论 . 1 题目的、意义 . 1 动机飞轮国内外研究现状 . 2 轴系统的扭转振动 . 3 转振动的基本概念 . 3 转震动的消减措施 . 4 车离合器结构的发展 . 5 轮设计方法 . 6 要研究内容 . 8 第 2 章 飞轮转动惯量的确定 . 9 轮转动惯量计算方法介绍 . 9 动惯量的切向力方法 . 9 轮转动惯量的能量法 . 11 油机曲轴的旋转不均匀度 . 15 轮转动惯量0. 17 转的作用 . 17 章小结 . 20 第 3 章 飞轮结构设计 . 21 轮结构简介 . 21 轮材料选取 . 22 轮尺寸确定 . 23 轮基本结构形式 . 23 案一：平板型飞轮 . 24 案二：盆型飞轮 . 27 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 方案一与方案二对比 . 29 章小结 . 29 第 4 章 匹配离合器设计 . 30 合器功用及设计要求 . 30 合器的功用 . 30 摩擦离合器的基本性能要求 . 30 片弹簧离合器概述 . 31 合器结构设计 . 31 合器的容量参数的计算 . 31 动盘零件的结构选型和设计 . 33 盘设计 . 35 合器盖设计 . 35 章小结 . 36 第 5 章 曲轴飞轮组零件创建与机构运动分析 . 37 . 37 杆的创建 . 37 杆的特点分析 . 37 杆的建模思路 . 37 塞的创建 . 38 塞的特点分析 . 38 塞的建模思路 . 39 轴的创建 . 39 轴的特点分析 . 39 轴的建模思路 . 40 轴飞轮组运动分析 . 40 义曲轴、连杆、活塞及活塞销的运动连接 . 40 置曲轴与机座、活塞与活塞缸套之间的运动连接 . 43 拟仿真 . 44 动分析 . 44 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 V 章小结 . 47 结论 . 48 参考文献 . 49 致谢 . 50 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 1 第 1 章 绪论 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，带动曲轴连哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 2 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。 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 60 时，飞轮单位质量所贮存的能量为1800 。当 120 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哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 3 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 图 1变惯性力矩飞轮 轴系统的扭转振动 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，否则抖动哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 4 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。 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哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 5 径来实现。 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。 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。 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80 100，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。 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，哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 6 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430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%。 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 。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，为设计人员提供了哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 7 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、掘土机的哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 8 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。 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： 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 9 第 2 章 飞轮转动惯量的确定 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。 动惯量的切向力方法 图 2 1 所示为一内燃机机构。作用在滑块 (活塞 )3 上的驱动外力 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 0P (2图 2燃机机构 其中 Q 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可求出连杆对滑块的作用力 Q ，则滑块对连杆的作用力 。因连杆为二力杆，故1Q 也是连杆 对曲柄的作用力。将 1Q 分解为曲柄上的法向力 N 和切向力T ，则作用在曲柄 1 上的驱动力矩为 M ，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哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 10 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 333 g （ 2 式中3 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 质心分别在铰链 A、 据替代条件得 BA 22 （ 2 2222（ 2 式中2S 到铰链中心 A、 B 的距离。替代质量生的惯性力 为 322 （ 2 替代质量 曲柄 1的质量一并计算。 3 曲柄的惯性力 考虑了替代质量 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3m，及替代质量 生的惯性力。 4 令3上全部外力之和 33 （ 2 将式 (2 (2入式 (2可求得3F，再将式 (2力 P 改为3F,便可以求出计及惯性力的作用力向力M 。若 又 已知阻抗力矩 )(M ，便可求出剩余力矩曲线)(M ，分别如图 2-2 a、 中 )()()( （ 2 剩余力矩曲线 )(11 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示，曲线 )(、 B、 C、 D。 A、 、 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，以计算力矩考虑了连杆、滑块等构件惯性力的影响，所以点 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 02 （ 2 式 (20 图 2 飞轮转动惯量的能量法 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 12 )(E 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 )(M 阻抗力矩 )(M （ 2 由等效构件的起始位置0到任意瞬时位置j之间，外力矩所做的 盈亏功 j 0 )()( （ 2 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0械系统在j 0区间内的动能增量可表示为 0或 2002 )(21)(21 （ 2 式 (2 )()( ； )(是等效构件位置的函数。故式 (2可写成 2002202 )(21)(21)(21 （ 2 由式 (2导出飞轮转动惯量的表达式： 2022002 )()(2 （ 2 如果选定10 时 ， 2 m j（ 2用式 (2得 22m a （ 2 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 21 )()(12（ 2 将以上各式代入式 (2，得出飞轮转动惯量 的表达式 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 13 22m i a (21)(21)()(21 （ 2 由于难以直接确定 与对应位置 1 和 2 ，故不能按照式 (2算 各自的对应位置 改写式（ 2 下列形式： 2002202 )(21)(21)(21 22002 )(21)(2121 （ 2 若记 220002)(21)(2121则得 00)( （ 2 若选取0为某一固定参考位置，它所对应的瞬时速度为0，等效转动惯量 )(0时 一常量，0(E 值 而 变 化 。 当 )(E 的 值 为 极 大 时 ， E ；反之，当 )(E 的值为极小时， 则 E 。上述情况与0以在求任意设定0至可令其等于零。由于 一常量，根据 221 E ，极值相对应，当时， E ；
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