飞轮的设计与校核.pdf
1 飞轮的设计与校核 姓名 学号 专业 2 目 录 前言-3 1、2100T 型柴油机的技术规格-3 2、关键零部件主要特点-4 3、设计原则-6 4、不均匀度定义-8 5、求取转动惯量-7 6、螺栓校核-10 7、飞轮边缘强度校核-10 8、优化设计-11 参考文献-11 3 前言：内燃机运转时曲轴发出的扭矩是一个周期变化的量，它时而大于阻力矩，时而小于阻力矩。这就使得曲轴的瞬时转速也周期性地时而高于又时而低于给定的额定转速，即产生转速波动。发动机转速波动会产生一系列后果，如发动机驱动件与被它带动的从动件之间产生冲击，影响工作可靠性降低使用寿命，产生噪音；同时使测试仪器的工作不稳定；曲轴的回转不均匀性还会引起曲轴的振动。所以曲轴的回转不均匀性必须控制在一定范围内。减小这种转速波动的措施主要有：一是增加内燃机气缸数；二是在曲轴上装飞轮。当输出扭矩大于阻力距时，飞轮就将多余的功吸收而使速度略减；当阻力矩大于输出扭矩时，飞轮释放能量使曲轴转速略增。可见飞轮是一种动能储存器，它起着调节曲轴转速变化、稳定转速的作用。飞轮设计时需要多大的转动惯量，需要根据对转速不均匀性的要求来决定；在此基础上，飞轮的质量应该尽量远离曲轴以减小飞轮的质量。飞轮与曲轴采用螺栓连接，若螺栓可靠性不高可能导致飞轮偏离中心位置甚至脱落，十分危险，有必要对螺栓强度进行校核。另外，曲轴高速转动时，由于材料本身离心力的作用会产生拉伸应力,飞轮边缘处容易产生应力过大的情况,导致破损，因此需要对应力状况进行校核。这些正是本文所做的工作。1、技 术规格:型号：2100T2 型式：立式、水冷、四冲程、直接喷射式燃烧室 气缸数：二缸 直径：100 毫米 活塞行程：120 毫米 标定功率：18.4 kW 标定转速n：1500 转/分 最大扭矩：11.8 公斤米 最大扭矩数：1200 转/分 标定功率燃油消耗率:185 克/马力小时 标定功率机油消耗率：3 克/马力小时 压缩比：16:1 活塞总排量；1.88 升 平均有效压力：7.03 公斤/厘米2 4 活塞平均速度:6 米/秒 曲轴旋转方式：逆时针 2、主要特点 活塞连杆组:2100 柴油机活塞顶部有一浴盆形深坑，活塞头部加工有安装活塞环的活塞环槽，活塞裙部较长和受侧向里，活塞呈椭圆形；活塞环包括三道气环及一道油环；采用圆柱形中空活塞销，利于减少离心惯性力的影响；连杆的材料采用40 或 45 号钢，优质中碳钢，主坯用模锻处理或滚压成形，并经调质处理；连杆大头轴瓦做成分开式：并带有厚度为13 毫米的钢带和厚度为0.3 0.7 毫米的减磨合金组成；在2100T 型柴油机的轴瓦上钻有小孔或铣出环形油槽以便主轴承向连杆轴承输送润滑油，或由连杆小头衬套送油。曲轴飞轮组：曲轴飞轮组是由曲轴、飞轮、齿圈、曲轴正时齿轮、三角皮带轮组成。曲轴主轴颈与连杆轴颈之间有润滑油孔相通。曲轴的材料采用高优质的球墨铸铁，制造方便，成本低。曲轴由前端、曲拐、曲轴后端及平衡重组成，主轴颈直径粗而短，以提高刚度，主轴颈为空心，曲柄销也是空心，既可以减少重量，又可以减少离心力。2100 型是枣核型空腔。配气机构：凸轮轴上的凸轮通过气门挺柱、气门推杆和摇臂驱动进、排气门，控制进、排气门得开闭时间。机体和凸轮轴前端装有定距环和止推片。凸轮轴和喷油泵均由曲轴前端的正时齿轮经过中间惰轮驱动。机油泵则由曲轴正时齿轮通过其下过机油泵上的中间齿轮驱动。气门的材料选耐热、耐磨，耐腐蚀的齿轮。进气门工作温度低，一般采用合金钢。排气门则用耐热合金钢如4CrSi2等。机体组：机体内嵌有高磷铸铁制成的湿式汽缸套，其上部的缸套凸缘的下端面边缘在机体缸孔的肩胛上，下部以两只橡胶做的防水圈密封。在机体右侧面有检查窗口，为拆装活塞连杆和检视曲轴连杆机构及轴承。机体上平面除了气缸孔和气门推杆孔外，还有一个通向气缸摇臂轴的润滑油孔及以下与气缸盖相同的冷却水孔。机体的前端有正时齿轮室，齿轮室内装传动齿轮，后端为飞轮盖和盖板，左侧中间装有配气凸轮轴。机体的拱门上有主轴承座，轴承盖同螺栓紧固在轴承座上，曲轴后部有甩油盘，飞轮壳。机体与气缸盖用双头螺栓固紧，各缸套凸肩高出机体平面的高度应一致，高低相差控制在0.05 毫米以内。燃料供应系统：柴油机燃料供应系统包括油泵、柴油滤清器、输油泵、柴油细滤器、喷油泵和燃烧室等。5 柴油由油泵首先进入沉流杯，柴油中的水及其基本机械杂质沉积于杯中，较清洁的柴油经管道流向柴油滤清器。同时设有两级滤清器，分别滤除大小颗粒不同的杂质。经过滤清的柴油由输油泵压入喷油泵内。输油泵的作用是提高泵油的压力，以克服流动阻力，定时定量的向喷油泵供油，输油泵装在喷油泵上，利用喷油泵凸轮轴上的偏心推动压油。柴油进入油泵后，一部分通过柱塞的压缩使油压提高，高压油按各缸工作次序流向各缸喷油器，然后喷入燃烧室进行燃烧，多余的柴油则经回油管流回柴油滤清器。润滑系统：2100T 型柴油机的润滑系统为湿式曲轴箱，压力循环与飞溅复合供油式。油底壳内的机油经过吸滤器的滤网被机油泵吸入，再压送至机油滤清器，经过滤清的机油被送入机体内的主油道。机油由此分为两路：一路通至各主轴承，并经过曲轴内侧的油孔到达曲柄销，主轴承上还有油孔与各凸轮轴轴承孔向通。凸轮轴后轴承并有一经过机体与气缸盖到达摇臂轴内的油孔，另一路经过惰轮轴和惰轮轴辐板流出，润滑惰轮轴及传动齿轮。即曲轴、连杆大头、凸轮轴、摇臂等轴承与传动齿轮均为压力润滑；而气缸套与活塞、连杆衬套及活塞销、凸轮表面等处则为飞溅润滑。喷油泵与减速器单独成一系统，另外加油润滑。机体侧盖板上备有加油口及油游标尺，供加油及测量油量用。润滑系统主要由机油泵、机油滤清器及机油吸滤器等组成。机油滤清器为全流压力绕线式滤芯，而机油吸滤器为网式粗滤器，安装在油底壳内。冷却系统：2100T 型柴油机的冷却介质是水，即水冷系统是强制冷却。水冷系统是由散热器、空气-蒸汽阀、风扇、水泵等部件组成。利用装在水流通路内的水泵，向内燃机压力供水，强制冷却。水在内燃机中循环流动，具有一定压力的冷却水由水泵的出水口通过分水管进入气缸体内水套，冷却了高温零件后的热水经过节温器和回水管流入上水箱，热水在流经散热器时，它的热量散入空气，温度降低，低温的水进入下水箱后，在水泵的作用下再去冷却内燃机的高温零件。风扇用来增加流经散热器芯部空气的流量，以提高散热器的散热效率。利用装在散热器水管中的节温器调节流经散热器芯部的热水量，以调节冷却强度，气缸体中的分水管用来使多缸内燃机多个气缸散热均匀的冷却，在分水管纵向位置开有大小不同的出水口，离水泵越近，出口面积越大，多个气缸的冷却强度就越均匀。此外，为控制冷却水强度，在出水处装有计温计。6 3、设计原则 图 1 飞轮简化示意图 图 1 所示为飞轮的简化示意图。在设计飞轮时，一般外径D2和内径D1根据结构布置决定，而飞轮的结构必须考虑输出装置的需要，所需飞轮矩的大小用改变断面壁厚b 来调整。飞轮的外径D2是它最重要的尺寸。在选择D2时首先应该考虑到D2越大，在同样的转动惯量下飞轮可以越轻，但是另一方面D2的加大又受到一系列因素的限制：1、飞轮圆周速度的限制。飞轮旋转时由于材料本身离心力的作用会产生拉伸应力，对灰铸铁飞轮来说，建议圆周速度不超过35-50 m s-1。2、飞轮加大可能使汽车或拖拉机的离地间隙过小，影响车辆的通过性。3、飞轮上都压有启动齿圈，所以最后确定D2时必须考虑启动电机的布置以及启动齿轮与齿圈的啮合。确定好飞轮外径后，其内径以及断面厚度主要由飞轮的转动惯量决定。飞轮的主要作用就是通过增大转动惯量降低曲轴的旋转不均匀度，因此发动机用的飞轮需要多大的转动惯量就要取决于不均匀度。4、不均匀度的定义 因为曲轴的转速和扭矩都是波动的，设内燃机的输出扭矩为M，阻力矩Mc。为了能够驱动给定的工作机械在所需的转速下旋转，内燃机发出的平均扭矩必须等于发动机在该转速下的阻力矩。即Mm=Mc。内燃机的输出扭矩时而大于平均扭矩，时而小于平均扭矩。设某时刻内燃机输出扭矩大于平均扭矩，则多余的扭矩将使曲轴的角速度增加：dddtd00mIIMM （1）D1 D2 7 其中0I是机组的转动惯量；是角速度。整理后，对ab 段进行积分。babadIdMM0m)(（2）正剩余功dMMWbam)(（3）动能增加量)(22min2max00IdIEbak。（4）取平均角速度2minmaxm （5）定义曲轴旋转不均匀度mminmax-（6）则 20minmaxminmax0k)(2(mIIE （7）则不均匀度 2020mmkIWIE （8）5、求取转动惯量 图2 是通过模拟得到的2100T 发动机输出扭矩曲线。由公式可知，W 可有扭矩积分获得。通过拟合函数进行积分是一个很好的方式，但是此扭矩曲线如果整体用一个函数拟合不太准确，所以只对所需要的部分进行拟合即可。图 3 是图2 中方框内的曲线放大后的结果，需要注意的是，横坐标曲轴转角要改成弧度制。这样曲线就变得比较简单，易于拟合。通过拟合，得到 2456106811601723.859123xxxy （9）图 4 中的黑点是模拟数据，红线是拟合函数曲线，可以看出还是非常接近的。8 图 2 输出扭矩曲线 图 3 局部扭矩曲线 9 -0.20.00.20.40.60.81.01.21.41.61.80200400600800100012001400Torque,N mCrank angle,rad Analog data Polynomial fit of analog data 图 4 模拟数据与拟合曲线 通过积分，得到 1.712320.054432(8591.2316017106812456)1.7128591.231601710681(2546)|4320.0541227.7SxxxxxxxJ （10）(1.7120.054)150979kESJJ （11）22014.11174cmkgWIm （12）通过对现有的飞轮进行计算，得到219970cmkgI （13）加上两个曲柄单元的转动惯量 22总22.10740）211.3859970（cmkgcmkgI （14）可见实际转动惯量与所需转动惯量相差不大，现有的飞轮转动惯量可以满足要求。10 6、螺栓的校核 计算飞轮连接强度时，由于扭矩是靠结合面的摩擦力矩传递的，因此螺栓只受拉伸，不受剪切。这里所传递的力矩，除了输出扭矩曲线最大值 Mmax外，还有扭转振动引起的附加力矩 Md。Md最大需用值 Md=40Wp，其中 Wp为主轴颈的抗扭截面系数：341p1411()16dWDD （15）固紧飞轮的螺栓计算面积 A max d+=MMARfi （16）其中：各固定在螺栓中心所在的圆周半径；摩擦系数，为安全起见取较小值 0.1；飞轮固紧螺栓数；（此处=6）螺栓材料许用应力。可取为 500 N mm-2。根据扭矩曲线（图 2）,读出最大扭矩max1363.406MNm （17）此时曲轴转角为23.14CA 根据公式 16 可求得，螺栓直径应至少 12.5 mm。所选的螺栓直径为 14mm，强度足够。7、飞轮边缘强度校核 内部的离心力都由外部承受，因此外部受到很大压应力，应予校核。先对内部离心力进行积分求和：212212107494.37rrFbr drN （18）受力面积 21220.021Sb rm （19）压应力 5.19FPMPaS （20）11 远小于铸铁的抗压强度极限，因此校核合格。8、优化设计 将内径 D1由 340mm 改成 380mm，外缘宽度由 49mm 改成 65mm，这样质量集中于外部，有利于轻量化。改进后的飞轮转动惯量为2110051Ikgcm。比原来的转动惯量略有增加，但是改进后的飞轮质量比原先减轻 7.4%。参考文献 1 杨连生.内燃机设计M.北京：中国农业机械出版社，1982.2 高文志.内燃机课程设计M.北京：中国水利水电出版社，2010.
