汽车发动机飞轮方案与制造.pdf

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1、个人资料整理仅限学习使用 目录 一 摘要3 二 正文3 1 绪论3 1.1 选题的意义与目的3 1.2 飞轮的发展史4 2 飞轮工作的原理及5 2.1 飞轮的组成和材料的5 2.3 飞轮原理及在发动机中的作用5 2.3 飞轮的结构、功能及应力分析7 3 飞轮的动态优化设计11 3.1 飞轮的动态优化设计的意义11 3.2 模型简化与方案选择12 3.3 飞轮的动态有限元分析13 3.4 飞轮的动态优化15 4 飞轮浇铸工艺的设计18 4.1 无冒口铸造方案的确定18 4.2 无冒口方案的设计与实施18 5、飞轮的加工工艺及流程19 5.1 飞轮主要加工技术要求分析19 5.2 工艺方案分析21

2、 5.3 飞轮机械加工工艺路线的制定21 6 结论23 7 结束语23 三 参考文献25 个人资料整理仅限学习使用 基于汽车发动机飞轮的设计与制造 学号： 09131050701265 姓名：王江专业：机械设计制造及其自动化 摘要目的 通过对汽车发动机飞轮的设计模拟的计算了飞轮的飞轮的质量和设 计的合理性，使飞轮性能和质量得到了很好的保障。对飞轮浇铸工艺的设计和 加工技术要求、工艺方案的分析，有利于提高飞轮的产品质量、工作性能，节 约了制造和加工的成本，为企业赢得了时间和效益。方法 利用相关理论知识和 参数化建模，利用ANSYS 软件进行动态有限元分析得出相应优化结果。结合工 作生产实际，明确

3、了飞轮浇铸工艺和加工工艺。结果 在参数化建模、动态有限 元分析和制定浇铸及加工工艺中制定多种不同的方案，在优化设计中，通过数 据对比，方案二优于方案一。结论 基于有限元法的参数化建模可以快速动态的 修改模型动态得到各种分析结果。 关键词：发动机飞轮，有限元分析，参数化建模，无冒口铸造，机械加工 飞轮是汽车发动机中有重要作用但结构相对简单的零件之一，本文主要介 绍了汽车发动机飞轮的发展史，工作原理，应力分析，动态优化设计，浇铸工 艺的设计，机械加工流程等。为了保证飞轮又足够的转动惯量、刚度和强度， 并使飞轮在满足设计要求的前提下质量尽可能小，这里利用有限元分析软件 ANSYS对某飞轮进行参数化建

4、模，动态的分析了飞轮的应力场与位移场。实践 证明，利用数化建模可以大大地提高效率，并且可以在设计阶段的合理范围内 任意取值进行分析，有利于缩短设计周期，降低制造成本。从工作生产实际出 发，研究了飞轮的无冒口铸造工艺及机械加工工艺规程，分析了飞轮在加工过 程中的注意事项，并完成加工工序设计。 1 绪论 1.1 选题的意义与目的 发动机后端带齿圈的金属圆盘称为飞轮。飞轮用铸钢制成，具有一定的重 量 装置在曲柄的轴的一端，是铸铁制造较重的轮盘，在爆发 冲程传递回转力，由飞轮一时吸收储蓄，供给下一次动力冲程，能使曲柄轴圆 滑的回转作用，外环的齿圈可供起时摇转引擎之用，背面与离合器片接触，成 为离合器总

5、成的主件 飞轮是发动机在曲轴后端的较大的圆盘状的零件，它具有较大的转动惯 量，具有以下功能：将发动机作功形成的部分能量储存起来，以克服其他形成 的阻力，使曲轴均匀旋转。通过安装在飞轮上的离合器，把发动机和汽车传动 系统连接起来。装有与起动机结合的齿圈，便于发动机启动。 个人资料整理仅限学习使用 飞轮，是发动机装在曲轴后端的较大的圆盘状零件，它具有较大的转动惯 量，具有以下功能：将发动机作功行程的部分能量储存起来，以克服其他行程 的阻力，使曲轴均匀旋转；通过安装在飞轮上的离合器，把发动机和汽车传动 系统连接起来；装有与起动机接合的齿圈，便于发动机起动。 驱动盘，也是飞轮的一种，材质用45 号钢冲

6、压成型，再压制齿圈。 飞轮是一个延著固定轴旋转的轮子或圆盘，能量以旋转动能的方式储存在 转子中： 其中 是角速度 I 是质量相对轴心的转动惯量，转动惯量是物体抵抗力矩的能力，给予一 定力矩，转动惯量越大的物体转速越低。 固体圆柱的转动惯量为, 若是薄壁空心圆柱，转动惯量为, 若是厚壁空心圆柱，转动惯量则为. 其中 m 表示质量， r 表示半径，在转动惯量列表中可以找到更多的信息。 在使用国际单位制计算时，质量、半径及角速度的单位分别是公斤、M ，弧度 / 秒，所得到的结果会是焦耳。 由于飞轮可储存的能量是和转动惯量成正比，因此在设计飞轮时，会尽量 在不变动质量的条件下，去增加其转动惯量，例如说

7、中间搂空将，质量集中在 飞轮的外围等作法。 在利用飞轮储存能量时，还需要考虑在转子不变形或断裂的前提下，飞轮 可储存的能量上限，转子的环向应力 质量直径转速所储存的能 量 2.6 1029 J 72 YWh ( 1024 Wh 表 1 转动惯量列表 飞轮能量和材料的关系： 对于相同尺寸外形的飞轮，其动能和环向应力及体积成正比： 若以质量来表示，则其动能和质量成正比，也和单位密度的环向应力成正 比： 可以称为比强度 和最大载荷 Fbz(Fm 。输入断后标 距，断后面积，打印实验报告。 根据测得的灰铸铁拉伸载荷Fs、Fb计算出屈服极限和强度极限。 ， 3 飞轮的动态优化设计 3.1 飞轮的动态优化

8、设计的意义 在设计任务中，经常遇到系列产品的设计工作，这些产品在结构上基本相 同，但由于使用场合、工况的差别，在结构尺寸上形成了一个系列。对于这种 设计任务，如果一一地去设计、绘图等，会带来很大的重复工作量。这样不仅 浪费了人力、物力资源，也延长了设计周期。另外，工程中得很多结构，在投 入正式使用之前，都需要进行有限元结构分析。有限元分析工程中很大一部分 工作量在于实际结构抽象出有限元分析数学模型划分有限元网络。该过程通常 独立于建立实体模型。对于系列化产品，其有限元结构分析的工作类似于模型 建立工作，有着相当大的重复性。 参数化建模是使用重要几何参数快速结构和修改几何模型的一种造型方 法，这

9、些几何参数包括控制形状大小的尺寸和定位形状的方向矢量等。若几何 模型的所有尺寸是参数化的就可以动态修改参数，随后动态得到有限元分析结 果。 个人资料整理仅限学习使用 飞轮是内燃机中有重要作用但结构形状相对于简单的零件之一。它是一个 转动惯量很大的圆盘，其中要功用是将在做功行程中传输给曲轴的功的一部分 贮存起来，用以在其它行程中克服阻力，带动曲柄连杆结构越过上、下止点， 保证曲轴的旋转角速度和输出转矩尽可能均匀，并使发动机有可能克服短时间 的超载荷。此外，在结构上飞轮又往往用作汽车传动系中摩擦离合器的驱动 件。 随着高速内燃机的发展，飞轮的旋转速度不断提高。众所周知，一旦发生 飞轮强度、刚度方面

10、的破坏，就会出现危险。在设计过程中，除了保证飞轮又 足够的转动惯量外，应使飞轮满足设计要求的前提下质量尽可能小，从而减轻 发动机整体重量提高发动机固有频率。这里利用通用有限元分析软件ANSYS 对 于某发动机飞轮进行了参数化建模动态分析了飞轮的应力场与位移场，并利用 ANSYS 优化模块对飞轮的主要尺寸参照同类型发动机的性能参数进行了优化， 在满足飞轮设计要求的前提下减轻了飞轮的重量。 3.2 模型简化与方案选择 为了使有限元模型网络规模不致过大，建模时忽略了一些小得细节，如小倒 角、定位孔等，并假设：飞轮以恒定的转速作高速旋转；整个飞轮只受惯性力 作用，考虑螺栓的约束，不考虑螺栓处的预紧力；

11、飞轮的均质圆盘。飞轮简化 模型如图 3 所示， 图 3 飞轮简化模型如图所示 3.2.1方案选择 若不考虑螺栓孔和减重槽，飞轮无论是结果形状，还是载荷约束条件都符 合轴对称结果要求。因此，方案一将飞轮简化为二维轴对称结构进行参数建 模、有限元分析和形状优化设计；方案二在实体建模中考虑螺栓孔与减重槽， 这样可将飞轮简化为1/4 三维实体模型进行参数化建模、有限元分析和形状优 化设计。 个人资料整理仅限学习使用 3.2.2参数化建模 U-SUM(m UX99m0 IYY(kgm 立方 VOLUM(M 立方 方案一35.68 3.34E-3 100E-5 0.586 3.483E-03 方案二58.

12、97 3.32E-3 0.93-5 0.534 3.428E-03 表 2 最大应力、位移、转动惯量和体积比较结果 由表中数据可知，三维实体模型中最大应力较大，且出现在螺栓孔边缘。 这是因为约束直接施加在螺栓孔面上造成的。轴对称模型与实体模型的最大位 移位置相同，但轴对称模型的最大位移U-SUM 和径向位移 UX略大，说明考虑螺 栓孔和凹槽后离心力所减少；两种模型转动惯量和体积也略有不同，这同样是 由于三维模型开有螺栓孔和凹槽造成的。 利用 ANSYS 提供的 APDL语言编程实现的参数化建模得到实体模型，参数化 尺寸改变后，模型形状会随之改变，有限元网络也会随实体改变而改变，同时 计算结果也

13、会立刻呈现出来。这种动态有限元分析可以用于实时、动态地飞轮 设计进行评价，是结构优化的基础。 个人资料整理仅限学习使用 3.4 飞轮的动态优化 图 12ANSYS 软件完成优化设计的过程。 基于有限元法的优化是将有限元分析方法与传统的优化技术结合，并应用 于结构优化设计中，使结构在满足给定的性能要求条件下，尺寸最佳。图12 是 利用 ANSYS 软件完成优化设计的过程。 3.4.1 方案一的优化设计 选取飞轮的总体积为目标函数。由于飞轮的转动惯量是十分重要的设计参 数，它不能低于同类发动机参考的转动惯量值；同时飞轮不能发生强度、刚度 方面的破坏，所以从分析结果中提取转动惯量IYY、最大应力 S

14、MAX 、径向最大 位移值 UX作为优化设计的状态量，选参考飞轮相应分析结果作为状态的约束， 飞轮设计变量取值范围及优化结果如表3 所示。 优化变量Minmun Maximum 优化结果参考值变化量 设计变量B1 0.065 0.085 0.071 0.069 2.89% 设计变量H1 0.010 H2 0.0165 0.16 -6.25% 设计变量H2 H2 0.040 0.31 0.030 3.33% 设计变量R1 0.003 0.010 0.006 0.006 0 设计变量R2 0.010 0.020 0.014 0.0135 3.75% 状态变量IYY 0.509 0.600 0.51

15、0 0.509 0.20% 个人资料整理仅限学习使用 状态变量SMAX 3.5E-7 4.5E-7 4.04E+7 4.31E+7 -0.62% 目标函数UX 1.0E-05 0.97E-05 0.9E-05 7.69% 目标函数3.1E-03 3.1E-03 -1.24% 表 3 方案一变量取值范围及优化结果 由表 3 中数据，设计变量优化结果与同类型发动机的参考尺寸相比，变化 量小，结果接近；三个状态变量中只有UX较参考值大，但仍在状态变量许可的 范围类；优化后飞轮的体积略小于参考飞轮。因此，二维轴对称模型的动态优 化设计的结果是令人满意的。 3.4.2 方案二的优化设计 在三维参数化建模

16、与有限元分析的基础上，仍选取飞轮的总体积为目标函 数，状态变量的选取与轴对称模型也相同，在设计变量中增加反映飞轮减重槽 的尺寸参数 H3 ，R3 ，L3. 飞轮设计变量的取值范围及优化结果如表4 所示。 优化变量Minmun Maximum 优化结果参考值变化量 设计变量B1 0.065 0.09 0.073 0.069 5.8% 设计变量H1 0.010 H 0.014 0.16 -12.55% 设计变量H2 H 0.040 0.31 0.030 3.33% 设计变量R1 0.003 0.010 0.006 0.006 0 设计变量R2 0.010 0.020 0.014 0.0135 3.

17、75% 设计变量H3 0.004 0.012 0.0075 0.007 7.14% 设计变量R3 0.010 0.020 0.015 0.016 -6.25% 状态变量IYY 0.509 0.600 0.510 0.509 0.20% 状态变量SMAX 3.5E-7 4.5E-7 4.04E+7 4.31E+7 -0.62% 目标函数UX 1.0E-05 0.97E-05 0.9E-05 7.69% 目标函数3.1E-03 3.1E-03 -1.24% 表 4 方案二变量取值范围及优化结果 由表 4 中数据，设计变量优化结果与同类型发动机飞轮的参考尺寸相比， 有一定的改变；三个状态变量的值都高

18、于参考值，且均在状态变量许可的范围 内；优化后飞轮的体积小于参考飞轮。由于方案二中参数化地构造了飞轮凹 槽，可见，方案二的动态优化设计的结果更接近最佳。由于实体模型单元节点 数较多，且增加了3 个设计变量，因此优化循环计算量最大，耗费机时长，在 迭代次数、步长及变量容差得选取等方面应予以注意。此外，通过将方案二的 个人资料整理仅限学习使用 优化结果与方案一的对比可以看出飞轮的基本设计变量如B1，H1 ，H,R1和 R2 的变化并不大，可以参考方案一的优化结果用于这几个参数，构造几何，仅将 H3，R3和 L3 最为三维实体的设计变量，将二维优化结果与三维优化设计变量 的选取结合起来能够更加有的放

19、矢，提高工作效率。 这里分别对发动机飞轮的二维轴对称模型和三维1/4 实体模型，进行了参 数化建模、动态有限元分析及形状优化。将优化后的尺寸与同类型发动机飞轮 的参考尺寸进行了分析和较，在满足飞轮设计要求的前提下减轻了飞轮的重 量，优化结果是令人满意的 在结果的概念性设计阶段可以利用二维轴对称模型初步优化。三维实体模 型的优化可建立在轴对称模型优化的基础上。实体模型单元节点数较多，应注 意在优化循环过中参数的设置。 基于有限元法的参数化建模可以快速动态的修改模型动态得到各种分析结 果，并可以进行优化分析，实践证明，利用数化建模可以大大地提高效率，并 且可以在设计阶段的合理范围内任意取值进行分析

20、，有利于缩短设计周期，降 低制造成本。 4 飞轮浇铸工艺的设计 4.1 无冒口铸造方案的确定 飞轮其结构尺寸及铸造工艺见图12，该工艺的优点是工艺成熟，铸质量稳 定，无缩口，缩凹缺陷。缺点是组织部均匀，口附近晶粒粗大，动平衡实验时 需在对面钻 1孔。为了获得组织致密的铸件，在均衡凝固理论的指导下，最终 确定该飞轮采用无冒口的铸造工艺。 4.2 无冒口方案的设计与实施 工艺方案见图 13 该方案实施后，铸件没有锁孔，缩凹缺陷，也没有气孔、 夹砂等缺陷，很快就投入批量生产。至今效果良好，铸件质量稳定，综合废品 率低，动平衡实验只需钻一个浅孔活着不需要钻孔。 个人资料整理仅限学习使用 图 12 工艺

21、方案图图 13 工艺方案图 4.3 生产过程中应注意事项 75，透气性 100.型砂配比及性能见表1。 5、飞轮的加工工艺及流程 5.1 飞轮主要加工技术要求分析 坯件需经时效处理，喷丸后不得有残砂。坯件不允许有裂纹、气孔、砂 眼、夹渣、冷隔、疏松等缺陷，不允许有锈蚀。力学性能：b250MPa 粗车端面，大外圆并钻孔。以右端面227的台阶外圆为基准，加工 飞轮的有端面及外圆，并钻中孔。 4）粗车端面、外圆、内孔、倒圆并倒角。以粗加工过后左端面250.5 的外圆为基准，加工飞轮的右端面及外圆，倒圆并倒角。 5）精车端面、外圆、镗孔并倒角。以右端面227 的台阶外圆为基准， 精加工飞轮的左端面，镗

22、中心孔并倒角。 6）车端面、外圆、镗孔并倒角。以加工过后左端面250.5 外圆为基 准，精加工飞轮的左端面及外圆。 7）铣信号齿并去毛刺。 8）齿圈加热并压装。由于齿圈在压装过程中会导致飞轮又轻微变形，所 以要留 0.5 的余量精车，以保证尺寸要求。 9）精车摩擦面、端面及内孔。 10）精车端面、外圆、镗孔并倒角。 11）钻、镗 6 法兰定位销孔、钻6- 10.5 法兰孔并倒角。 12）钻、镗 3- 8 销孔，钻 6-6.7 螺纹底孔、倒角并攻丝6-M8-6H。 13）动平衡实验，由于飞轮在铸造过程中质量的分布不均匀，不对称，飞 轮转动时会产生不平衡，不平衡在工作中会产生振动和晃动。动平衡实验

23、以达 到平衡精度要求。动平衡实验：不平衡量15g.cmZ）；在图示 C面以182.8 为中心的圆周上钻孔修正，孔径14、孔深 5、孔边距 20、孔数 5。 个人资料整理仅限学习使用 14）终检，根据工艺要求，对飞轮的全尺寸进行检测，尤其的关键尺寸和 重要尺寸。 6 结论 本文通过工作生产实际结合理论研究对汽车发动机飞轮的进行了设计，明 确了设计的基本路线，了解了汽车发动机飞轮的发展史，工作原理，动态优化 设计，机械加工流程等，发动机基本结构等。本文对飞轮的动态优化设计，除 了保证飞轮又足够的转动惯量外，应使飞轮满足设计要求的前提下质量尽可能 小，从而减轻发动机整体重量提高发动机固有频率，模拟的

24、计算了飞轮的飞轮 的质量和设计的合理性，使飞轮性能和质量得到了很好的保障。对飞轮浇铸工 艺的设计和加工技术要求、工艺方案的分析，有利于提高飞轮的产品质量、工 作性能，节约了制造和加工的成本，为企业赢得了时间和效益。熟悉了该行业 的行业知识，提高了实际与理论相结合的能力。 7 结束语 经过半年的忙碌和工作，本次毕业论文设计已经接近尾声，作为一个本科 生的毕业论文，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有唐 老师的督促指导，以及同学们的支持和帮助，要完成这个设计是难以想象的。 在几个月中，我踏进社会开始实习并完成了这篇论文，这是我经历人生最 大的一次考验和锻炼。当然从中学到了不少的新东

25、西，有生活上的,有学校里没 学过的。现在我的毕业设计已完成，这与大学里的各位老师的教育和指导教师 的细心指点是分不开的。 在此次毕业设计过程中，论文的写作过程中，得到了唐任奎老师的亲切关 怀和耐心的指导，他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作 风，深深的感染和激励着我。从课题的选取和论文的最终完成，唐老师都始终 给予我细心的指导和不懈的支持。在过去的时间里，老师们不仅给我们提供了 良好学习环境，而且在精神上给了我很多鼓励，也细心给予我们很多帮助。在 此，对您们的辛勤工作和细心照顾表示衷心感谢，并祝愿各位老师们身体健 个人资料整理仅限学习使用 康，万事如意。 在此，我非常感谢大学四年

26、期间所有指导和教育过我们的老师，感谢他们 对我们无私的教诲和细心的帮助，感谢他们的谆谆教导。感谢大学里同班同 学、室友和校友，是你们让我感受到大学的美好和人与人之间的友善，也让我 从幼稚走向了成熟。和大家共同走过的这四年里，我感到非常的快乐与欣慰， 对自己的大学生活无怨无悔，因为让我学会了做人，学会 最后,衷心祝愿大家在今后的日子里一路顺风，宏图大展，了做事。也培养 了我积极的心态，专业的兴趣和良好的沟通、协调、执行和应变能力，这些都 是现在我在工作中的动力源泉。事业有成！ 个人资料整理仅限学习使用 参考文献： 1蔡兴旺汽车构造与原理北京：机械工业出版社，2005 2张则曹汽车构造图册发动机）北京：人民交通出版社，2018 3冯晋祥汽车发动机构造与维修北京：人民交通出版社，2018 4王先逵、艾兴等机械加工工艺手则北京：机械工业出版社 2006 5许洪其、淘燕光等齿轮手则 上、下）北京：机械工业出版社，2000 6张伯明、陆文华等铸造手则 铸铁）北京：机械工业出版社，2007 7徐灏、蔡春源等机械设计手则第 2、4 卷），北京：机械工业出版社，2003 8李金印、黄鸣升等轿车用小型柴油机得技术开发汽车技术， 2006 年第10 期总第 373期） 9陈军、贾友文等箱体类零件设计和加工应用技术研究机械工程师 2007 年第 2 期总 第 188 期）