基于CFD的柴油机曲轴减震器拆装过程仿真与工程分析--本科毕业论文.doc

I * * * * 大大 学学 本本科科毕毕业业设设计计 (论论文文 ) 学 院 机械工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 学生姓名 * 班级学号 * 指导教师 * *月 II *大学本科毕业论文 基于基于 CFD 的柴油机曲轴减震器拆装过程仿的柴油机曲轴减震器拆装过程仿 真与工程分析真与工程分析 Diesel engine crankshaft shock absorber disassembling process based on CFD simulation and engineering analysis III * * * 大大 学学 毕业论文（设计）任务书毕业论文（设计）任务书 学学 院院： 机械工程学院机械工程学院 专专 业业：机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化 学学 号号： * 姓姓 名名： * 指导教师指导教师： * 职职 称称： 副教授副教授 IV 毕业设计（论文）题目：毕业设计（论文）题目： 基于基于 CFD 的柴油机曲轴减震器拆装过程仿真与工程分析的柴油机曲轴减震器拆装过程仿真与工程分析 一、一、毕业设计（论文）内容及要求（包括原始数据、技术要求、达 到的指标和应做的实验等） 1 提供条件： 柴油机曲轴减震器和拉伸器的工况与设计要求。 2 主要内容与要求: (1) 查阅国内外相关文献，了解柴油机曲轴减震器的基本工 作原理、用途及结构，撰写文献综述，介绍柴油机曲轴减震 器拆装工艺的研究现状与存在问题； (2) 阅读并翻译一篇外文文献； (3) 构建柴油机曲轴减震器主轮毂和曲轴配合段的实体模型， 分析柴油机曲轴减震器拆装工艺操作方法与注意事项； (4) 构件柴油机曲轴减震器用拉伸器的三维模型，进行柴油 机曲轴减震器拆装工艺过程仿真； (5) 分析柴油机曲轴减震器拆装时涨压油路压力分布，进而 分析减震器主轮毂和曲轴配合段的工程强度，建立柴油机曲 轴减震器拆装过程涨压和推压的匹配关系； (6) 撰写毕业设计论文，详细阐述柴油机曲轴减震器装拆工 作的操作过程和注意事项，并进行毕业设计答辩。 V 二、二、完成后应交的作业（包括各种说明书、图纸等） 1. 毕业设计论文一份（不少于 1.5 万字）； 2. 外文译文一篇（不少于 5000 英文单词）； 3. 柴油机曲轴减震器主轮毂拉伸器的实体及有限元模型一套； 4. 柴油机曲轴减震器拆装过程涨压推压的匹配关系说明一份。 三、三、完成日期及进度 2014 年 12 月 8 日至 2015 年 6 月 13 日。 进度安排： 1. 2014 年 12 月 8 日3 月 6 日：阅读相关文献、准备开题报告。 提交开题报告、外文文献翻译。 2. 3 月 7 日3 月 20 日：构建柴油机曲轴减震器主轮毂和曲轴 配合段的实体模型，分析柴油机曲轴减震器拆装工艺操作方 法与注意事项。 3. 3 月 21 日4 月 24 日：构件柴油机曲轴减震器用拉伸器的三 维模型，进行柴油机曲轴减震器拆装工艺过程仿真。 4. 4 月 25 日5 月 20 日：分析柴油机曲轴减震器拆装时涨压油 路压力分布，进而分析减震器主轮毂和曲轴配合段的工程强 度，建立柴油机曲轴减震器拆装过程涨压和推压的匹配关系。 VI 5. 5 月 21 日6 月 7 日：总结前期研究工作，撰写毕业设计论 文，提交指导老师审阅，并准备答辩材料。 6. 6 月 8 日6 月 13 日：论文修改与毕业设计答辩。 VII 四、主要参考资料（包括书刊名称、出版年月等）: 1. Mendes A S,Meirelles P S,Zampieri D E. Analysis of torsional vibration in internal combustion engines: modelling and experimental validationJ. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, 2008, Vol.222 (K2), pp.155-178. 2. 周福生,李存才. 曲轴扭振减震器的功能及特性J. 车用发动机， 1993(04): 23-28. 3. 郑国世,方劲松,高俊,等. EQB 210 柴油机曲轴扭振减震器优化设 计研究J. 内燃机，2008(05): 5-10. 4. 杨斌,俞水良,林琦,等. 6135 柴油机轴系扭振与减振研究J. 机电 工程技术， 2011(03):76-79. 5. 陈超. 汽车发动机曲轴系统扭转振动分析与减震器匹配的研究 D.广州： 华南理工大学车辆工程，2012:1-67. 6. 郑国世,朱连兵,王勇,等. 曲轴扭振减振器开发J. 柴油机. 2013(02):35-38. 7. 王桂群,崔战国,王现斌. 第五届河南省汽车工程科技学术研讨会 论文集C. 河南：河南省汽车工程学会，2008:86-88. 8. 谭琳琳. 柴油机轴系扭/弯振动分析及其复合减振器设计D. 天 津：天津大学，2012:1-72. 系(教研室)主任： （签章） 年 月 日 学院主管领导： （签章） 年 月 日 *大学本科毕业设计（论文） VIII 摘摘 要要 本文介绍了柴油机曲轴减震器国内外发展趋势和最新研究现状，以某一型号的 柴油机曲轴减震器为研究对象，通过三维建模软件建立了曲轴减震器的三维模型， 紧接着进行组装，分析了其工作原理和工况。柴油机系统之所以会发生扭转共振是 因为柴油机的轴系是弹性系统。在运转中当干扰力矩的频率和轴系的固有频率相同 时, 即会发生扭转共振。扭转共振的危害极其严重,加装曲轴减震器是吸收振动最直 接的方法。 本文通过了建立曲轴减震器的三维模型，研究了曲轴减震器的拆装过程，更直 观的观察曲轴减震器在拆装过程中存在的问题。在参考了大量国内外有关流体 利用 UG 软件分别建立了曲轴减震器和推压油路涨压油路的三维模型；然后利 用 GAMBIT 软件对涨压油路和推压油路进行网格的划分。应用 CFD 分析软件 FLUENT，用有限元方法对推压油路和涨压油路的流场进行数值模拟，并用图像的 形式给出计算结果。 本文通过设置流体的边界条件，设置流体的材料属性，对推压油路，涨压油路 进行数值模拟，分别得出了推压油路，涨压油路的压力可视化图形。通过对流场数 值模拟，得出了涨压和推压的匹配关系。本文进行的研究工作为液压装配系统的压 力匹配和性能优化提供了一定的参考依据，将为曲轴减震器的拆装提供指导 关键词关键词：曲轴减震器，数值模拟，退压油路，涨压油路 *大学本科毕业设计（论文） IX *大学本科毕业设计（论文） X Abstract This paper introduces the diesel engine crankshaft shock absorber development trend and the latest research status at home and abroad, to a certain type of diesel engine crankshaft shock absorber as the research object, through the three-dimensional modeling software to establish the three-dimensional model of crankshaft shock absorber, its working principle and operating mode are analyzed, introduced the main stress of crankshaft shock absorber parameters. Diesel engine shafting is elastic system due to its in operation when the frequency of the disturbance torque and phase at the same time, the natural frequency of the shafting torsional resonance will happen. Reverse resonance harm is extremely serious, equipped with shock absorber is the most direct approach to absorb vibration of the crankshaft. In this paper, the crankshaft shock absorber was established through the three- dimensional model, studies the disassembling process of crankshaft shock absorber, more intuitive to observe the crankshaft shock absorber in the process of dismantling the existing problems. In reference to a large number of the related data on the basis of fluid mechanics at home and abroad, using UG software respectively established the crankshaft shock absorber and push oil up 3 d model of the oil pressure; Then using GAMBIT software of rose oil and push oil for grid partition. Application of CFD analysis software FLUENT, the finite element method to push oil and higher oil pressure of a numerical simulation of the flow field and calculation results are given in the form of image. In this paper, by setting the fluid boundary conditions, set the material properties of the fluid, to push oil, a numerical simulation of the inflation pressure oil respectively, it is concluded that the push oil, inflation pressure oil pressure visual graphics. Through the numerical simulation of flow field, it is concluded that the inflation pressure and push matching relationship. In this paper, the research work for the pressure matching and performance optimization of hydraulic assembly system provides certain reference basis, to guide the dismantling of the crankshaft shock absorber. *大学本科毕业设计（论文） XI Keywords: The crankshaft shock absorber,Numerical simulation,Push oil pressure,Rose oil pressure *大学本科毕业设计（论文） XII 目目 录录 第一章第一章 绪绪 论论.1 1.1 柴油机曲轴减震器的发展概括与研究现状1 1.1.1 曲轴减震器的技术背景.1 1.1.2 曲轴减震器的发展趋势.1 1.2 过盈配合的液压拆装技术研究现状2 1.3 选题的意义与目的3 1.3.1 选题的意义.3 1.3.2 选题的目的.3 1.4 本课题的主要工作4 1.5 本章小结4 第二章第二章 柴油机曲轴减震器的工作原理柴油机曲轴减震器的工作原理.5 2.1 曲轴减震器的类型5 2.2 曲轴减震器的工作原理及基本结构5 2.2.1 曲轴减震器的基本结构.5 2.2.2 曲轴减震器的工作原理.6 2.2.3 曲轴减震器的特点.6 2.3 本章小结7 第三章第三章 计算流体力学理论基础计算流体力学理论基础8 3.1 计算流体力学的概念8 3.2 基本控制方程8 3.2.1 系统与控制体.8 3.2.2 质量守恒方程（连续性方程）.9 3.2.3 动量守恒方程（运动方程）.9 3.2.4 能量守恒方程.9 3.3 CFD 数值模拟方法分类10 3.3.1 有限差分法.10 *大学本科毕业设计（论文） XIII 3.3.2 有限元法.10 3.3.3 有限体积法.10 3.4 层流和湍流的基本理论11 3.5 FLUENT 概述 11 3.6 GAMBIT 概述11 3.7 本章小结12 第四章第四章 柴油机曲轴减震器模型建立及装配柴油机曲轴减震器模型建立及装配.13 4.1 主要零件的三维模型建立13 4.1.1 主轮毂三维模型的建立.13 4.1.2 次轮毂三维模型的建立.13 4.1.3 拉伸器体三维模型的建立.14 4.1.4 曲轴三维模型的建立.14 4.1.5 曲轴齿轮三维模型的建立.15 4.2 其他零件的三维模型建立15 4.2.1 侧板三维模型的建立.15 4.2.2 隔圈三维模型的建立.16 4.2.3 衬套三维模型的建立.16 4.2.4 活塞三维模型的建立.16 4.3 柴油机曲轴减震器三维装配17 4.3.1 减震器三维装配.17 4.3.2 柴油机曲轴减震器三维装配.18 4.4 柴油机曲轴减震器拆装工艺过程仿真18 4.5 本章小结19 第五章第五章 柴油机曲轴减震器拆装油路压力分析柴油机曲轴减震器拆装油路压力分析20 5.1 柴油机曲轴减震器拆装时推压油路压力分析20 5.1.1 推压油路模型建立.20 5.1.2 网格划分.20 5.1.3 设置边界类型.22 *大学本科毕业设计（论文） XIV 5.1.4 求解设置.23 5.1.5 求解结果.31 5.2 柴油机曲轴减震器拆装时涨压油路压力分析32 5.2.1 涨压油路模型建立.32 5.2.3 设置边界类型.35 5.2.4 求解设置.36 5.2.5 求解结果.43 5.3 本章小结44 总结与展望总结与展望.45 致致 谢谢.46 参考文献参考文献47 *大学本科毕业设计（论文） 1 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 柴油机曲轴减震器的发展与研究现状柴油机曲轴减震器的发展与研究现状 1.1.1 曲轴减震器的技术背景曲轴减震器的技术背景 当发动机运转的时候，由于发动机汽缸中的燃料的，燃料的燃烧的瞬间会产生 巨大的压力，点火瞬间产生的压力同曲柄连杆机构传递到曲轴上，从而驱动曲轴旋 转。由于发动机的每个缸内燃烧产生的瞬时巨大压力对其曲轴都会产生一个冲击， 因此，曲轴在工作周期内将产生不均匀的旋转，旋转的角速度的峰值与工作周期的 点火数对应。曲轴的这种不均匀旋转称之为曲轴滚震1。另外，由于曲轴存在一定 的扭转刚度，作用在前端曲拐上的力会使曲轴前段相对后端迅速发生扭转变形，而 当作用力消失后，这种扭转迅速复位，这种现象为曲轴扭震2。 为了减少滚震及扭震对曲轴的影响，当前发动机都在曲轴上面安装了飞轮和圆 形的曲轴减震器，在这样的曲轴减震器内部存在橡胶阻尼环等装置，能够避免曲轴 产生共振，同时也可以吸收部分扭震能量来达到减震的作用。 但是，就现有的曲轴减震器而言，这些仍不能完全消除滚震对曲轴的影响，使 得曲轴减震器依然会存在不均匀旋转。曲轴不均匀的旋转会带动皮带产生较大的皮 带张力，较大的皮带张力波动不仅会使皮带容易打滑，皮带磨损加剧，各结构之间 产生摩擦进而产生噪音，而且会对其他附件产生冲击，使运动机构不稳定，特别是 转动惯量较大的发电机和空调压缩机等零部件3。 1.1.2 曲轴减震器的发展趋势曲轴减震器的发展趋势 国内外研究者减振器已经对曲轴的扭震，曲轴减震器进行了大量研究。早在 20 世纪 20、30 年代国内外的研究者们就注意到了硅油减震器，慢慢的不仅对硅油减震 器的匹配而且对硅油减震器的设计等进行了研究。英国内燃机研究协会较为系统的 研究了柴油机轴系的两质量点和三质量点简化模型的硅油减振器匹配计算方法，还 给出了减振器的最佳阻尼系数计算和发热量计算的校核方法，这些方法一直沿用到 现在，最佳阻尼系数计算和发热量计算的校核方法是目前广泛使用的理论和方法4。 *大学本科毕业设计（论文） 2 德国内燃机研究协会也在 20 世纪 50、60 年针对硅油减振器的工程应用方面存 在的一些问题进行了较为深入的研究，并组织柏林大学等科研机构研制实验设备和 模拟台架进行试验研究，获得硅油的理化特性，并对减振器动态性能进行预算的方 法5。由上述可得，国内外的科学家们对船用柴油机曲轴减振器进行了大量的科研。 1.2 过盈配合的液压拆装技术研究现状过盈配合的液压拆装技术研究现状 就现在来说，相比国内拆装技术而言，国外在液压的科研比较提前。因为液压 在控制方面控制方便迅速，而且液压的油膜还具有润滑作用，这样一来，液压拆装 不仅再生产生活中安全可靠，而且节约生产装配的时间，同时降低了在伤残和装配 过程中零部件间的损伤，所以采用液压拆装在过盈配合零件中非常适用6。下面就 以圆柱轴承等为例讲解一下液压装配，圆柱轴承、圆锥轴承的拆解原理如图 1-1 所 示，首先要在零部件间开设油道，这是在设计初期就应该考虑到的，然后用注油器 把具有一定粘度的压力油从在设计初期就开好的油道注入两个零部件的过盈配合表 面，这样一来，注入的液压油就会产生一层很薄的压力很高的油膜，这层油膜就把 过盈配合接触面给分开。这层油膜有效的使零部件间的摩擦系数变小。而且这层油 膜不仅减小九成拆卸力，而且也在同时使部件间摩擦损坏的风险也降低了。但是比 起圆柱轴承，圆锥轴承就不同了，因为由于圆锥轴承的结构，所以它在拆解时不需 要施加轴向推出力，依靠液压在锥面的形成的反作用力就可将圆锥轴承推出。但是 就目前液压拆卸而言，由于技术问题液压拆卸现在主要应用于一些尺寸较小、过盈 量不大的零部件。 图 1-1 圆柱，圆锥轴承液压拆卸原理 液压装配的优点有很多：第一，液压系统因为使用液压油作为介质所以可以准 确控制所需的拆装压力，以免刮伤拆装部件；第二，液压拆装时，在接触面注入的 *大学本科毕业设计（论文） 3 液压油压力是相同的，不会出现压力不均而导致部件变形不均的现象，第三，液压 油形成的高压油膜降低了接触表面间的摩擦作用，减小了拆装时所需的轴向推力， 有利于实现无损拆装。但需要指出的是,液压拆解属于主动拆解，在设计初期就要考 虑需要事先开设注油通道7。 1.3 选题的意义与目的选题的意义与目的 1.3.1 选题的意义选题的意义 曲轴加装曲轴减震器是利用阻尼和弹性系统来有效的吸收轴系的震动。当然阻 尼和弹性作用都存在的减震器对于曲轴而言更为合适。曲轴减震器能否发到预期的 减震功能，不能只靠计算结果来证明，其原因是在扭震计算中，惯量经过当量简化， 是理想化的状态，所以在初步设计后，最终还要经过特性测试来调整减震器参数， 才能满足内燃机的实际工作要求。 因为曲轴减震器和曲轴之间为过盈配合，曲轴减震器在安装过程中需要推压油 路和涨压油路的配合，首先通过涨压油路将减震器孔涨大到合理的直径，然后再利 用拉伸器通过推压油路利用活塞推动减震器到合理位置，最后涨压油路释放压力使 曲轴减震器与曲轴配合。同样，在拆卸曲轴减震器的时候先是用涨压油路将减震器 孔涨大到合理的直径，然后再利用拉伸器通过推压油路利用活塞拉动减震器到合理 位置使其与曲轴分离。 但是在实际操作中推压油路和涨压油路压力的压力匹配很难控制，这样带来的 后果就是安装时涨压油路还未将减震器孔涨大到合理的直径，推压油路就利用活塞 推动减震器进行安装，这样减震器在安装过程中将会把曲轴划伤。在实际的拆装中， 在曲轴减震器上会发生冷焊现象，这就是因为压力匹配不合理导致的结果。同样， 在拆卸曲轴减震器时涨压油路还未将减震器孔涨大到合理的直径，推压油路就利用 活塞拉动减震器进行拆卸，这样减震器在拆卸过程中也会把曲轴划伤，同样也会发 生冷焊现象，这对曲轴不好，对曲轴减震器也不好。 1.3.2 选题的目的选题的目的 为防止减震器在安装及拆卸过程中将曲轴划伤，我们用拉伸器及压力机压入法 对减震器进行拆装，液压拆装法的优点在上文已经提到，在这里再不详述。通过基 *大学本科毕业设计（论文） 4 于 CFD 软件的柴油机曲轴减震器拆装过程仿真与工程分析，先用 UG 构建柴油机曲 轴减震器三维模型，例如主要部件主轮毂和曲轴配合段的实体模型，利用 FLUENT 分析柴油机曲轴减震器拆装工艺操作方法；再建立柴油机曲轴减震器用拉伸器的三 维模型，进行柴油机曲轴减震器拆装工艺过程仿真；最后分析柴油机曲轴减震器拆 装时推压油路和涨压油路压力分布，进而分析减震器主轮毂和曲轴配合段的工况强 度，建立柴油机曲轴减震器拆装过程涨压和推压的匹配关系；可以避免拆装过程的 损坏，提高工作效率，提高曲轴的使用寿命。 1.4 本论文的主要工作本论文的主要工作 首先查阅国内外相关文献，了解柴油机曲轴减震器的基本工作原理、用途及结 构，了解柴油机曲轴减震器拆装工艺的研究现状与存在问题；然后用三维建模软件 构建柴油机曲轴减震器主轮毂和曲轴配合段的实体模型，分析柴油机曲轴减震器拆 装工艺操作方法与注意事项；再构建柴油机曲轴减震器用拉伸器的三维模型，进行 柴油机曲轴减震器拆装工艺过程仿真；最后利用 CFD 软件分析柴油机曲轴减震器拆 装时涨压油路压力分布，进而分析减震器主轮毂和曲轴配合段的工程强度，建立柴 油机曲轴减震器拆装过程涨压和推压的匹配关系； 1.5 本章小结本章小结 本章综合叙述了船用柴油机曲轴减震器的发展趋势，以及船用柴油机曲轴减震 器国内外的研究现状；本章不仅较为详细的介绍了曲轴减震器的技术背景和分类， 同时也介绍了过盈配合的液压拆装技术研究现状；阐述本课题的来源，意义，最后 阐述了本文所做的主要工作内容。 *大学本科毕业设计（论文） 5 第二章第二章 柴油机曲轴减震器的工作原理柴油机曲轴减震器的工作原理 2.1 曲轴减震器的类型曲轴减震器的类型 图 1-2 减震器的分类图 通过研究发现，常用的曲轴扭振减振器可分为两种类型，一种是橡胶减振器总 成另一种是硅油减振器总成8。橡胶减振器的橡胶层很有特点，橡胶层它不仅有弹 性而且又有阻尼。橡胶健身器的优点是橡胶减振器不仅其结构简单，而且橡胶减振 器成本低; 但橡胶减振器也有缺点，因为橡胶减震器阻尼较小，所以橡胶减震器一 般不能满足最大参数匹配的要求；同样也因为橡胶的弹性和阻尼随温度变化较大， 所以橡胶减震器性能不稳定。相比而言硅油减振器不仅硅油黏度能较好地控制，而 且惯量也能较好地控制，更有胜者是硅油间隙也能较好地控制，同样也因为硅油减 振器制造一致性较好，而且硅油黏度的选择范围较大，硅油黏度随温度变化较小， 硅油黏度性能稳定，所以说硅油减振器减振效果要比橡胶减振器强很多。 *大学本科毕业设计（论文） 6 2.2 曲轴减震器的工作原理及基本结构曲轴减震器的工作原理及基本结构 2.2.1 曲轴减震器的基本结构曲轴减震器的基本结构 橡胶减震器基本结构可分为两种，一种是平面盘状结构，也就是说橡胶胶层采 用平面盘状结构, 用硫化方法枯接在壳体和惯性轮之间；另一种是胶层呈环形，采 用预压缩镶嵌方式结构, 同样也有将减震器和皮带轮做成一体的结构9。 硅油减振器大体是由三部分组成的，它们分别是壳体、惯性圆盘和起轴承作用 的减磨衬套，壳体内部安装的是硅油减震器的惯性圆盘。惯性圆盘可绕光滑耐磨的 减磨衬套进行自由的转动。惯性圆盘与壳体间不是紧紧相连的，它们之间有一定的 间隙，这个间隙是用来填放硅油。曲轴的前端固定连接的是硅油减振器的壳体，硅 油减振器的壳体不是单独运动的，它是与曲轴系统一起运动的10。当曲轴系统发生 扭振的时候，惯性圆盘运动总是滞后于壳体的运动是因为硅油减振器的惯性圆盘转 动惯量较大，这时间隙中硅油就起到了作用，硅油的黏性阻尼就会消耗振动能量， 从而硅油减振器达到减震的目的。而硅油减震器并不是完美的，但是硅油减震器也 有缺点，硅油减振器密封较困难，这样一来硅油与空气接触吸收水分时容易变质， 减弱减振器减振效果11。同样还存在一种硅油橡胶复合式减振器，硅油橡胶复合式 减振器由三部分组成，分别是减振器壳体，惯性质量体和橡胶环，橡胶环用来胶合 壳体和惯性体。 2.2.2 曲轴减震器的工作原理曲轴减震器的工作原理 橡胶减震器为了更好的改善扭震，可以通过多种方式来实现，比如，改变轴系 柔度，对干扰力矩进行调整，也可以附加另外的振动系统，甚至是通过假装减震器 来实现。加装减震器的原理就是对阻尼的利用，阻尼可以有效的消耗系统的能量， 从而有效的减小振幅，这是一个相当直接有效的好方法。 硅油减震器的原理是，利用高粘度的液态硅油，注满减震器壳和减振环之间的 空隙。由于硅油用于内摩擦了大的特点，所以能在工作时起到阻尼扭震的效果。减 震器工作时，硅油产生粘性阻尼，从而有效的对振动的能量进行消耗，这就使得降 低扭震的目的得以完成。减震器壳体与阻力力矩的乘积，就是硅油产生阻尼消耗的 能量12。 *大学本科毕业设计（论文） 7 硅油橡胶复合式减震器，要求把高粘度的硅油惯性体和壳体之间的缝隙注满， 利用高难度的有来减少机械振动。橡胶环不仅满肚弹性体作用，同时还可以对硅油 进行密封。人们一般采用天然橡胶，这种橡胶发热量和内阻都是很低的，用这种橡 胶可以满足它长期在高温和高频振动环境下工作13。硅油的阻尼系数和橡胶的弹性 参数都有较大的变化范围，这就使得，为了满足各种不同的设计要求，这就给我们 提供了较为广泛的选择自由度，能够更好的达到减振效果。实验证明，这种减震器 不仅质量轻，而且更加的牢固，寿命也更加的持久，当然，更具减振特效。 2.2.3 曲轴减震器的特点曲轴减震器的特点 橡胶减震器的缺点是阻尼力矩较小，在阻尼力矩较大的场合减震效果就不理想， 但由于橡胶减震器不仅结构简单, 而且体积和重量较小，同时在制造维修方便等几 方而的优点, 所以适用于中小功率高速车用内燃机。目前功率小于 440KW 的内燃机， 一般都采用橡胶减震器。但是橡胶减震器也有缺点，橡胶减震器依靠改变胶料配方 这样的方法来调整阻尼实际上是比较困难的；因为橡胶内摩擦发热存在，这样橡胶 就存在加速老化的问题，同样胶层受高频时胶层会扭转变形；在预压紧面或硫化结 合面上就会产生交变剪切应力，当此应力超出允许值时，橡胶会发生打滑或开裂。 所以就要对剪切率和发热量进行核算14。 硅油减震器的减振效果要强于橡胶减震器总成，可以从以下几点看出：一是硅 油的黏度、间隙、惯量都能控制的很好；二是生产一致性更好；三是硅油的黏度有 较大的选择范围；四是性能更稳定，温度影响不大。 硅油橡胶复合式减震器可以看作现在相对完美的减震器。它专注于硅油减震器 和橡胶减震器的长处，同时对两者的缺点进行克服。这种减震器可以在很大的范围 内对弹性进行调整，通过对橡胶层尺寸和橡胶硬度的选择；同时也可以在很大范围 内对阻尼进行调整，它可以通过设计不同的油腔、油隙或者改变硅油的黏度来完成 15。所以，使用这种复合式减震器在设计上更容易达到设计要求的参数，同时它的 减振效果和尺寸质量都要由于分开的任意一种减震器31。 2.3 本章小结本章小结 本章开头对曲轴减震器的分类进行了详细的归纳总结，大致可以分为三类。接 下来介绍了三种曲轴减震器基本结构，主要介绍了三种典型的曲轴减震器优缺点， *大学本科毕业设计（论文） 8 还介绍了三种减震器各自的工作原理，最后详述了三种减震器的特点为以供以后的 工作打下基础。 第三章计算流体力学理论基础第三章计算流体力学理论基础 3.1 计算流体力学的概念计算流体力学的概念 对于本论文而言，本章的理论基础起到基石的作用，本论文在接下来的几章将 会介绍到推压油路和涨压油路的油路压力分析，这不仅涉及了计算流体力学的理论 基础更涉及到了网格划分软件 GAMBIT 和计算流体力学软件 FLUENT 的使用，只 有掌握了理论基础，熟悉了软件操作，才可以有效的进行后续工作。 计算流体力学以现代计算机技术为基础之上的，CFD 主要不仅可以用来求解复 杂的流体的流动、而且还可以解决比较复杂的辐射问题，更有胜者 CFD 也可以解决 复杂的传热等方面的问题。CFD 作为一种模拟计算工具，它属于流体力学中较多门 派中的一种。CFD 的原理是通过计算模这种有效的方式，可以简便的获得流体在每 一种不一样的条件下的各种参数和状态，这样就很显然的丢弃的试验台这样繁琐的 设备，进而用计算机这样先进的仪器来代替它来进行计算实验，这个模拟计算的平 台很简捷方便的提供给了人们，让人们来获得流体的实际工作参数和状态。在这个 设计快速发展的年代，CFD 已经越来被人们所接纳，在很懂行业都可以看到它的身 影。计算流体力学的基本思想很简单，简单的说就是用有限的点来代替连续的场， 这些点是离散的，而这些场却是连续的。再将这些离散的点通过特定的原理例如雷 诺方程，连续方程，守恒方程等等建立起来代数方程组。接着用计算机来求解方程 组得出结果最后获得场的近似值30。CFD 这种数值模拟对流体的是建立在三大守恒 方程控制下的。由于 CFD 这种强势的数值模拟比起其他数值模拟软件而言，它可以 轻易地解决复杂的各种不同的流体流动问题，还可以直观的看到各种复杂的流场特 *大学本科毕业设计（论文） 9 殊的结构的变化，更有胜者 CFD 还可以直观的看到每个点上的基本物理量的基本状 况，而且，当 CFD 与其他的计算机辅助设计软件相结合时，就可以更简单更方便的 进行关于流体设计等16。 3.2 基本控制方程基本控制方程 3.2.1 系统与控制体系统与控制体 在流体力学中系统是由很多很多的流体的质点的结合多组成的。环境是所不包 含在流体系统之内的物质。在众多的研究对象中，系统往往首当其冲。而用来区别 系统的就是外界。就算流体在运动的过程中其形状会不断的发生变化，但是系统总 是包含着所有的质点，这些质点的数量是不会减少的，而每一个质点的质量不会发 生变化，所以系统内所有的质点的质量是确定的；就算外界和系统有力和能量的交 换，但是质量是不变的17。 为了研究某些问题所取的特定的空间区域被称之为控制体，控制面的定义是包 围这个空间体积的边界面，值得注意的是控制面的表面是封闭。在控制体中的质点 是可以改变的，当控制体中的质点通过控制面离开或进入控制体，就说控制体与外 界发生了动量和能量的交换18。 3.2.2 质量守恒方程（连续性方程）质量守恒方程（连续性方程） 在流场中，部分的流体通过部分的控制面是这样进出控制体的，这时流体的体 积质量就会发生变化29。控制体内流体质量的增量是通过进入控制体的质量减去流 出控制体的质量得到的，这就是质量守恒定律在流体力学中的应用，通过这，流体 连续性方程式就可以被得出： ndAvdxdydz t vA 微分形式为： 0)( V t 本课题研究的介质为液压油，视为不可压缩流体，质量守恒方程表示它的单位 质量的体积是不能变的。 *大学本科毕业设计（论文） 10 3.2.3 动量守恒方程（运动方程）动量守恒方程（运动方程） 牛顿第二定律告诉我们，流体系统的动量变化率是是一个矢量和，这个矢量和 就是作用在流体上的外力，动量守恒方程如下： z p y p x p F dt dw z p y p x p F dt dv z p y p x p F dt du zz yz xz bz zyyyxy by zx yxyx bx 3.2.4 能量守恒方程能量守恒方程 k eff ijj j jj i eff i i i SuJh x T k x pEu x E t 其中：； 2 2 i up hE 是有效传导系数， eff k teff kkk 其中：是湍流热传导系数； t k 是组分的扩散流量； j Jj 包括了化学反应热以及其它用户定义的体积热源项； k S 3.3 CFD 数值模拟方法分类数值模拟方法分类 3.3.1 有限差分法有限差分法 有限差分法是众多 CFD 数值模拟软件中最经典的方法之一，有限差分法很容易 让人们接受，因为它建立在经典的数学逼近理论的基础之上，有限差分法对于规则 区域的结构划分非常有效，但是对于非规则的区域的结构划分有限差分法就显得不 方便了，会导致数值不稳定，影响计算精度19。 *大学本科毕业设计（论文） 11 3.3.2 有限元法有限元法 有限元法让人们在计算机上面用仿真软件实现模拟一个工程问题，这样简便而 不要实际去做，它就是这样一种巧妙的计算机数值模拟技术。有限元法的最大优点 就是在设计阶段就可以在计算机上面发现产品的不足，而不是到产品真正的做出来。 这样不仅很有效的减少了产品设计时间，而且很有效的的降低了研发资金，同时也 缩短了产品的制造时间。有限元法借鉴了有限差分法的优点离散处理，因为有限元 法对网格划分很有优势，所以被应用的很广泛20。 3.3.3 有限体积法 有限体积法是目前数值模拟应用最广泛的方法之一。因为有限体积法是以物理 量守恒为基础的。通过对流体运动的有限个子区域的积分离散来构造离散方程。有 限体积法的基本思路简单易懂，能得出直接的物理解释21。有限体积法不仅巧妙地 适用于流体计算，而且也应用于复杂的不规则的网格，不仅简单易懂而且很精准， 非常适用于二维三维湍流数值计算22。 3.4 层流和湍流的基本理论层流和湍流的基本理论 流体流动状态可分为层流和湍流两种形式。层流可以理解为液体质点在流动过 程中作有规律的运动，而不是混乱的运动，这样液体质点之间相互无掺杂的流动形 式称之为层流。如果液体质点作不规则运动形态叫做湍流。层流通过分子间相互作 用，湍流主要通过质点间的混掺。湍流所传递的速率远远大于层流23。水利工程所 涉及的流动，一般为湍流。 层流的特点：层流各层间的液体是互不混杂的，液体质点的运动轨迹是直线或 是有规则的平滑曲线。湍流的特点：湍流流体质点之间的运动是无序性，流体质点 相互参杂，运动不仅是混乱无章，而且运动还具有不能确定的随机性；更有胜者湍 流也具有耗能性，扩散性等等24。 3.5 FLUENT 概述概述 FLUENT 软件因为它卓越的计算性能和人性化的界面，所以它在流体建模中被 大面积的使用。自它被开发出来之后，因为它的卓越的计算性能，人性化的用户界 面，所以在各个领域都有它存在的声影。FLUENT 是目前不仅是各种功能最全面， *大学本科毕业设计（论文） 12 而且是适用性最广泛、更有胜者它是国内外使用最广泛的 CFD 软件之一。 FLUENT 之所以被广泛的使用是因为它具有机智的网格的特性。使用者可以使用多 种非结构网格，更有胜者使用者可以用混合型非结构网格25。FLUENT 可以让使用 者按照使用者的特定情形来对网格进行改正。 3.6 GAMBIT 概述概述 在使用 FLUENT 之前，GAMBIT 为前处理软件，GAMBIT 可以建模，这样一 来它不仅使建立模型变得简单，而且也可以巧妙地生成各种各样的网格，更有胜者 GAMBIT 减少了缩短了产生网格的周期26。 GAMBIT 的主要功能有： （1）GAMBIT 因为有优秀的的网格生成能力，可以自动化的生成各种网格， 所以这样就为使用者有效的缩短工作时间。 （2）GAMBIT 可以有效的的提高计算的准确率是因为它巧妙的采用了自适应 网格技术。 （3）GAMBIT 可以导入丰富的三维模型，意思就是说使用者可以在其他的三 维建模软件中先建立好三维模型，然后在导入 GAMBIT 中。 （4）GAMBIT 可以更简洁的来检查网格，可以得出参数报告，使用者可以通 过报告来直接或间接地检查网格，了解网格的缺陷，对网格进行进一步的改正。 GAMBIT 作为这么强大的前处理软件，它的使用场合变得更多样化，可以为流 体计算奠定理论的基础28。 3.7 本章小结本章小结 本章在前几章的基础上详述了有关计算流体动力学的知识，第一这一章详述了 计算流体动力学的知识，然后对于控制体详述了三大守恒方程：质量守恒方程、动 量守恒方程和能量守恒方程。然后在三大守恒方程的基础上介绍了三种 CFD 数值模 拟方法：有限差分法，有限元法、有限体积法。本文还介绍了流体有两种流动方式： 层流和湍流，在液压装配中这两种流动方式都会出现。 *大学本科毕业设计（论文） 13 第四章第四章 柴油机曲轴减震器模型建立及装配柴油机曲轴减震器模型建立及装配 4.1 主要零件的三维模型建立主要零件的三维模型建立 UG 是一套三维参数化软件，最显而易见的是 UG 不仅具有强大的建模功能， 而且 UG 还具有强大的分析功能，更有胜者 UG 也具有强大的加工功能。UG 的建模 技术把优秀的传统建模技术和先进的参数化建模技术的优点结合起来了。使用者使 用 UG 的建模功能可以将自己的想法和设计快速的表达出来。UG 不仅有建模能力， 同样也具有装配能力，使用者可以根据自己建立的模型，用 UG 进行组装，同样 UG 也可以创建二维工程图。UG 强大的处理系统不仅可以对模型进行复杂的机构运 动学分析，而且也可以进行复杂的动力学分析，更有胜者 UG 也可以对模型进行设 计评估和优化；最后 UG 不仅可以可根据模型设计工装夹具、而且也可以进行复杂 的加工处理，巧妙地直接生成数控程序用于产品的加工27。 本课题为曲轴减震器，曲轴减震器主要包括主轮毂、次轮毂、拉伸器体、曲轴、 曲轴齿轮、侧板、隔圈、衬套、活塞等 4.1.1 主轮毂三维模型的建立主轮毂三维模型的建立 如图 4-1 所示，在曲轴减震器中，主轮毂是极其重要的零件，在主轮毂的内孔 设有油沟，作涨压油路使用，而在外侧主轮毂由 8 个半圆柱体切割而成，这 8 个凹 槽是用来放置减震材料：凸块和弹簧组的地方，在内孔还存在 1/800 的斜度，以便 于安装设置。 4.1.2 次轮毂三维模型的建立次轮毂三维模型的建立 如图 4-2 所示，与主轮毂配合的次轮毂，次轮毂安装在主轮毂的外侧，次轮毂 和主轮毂一样，在此轮毂的内侧有 8 个半圆柱体切割而成的凹槽，当主轮毂与次轮 毂同轴安装时主轮毂的 8 个凹槽和次轮毂的 8 个凹槽正好组成 8 个圆柱体，这样就 *大学本科毕业设计（论文） 14 可以把土块和弹簧组安装进去，起到减震的效果。 图 4-1 主轮毂三维模型 图 4-2 次轮毂三维模型 4.1.3 拉伸器体三维模型的建立拉伸器体三维模型的建立 如图 4-3 所示，拉伸器体安装在曲轴上，位于主轮毂的左变作用是将曲轴减震 器拉出或推入曲轴，用螺栓与主轮毂相连，拉伸器体为圆柱状，在外表面设有进油 口，进油口是为了涨压，推压时油液能够顺利的进入油道所设置。拉伸器体与活塞 相连 图 4-3 拉伸器体三维模型 4.1.4 曲轴三维模型的建立曲轴三维模型的建立 如图 4-4 所示，曲轴的端部是一个阶梯轴，分为三段，结构比较简单，在曲轴 *大学本科毕业设计（论文） 15 的侧面有 6 个螺纹孔，这是用来和凸块相连，进而和活塞相连。而曲轴中部是建模 难点，要保证曲轴转动时的同轴度，再设计曲轴的时候应该能更多地考虑到同轴度 的问题。 图 4-4 曲轴三维模型 4.1.5 曲轴齿轮三维模型的建立曲轴齿轮三维模型的建立 如图 4-5 所示，曲轴齿轮安装在曲轴上的第三个阶梯上面，在减震器方面没有 实质的作用，建立这个模型是为了练习软件，如何建立齿轮模型，在曲轴齿轮左侧 揩油 12 个螺纹孔，便于减震器安装在其上，同时还设有定位孔。 图 4-5 曲轴齿轮三维模型 *大学本科毕业设计（论文） 16 4.2 其他零件的三维模型建立其他零件的三维模型建立 4.2.1 侧板三维模型的建立侧板三维模型的建立 如图 4-6 所示，侧板安装在曲轴上，位于曲轴减震器的左侧面作封闭曲轴减震 器用，侧板较薄，用来固定主轮毂与次次轮毂，在侧板上开了与次轮毂一样数量的 螺纹孔，同时还有定位孔，保证凸块和弹簧组的位置。 4.2.2 隔圈三维模型的建立隔圈三维模型的建立 如图 4-7 所示，隔圈安装在曲轴减震器的右侧面，隔圈起到连接曲轴齿轮和曲 轴减震器的作用，隔圈的形状中间拱起，中间开的螺纹孔与曲轴齿轮的螺纹孔相配， 外侧开的螺纹孔与曲轴减震器相配。 图 4-6 侧板三维模型 图 4-7 隔圈三维模型 4.2.3 衬套三维模型的建立衬套三维模型的建立 如图 4-7 所示，衬套安装在曲轴上，位于曲轴齿轮里侧，结构简单，其目的是 为了防止曲轴齿轮的转动会磨损曲轴。 4.2.4 活塞三维模型的建立活塞三维模型的建立 如图 4-8 所示，活塞安装在拉伸器体内侧，活塞上有油沟，这个油沟可以进行 推曲轴减震器，在涨压油路把曲轴减震器涨开时，推压油路将曲轴减震器推进曲轴， 完成装配。在拆卸时，当涨压油路将曲轴减震器涨大时，推压油路又将曲轴减震器 从曲轴上拉下来，完成拆卸。 *大学本科毕业设计（论文） 17 图 4-7 衬套三维模型 图 4-8 活塞三维模型 4.3 柴油机曲轴减震器三维装配柴油机曲轴减震器三维装配 4.3.1 减震器三维装配减震器三维装配 如图 4-9 所示，曲轴减震器是由主轮毂、次轮毂、凸块、弹簧组和隔圈组装而 成，主轮毂、次轮毂同轴配合，隔圈和侧板与主轮毂，次轮毂接触配合，通过螺钉 连接在一起。