飛輪的設(shè)計與校核

2024年2月21日發(fā)(作者：舉起手來觀后感)

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飛輪的設(shè)計與校核

目 錄

前言 ----------------------------------------------------3

1、 2100T型柴油機的技術(shù)規(guī)格-----------------------------3

2、 關(guān)鍵零部件主要特點----------------------------------4

3、 設(shè)計原則--------------------------------------------6

4、 不均勻度定義----------------------------------------8

5、 求取轉(zhuǎn)動慣量----------------------------------------7

6、 螺栓校核------------------------------------------10

7、 飛輪邊緣強度校核----------------------------------10

8、 優(yōu)化設(shè)計-------------------------------------------11

參考文獻(xiàn) -----------------------------------------------11

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前言：內(nèi)燃機運轉(zhuǎn)時曲軸發(fā)出的扭矩是一個周期變化的量，它時而大于阻力矩，時而小于阻力矩。這就使得曲軸的瞬時轉(zhuǎn)速也周期性地時而高于又時而低于給定的額定轉(zhuǎn)速，即產(chǎn)生轉(zhuǎn)速波動。發(fā)動機轉(zhuǎn)速波動會產(chǎn)生一系列后果，如發(fā)動機驅(qū)動件與被它帶動的從動件之間產(chǎn)生沖擊，影響工作可靠性降低使用壽命，產(chǎn)生噪音；同時使測試儀器的工作不穩(wěn)定；曲軸的回轉(zhuǎn)不均勻性還會引起曲軸的振動。所以曲軸的回轉(zhuǎn)不均勻性必須控制在一定范圍內(nèi)。

減小這種轉(zhuǎn)速波動的措施主要有：一是增加內(nèi)燃機氣缸數(shù)；二是在曲軸上裝飛輪。當(dāng)輸出扭矩大于阻力距時，飛輪就將多余的功吸收而使速度略減；當(dāng)阻力矩大于輸出扭矩時，飛輪釋放能量使曲軸轉(zhuǎn)速略增。可見飛輪是一種動能儲存器，它起著調(diào)節(jié)曲軸轉(zhuǎn)速變化、穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的作用。

飛輪設(shè)計時需要多大的轉(zhuǎn)動慣量，需要根據(jù)對轉(zhuǎn)速不均勻性的要求來決定；在此基礎(chǔ)上，飛輪的質(zhì)量應(yīng)該盡量遠(yuǎn)離曲軸以減小飛輪的質(zhì)量。飛輪與曲軸采用螺栓連接，若螺栓可靠性不高可能導(dǎo)致飛輪偏離中心位置甚至脫落，十分危險，有必要對螺栓強度進(jìn)行校核。另外，曲軸高速轉(zhuǎn)動時，由于材料本身離心力的作用會產(chǎn)生拉伸應(yīng)力,飛輪邊緣處容易產(chǎn)生應(yīng)力過大的情況,導(dǎo)致破損，因此需要對應(yīng)力狀況進(jìn)行校核。這些正是本文所做的工作。

1、 技術(shù)規(guī)格:

型號：2100T2

型式：立式、水冷、四沖程、直接噴射式燃燒室

氣缸數(shù)：二缸

直徑： 100毫米

活塞行程：120毫米

標(biāo)定功率：18.4 kW

標(biāo)定轉(zhuǎn)速n：1500轉(zhuǎn)/分

最大扭矩：11.8公斤·米

最大扭矩數(shù)：1200轉(zhuǎn)/分

標(biāo)定功率燃油消耗率: ≤185克/馬力·小時

標(biāo)定功率機油消耗率：≤ 3克/馬力·小時

壓縮比：16:1

活塞總排量；1.88升

平均有效壓力：7.03公斤/厘米

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活塞平均速度: 6米/秒

曲軸旋轉(zhuǎn)方式：逆時針

2、主要特點

活塞連桿組: 2100柴油機活塞頂部有一浴盆形深坑，活塞頭部加工有安裝活塞環(huán)的活塞環(huán)槽，活塞裙部較長和受側(cè)向里，活塞呈橢圓形；活塞環(huán)包括三道氣環(huán)及一道油環(huán)；采用圓柱形中空活塞銷，利于減少離心慣性力的影響；連桿的材料采用40或45號鋼，優(yōu)質(zhì)中碳鋼，主坯用模鍛處理或滾壓成形，并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理；連桿大頭軸瓦做成分開式：并帶有厚度為1～3毫米的鋼帶和厚度為0.3～0.7毫米的減磨合金組成；在2100T型柴油機的軸瓦上鉆有小孔或銑出環(huán)形油槽以便主軸承向連桿軸承輸送潤滑油，或由連桿小頭襯套送油。

曲軸飛輪組：曲軸飛輪組是由曲軸、飛輪、齒圈、曲軸正時齒輪、三角皮帶輪組成。曲軸主軸頸與連桿軸頸之間有潤滑油孔相通。曲軸的材料采用高優(yōu)質(zhì)的球墨鑄鐵，制造方便，成本低。曲軸由前端、曲拐、曲軸后端及平衡重組成，主軸頸直徑粗而短，以提高剛度，主軸頸為空心，曲柄銷也是空心，既可以減少重量，又可以減少離心力。2100型是棗核型空腔。

配氣機構(gòu)：凸輪軸上的凸輪通過氣門挺柱、氣門推桿和搖臂驅(qū)動進(jìn)、排氣門，控制進(jìn)、排氣門得開閉時間。機體和凸輪軸前端裝有定距環(huán)和止推片。凸輪軸和噴油泵均由曲軸前端的正時齒輪經(jīng)過中間惰輪驅(qū)動。機油泵則由曲軸正時齒輪通過其下過機油泵上的中間齒輪驅(qū)動。氣門的材料選耐熱、耐磨，耐腐蝕的齒輪。進(jìn)氣門工作溫度低，一般采用合金鋼。排氣門則用耐熱合金鋼如4CrSi2等。

機體組：機體內(nèi)嵌有高磷鑄鐵制成的濕式汽缸套，其上部的缸套凸緣的下端面邊緣在機體缸孔的肩胛上，下部以兩只橡膠做的防水圈密封。在機體右側(cè)面有檢查窗口，為拆裝活塞連桿和檢視曲軸連桿機構(gòu)及軸承。機體上平面除了氣缸孔和氣門推桿孔外，還有一個通向氣缸搖臂軸的潤滑油孔及以下與氣缸蓋相同的冷卻水孔。

機體的前端有正時齒輪室，齒輪室內(nèi)裝傳動齒輪，后端為飛輪蓋和蓋板，左側(cè)中間裝有配氣凸輪軸。機體的拱門上有主軸承座，軸承蓋同螺栓緊固在軸承座上，曲軸后部有甩油盤，飛輪殼。機體與氣缸蓋用雙頭螺栓固緊，各缸套凸肩高出機體平面的高度應(yīng)一致，高低相差控制在0.05毫米以內(nèi)。

燃料供應(yīng)系統(tǒng)：柴油機燃料供應(yīng)系統(tǒng)包括油泵、柴油濾清器、輸油泵、柴油細(xì)濾器、噴油泵和燃燒室等。

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柴油由油泵首先進(jìn)入沉流杯，柴油中的水及其基本機械雜質(zhì)沉積于杯中，較清潔的柴油經(jīng)管道流向柴油濾清器。同時設(shè)有兩級濾清器，分別濾除大小顆粒不同的雜質(zhì)。經(jīng)過濾清的柴油由輸油泵壓入噴油泵內(nèi)。輸油泵的作用是提高泵油的壓力，以克服流動阻力，定時定量的向噴油泵供油，輸油泵裝在噴油泵上，利用噴油泵凸輪軸上的偏心推動壓油。

柴油進(jìn)入油泵后，一部分通過柱塞的壓縮使油壓提高，高壓油按各缸工作次序流向各缸噴油器，然后噴入燃燒室進(jìn)行燃燒，多余的柴油則經(jīng)回油管流回柴油濾清器。

潤滑系統(tǒng)：2100T型柴油機的潤滑系統(tǒng)為濕式曲軸箱，壓力循環(huán)與飛濺復(fù)合供油式。

油底殼內(nèi)的機油經(jīng)過吸濾器的濾網(wǎng)被機油泵吸入，再壓送至機油濾清器，經(jīng)過濾清的機油被送入機體內(nèi)的主油道。機油由此分為兩路：一路通至各主軸承，并經(jīng)過曲軸內(nèi)側(cè)的油孔到達(dá)曲柄銷，主軸承上還有油孔與各凸輪軸軸承孔向通。凸輪軸后軸承并有一經(jīng)過機體與氣缸蓋到達(dá)搖臂軸內(nèi)的油孔，另一路經(jīng)過惰輪軸和惰輪軸輻板流出，潤滑惰輪軸及傳動齒輪。即曲軸、連桿大頭、凸輪軸、搖臂等軸承與傳動齒輪均為壓力潤滑；而氣缸套與活塞、連桿襯套及活塞銷、凸輪表面等處則為飛濺潤滑。

噴油泵與減速器單獨成一系統(tǒng)，另外加油潤滑。

機體側(cè)蓋板上備有加油口及油游標(biāo)尺，供加油及測量油量用。

潤滑系統(tǒng)主要由機油泵、機油濾清器及機油吸濾器等組成。機油濾清器為全流壓力繞線式濾芯，而機油吸濾器為網(wǎng)式粗濾器，安裝在油底殼內(nèi)。

冷卻系統(tǒng)：2100T型柴油機的冷卻介質(zhì)是水，即水冷系統(tǒng)是強制冷卻。水冷系統(tǒng)是由散熱器、空氣-蒸汽閥、風(fēng)扇、水泵等部件組成。

利用裝在水流通路內(nèi)的水泵，向內(nèi)燃機壓力供水，強制冷卻。水在內(nèi)燃機中循環(huán)流動，具有一定壓力的冷卻水由水泵的出水口通過分水管進(jìn)入氣缸體內(nèi)水套，冷卻了高溫零件后的熱水經(jīng)過節(jié)溫器和回水管流入上水箱，熱水在流經(jīng)散熱器時，它的熱量散入空氣，溫度降低，低溫的水進(jìn)入下水箱后，在水泵的作用下再去冷卻內(nèi)燃機的高溫零件。

風(fēng)扇用來增加流經(jīng)散熱器芯部空氣的流量，以提高散熱器的散熱效率。利用裝在散熱器水管中的節(jié)溫器調(diào)節(jié)流經(jīng)散熱器芯部的熱水量，以調(diào)節(jié)冷卻強度，氣缸體中的分水管用來使多缸內(nèi)燃機多個氣缸散熱均勻的冷卻，在分水管縱向位置開有大小不同的出水口，離水泵越近，出口面積越大，多個氣缸的冷卻強度就越均勻。此外，為控制冷卻水強度，在出水處裝有計溫計。

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3、設(shè)計原則

圖1 飛輪簡化示意圖

圖1所示為飛輪的簡化示意圖。在設(shè)計飛輪時，一般外徑D2和內(nèi)徑D1根據(jù)結(jié)構(gòu)布置決定，而飛輪的結(jié)構(gòu)必須考慮輸出裝置的需要，所需飛輪矩的大小用改變斷面壁厚b來調(diào)整。

飛輪的外徑D2是它最重要的尺寸。在選擇D2時首先應(yīng)該考慮到D2越大，在同樣的轉(zhuǎn)動慣量下飛輪可以越輕，但是另一方面D2的加大又受到一系列因素的限制：

1、 飛輪圓周速度的限制。飛輪旋轉(zhuǎn)時由于材料本身離心力的作用會產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，對灰鑄鐵飛輪來說，建議圓周速度不超過35-50 m s-1。

2、 飛輪加大可能使汽車或拖拉機的離地間隙過小，影響車輛的通過性。

3、 飛輪上都壓有啟動齒圈，所以最后確定D2時必須考慮啟動電機的布置以及啟動齒輪與齒圈的嚙合。

確定好飛輪外徑后，其內(nèi)徑以及斷面厚度主要由飛輪的轉(zhuǎn)動慣量決定。飛輪的主要作用就是通過增大轉(zhuǎn)動慣量降低曲軸的旋轉(zhuǎn)不均勻度，因此發(fā)動機用的飛輪需要多大的轉(zhuǎn)動慣量就要取決于不均勻度。

D1

D2

4、不均勻度的定義

因為曲軸的轉(zhuǎn)速和扭矩都是波動的，設(shè)內(nèi)燃機的輸出扭矩為M，阻力矩Mc。為了能夠驅(qū)動給定的工作機械在所需的轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)，內(nèi)燃機發(fā)出的平均扭矩必須等于發(fā)動機在該轉(zhuǎn)速下的阻力矩。即Mm=Mc。

內(nèi)燃機的輸出扭矩時而大于平均扭矩，時而小于平均扭矩。設(shè)某時刻內(nèi)燃機輸出扭矩大于平均扭矩，則多余的扭矩將使曲軸的角速度增加：

M?Mm?I0d?d?（1）

?I0?dtd?

6

其中I0是機組的轉(zhuǎn)動慣量；?是角速度。

整理后，對ab段進(jìn)行積分。

?a(Mb?Mm)d??I0??d?ab

（2）

（3） 正剩余功W??a(Mb?Mm)d?動能增加量Ek?I0?d???abI0222(?max??min)。 （4）

取平均角速度?m??max??min2

（5）

??定義曲軸旋轉(zhuǎn)不均勻度則

?max-?min （6）

?m

Ek?I0(?max??min22)(?max??min)?I0?m?

（7）

則不均勻度

??

EkW（8）

?22I0?mI0?m

5、求取轉(zhuǎn)動慣量

圖2是通過模擬得到的2100T發(fā)動機輸出扭矩曲線。由公式可知，W可有扭矩積分獲得。通過擬合函數(shù)進(jìn)行積分是一個很好的方式，但是此扭矩曲線如果整體用一個函數(shù)擬合不太準(zhǔn)確，所以只對所需要的部分進(jìn)行擬合即可。

圖3是圖2中方框內(nèi)的曲線放大后的結(jié)果，需要注意的是，橫坐標(biāo)曲軸轉(zhuǎn)角要改成弧度制。這樣曲線就變得比較簡單，易于擬合。通過擬合，得到

y?8591.23x3?16017x2?10681x?2456

（9）

圖4中的黑點是模擬數(shù)據(jù)，紅線是擬合函數(shù)曲線，可以看出還是非常接近的。

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圖2 輸出扭矩曲線

圖3 局部扭矩曲線

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14 Analog data Polynomial fit of analog dataTorque,

N

m8-0.20.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8Crank angle, rad

圖4 模擬數(shù)據(jù)與擬合曲線

通過積分，得到

S??1.7120.054(8591.23x3?16017x2?10681x?2456)（10）

?(1.7128591.23416x?x?x?2546x)|4320.054?1227.7JEk?[S?(1.712?0.054)?150]J?979J

（11）

I0?W?2（12）

?11174.14kgcm2??m

kgcm?2

（13）通過對現(xiàn)有的飛輪進(jìn)行計算，得到I1?9970加上兩個曲柄單元的轉(zhuǎn)動慣量

I總?（9970?385.11?2）kgcm?2?10740.22kgcm?2

（14）可見實際轉(zhuǎn)動慣量與所需轉(zhuǎn)動慣量相差不大，現(xiàn)有的飛輪轉(zhuǎn)動慣量可以滿足要求。

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6、螺栓的校核

計算飛輪連接強度時，由于扭矩是靠結(jié)合面的摩擦力矩傳遞的，因此螺栓只受拉伸，不受剪切。這里所傳遞的力矩，除了輸出扭矩曲線最大值Mmax外，還有扭轉(zhuǎn)振動引起的附加力矩Md。Md最大需用值Md=40Wp，其中Wp為主軸頸的抗扭截面系數(shù)：

Wp??16D13[1?(d14（15）)]4

D1

固緊飛輪的螺栓計算面積A

A=Mmax+Md （16）

R?f?i??

其中：

——各固定在螺栓中心所在的圓周半徑；

——摩擦系數(shù)，為安全起見取較小值0.1；

——飛輪固緊螺栓數(shù)；（此處=6）

——螺栓材料許用應(yīng)力。可取為500 N mm-2。

根據(jù)扭矩曲線（圖2）,讀出最大扭矩Mmax?1363.406N?m?

（17）

此時曲軸轉(zhuǎn)角為23.14CA

根據(jù)公式16可求得，螺栓直徑應(yīng)至少12.5 mm。所選的螺栓直徑為14mm，強度足夠。

7、 飛輪邊緣強度校核

內(nèi)部的離心力都由外部承受，因此外部受到很大壓應(yīng)力，應(yīng)予校核。

先對內(nèi)部離心力進(jìn)行積分求和：

F?2?b1??受力面積

2?rr21r2dr?107494.37N （18）

S?2?b1r2?0.021m2壓應(yīng)力

（19）

P?F?5.19MPa（20）S

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遠(yuǎn)小于鑄鐵的抗壓強度極限，因此校核合格。

8、優(yōu)化設(shè)計

將內(nèi)徑D1由340mm改成380mm，外緣寬度由49mm改成65mm，這樣質(zhì)量集中于外部，有利于輕量化。

改進(jìn)后的飛輪轉(zhuǎn)動慣量為I1?10051kgcm?2。比原來的轉(zhuǎn)動慣量略有增加，但是改進(jìn)后的飛輪質(zhì)量比原先減輕7.4%。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊連生. 內(nèi)燃機設(shè)計[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)機械出版社，1982.

[2] 高文志. 內(nèi)燃機課程設(shè)計[M]. 北京：中國水利水電出版社，2010.

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