235kw發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪設(shè)計(jì)-曲軸飛輪組【含CAD圖紙、說明書】,含CAD圖紙、說明書,kw,發(fā)動(dòng)機(jī),飛輪,設(shè)計(jì),曲軸,cad,圖紙,說明書,仿單 摘 要 為了更好的解決發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸扭震等問題，本設(shè)計(jì)以上柴6CL320-2的相關(guān)數(shù)據(jù)作為參照，對(duì)235直列六缸柴油機(jī)飛輪進(jìn)行了慣量計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度校核、離合器匹配，并對(duì)曲軸飛輪 組進(jìn)行了有關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的理論分析與計(jì)算機(jī)仿真分析。 飛輪是一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大的圓盤，其主要功用是將在作功行程中傳輸給曲軸的功的一部分儲(chǔ)存起來，用以在其他行程中克服阻力，帶動(dòng)曲軸連桿機(jī)構(gòu)越過上、下止點(diǎn)，保證曲軸的旋轉(zhuǎn)角速度輸出轉(zhuǎn)矩盡可能均勻，并使發(fā)動(dòng)機(jī)有可能克服短時(shí)間的超過載；此外，在結(jié)構(gòu)上飛輪又往往用作汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中的摩擦離合器的驅(qū)動(dòng)件。 關(guān)鍵詞：飛輪 慣量計(jì)算 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 離合器 運(yùn)動(dòng)仿真  Abstract In 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 錄 摘要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1 選題目的、意義 1 1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 1.3 曲軸系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng) 3 1.3.1 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的基本概念 3 1.3.2 扭轉(zhuǎn)震動(dòng)的消減措施 4 1.4 汽車離合器結(jié)構(gòu)的發(fā)展 5 1.5 飛輪設(shè)計(jì)方法 6 1.6 主要研究?jī)?nèi)容 8 第2章 飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的確定 9 2.1 飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算方法介紹 9 2.1.1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的切向力方法 9 2.1.2 飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的能量法 11 2.2 柴油機(jī)曲軸的旋轉(zhuǎn)不均勻度 15 2.3 飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 17 2.3.1飛轉(zhuǎn)的作用 17 2.4 本章小結(jié) 20 第3章 飛輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21 3.1 飛輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 21 3.2 飛輪材料選取 22 3.3 飛輪尺寸確定 23 3.3.1 飛輪基本結(jié)構(gòu)形式 23 3.3.2 方案一：平板型飛輪 24 3.3.3 方案二：盆型飛輪 27 3.3.4 方案一與方案二對(duì)比 29 3.4本章小結(jié) 29 第4章 匹配離合器設(shè)計(jì) 30 4.1 離合器功用及設(shè)計(jì)要求 30 4.1.1 離合器的功用 30 4.1.2 對(duì)摩擦離合器的基本性能要求 30 4.1.3 膜片彈簧離合器概述 31 4.2 離合器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 31 4.2.1 離合器的容量參數(shù)的計(jì)算 31 4.2.2 從動(dòng)盤零件的結(jié)構(gòu)選型和設(shè)計(jì) 33 4.2.3 壓盤設(shè)計(jì) 35 4.2.4 離合器蓋設(shè)計(jì) 35 4.3 本章小結(jié) 36 第5章 曲軸飛輪組零件創(chuàng)建與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析 37 5.1 CATIA軟件簡(jiǎn)介 37 5.2 連桿的創(chuàng)建 37 5.2.1 連桿的特點(diǎn)分析 37 5.2.2 連桿的建模思路 37 5.3 活塞的創(chuàng)建 38 5.3.1 活塞的特點(diǎn)分析 38 5.3.2 活塞的建模思路 39 5.4 曲軸的創(chuàng)建 39 5.4.1 曲軸的特點(diǎn)分析 39 5.4.2 曲軸的建模思路 40 5.5 曲軸飛輪組運(yùn)動(dòng)分析 40 5.5.1 定義曲軸、連桿、活塞及活塞銷的運(yùn)動(dòng)連接 40 5.5.2 設(shè)置曲軸與機(jī)座、活塞與活塞缸套之間的運(yùn)動(dòng)連接 43 5.5.3 模擬仿真 44 5.5.4運(yùn)動(dòng)分析 44 5.6 本章小結(jié) 47 結(jié)論 48 參考文獻(xiàn) 49 致謝 50 53 第1章 緒論 1.1 選題目的、意義 汽車工程的發(fā)展貫穿著以第二次和第三次工業(yè)革命為契機(jī)與標(biāo)志的近現(xiàn)代世界工業(yè)文明飛速向前的軌跡。當(dāng)今汽車高速化、輕量化、高效率和低阻尼的發(fā)展趨勢(shì)使得振動(dòng)與噪聲問題愈發(fā)突出。 汽車是一個(gè)具有質(zhì)量、彈性和阻尼的振動(dòng)系統(tǒng)。汽車整車或局部的振動(dòng)使汽車的平順性受到很大影響，使乘員產(chǎn)生不舒服和疲乏的感覺。而汽車的平順性主要是保持汽車在行駛過程中產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊環(huán)境對(duì)乘員舒適性的影響在一定界限之內(nèi)，因此平順性主要根據(jù)乘員主觀感覺的舒適性來評(píng)價(jià)，它是現(xiàn)代高速汽車的主要性能之一。汽車的振動(dòng)還使其動(dòng)力性無法充分發(fā)揮，經(jīng)濟(jì)性變差，還會(huì)影響到汽車的通過性、操縱穩(wěn)定性，甚至損壞汽車的零部件，縮短汽車的使用壽命。汽車是由多個(gè)系統(tǒng)組成的復(fù)雜的振動(dòng)系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)都存在振動(dòng)問題，幾個(gè)主要系統(tǒng)存在的振動(dòng)問題如下： 首當(dāng)其沖的是發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系：汽車行駛時(shí)因汽缸內(nèi)的燃?xì)鈮毫瓦\(yùn)動(dòng)件的不平衡慣性力周期性變化以及道路不平的結(jié)果都會(huì)使曲軸系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)。其中，曲軸系統(tǒng)的扭振比較重要，而且與整車傳動(dòng)系統(tǒng)密切相關(guān)。曲軸受周期性變化的干擾力作用，這種干擾力會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的扭振。對(duì)于扭振引起的這些裝置的附加應(yīng)力大大超過工作應(yīng)力，這會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系的工作質(zhì)量和壽命，產(chǎn)生噪聲，造成嚴(yán)重的破壞。除發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)外，其它幾個(gè)振動(dòng)的系統(tǒng)分別為：制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、車身和車架。 嚴(yán)格控制發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和降低傳動(dòng)系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)成為汽車工程人員密切關(guān)注和潛心研究的問題。在過去的實(shí)踐中汽車設(shè)計(jì)師們采用了許多行之有效的措施，其中一個(gè)重要而廣泛的措施就是為內(nèi)燃機(jī)匹配飛輪。 飛輪是一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大的圓盤，其主要功用是將在作功行程中傳輸給曲軸的功的一部分儲(chǔ)存起來，用以在其他行程中克服阻力，帶動(dòng)曲軸連桿機(jī)構(gòu)越過上、下止點(diǎn)，保證曲軸的旋轉(zhuǎn)角速度輸出轉(zhuǎn)矩盡可能均勻，并使發(fā)動(dòng)機(jī)有可能克服短時(shí)間的超過載；此外，在結(jié)構(gòu)上飛輪又往往用作汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中的摩擦離合器的驅(qū)動(dòng)件。 飛輪是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵安全件，其功能是調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速變化，起穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的作用。發(fā)動(dòng)機(jī)在任何工況下，既使是穩(wěn)定工況，出于負(fù)荷的突變，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩與其所帶動(dòng)的阻力矩之間不相等，而產(chǎn)生曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的波動(dòng)，引起曲軸回轉(zhuǎn)的不均勻性。這會(huì)產(chǎn)生一系列不良后果：對(duì)曲軸驅(qū)動(dòng)的部件產(chǎn)生沖擊，影響工作可靠性。降低使用壽命，產(chǎn)生噪音曲軸振動(dòng)等。因此必須控制曲軸回轉(zhuǎn)的不均勻性在允許范圍之內(nèi)。飛輪正是利用其具有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，在曲軸加速減速過程中吸收或釋放其動(dòng)能，穩(wěn)定曲軸加速度的變化，從而穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。 四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)只有作功行程產(chǎn)生動(dòng)力，其它進(jìn)氣、壓縮、排氣行程消耗動(dòng)力，多缸發(fā)動(dòng)機(jī)是間隔地輪流作功。扭矩呈脈動(dòng)輸出，這樣就給曲軸施加了一個(gè)周期變化的扭轉(zhuǎn)外力，令曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)忽慢忽快。缸數(shù)越少越明顯。另外，當(dāng)汽車起步時(shí)，由于扭力突然劇增會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速急降而熄火。利用飛輪所具有的較大慣性，當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速增高時(shí)吸收部分能量阻礙其降速，當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速降低時(shí)釋放部分能量使得其增速，這樣一增一降，提高了曲軸旋轉(zhuǎn)的均勻性。 1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在機(jī)械原理教科書中，將飛輪按其功能切分為穩(wěn)速(穩(wěn)定速度，減小波動(dòng)幅度)和蓄能(積蓄能量、適時(shí)釋出)兩大類。近期有少量文獻(xiàn)提出，利用飛輪夾補(bǔ)償或平衡輸入軸的外力矩，即出現(xiàn)外力矩平衡飛輪。外力矩平衡飛輪應(yīng)具有變化的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，用以平衡輸入軸外力矩的波動(dòng)。嚴(yán)格地講，穩(wěn)速、蓄能和平衡外力矩波動(dòng)三種功能可以同時(shí)體現(xiàn)在同—飛輪上，無法截然區(qū)分。 由于鑄鐵或鋼制飛輪的線速度有一定的限制，因此，其單位質(zhì)量所貯存的能量不大。例如時(shí)，飛輪單位質(zhì)量所貯存的能量為1800。當(dāng)時(shí)為7200。又由于有軸承的摩擦和空氣阻力，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)其能量損耗也較高。所以，普通的飛輪只能用以調(diào)節(jié)瞬時(shí)的不大的能量變化，而不能用作大容量的更高峰載荷補(bǔ)償器，不能用作需要交配大能量的次能源貯存器。 高比強(qiáng)度新材料的出現(xiàn)，例如纖維和晶須增強(qiáng)材料的研制成功，使飛輪單位密度強(qiáng)度有很大的提高，允許的線速度也大幅度的提高。因此大大增強(qiáng)了飛輪單位質(zhì)量所能貯存的能量，如再配以磁懸裝置和真空室，飛輪有可能作為需要較大能量的二次能源貯存器。 除了采用高比強(qiáng)度的材料外，還研究了飛輪的最佳幾何形狀，以使飛輪各處應(yīng)力分布合理而均勻，以及減少阻力，這樣可進(jìn)一步提高飛輪貯存能量的能力。此外，為了減小電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩，采用變慣性力矩飛輪，如下圖，該飛輪具有保證能在徑向移動(dòng)的滑塊。圖a是電機(jī)啟動(dòng)前滑塊位置；圖b是機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)滑塊的位置。 圖1-1 變慣性力矩飛輪 1.3 曲軸系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng) 1.3.1 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的基本概念 在內(nèi)燃機(jī)的使用實(shí)踐中，人們?cè)缇桶l(fā)現(xiàn)，當(dāng)內(nèi)燃機(jī)達(dá)到某一轉(zhuǎn)速時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)變得很不均勻，伴隨著機(jī)械敲擊和抖動(dòng)，性能也變差了。如果這樣長期運(yùn)轉(zhuǎn)下去，曲軸就可能斷裂。當(dāng)轉(zhuǎn)速提高或降低一些，均使敲擊和抖動(dòng)減輕甚至消失。由此可見，這不是由于發(fā)動(dòng)機(jī)的不平衡性引起的，否則抖動(dòng)應(yīng)隨轉(zhuǎn)速的提高而劇增，因?yàn)椴黄胶鈶T性力是與轉(zhuǎn)速平方成正比的。大量理論和試驗(yàn)研究證明，這種現(xiàn)象的原因主要是由于曲軸發(fā)生了大幅度扭轉(zhuǎn)振動(dòng)所引起，由于軸系扭轉(zhuǎn)剛度不足，在隨時(shí)間周期變化的單拐轉(zhuǎn)矩作用下，各曲拐間會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的周期性相對(duì)扭轉(zhuǎn)，氣缸數(shù)愈多，曲軸愈長，這種現(xiàn)象愈嚴(yán)重，這就是曲軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。當(dāng)軸系達(dá)到某一轉(zhuǎn)速時(shí)，施加在曲軸上的周期變化的轉(zhuǎn)矩與曲軸本身振動(dòng)頻率之間產(chǎn)生“合拍”現(xiàn)象，這就是所謂的共振。發(fā)生共振時(shí)曲軸扭轉(zhuǎn)變形的幅度將大大超過正常值，輕則產(chǎn)生很大的噪聲，使磨損劇增，重則使曲軸斷裂。因此，在設(shè)計(jì)內(nèi)燃機(jī)時(shí)必須對(duì)軸系的扭振特性進(jìn)行計(jì)算分析，以確定其臨界轉(zhuǎn)速，振型、振幅，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力以及是否需要采取減振措施。 1．扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的定義 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)是使曲軸各軸段間發(fā)生周期性相互扭轉(zhuǎn)的振動(dòng)，簡(jiǎn)稱扭振。 2．扭振的現(xiàn)象 1)發(fā)動(dòng)機(jī)在某一轉(zhuǎn)速下發(fā)生劇烈抖動(dòng)，噪聲增加，磨損增加，油耗增加，功率下降，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生曲軸扭斷。 2)發(fā)動(dòng)機(jī)偏離該轉(zhuǎn)速時(shí)，上述現(xiàn)象消失。 3．扭振發(fā)生的原因 1)曲軸系統(tǒng)由具有一定彈性和慣性的材料組成，本身具有一定的固有頻率。 2)系統(tǒng)上作用有大小和方向呈周期性變化的干擾力矩。 3)干擾力矩的變化頻率與系統(tǒng)固有頻率合拍時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生共振。 4、研究扭振的目的 通過計(jì)算找出臨界轉(zhuǎn)速、振幅、扭振應(yīng)力，決定是否采取減振措施。 5、扭振當(dāng)量系統(tǒng)的組成 根據(jù)動(dòng)力學(xué)等效原則，將當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量布置在實(shí)際軸有集中質(zhì)量的地方；當(dāng)量軸段剛度與實(shí)際軸段剛度等效，但設(shè)有質(zhì)量。 1.3.2 扭轉(zhuǎn)震動(dòng)的消減措施 曲軸系統(tǒng)發(fā)生扭振現(xiàn)象是必然的，只不過輕重程度不同。嚴(yán)重時(shí)都要采取扭振消減措施。消除或者減輕扭振帶來的危害通常都是由下面幾個(gè)途徑來實(shí)現(xiàn)。 1.使曲軸轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)離臨界轉(zhuǎn)速 在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)產(chǎn)生扭振的轉(zhuǎn)速叫做臨界轉(zhuǎn)速，所以要保證臨界轉(zhuǎn)速避開常用工作轉(zhuǎn)速和標(biāo)定轉(zhuǎn)速。 2.改變曲軸的固有頻率 這是結(jié)構(gòu)措施，通常在設(shè)計(jì)階段考慮。通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)，達(dá)到使固有頻率遠(yuǎn)離外界強(qiáng) 迫力矩頻率的目的。具體措施有： 1）提高曲軸剛度。 （1）增加主軸頸直徑。 （2）減小曲軸長度。 （3）提高重疊度。 2）減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 （1）采用空心曲軸。 （2）降低平衡塊質(zhì)量。 （3）降低帶輪，飛輪質(zhì)量。 3.提高軸系的阻尼 提高軸系的阻尼主要靠材料特性來達(dá)到。鑄鐵的材料阻尼比鋼要高出80％—100％，所以如果強(qiáng)度允許，可以把該鋼曲軸改成鑄鐵曲軸，以達(dá)到減弱扭振的目的。 4.改變激振強(qiáng)度 5.采用減振裝置 1.4 汽車離合器結(jié)構(gòu)的發(fā)展 實(shí)際上早在1920年就出現(xiàn)了單片離合器，但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)上的缺陷，造成了單片離合器在結(jié)合時(shí)不夠平順等問題。但是，單片干式離合器結(jié)構(gòu)緊湊，散熱良好，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，所以以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的汽車經(jīng)常采用它，尤其是成功開發(fā)了價(jià)格便宜的沖壓件離合器蓋以后更是如此。 多年的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)上的改進(jìn)使人們逐漸趨向于首先單片干式摩擦離合器，，因?yàn)樗哂袕膭?dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、散熱性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整方便、尺寸緊湊、分離徹底等優(yōu)點(diǎn)，而且由于在結(jié)構(gòu)上采用一定的措施，已能做到平順，因此現(xiàn)在廣泛用于大、中、小各類車型中。 離合器對(duì)降低曲軸系統(tǒng)的扭震起著至關(guān)重要的作用。采用具有軸向彈性的從動(dòng)盤，提高了離合器的結(jié)合平順性。離合器從動(dòng)盤總成中裝有扭轉(zhuǎn)減震器，防止了傳動(dòng)系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)共振、減小了傳動(dòng)系統(tǒng)噪聲和動(dòng)載荷。 對(duì)于重型離合器，由于商用車趨于大型化，發(fā)動(dòng)機(jī)功率不斷增大，但離合器允許增大尺寸的空間有限（現(xiàn)離合器從動(dòng)盤的直徑已達(dá)430mm）。增加離合器扭轉(zhuǎn)能力，提高其使用壽命，簡(jiǎn)化操作。已成為重型離合器當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)。為了提高離合器的扭轉(zhuǎn)能力，造重型汽車上采用雙片干式離合器。從理論上講，在相同徑向尺寸下，雙片離合器的扭轉(zhuǎn)能力和使用壽命是單片一倍，但受到其他客觀因素的影響（如散熱等），實(shí)際的效果要比理論值要低一些。 結(jié)構(gòu)上采用拉式膜片彈簧的離合器，其允許的傳扭能力要比推式大。從動(dòng)盤采用金屬陶瓷的離合器比一般有機(jī)片摩擦材料傳扭能力提高30%，而使用壽命至少提高70%。 1.5 飛輪設(shè)計(jì)方法 多剛體動(dòng)力學(xué)模擬是近十年發(fā)展起來的機(jī)械計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，提供了在設(shè)計(jì)過程中對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析和優(yōu)化的有效手段，在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域獲得越來越廣泛的應(yīng)用。它是利用計(jì)算機(jī)建造的模型對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，將分析的方法用于模擬實(shí)驗(yàn)，充分利用已有的基本物理原理，采用與實(shí)際物理系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相似的研究方法，在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)。目前多剛體動(dòng)力學(xué)模擬軟件主要有catia，Pro／Mechanics，Working model3D，ADAMS等。多剛體動(dòng)力學(xué)模擬軟件的最大優(yōu)點(diǎn)在于分析過程中無需編寫復(fù)雜仿真程序，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)分析時(shí)無需進(jìn)行樣機(jī)的生產(chǎn)和試驗(yàn)。對(duì)內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品的部件裝配進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真，可校核部件運(yùn)動(dòng)軌跡，及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)干涉；對(duì)部件裝配進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，可校核機(jī)構(gòu)受力情況；根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)約束及保證性能最優(yōu)的目標(biāo)進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，可最大限度地滿足性能要求，對(duì)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和修正。目前國內(nèi)人學(xué)和企業(yè)已經(jīng)已進(jìn)行了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)仿真方面的研究和局部應(yīng)用，能在設(shè)計(jì)初期及時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)干涉，校核配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)性能等，為設(shè)計(jì)人員提供了基本的設(shè)計(jì)依據(jù)。 在現(xiàn)代機(jī)械，特別是在高速運(yùn)動(dòng)的機(jī)械中，機(jī)器動(dòng)力學(xué)是一個(gè)重要的研究課題，其中包括機(jī)器的周期性速度波動(dòng)的調(diào)節(jié)。機(jī)器在穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)階段中，由于驅(qū)動(dòng)外力與阻抗外力不能時(shí)時(shí)相平衡，而其質(zhì)量分布又不能作相應(yīng)的變化，必然引起周期性的速度波動(dòng)，以至影響機(jī)器的工作質(zhì)量。這個(gè)問題至今還不能認(rèn)為是已經(jīng)徹底解決。目前，在機(jī)器上安裝飛輪仍然是簡(jiǎn)便有效的調(diào)節(jié)速度波動(dòng)的方法?，F(xiàn)在，在大型的工程機(jī)械、精密齒輪機(jī)床和現(xiàn)代化最新研制的六足步行機(jī)器人中，都能見到飛輪裝置，在另外一些機(jī)械中，雖然沒有安裝飛輪，但是許多構(gòu)件卻具有飛輪的效應(yīng)。飛輪設(shè)計(jì)的核心問題是計(jì)算飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。計(jì)算飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的途徑是求解描述機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過程的動(dòng)力學(xué)方程。對(duì)剛性構(gòu)件組成的機(jī)械系統(tǒng)而言，其運(yùn)動(dòng)方程式集中地表達(dá)了外力、構(gòu)件質(zhì)量(包括飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量)和構(gòu)件運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系。因而飛輪設(shè)計(jì)的內(nèi)容之一就是根據(jù)已知外力、給定的速度變化要求和構(gòu)件質(zhì)量計(jì)算出飛輪應(yīng)有的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 外力是決定機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的主導(dǎo)因素。作用在機(jī)械系統(tǒng)上的外力可分為驅(qū)動(dòng)力和工作阻力兩類。驅(qū)動(dòng)力由原動(dòng)機(jī)傳入，驅(qū)使機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)而作正功，工作阻力由工作對(duì)象傳來，阻抗機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)而作負(fù)功。外力的變化規(guī)律將直接影響求解運(yùn)動(dòng)方程的具體方法和難易程度，通常將外力隨運(yùn)動(dòng)參數(shù)和時(shí)間的變化規(guī)律稱為機(jī)械系統(tǒng)的機(jī)械特性。 下面先介紹幾種常見到的外力變化規(guī)律： 1．常量力 作用在機(jī)械系統(tǒng)上的外力在穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)階段為常量。例如液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力、構(gòu)件的重力、在不計(jì)繩索重量時(shí)起重機(jī)的荷重、軋鋼機(jī)和刨床上的生產(chǎn)阻力等。當(dāng)機(jī)械系統(tǒng)的外力均為常量時(shí)，機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程將大為簡(jiǎn)化，計(jì)算飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法也比較簡(jiǎn)單。 2．力是作用構(gòu)件運(yùn)動(dòng)速度的函數(shù) 屬于這類的外力有通風(fēng)機(jī)的載荷、離心泵及螺旋槳的工作阻力等。 3．力是機(jī)構(gòu)位置的函數(shù) 具有這類機(jī)械特性的機(jī)器力如：活塞式壓縮機(jī)的工作阻力、掘土機(jī)的載荷、彈簧的彈力以及內(nèi)燃機(jī)的輸出力矩等都是機(jī)構(gòu)位置的函數(shù)。 4．隨時(shí)間而變化的作用力 如球磨機(jī)的磨削阻力即是隨時(shí)間而變化的。在同一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)中，可同時(shí)存在幾個(gè)外力，它們可以是按同一規(guī)律變化，也可能分別按不同規(guī)律變化。當(dāng)出現(xiàn)后一種情況時(shí)，整個(gè)外力系將同時(shí)是幾個(gè)自變量的函數(shù)。 機(jī)械系統(tǒng)中每個(gè)可動(dòng)構(gòu)件的質(zhì)量都影響著系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)。現(xiàn)有兩類不同的方法來表達(dá)這種影響。一種方法是將構(gòu)件質(zhì)量對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響表現(xiàn)為慣性力，將構(gòu)件的慣性力視作機(jī)械系統(tǒng)的外力，并納入平衡計(jì)算之中。但是，欲準(zhǔn)確地計(jì)算出構(gòu)件的慣性力，必須已知構(gòu)件的真實(shí)運(yùn)動(dòng)速度和加速度，而在設(shè)計(jì)飛輪時(shí)，機(jī)械系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)常常是未能準(zhǔn)確確定的。在此情況下，只能計(jì)算出慣性力的近似值。另一種方法是將各構(gòu)件質(zhì)量的作用以等效質(zhì)量或等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的形式引入機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式。 1.6 主要研究?jī)?nèi)容 本設(shè)計(jì)主要針對(duì)當(dāng)今汽車的曲軸系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)問題，以合理匹配飛輪為主要研究?jī)?nèi)容。具體設(shè)計(jì)內(nèi)容如下： 1.飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量確定。 2.飛輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 3.離合器匹配設(shè)計(jì)。 4.基于catia的曲軸飛輪組零件創(chuàng)建與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析。 第2章 飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的確定 2.1 飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算方法介紹 在由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)力是活塞位置的函數(shù)，如果載荷也隨機(jī)構(gòu)位置而變化，則此機(jī)械系統(tǒng)的外力僅為機(jī)構(gòu)位置的函數(shù)。力是機(jī)構(gòu)位置的函數(shù)時(shí)，計(jì)算飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法很多，這些方法所依據(jù)的基本原理也不完全相同。最基本的有兩種：切向力法和能量法。 2.1.1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的切向力方法 圖2—1所示為一內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu)。作用在滑塊(活塞)3上的驅(qū)動(dòng)外力P可根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的特性曲線求得，它是活塞位置的函數(shù)，曲柄1在工作過程中作近似勻速運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)將外力向構(gòu)件1簡(jiǎn)化。若不計(jì)摩擦力的影響，作用在滑塊3上的外力應(yīng)為 (2-1) 圖 2-1內(nèi)燃機(jī)機(jī)構(gòu) 其中為連桿對(duì)滑塊的作用力，沿連桿方向作用，R為導(dǎo)軌對(duì)滑塊的反作用力，方向垂直于導(dǎo)軌。根據(jù)力系平衡條件式(2-1），可求出連桿對(duì)滑塊的作用力，則滑塊對(duì)連桿的作用力。因連桿為二力桿，故也是連桿對(duì)曲柄的作用力。將分解為曲柄上的法向力和切向力，則作用在曲柄1上的驅(qū)動(dòng)力矩為，其中r為曲柄的長度，該力矩是曲柄轉(zhuǎn)角的函數(shù)。在切向力法中，各構(gòu)件質(zhì)量對(duì)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)速度的影響。以慣性力形式反映在計(jì)算之中。 1．滑塊質(zhì)量的作用 設(shè)曲柄1以額定轉(zhuǎn)速勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，利用運(yùn)動(dòng)分析方法可以求出機(jī)構(gòu)上各點(diǎn)的速度和加速度。滑塊3的慣性力為 （2-2） 式中為滑塊的質(zhì)量，為滑塊的加速度。 2．連桿質(zhì)量的影響 為簡(jiǎn)化計(jì)算，采用質(zhì)量靜代換法。選替代質(zhì)量、的質(zhì)心分別在鉸鏈A、B的中心處。根據(jù)替代條件得 （2-3） （2-4） 式中、分別為連桿質(zhì)心到鉸鏈中心A、B的距離。替代質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力，為 （2-5） 替代質(zhì)量與曲柄1的質(zhì)量一并計(jì)算。 3．曲柄的慣性力 考慮了替代質(zhì)量的作用后再加以平衡質(zhì)量，可以近似地認(rèn)為曲柄的質(zhì)心在回轉(zhuǎn)中心O處。在假定曲柄為勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，可略去曲柄產(chǎn)生的慣性力矩作用。 綜上所述，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件的慣性力效應(yīng)，最終近似地體現(xiàn)為滑塊質(zhì)量，及替代質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力。 4．令表示作用在滑塊3上全部外力之和 （2-6） 將式(2-2)、(2-3)代入式(2-6)，可求得，再將式(2-1）中力P改為,便可以求出計(jì)及慣性力的作用力、切向力和驅(qū)動(dòng)力矩。若又已知阻抗力矩，便可求出剩余力矩曲線，分別如圖2-2 a、b所示，其中 （2-7） 剩余力矩曲線與橫坐標(biāo)軸所包圍的面積為該力矩在相應(yīng)轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)所做的功。橫軸上方曲線包圍的面積表示正功，下方為負(fù)功，統(tǒng)稱為盈虧功。如圖2-2b所示，曲線交橫坐標(biāo)軸于點(diǎn)A、B、C、D。A、B間的盈虧功應(yīng)等于B、C間，C、D間和D、A間盈虧功之代數(shù)和。A、B間盈虧功的絕對(duì)值大于任何其他兩點(diǎn)之間的相應(yīng)值，故稱為最大盈虧功，以表示之。在計(jì)算力矩時(shí)，已考慮了連桿、滑塊等構(gòu)件慣性力的影響，所以所作的功應(yīng)等于曲柄及飛輪動(dòng)能的增量。在點(diǎn)A、B間，曲柄及飛輪動(dòng)能的增量最大，即曲柄與飛輪動(dòng)能的最大值和最小值出現(xiàn)在點(diǎn)A、B對(duì)應(yīng)的機(jī)構(gòu)位置處。由于曲柄與飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量皆為常量，故當(dāng)機(jī)械系統(tǒng)處于點(diǎn)A、B相應(yīng)的位置時(shí)，飛輪的角速度分別達(dá)到最小值和最大值。飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 （2-8） 式(2-8)中為曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 圖 2-2 2.1.2 飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的能量法 1.利用動(dòng)能曲線計(jì)算飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量始于1904年。這種方法在理論上是準(zhǔn)確的，不失為一種實(shí)用的方法。設(shè)已知作用在機(jī)械系統(tǒng)上的等效外力矩是等效構(gòu)件位置的函數(shù)，即 驅(qū)動(dòng)力矩 阻抗力矩 （2-9） 由等效構(gòu)件的起始位置到任意瞬時(shí)位置之間，外力矩所做的盈虧功可由下列求出 （2-10） 外力矩所做之功j應(yīng)當(dāng)?shù)扔跈C(jī)械系統(tǒng)在對(duì)應(yīng)區(qū)間內(nèi)動(dòng)能的增量機(jī)械系統(tǒng)在區(qū)間內(nèi)的動(dòng)能增量可表示為 或 （2-11） 式(2-11)中；為機(jī)械系統(tǒng)中除飛輪外其余構(gòu)件的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，它是等效構(gòu)件位置的函數(shù)。故式(2-11)又可寫成 （2-12） 由式(2-11)可導(dǎo)出飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的表達(dá)式： （2-13） 如果選定時(shí)， 時(shí)， （2-14）利用式(2-13)可得 （2-15） 又因?yàn)橥饬λ龅墓Φ扔谕粎^(qū)間內(nèi)機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)能的增量，即 （2-16） 將以上各式代入式(2-13)后，得出飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的表達(dá)式 （2-17） 由于難以直接確定與的對(duì)應(yīng)位置和，故不能按照式(2-14)計(jì)算。 2.為了求出與各自的對(duì)應(yīng)位置改寫式（2-12）為下列形式： （2-18） 若記 則得 （2-19） 若選取為某一固定參考位置，它所對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)速度為，等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也為一固定值，此時(shí)為一常量，亦為一固定值。僅隨值而變化。當(dāng)?shù)闹禐闃O大時(shí)，；反之，當(dāng)?shù)闹禐闃O小時(shí)， 則。上述情況與值的大小無關(guān)，所以在求的極值時(shí)，可任意設(shè)定值，甚至可令其等于零。由于為一常量，根據(jù)，的極值與的極值相對(duì)應(yīng)，當(dāng)時(shí)，； 當(dāng)時(shí)，。 3.下面介紹與的圖解方法。 (1)取坐標(biāo)系a如圖2-3a，的變化區(qū)間為。 圖 2-3 (2）由于可任取值．令以簡(jiǎn)化作圖。 (3）根據(jù)已知的等效力矩、，可以按照下式求出 （2-20） 并作出曲線(圖2-3a)。 (4)假定在區(qū)間內(nèi)，恒等于，作出曲線 (圖2-3b)。顯然，曲線不同于真實(shí)的動(dòng)能曲線，它們只重合于一點(diǎn)，即處，而在其他瞬間位置，的值均大于的對(duì)應(yīng)值。 (5)將與相減，得差值曲線(圖2-3a)。曲線不是飛輪的真實(shí)動(dòng)能曲線。飛輪的真實(shí)動(dòng)能曲線的最大值等于的極大值，設(shè)此位置為，而在其他瞬間位置，的值均小于的對(duì)應(yīng)值。可以根據(jù)的最大值求得的最大值，見圖2-3a上的線段AB。 (6)重新假設(shè)在區(qū)間內(nèi)。作出曲線 (圖2-3b)。曲線也不同于真實(shí)的動(dòng)能曲線，它們只在時(shí)重合，而在其他瞬間位置，的值均小于的對(duì)應(yīng)值。由曲線減去，得差值曲線。曲線也不是飛輪的真實(shí)動(dòng)能曲線。當(dāng)時(shí)，飛輪的真實(shí)動(dòng)能曲線的最小值等于的極小值，而且對(duì)應(yīng)同一角?？梢愿鶕?jù)的最小值求得的最小值，見圖2-3a上的線段CD。 飛輪動(dòng)能在一個(gè)循環(huán)內(nèi)的最大差值相當(dāng)于圖2-3a上的線段AB與CD之和。 因?yàn)椋?, 所以飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 或 （2-21） 2.2 柴油機(jī)曲軸的旋轉(zhuǎn)不均勻度 柴油機(jī)曲軸的旋轉(zhuǎn)角速度與其瞬時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系： （2-22） 式中：——阻力矩。假定阻力矩不隨時(shí)間變化，并在穩(wěn)定工況下， ——柴油機(jī)機(jī)器配套裝置的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量換算到曲軸中心線上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量總和； ——曲軸旋轉(zhuǎn)的瞬時(shí)加速度。 從圖2-4曲線看出：當(dāng)期間，增加（剩余功被柴油機(jī)旋轉(zhuǎn)部分所吸收）；當(dāng)期間，減小，曲軸依靠柴油機(jī)旋轉(zhuǎn)部分貯蓄的動(dòng)能繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)時(shí)，不變。 圖2-4 柴油機(jī)的、的變化規(guī)律之間的關(guān)系 a）曲線 b）曲線 因此，在變化的一個(gè)周期內(nèi)，把曲軸旋轉(zhuǎn)角速度最大的變化幅度對(duì)其平均角速度之比值，用來標(biāo)志柴油機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定程度，叫做柴油機(jī)曲軸的旋轉(zhuǎn)不均勻度。 （2-23） 式中 的求法 （2-24） 式中——柴油機(jī)最大剩余功。 （2-25） ——柴油機(jī)及其配套裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 表2-1 柴油機(jī)的動(dòng)力裝置對(duì)其曲軸的旋轉(zhuǎn)不均勻度的要求 柴油機(jī)的動(dòng)力裝置 的范圍 柴油機(jī)的動(dòng)力裝置 的范圍 三相并聯(lián)交流發(fā)電機(jī) 船用主機(jī)帶動(dòng)交流發(fā)電機(jī) 船用主機(jī)帶動(dòng)直流發(fā)動(dòng)機(jī) 船用輔機(jī)帶動(dòng)直流發(fā)電機(jī) 主機(jī)直接傳動(dòng)螺旋槳的船舶 電力傳動(dòng)的船舶或內(nèi)燃機(jī)車 1/250-1/300 1/200-1/300 1/150-1/200 1/100-1/150 1/20-1/40 1/50-1/100 帶有發(fā)電機(jī)的拖拉機(jī) 高級(jí)汽車 一般用途的汽車、拖拉機(jī) 泵、壓縮機(jī)、傳動(dòng)軸等 機(jī)械傳動(dòng)的運(yùn)輸式裝置 一般用途動(dòng)力裝置 1/100-1/200 1/200-1/300 1/40-1/50 1/20-1/50 1/30-1/200 1/20-1/70 飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大小關(guān)鍵在于的選擇。對(duì)于帶發(fā)電機(jī)的內(nèi)燃機(jī)來說，要求以保證發(fā)電質(zhì)量。對(duì)于帶動(dòng)車輛的運(yùn)輸式發(fā)動(dòng)機(jī)，由于使用因素非常復(fù)雜，的選擇非常分散。在常用工況下，車用發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)不均勻系數(shù)達(dá)到1/50就可以了。對(duì)于可能在大阻力下起步或有其他短期超負(fù)荷的汽車，尤其是拖拉機(jī)來說，飛輪積聚的動(dòng)能有助于起步和克服短期超負(fù)荷，所以飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大一些有好處。特別對(duì)于高速內(nèi)燃機(jī)，例如小轎車發(fā)動(dòng)機(jī)，低速空轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)定性十分重要，因此小轎車發(fā)動(dòng)機(jī)的飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大一些，值也就小一些，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)遠(yuǎn)小于1/50。有些車用汽油機(jī)在標(biāo)定工況下到1/200甚至1/300。對(duì)于含有發(fā)電功能的工程機(jī)械和拖拉機(jī)柴油機(jī)來說，確定值要從發(fā)電的要求來選擇。 綜上，因?yàn)楸究畈裼蜋C(jī)為直列六缸，配置于一般牽引車上，所以取0.011。 2.3 飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 2.3.1飛轉(zhuǎn)的作用 發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)出大于阻力矩時(shí)，吸收多余的功，使轉(zhuǎn)速增加較少。發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩小于阻力矩時(shí)，釋放儲(chǔ)存的能量，使轉(zhuǎn)速減少較小。總之，飛輪的作用就是調(diào)節(jié)曲軸轉(zhuǎn)速變化，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。通常用發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩不均勻系數(shù)和運(yùn)轉(zhuǎn)不均勻系數(shù)評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性： 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩不均勻系數(shù) 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不均勻系數(shù) 曲軸角速度變化率為 式中，為曲軸系統(tǒng)的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 所以可以明顯地看出，要想提高發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，降低曲軸角速度波動(dòng)的措施有： 1)增加氣缸數(shù)，點(diǎn)火均勻，使由于氣缸間歇性工作帶來的沖擊減少。 2)增加發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，使角速度波動(dòng)率減小。最有效的方法就是安裝飛輪。 2.3.2 飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的確定 在與和對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角和范圍內(nèi)，對(duì)式(6-5)積分得 （2-26） 式中，為從曲軸角速度到對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角之間，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線與阻力矩曲線之間所包圍的面積(圖2-2)，稱為盈虧功(N·m)；為發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不均勻系數(shù)，或稱變速率；為平均角速度。 如果 式中，為一循環(huán)的有效功，則可根據(jù)算出盈虧功；為盈虧功系數(shù)，主要與氣缸數(shù)有關(guān)；為有效功率(kw)；n為轉(zhuǎn)速(r／min)。 圖2-2發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與曲軸角速度的變化情況 表2-2 四沖程柴油機(jī)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù) 氣缸數(shù)z 1 2 3 4 6 8 12 的范圍 1.1-1.3 0.5-0.8 0.2-0.4 0.2-0.4 0.06-0.1 0.01-0.03 0.005-0.01 注：①對(duì)于單缸柴油機(jī)，一般。 ②對(duì)于曲軸夾角為的雙杠四沖程柴油機(jī)，。 ③對(duì)于曲軸夾角為的雙缸柴油機(jī)，二沖程的；四沖程的。 由表2-2 ，取0.08。 發(fā)動(dòng)機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量中，飛輪占一大部分。令飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量占發(fā)動(dòng)機(jī)總慣量的比例，一般，一般多缸發(fā)動(dòng)機(jī)取較小的數(shù)值，故本設(shè)計(jì)取。再引用前面的結(jié)果，則飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 （2-27） 因?yàn)椋?，，，? 得 2.4 本章小結(jié) 飛輪設(shè)計(jì)的核心問題是計(jì)算飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，在由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)力是活塞位置的函數(shù)，本章主要介紹了力是機(jī)構(gòu)位置的函數(shù)的飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算方法，即切向力法和能量法，并對(duì)本設(shè)計(jì)的飛輪進(jìn)行了慣量計(jì)算。 第3章 飛輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 飛輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 圖3-1為幾種柴油機(jī)的飛輪結(jié)構(gòu)。柴油機(jī)的飛輪多數(shù)設(shè)計(jì)成輪緣形，這可使轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相同的情況下飛輪重量較輕。飛輪由輪緣、輪盤和輪轂三部分組成(圖3-1)。 輪緣和輪盤的型式主要取決于功率輸出裝置和柴油機(jī)起動(dòng)方式。例如；采用錐形摩擦離合器時(shí)，輪緣內(nèi)表面設(shè)計(jì)成錐面：在運(yùn)輸用柴油機(jī)采用圓盤摩擦離合器時(shí)，利用輪盤平面來傳遞扭矩；在固定用或船用柴油機(jī)中有時(shí)將傳動(dòng)軸直接固定于飛輪端。 圖3-1 幾種柴油機(jī)的飛輪結(jié)構(gòu) 柴油機(jī)采用電動(dòng)機(jī)或汽油機(jī)起動(dòng)時(shí)，飛輪輪緣上需安裝飛輪齒圈。這時(shí)飛輪外徑尺寸的選擇應(yīng)與起動(dòng)機(jī)的布置結(jié)合考慮。飛輪與齒圈的連接可采用熱靜配合或螺栓連接。 由于柴油機(jī)起動(dòng)和調(diào)節(jié)的需要，飛輪上可刻有各種定時(shí)記號(hào)。因此飛輪與曲軸的相對(duì)位置不能任意改變，需根據(jù)安裝記號(hào)進(jìn)行安裝。 大型柴油機(jī)飛輪比較陳舊的設(shè)計(jì)為部分型，用螺栓連接起來。在小型風(fēng)冷柴油機(jī)上也有將飛槍輪輻做成葉片形的，這時(shí)飛輪兼做冷卻風(fēng)扇。 飛輪搶轂的構(gòu)造取決于飛輪與曲軸的連接方式，有法蘭漣接，鍵連接與花鍵連接。 由于影響飛輪重量的因素十分復(fù)雜．而飛輪的重量往往占發(fā)動(dòng)機(jī)總重量中相當(dāng)大的一部分(四缸機(jī)，1／10左右；六缸機(jī)，1／15—1／20范圍)，所以實(shí)際上飛輪的尺寸多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇，要考慮到布置空間、起動(dòng)機(jī)嚙合和離地間隙等因素，然后根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)、道路試驗(yàn)來進(jìn)行修正。 3.2 飛輪材料選取 首先根據(jù)柴油機(jī)結(jié)構(gòu)的總體布置以及傳動(dòng)裝置和飛輪齒圈的尺寸初步確定飛輪尺寸、b、h見（圖3-2）。 圖3-2 飛輪示意圖 （3-1） 式中：——飛輪輪緣平均直徑 ——飛輪輪緣外徑 ——飛輪輪緣內(nèi)徑 通常飛輪外徑，輪緣厚度。還應(yīng)滿足飛輪圓周速度小于或等于飛輪許用圓周速度的要求，因而飛輪外徑，應(yīng)滿足下式： （3-2） 式中 ——飛輪許用圓周速度。 飛輪許用圓周速度：鑄鐵飛輪，鑄鋼飛輪：，型鋼飛輪： （較大值用于小型高速柴油機(jī)，較小值用于大型柴油機(jī)）。 初取飛輪外徑為525mm，則 （3-3） 式中：，，故 表3-1 幾種飛輪的材料及比強(qiáng)度 材 料 密度 抗拉強(qiáng)度 比強(qiáng)度 鑄鐵HT300 鑄鋼ZG270-500 中碳合金結(jié)構(gòu)鋼 鋁合金 鈦合金 馬氏體實(shí)效鋼 玻璃纖維增強(qiáng)塑料 高強(qiáng)度碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料 7300 7800 7800 2770 4430 8000 2000 1500 300 500 900 460 1000 2800 1100 1400 4.1 6.4 11.5 16.6 22.6 35.0 55.0 93.3 所以選取鑄鋼ZG270-500為本設(shè)計(jì)的材料。 3.3 飛輪尺寸確定 3.3.1 飛輪基本結(jié)構(gòu)形式 本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定兩種飛輪型式：平板型，見圖(a)；盆型，見圖(b) 表3-2飛輪規(guī)格與尺寸 平板型 盆型 A B C D E 螺孔數(shù) 螺栓 250 265 280 310 330 350 380 395 400 430 - - - - - 350 380 395 400 430 165 165 175 185 195 200 200 215 215 235 310 325 340 365 390 395 435 435 450 475 290 305 320 345 370 375 410 410 418 450 - - - - - 360 390 405 - 440 5 5 5 5 5 6 6 6 8 8 6 6 6 9 9 9 9 9 9 9 M8 M8 M8 M8 M8 M8 M10 M10 M10 M10 (a)平板型 （b）盆型 圖3-3 3.3.2 方案一：平板型飛輪 1．根據(jù)飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、飛輪的慣性矩，得 （3-4） 式中 ，， 得： 2．輪緣截面面積 （3-5） 式中：——飛輪輪緣質(zhì)量 ——飛輪輪緣中經(jīng) ——飛輪材料的密度 已知：，，， 得： 3．飛輪總質(zhì)量計(jì)算 （3-6） （3-7） 式中：——輻板質(zhì)量 ——飛輪輪緣質(zhì)量 ——輻板厚度 ——輪緣內(nèi)經(jīng) ——飛輪軸徑 ——飛輪材料的密度 式中：，，， 得： 4．飛輪強(qiáng)度校核 對(duì)于幅板式飛輪可按等厚度旋轉(zhuǎn)圓盤計(jì)算。主要校核拉伸應(yīng)力、徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力。 高速旋轉(zhuǎn)圓環(huán)拉伸應(yīng)力的計(jì)算公式為 （3-8） 式中：——飛輪材料的密度 ——飛輪輪緣線速度 已知：， 得： 鑄鋼的抗拉強(qiáng)度為500Mpa，則安全系數(shù)： 安全。 旋轉(zhuǎn)圓盤在旋旋轉(zhuǎn)中心線為x距離的截面所受的徑向拉應(yīng)力為 （3-9） 式中：——飛輪材料的密度 ——最大角速度 ——泊松比 ——飛輪輪緣外徑 ——飛輪軸徑 取導(dǎo)數(shù)得，故 （3-10） 式中：，，，， 得： 推薦值，故安全。 最大切應(yīng)力發(fā)生在圓盤內(nèi)孔表面，其值可按下列計(jì)算： （3-11） 式中：，，，， 得： 推薦值，故安全。 3.3.3 方案二：盆型飛輪 1．根據(jù)飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、飛輪的慣性矩，得 （3-12） 式中：，， 得： 2．輪緣截面面積 （3-13） 式中：——飛輪輪緣質(zhì)量 ——飛輪輪緣中經(jīng) ——飛輪材料的密度 已知：，，， 得： 3．飛輪總質(zhì)量計(jì)算 （3-14） （3-15） 式中：——輻板質(zhì)量 ——飛輪輪緣質(zhì)量 ——輻板厚度 ——輪緣內(nèi)經(jīng) ——飛輪軸徑 ——飛輪材料的密度 式中：，，， 得： 4．飛輪強(qiáng)度校核 對(duì)于幅板式飛輪可按等厚度旋轉(zhuǎn)圓盤計(jì)算。主要校核拉伸應(yīng)力、徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力。 高速旋轉(zhuǎn)圓環(huán)拉伸應(yīng)力的計(jì)算公式為 （3-16） 式中：——飛輪材料的密度 ——飛輪輪緣線速度 已知：， 得： 鑄鋼的抗拉強(qiáng)度為500Mpa，則安全系數(shù)： 安全。 旋轉(zhuǎn)圓盤在旋旋轉(zhuǎn)中心線為x距離的截面所受的徑向拉應(yīng)力為 （3-17） 式中：——飛輪材料的密度 ——最大角速度 ——泊松比 ——飛輪輪緣外徑 ——飛輪軸徑 取導(dǎo)數(shù)得，故 （3-18） 式中：，，，， 得： 推薦值，故安全。 最大切應(yīng)力發(fā)生在圓盤內(nèi)孔表面，其值可按下列計(jì)算： （3-19） 式中：，，，， 得： 推薦值，故安全。 3.3.4 方案一與方案二對(duì)比 飛輪總質(zhì)量 飛輪總厚度 拉伸應(yīng)力 最大徑向拉應(yīng)力 最大切應(yīng)力 飛輪在匹配離合器時(shí)，方案一可匹配單片式摩擦離合器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；方案二則必須匹配雙片式摩擦離合器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 綜上，方案一優(yōu)于方案二。 3.4本章小結(jié) 本章主要對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，并分兩種方案對(duì)飛輪進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)比，對(duì)比得在同樣外徑、提供同樣的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的基礎(chǔ)上，平板型飛輪方案優(yōu)于盆型飛輪。 第4章 匹配離合器設(shè)計(jì) 4.1 離合器功用及設(shè)計(jì)要求 4.1.1 離合器的功用 離合器是設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器之間的動(dòng)力傳遞機(jī)構(gòu)，其功用是能夠在必要時(shí)中斷動(dòng)力的傳遞，保證汽車平穩(wěn)地起步；保證傳動(dòng)系換檔時(shí)工作平穩(wěn)；限制傳動(dòng)系所能承受的最大扭矩，防止傳動(dòng)系過載。為使離合器起到以上幾個(gè)作用，目前汽車上廣泛采用彈簧壓緊的摩擦式離合器，摩擦離合器所能傳遞的最大扭矩取決于摩擦面間的工作壓緊力和摩擦片的尺寸以及摩擦面的表面狀況等，即主要取決于離合器基本參數(shù)和主要尺寸。 4.1.2 對(duì)摩擦離合器的基本性能要求 為了保證離合器具有良好的工作性能，設(shè)計(jì)離合器應(yīng)滿足如下基本要求： 1.在任何行駛條件下，即能可靠地傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，并有適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)矩儲(chǔ)備，又能防止傳東西過載。 2.結(jié)合時(shí)要完全、平順、柔和、保證汽車起步時(shí)沒有抖動(dòng)和沖擊。 3.分離時(shí)要迅速、徹底。 4.從動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要小，以減輕換擋時(shí)變速器齒輪間的沖擊，便于換擋和減小同步器的磨損。 5.應(yīng)有足夠的吸熱能力和良好的通風(fēng)散熱效果、以保證工作溫度不至于過高，延長其使用壽命。 6.應(yīng)能避免和衰減傳動(dòng)系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，并具有吸收震動(dòng)、緩和沖擊和降低噪聲的能力。 7.操縱輕便、準(zhǔn)確、以減輕駕駛員的疲勞。 8.作用在從動(dòng)盤上的總壓力和摩擦材料的摩擦因數(shù)在離合器工作過程中變化要盡可能小，以保證穩(wěn)定的工作性能。 9.具有足夠的強(qiáng)度和良好的動(dòng)平衡，以保證其工作可靠、使用壽命長。 10.結(jié)構(gòu)應(yīng)簡(jiǎn)單、緊湊、質(zhì)量小、制造工藝好、拆裝、維修、調(diào)整方便等。 4.1.3 膜片彈簧離合器概述 膜片彈簧離合器是近年來在轎車和輕型載貨汽車上廣泛采用的一種離合器。因其作為壓簧，可以同時(shí)兼起分離杠桿的作用，使離合器的結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，質(zhì)量減少，并顯著地縮短了離合器的軸向尺寸。其次，由于膜片彈簧與壓盤以整個(gè)圓周接觸，使壓力分布均勻。另外由于膜片彈簧具有非線性彈性特性，故能在從動(dòng)盤摩擦片磨損后，彈簧仍能可靠的傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，而不致產(chǎn)生滑離。離合器分離時(shí)，使離合器踏板操縱輕便，減輕駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度。此外，因膜片是一種對(duì)稱零件，平衡性好，在高速下，其壓緊力降低很少，而周布置彈離合器在高速時(shí)，因受離心力作用會(huì)產(chǎn)生橫向撓曲，彈簧嚴(yán)重鼓出，從而降低了對(duì)壓盤的壓緊力，從而引起離合器傳遞轉(zhuǎn)矩能力下降。那么可以看出，對(duì)于輕型車膜片彈簧離合器的設(shè)計(jì)研究對(duì)于改善汽車離合器各方面的性能具有十分重要的意義。 由于膜片彈簧離合器具有上述一系列優(yōu)點(diǎn)，并且制造膜片彈簧離合器的工藝水平在不斷提高，因此這種離合器在轎車及微型、輕型客車上得到廣泛運(yùn)用，由于設(shè)計(jì)的要求，所以本設(shè)計(jì)采用膜片彈簧離合器。 4.2 離合器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.2.1 離合器的容量參數(shù)的計(jì)算 離合器的容量是反映某一確定的汽車在正常使用離合器情況下，其傳遞轉(zhuǎn)矩的能力。一般包括：最大滑磨轉(zhuǎn)矩、滑磨功和溫升速率。離合器容量設(shè)計(jì)合適，可使離合器在滿足汽車各種要求的同時(shí)，最大限度地提高使用壽命。 1.滑磨功W 通常采用單位壓盤質(zhì)量的滑磨功（W/m）、單位摩擦片面積滑磨功(W/A)、單位壓盤質(zhì)量的發(fā)動(dòng)機(jī)功率(P/m)、單位摩擦片面積的發(fā)動(dòng)機(jī)功率(P/A)、溫升速率H和后備系數(shù)?等來評(píng)價(jià)離合器傳遞扭矩的能力和使用壽命。 W=（4-1） 式中：π=3.14，n=1356r/min，T=1272N·m，r=0.5294m，m=22360kg，i=5.0，i=12.96，sinθ＝，ｆ＝0.015，η=0.85， 則Ｗ＝42432.178N·m。 2.溫升速率Ｈ Ｈ=0.1047ｎＴ （4-2） 式中：各符號(hào)數(shù)值同上。則Ｈ＝91240.483N·m。 3.離合器轉(zhuǎn)矩容量T（N·m） T=Ｔ （4-3） 式中：,離合器的后備系數(shù)，Ｔ＝1272N·m。則。 4.離合器摩擦片外徑D、內(nèi)徑d及面積A 根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩Ｔ初選摩擦片外徑D，選定摩擦片的尺寸，然后根據(jù)摩擦面數(shù)量計(jì)算摩擦片總面積A，計(jì)算單位摩擦片面積的滑磨功W/A、溫升速率Ｈ/A和發(fā)動(dòng)機(jī)功率單位摩擦片面積P/A，并且應(yīng)不大于推薦值。因設(shè)計(jì)要求Ｔ＝1272 N·m，排量為9.0L汽車，所以本設(shè)計(jì)采用外徑Ｄ＝430mm內(nèi)徑d=230mm摩擦片厚度為4mm單面面積為103672.6mm類型的摩擦片。則W/A≈0.409N·m/ mm，Ｈ/A≈0.88N·m/( mm·s)可以看出W/A和Ｈ/A均小于推薦值。 5.壓緊力F(N) 因本設(shè)計(jì)D/d=1.87>1.7所以 （4-4） 式中：，Z=2，則F=（17453~22440.39）N 6.摩擦片的單位壓力P(N/ mm) P=F/a （4-5） 式中：a=22089.3mm,P=（4087.11~4644.44）/22089.3=0.185~0.210,均小于許用值。 4.2.2 從動(dòng)盤零件的結(jié)構(gòu)選型和設(shè)計(jì) 從動(dòng)盤由從動(dòng)片、摩擦片和從動(dòng)盤轂3個(gè)基本組成部分。從動(dòng)盤有兩種結(jié)構(gòu)形式：帶扭轉(zhuǎn)減振器的和不帶扭轉(zhuǎn)減振器的。不帶扭轉(zhuǎn)減振器的從動(dòng)盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量較輕，從動(dòng)盤中從動(dòng)片直接鉚在從動(dòng)盤轂上；而帶扭轉(zhuǎn)減振器的從動(dòng)盤，其從動(dòng)片和從動(dòng)盤轂之間卻是通過減振彈簧彈性地連接在一起。本設(shè)計(jì)采用帶扭轉(zhuǎn)減振器的。 1.從動(dòng)片 從動(dòng)片要盡量減輕重量，并是質(zhì)量的分布盡可能的靠近旋轉(zhuǎn)中心，以獲得最小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。為了見笑轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以減輕變速器換擋時(shí)的沖擊，從動(dòng)片一般都做得比較薄，本設(shè)計(jì)用2.0mm厚的鋼板沖制而成。從動(dòng)片分為整體式彈性從動(dòng)片、分開式彈性從動(dòng)片、組合式彈性從動(dòng)片。本設(shè)計(jì)選取整體式從動(dòng)片。 2.從動(dòng)盤轂 本設(shè)計(jì)用從動(dòng)盤外徑為430mm，選花鍵齒數(shù)為10個(gè)，花鍵外徑為45mm，花鍵內(nèi)徑為36mm，齒厚為5mm,有效齒長為65mm。 計(jì)算擠壓應(yīng)力 =,P= （4-6） 式中:n=10, =1272N·ｍD=45mm,d=36mm,Z=1,h=4.5,l=65mm。則=5.00Mpa<13.5 Mpa,所以安全。 3.從動(dòng)盤摩擦材料的選擇 從動(dòng)盤摩擦材料大體可分為:石棉基摩擦材料、替代石棉的有機(jī)摩擦材料、金屬陶瓷摩擦材料。本設(shè)計(jì)采用石棉基摩擦材料。 4.膜片彈簧的設(shè)計(jì)和計(jì)算 （1）負(fù)荷與變形按下式計(jì)算 F= （4-7） 其中，F(xiàn)是彈簧支點(diǎn)處負(fù)荷N；是當(dāng)量?jī)?nèi)徑（mm）；是處的錐形高（mm）；t是彈簧鋼板厚度（mm）；B是強(qiáng)壓修正系數(shù)；是處的變形（mm）；E是彈性模量，取E=2.1*MPa；D是彈簧外徑（mm）；A是噴丸修正系數(shù)；是支點(diǎn)變換系數(shù)。 關(guān)于式中、A、B的計(jì)算： 受窗口寬度、內(nèi)徑、窗口底邊的形式影響，可用下面的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。本設(shè)計(jì)底邊為圓弧 （4-8） 式中，N是膜片彈簧分離指?jìng)€(gè)數(shù)。 A與噴丸的