基于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪的設(shè)計(jì)與制造

1、一 摘要3二 正文31 緒論3342飛輪工作的原理及55 2.3飛輪原理及在發(fā)動(dòng)機(jī)中的作用 5 2.3飛輪的結(jié)構(gòu)、功能及應(yīng)力分析7 3飛輪的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)113.1 飛輪的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)的意義113.2 模型簡化與方案選擇123.3飛輪的動(dòng)態(tài)有限元分析13 3.4飛輪的動(dòng)態(tài)優(yōu)化15 4飛輪澆鑄工藝的設(shè)計(jì)184.1 無冒口鑄造方案的確定184.2 無冒口方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施185、飛輪的加工工藝及流程191921216結(jié)論237結(jié)束語23三 參考文獻(xiàn)25基于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪的設(shè)計(jì)與制造 摘要 目的 通過對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪的設(shè)計(jì)模擬的計(jì)算了飛輪的飛輪的質(zhì)量和設(shè)計(jì)的合理性，使飛輪性能和質(zhì)量得到了很好的保障。對飛

2、輪澆鑄工藝的設(shè)計(jì)和加工技術(shù)要求、工藝方案的分析，有利于提高飛輪的產(chǎn)品質(zhì)量、工作性能，節(jié)約了制造和加工的成本，為企業(yè)贏得了時(shí)間和效益。方法 利用相關(guān)理論知識和參數(shù)化建模，利用ANSYS軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)有限元分析得出相應(yīng)優(yōu)化結(jié)果。結(jié)合工作生產(chǎn)實(shí)際，明確了飛輪澆鑄工藝和加工工藝。結(jié)果 在參數(shù)化建模、動(dòng)態(tài)有限元分析和制定澆鑄及加工工藝中制定多種不同的方案，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，通過數(shù)據(jù)對比，方案二優(yōu)于方案一。結(jié)論 基于有限元法的參數(shù)化建?？梢钥焖賱?dòng)態(tài)的修改模型動(dòng)態(tài)得到各種分析結(jié)果。關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪，有限元分析，參數(shù)化建模，無冒口鑄造，機(jī)械加工飛輪是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中有重要作用但結(jié)構(gòu)相對簡單的零件之一，本文主要介紹了汽

3、車發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪的發(fā)展史，工作原理，應(yīng)力分析，動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)，澆鑄工藝的設(shè)計(jì)，機(jī)械加工流程等。為了保證飛輪又足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、剛度和強(qiáng)度，并使飛輪在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下質(zhì)量盡可能小，這里利用有限元分析軟件ANSYS對某飛輪進(jìn)行參數(shù)化建模，動(dòng)態(tài)的分析了飛輪的應(yīng)力場與位移場。實(shí)踐證明，利用數(shù)化建?？梢源蟠蟮靥岣咝剩⑶铱梢栽谠O(shè)計(jì)階段的合理范圍內(nèi)任意取值進(jìn)行分析，有利于縮短設(shè)計(jì)周期，降低制造成本。從工作生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，研究了飛輪的無冒口鑄造工藝及機(jī)械加工工藝規(guī)程，分析了飛輪在加工過程中的注意事項(xiàng)，并完成加工工序設(shè)計(jì)。1 緒論發(fā)動(dòng)機(jī)后端帶齒圈的金屬圓盤稱為飛輪。飛輪用鑄鋼制成，具有一定的重量（汽車工程稱為質(zhì)量

4、），用螺栓固定在曲軸后端面上，其齒圈鑲嵌在飛輪外圓。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)是，飛輪齒圈與啟動(dòng)齒輪嚙合，帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)起動(dòng)。許多人認(rèn)為，飛輪僅是在起動(dòng)時(shí)才其作用，其實(shí)飛輪不但在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)起作用，還在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后貯存和釋放能量來提高發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的均勻性，同時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳遞至離合器。 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，其穩(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，由于負(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，二產(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：對由曲軸驅(qū)動(dòng)的另部件產(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

5、必須控制曲軸回轉(zhuǎn)的不均勻性在允許范圍之內(nèi)。飛輪正是在利用其具有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)微量，在曲軸加減速過程中吸收或釋放其動(dòng)能，穩(wěn)定曲軸加速度得變化，從而穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。我們知道，四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)只有作沖程產(chǎn)生動(dòng)力，其他進(jìn)氣、壓縮、排氣沖程是消耗動(dòng)力，多缸發(fā)動(dòng)機(jī)是間隔地輪流作功，扭矩呈脈沖輸出。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 飛輪的概念很早就出現(xiàn)在人類的生活中，新石器時(shí)代的紡錘及陶輪都有類似飛輪的概念。十一世紀(jì)時(shí)安達(dá)盧斯的農(nóng)藝師Ibn Bassa

6、l在其著作Kitab al-Filaha中，描述飛輪應(yīng)用在水力機(jī)械中的情形。根據(jù)從事中世紀(jì)研究的學(xué)者 Lynn White 的資料，首次出現(xiàn)使用飛輪來作為穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的記載是在德國藝術(shù)家 Theophilus Presbyter（約1070-1125）的著作De diversibus artibus（On various arts）中，他在他的許多機(jī)器中都使用到飛輪。在工業(yè)革命時(shí)，詹姆斯瓦特將飛輪應(yīng)用在蒸氣機(jī)上，而詹姆斯皮卡德（James Pickard）將飛輪和曲柄（Crank）一起使用，將往復(fù)式運(yùn)動(dòng)變成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。飛輪應(yīng)用在車輛上時(shí)，需考慮進(jìn)動(dòng)的問題。若一個(gè)旋轉(zhuǎn)的飛輪受到其他會(huì)改變其旋轉(zhuǎn)軸力矩的

7、影響，飛輪的旋轉(zhuǎn)軸也會(huì)會(huì)繞另一個(gè)軸旋轉(zhuǎn)，這個(gè)稱為進(jìn)動(dòng)。一部有垂直軸飛輪的車輛在通過山頂或谷底時(shí)，會(huì)受到一個(gè)橫向的動(dòng)量，用二個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的飛輪即可消除此問題。飛輪常運(yùn)用在打洞機(jī)及鉚釘機(jī)中，平時(shí)儲(chǔ)存馬達(dá)提供的能量，在需要功率輸出時(shí)，即可釋放原先儲(chǔ)存的能量。在內(nèi)燃機(jī)的應(yīng)用上，飛輪是連結(jié)到曲軸上的大質(zhì)量輪子，主要目的是維持曲軸上固定的角速度。2飛輪工作的原理及應(yīng)力分析飛輪總成 （Flywheel assembly ）一般由飛輪、齒圈、離合器定位銷、軸承等組成，部分產(chǎn)品軸承用花鍵代替?，F(xiàn)在隨著愛車一族的不斷鉆研擴(kuò)展，發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪已演變出實(shí)用的好多類型，如雙質(zhì)量減震飛輪（主要用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)），45#鍛鋼輕

8、質(zhì)量飛輪，鋁合金T6飛輪，輕質(zhì)量飛輪主要用于賽車和特殊愛好者使用，安裝這種飛輪以后，發(fā)動(dòng)機(jī)加速快，缺點(diǎn)是收油門后減速也快。材質(zhì)：一般使用鑄鐵 ：HT200 HT250 ；球鐵：QT450-10、QT600-3、QT500-7 等，國外也有用45號鋼制作的飛輪。 灰鑄鐵的力學(xué)性能與基體的組織和石墨的形態(tài)有關(guān)。灰鑄鐵中的片狀石墨對基體的割裂嚴(yán)重，在石墨尖角處易造成應(yīng)力集中，使灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度、塑性和韌性遠(yuǎn)低于鋼，但抗壓強(qiáng)度與鋼相當(dāng)，也是常用鑄鐵件中力學(xué)性能最差的鑄鐵。同時(shí)，基體組織對灰鑄鐵的力學(xué)性能也有一定的影響，鐵素體基體灰鑄鐵的石墨片粗大，強(qiáng)度和硬度最低，故應(yīng)用較少；珠光體基體灰鑄鐵的石墨片細(xì)

9、小，有較高的強(qiáng)度和硬度，主要用來制造較重要鑄件；鐵素體一珠光體基體灰鑄鐵的石墨片較珠光體灰鑄鐵稍粗大，性能不如珠光體灰鑄鐵。2.2飛輪原理及在發(fā)動(dòng)機(jī)中的作用 飛輪(Flywheel)裝置在曲柄的軸的一端，是鑄鐵制造較重的輪盤，在爆發(fā)沖程傳遞回轉(zhuǎn)力，由飛輪一時(shí)吸收儲(chǔ)蓄，供給下一次動(dòng)力沖程，能使曲柄軸圓滑的回轉(zhuǎn)作用，外環(huán)的齒圈可供起時(shí)搖轉(zhuǎn)引擎之用，背面與離合器片接觸，成為離合器總成的主件飛輪是發(fā)動(dòng)機(jī)在曲軸后端的較大的圓盤狀的零件，它具有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，具有以下功能：將發(fā)動(dòng)機(jī)作功形成的部分能量儲(chǔ)存起來，以克服其他形成的阻力，使曲軸均勻旋轉(zhuǎn)。通過安裝在飛輪上的離合器，把發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車傳動(dòng)系統(tǒng)連接起來。裝

10、有與起動(dòng)機(jī)結(jié)合的齒圈，便于發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。飛輪，是發(fā)動(dòng)機(jī)裝在曲軸后端的較大的圓盤狀零件，它具有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，具有以下功能： 將發(fā)動(dòng)機(jī)作功行程的部分能量儲(chǔ)存起來，以克服其他行程的阻力，使曲軸均勻旋轉(zhuǎn)； 通過安裝在飛輪上的離合器，把發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車傳動(dòng)系統(tǒng)連接起來；裝有與起動(dòng)機(jī)接合的齒圈，便于發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)。 驅(qū)動(dòng)盤，也是飛輪的一種，材質(zhì)用45號鋼沖壓成型，再壓制齒圈。 飛輪是一個(gè)延著固定軸旋轉(zhuǎn)的輪子或圓盤，能量以旋轉(zhuǎn)動(dòng)能的方式儲(chǔ)存在轉(zhuǎn)子中：其中 是角速度I 是質(zhì)量相對軸心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是物體抵抗力矩的能力，給予一定力矩，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越大的物體轉(zhuǎn)速越低。固體圓柱的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為,若是薄壁空心圓柱，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為,

11、若是厚壁空心圓柱，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量則為.其中 m 表示質(zhì)量，r 表示半徑，在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量列表中可以找到更多的信息。在使用國際單位制計(jì)算時(shí)，質(zhì)量、半徑及角速度的單位分別是公斤、米，弧度/秒，所得到的結(jié)果會(huì)是焦耳。由于飛輪可儲(chǔ)存的能量是和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量成正比，因此在設(shè)計(jì)飛輪時(shí)，會(huì)盡量在不變動(dòng)質(zhì)量的條件下，去增加其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，例如說中間摟空將，質(zhì)量集中在飛輪的外圍等作法。在利用飛輪儲(chǔ)存能量時(shí)，還需要考慮在轉(zhuǎn)子不變形或斷裂的前提下，飛輪可儲(chǔ)存的能量上限，轉(zhuǎn)子的環(huán)向應(yīng)力（hoop stress）是主要的考量因素：其中：t 是轉(zhuǎn)子外圈所受到的張應(yīng)力 是轉(zhuǎn)子的密度r 是轉(zhuǎn)子的半徑 是轉(zhuǎn)子的角速度飛輪儲(chǔ)存的能量范例：以下是一些“

12、飛輪”的范例及其儲(chǔ)存的能量，I=kmr2, k的計(jì)算方式請參考轉(zhuǎn)動(dòng)慣量列表（表1）。物體k (隨形狀而變)質(zhì)量直徑轉(zhuǎn)速所儲(chǔ)存的能量（焦耳）所儲(chǔ)存的能量自行車車輪（時(shí)速20公里）11公斤70厘米150 rpm15 J4 103 Wh速度加倍的自行車車輪（時(shí)速40公里）11公斤70厘米300 rpm60 J16 103 Wh質(zhì)量加倍的自行車車輪（時(shí)速20公里）12公斤70厘米150 rpm30 J8 103 Wh火車車輪（時(shí)速60公里）1/2942公斤1米318 rpm65 kJ18 Wh大卡車車輪（時(shí)速30公里）1/21000公斤2米79 rpm17 kJ4.8 Wh小的飛輪電池1/2100公斤

13、60厘米20000 rpm9.8 MJ2.7 kWh火車再生制動(dòng)用的飛輪1/23000公斤50厘米8000 rpm33 MJ9.1 kWh備用電源用的飛輪1/2600公斤50厘米30000 rpm92 MJ26 kWh地球2/55.97 1024 公斤12,725公里大約每天一轉(zhuǎn)(696rpmnb 1)2.6 1029 J72 YWh ( 1024 Wh)表1轉(zhuǎn)動(dòng)慣量列表飛輪能量和材料的關(guān)系：對于相同尺寸外形的飛輪，其動(dòng)能和環(huán)向應(yīng)力及體積成正比：若以質(zhì)量來表示，則其動(dòng)能和質(zhì)量成正比，也和單位密度的環(huán)向應(yīng)力成正比：可以稱為比強(qiáng)度（Specific strength）。若飛輪使用材質(zhì)的比強(qiáng)度越高，

14、其單位質(zhì)量下的能量密度也就就越大。2.3飛輪的結(jié)構(gòu)、功能及應(yīng)力分析飛輪效應(yīng)指為了使靜止的飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)起來，一開始你必須使很大的力氣，一圈一圈反復(fù)地推，每轉(zhuǎn)一圈都很費(fèi)力，但是每一圈的努力都不會(huì)白費(fèi)，飛輪會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)得越來越快。達(dá)到某一臨界點(diǎn)后，飛輪的重力和沖力會(huì)成為推動(dòng)力的一部分。這時(shí)，你無須再費(fèi)更大的力氣，飛輪依舊會(huì)快速轉(zhuǎn)動(dòng)，而且不停地轉(zhuǎn)動(dòng)。這就是“飛輪效應(yīng)”飛輪設(shè)計(jì)首先應(yīng)用工程提高發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用配套對飛輪的基本要求。包括適用機(jī)型，飛輪因負(fù)荷突變而需要穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的基本參數(shù)，如質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，所需承受的最大轉(zhuǎn)速，動(dòng)力輸出和離合器安裝定位孔（面）的要求；安裝起動(dòng)電機(jī)和齒圈的要求。然后根據(jù)要求確定飛輪輪緣尺寸。腹板

15、及輪輻過度連接區(qū)域結(jié)構(gòu)、尺寸及厚度，輪轂連接定位結(jié)構(gòu)及尺寸。在此還應(yīng)確定飛輪安裝螺栓的規(guī)格和等級，以便飛輪安裝部位的設(shè)計(jì)。一般飛輪螺栓都采用10.9級或更高的螺栓。在經(jīng)過以上幾個(gè)步驟，基本上確定了飛輪的直徑、輪緣形狀，輻板偏心量、飛輪開槽鉆孔等本形式后，現(xiàn)應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力分析，這是飛輪設(shè)計(jì)中得關(guān)鍵一步。應(yīng)力分析中應(yīng)考慮角加速度、振動(dòng)、回轉(zhuǎn)救應(yīng)、動(dòng)力輸出和離合器負(fù)荷的影響。現(xiàn)在說明應(yīng)力分析的計(jì)算方法及材料的選取飛輪是高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)件，其主要的離心應(yīng)力是作用于飛輪栓安裝孔剖面，BJ374飛輪離合器銷孔剖面輪緣短，螺栓孔剖面輪緣長，離心力影響的危險(xiǎn)剖面是螺栓孔剖面，其離心力應(yīng)力為：其中式中：S：離心力產(chǎn)生的

16、切向回應(yīng)了M:輪緣的開狀系數(shù)（rad/see/rpm） 其是根據(jù)輪緣形狀，面積轉(zhuǎn)化為以下圖1中得三種標(biāo)準(zhǔn)形式之一，計(jì)算查表確定M。圖1輪緣標(biāo)準(zhǔn)形狀尺寸B10飛輪已知Wr,R-輪緣近似徑向厚度為，將輪緣劃分成三部分（見圖3.1），其部分等效面積計(jì)算和為（計(jì)算過程略）則 查表圖，線性插值：材料密度飛輪材料一般選用灰鑄鐵250（HT250） ：飛輪計(jì)算轉(zhuǎn)速，一般考慮50%的轉(zhuǎn)速，2100=3150rpmR:飛輪外徑 B10飛輪:已知R=127A1：飛輪剖面徑向無鉆孔，開槽等的實(shí)心面積。B10飛輪 A1=輪緣面積+圓盤面積+法蘭面積=147129平安毫米As：飛輪剖面徑向最小面積（包括去除所有的鉆孔、

17、開槽，凹入?yún)^(qū)域）。B10飛輪 A2=A1-孔、槽、凹入?yún)^(qū)域面積=110718平方毫米則Sc=7751 psi對在應(yīng)力計(jì)算中，輪緣長度大于輪輻厚度4倍以上，或輪緣伸出長度大于輪緣厚度3倍以上的，則用下列計(jì)算離心應(yīng)力： 熱應(yīng)力：對不帶離合器的飛輪設(shè)計(jì)，可不進(jìn)行熱應(yīng)力計(jì)算，熱應(yīng)力計(jì)算公式如下：式中，St：輪緣處產(chǎn)生的最大拉伸熱效應(yīng)力psi.M1：材料應(yīng)力系數(shù)B10發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪Ed:飛輪一離合器系統(tǒng)能量擴(kuò)散系數(shù)，由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、離合器傳輸扭矩、嚙合速度確定，對B10飛輪和Lipe14n-2離合器。N：離合器摩擦片數(shù)目，Lipe14n-2離合器為雙盤，所以N=2。Weff飛輪有效體積是指有關(guān)離合器工作區(qū)域的

18、體積，一般轉(zhuǎn)化標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)形式。B10發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪 Weff：圓盤體積+輪緣有效體積（前、后緣）圓盤體積：后緣體積：由已知、，則查表圖，線性插值得： 得：算最大全負(fù)荷轉(zhuǎn)速飛輪所能承受的最大轉(zhuǎn)速由應(yīng)用工程根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)配套使用確定，飛輪限定的最大全負(fù)荷轉(zhuǎn)速得超過3255rpm,根據(jù)上述Sr,St和材料許用應(yīng)力Sa,核算飛輪所能承受的最大轉(zhuǎn)速。其應(yīng)取下列計(jì)算公式中得最小值，計(jì)算公式為：即 按圖紙要求在飛輪上取試樣進(jìn)行拉力試驗(yàn)，取樣標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該按金屬拉力試樣GB6397-86執(zhí)行。拉力試樣如圖2：圖2 拉力試樣L-平行長度，LL0+d0；L0試件平行長度部分兩條刻線間的距離，成為原始標(biāo)距；d0平行長度部分原始直

19、徑。圓形比例試件分兩種：L0=10d0，稱為長試件；L0=5 d0，稱為短試件。本實(shí)驗(yàn)試件采用d0=10mm,L0=100mm的長試件。將試件裝好后按下“運(yùn)行”按鈕，試驗(yàn)機(jī)開始按試驗(yàn)程序進(jìn)行拉伸，仔細(xì)觀察試件和計(jì)算機(jī)屏幕上的拉伸曲線在拉伸過程中的對應(yīng)情況，直至拉斷，取下試件并觀察斷口。試驗(yàn)結(jié)束，在試驗(yàn)結(jié)果欄中，程序?qū)⒆詣?dòng)計(jì)算結(jié)果顯示在其中。瀏覽拉伸曲線，記錄屈服載荷Fs(Fel)和最大載荷Fbz(Fm)。輸入斷后標(biāo)距，斷后面積，打印試驗(yàn)報(bào)告。根據(jù)測得的灰鑄鐵拉伸載荷Fs、Fb計(jì)算出屈服極限和強(qiáng)度極限。 ， ， 3飛輪的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)3.1 飛輪的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)的意義在設(shè)計(jì)任務(wù)中，經(jīng)常遇到系列產(chǎn)品的

20、設(shè)計(jì)工作，這些產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上基本相同，但由于使用場合、工況的差別，在結(jié)構(gòu)尺寸上形成了一個(gè)系列。對于這種設(shè)計(jì)任務(wù)，如果一一地去設(shè)計(jì)、繪圖等，會(huì)帶來很大的重復(fù)工作量。這樣不僅浪費(fèi)了人力、物力資源，也延長了設(shè)計(jì)周期。另外，工程中得很多結(jié)構(gòu)，在投入正式使用之前，都需要進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)分析。有限元分析工程中很大一部分工作量在于實(shí)際結(jié)構(gòu)抽象出有限元分析數(shù)學(xué)模型劃分有限元網(wǎng)絡(luò)。該過程通常獨(dú)立于建立實(shí)體模型。對于系列化產(chǎn)品，其有限元結(jié)構(gòu)分析的工作類似于模型建立工作，有著相當(dāng)大的重復(fù)性。參數(shù)化建模是使用重要幾何參數(shù)快速結(jié)構(gòu)和修改幾何模型的一種造型方法，這些幾何參數(shù)包括控制形狀大小的尺寸和定位形狀的方向矢量等。若幾何

21、模型的所有尺寸是參數(shù)化的就可以動(dòng)態(tài)修改參數(shù)，隨后動(dòng)態(tài)得到有限元分析結(jié)果。飛輪是內(nèi)燃機(jī)中有重要作用但結(jié)構(gòu)形狀相對于簡單的零件之一。它是一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大的圓盤，其中要功用是將在做功行程中傳輸給曲軸的功的一部分貯存起來，用以在其它行程中克服阻力，帶動(dòng)曲柄連桿結(jié)構(gòu)越過上、下止點(diǎn)，保證曲軸的旋轉(zhuǎn)角速度和輸出轉(zhuǎn)矩盡可能均勻，并使發(fā)動(dòng)機(jī)有可能克服短時(shí)間的超載荷。此外，在結(jié)構(gòu)上飛輪又往往用作汽車傳動(dòng)系中摩擦離合器的驅(qū)動(dòng)件。隨著高速內(nèi)燃機(jī)的發(fā)展，飛輪的旋轉(zhuǎn)速度不斷提高。眾所周知，一旦發(fā)生飛輪強(qiáng)度、剛度方面的破壞，就會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)。在設(shè)計(jì)過程中，除了保證飛輪又足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量外，應(yīng)使飛輪滿足設(shè)計(jì)要求的前提下質(zhì)量盡可能小

22、，從而減輕發(fā)動(dòng)機(jī)整體重量提高發(fā)動(dòng)機(jī)固有頻率。這里利用通用有限元分析軟件ANSYS對于某發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪進(jìn)行了參數(shù)化建模動(dòng)態(tài)分析了飛輪的應(yīng)力場與位移場，并利用ANSYS優(yōu)化模塊對飛輪的主要尺寸參照同類型發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，在滿足飛輪設(shè)計(jì)要求的前提下減輕了飛輪的重量。3.2 模型簡化與方案選擇為了使有限元模型網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不致過大，建模時(shí)忽略了一些小得細(xì)節(jié)，如小倒角、定位孔等，并假設(shè)：飛輪以恒定的轉(zhuǎn)速作高速旋轉(zhuǎn)；整個(gè)飛輪只受慣性力作用，考慮螺栓的約束，不考慮螺栓處的預(yù)緊力；飛輪的均質(zhì)圓盤。飛輪簡化模型如圖3所示，圖3 飛輪簡化模型如圖所示方案選擇若不考慮螺栓孔和減重槽，飛輪無論是結(jié)果形狀，還是載荷約束

23、條件都符合軸對稱結(jié)果要求。因此，方案一將飛輪簡化為二維軸對稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)建模、有限元分析和形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)；方案二在實(shí)體建模中考慮螺栓孔與減重槽，這樣可將飛輪簡化為1/4三維實(shí)體模型進(jìn)行參數(shù)化建模、有限元分析和形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)。參數(shù)化建模（1）二維軸對稱參數(shù)化建模利用ANSYS提供的APDL語言編程實(shí)現(xiàn)參數(shù)化實(shí)體建模，注意一些尺寸是不能進(jìn)行參數(shù)化的，如輪緣外徑，它是根據(jù)飛輪使用時(shí)對空間等的要求事先給定的；螺栓孔的位置，它是由飛輪軸的外徑和裝配情況而定的等。此外，對于分析結(jié)果影響不大的尺寸，也不作為參數(shù)化的尺寸。軸對稱模型的參數(shù)化尺如圖4所示：圖4 旋轉(zhuǎn)對稱面及參數(shù)化的尺寸（2）三維1/8實(shí)體參數(shù)化建模

24、在二維模型的基礎(chǔ)上，將飛輪的旋轉(zhuǎn)對稱面繞Y軸旋轉(zhuǎn)45度然后再構(gòu)造和凹槽，槽的深度H3也作為參數(shù)。飛輪1/8實(shí)體模型界約束，并在飛輪旋轉(zhuǎn)中心軸上施加角速度：w=2800rad/s。3.3飛輪的動(dòng)態(tài)有限元分析3.3.1 二維模型動(dòng)態(tài)有限元分析選取8Node PLANE82為二維軸對稱模型單元。由于在模型中有較小的圓角和尖角，是可能產(chǎn)生應(yīng)力集中地部位，采用NASYS提供的智能網(wǎng)格劃分方法，可以在這些部位產(chǎn)生密度較大的單元，提高計(jì)算精度。模型單元數(shù)：511；節(jié)點(diǎn)數(shù)：1672.在螺栓軸線處施加全約束，在飛輪旋轉(zhuǎn)中心軸上施加角速度w=2800rad/s，二維對稱模型網(wǎng)格如圖5所示。圖5二維對稱模型網(wǎng)格飛輪

25、的應(yīng)力場和位移場的計(jì)算結(jié)果如圖6和7所示。圖6 飛輪的應(yīng)力場 圖7 飛輪的位移場圖6可知，最大應(yīng)力為35.7mpa，位于飛輪小圓角附近。最大節(jié)點(diǎn)位移為0.334e-4m,位于飛輪外緣。由于螺栓處軸線全約束，飛輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，遠(yuǎn)離軸線和靠近軸線的飛輪的質(zhì)心有一定距離，所以產(chǎn)生力矩，導(dǎo)致變形，同時(shí)引起小圓角附近應(yīng)力最大。3.3.2三維模型的動(dòng)態(tài)有限元分析（1）單元類型1/8實(shí)體模型我們選用8節(jié)點(diǎn)SOLID45號單元。因?yàn)閷?shí)體模型體積較大，所以網(wǎng)絡(luò)劃分后節(jié)點(diǎn)數(shù)不能太多，否則會(huì)增加后面的計(jì)算量和時(shí)間。（2）網(wǎng)格劃分采用ANSYS提供的掃掠網(wǎng)格劃分功能，通過掃掠一個(gè)面上的網(wǎng)格將一個(gè)已有的體離散為三維六

26、面體單元。但在實(shí)體建模階段，我們應(yīng)將1/8實(shí)體模型劃分為5個(gè)部分，如圖8所示，使其符合掃掠網(wǎng)格劃分的條件，單元尺寸定為0.004m。圖8三維模型應(yīng)力圖 圖9 三維模型網(wǎng)格劃分及邊界條件（3）邊界條件約束：飛輪由螺栓孔和法蘭盤相連。在1/8三維實(shí)體模型中，因?yàn)樵谶吔缟弦┘訉ΨQ邊界約束，所以我們在螺栓孔只約束其軸向位移，如圖9所示。載荷：施加角速度載荷。（4）應(yīng)力場和位移場的計(jì)算結(jié)果飛輪應(yīng)力場和位移場的計(jì)算結(jié)果如圖，最大應(yīng)力在圖10中螺栓孔處，最大位移在位移圖11中紅色區(qū)域。 圖10 應(yīng)力圖 圖11 位移圖3.3.3 結(jié)果比較兩種方案最大應(yīng)力、位移、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和體積見表2兩種方案的結(jié)果比較：SMA

27、X(M)U-SUM(m)UX99m0IYY(kgm立方)VOLUM(M立方)方案一100E-5方案二表2 最大應(yīng)力、位移、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和體積比較結(jié)果由表中數(shù)據(jù)可知，三維實(shí)體模型中最大應(yīng)力較大，且出現(xiàn)在螺栓孔邊緣。這是因?yàn)榧s束直接施加在螺栓孔面上造成的。軸對稱模型與實(shí)體模型的最大位移位置相同，但軸對稱模型的最大位移U-SUM和徑向位移UX略大，說明考慮螺栓孔和凹槽后離心力所減少；兩種模型轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和體積也略有不同，這同樣是由于三維模型開有螺栓孔和凹槽造成的。利用ANSYS提供的APDL語言編程實(shí)現(xiàn)的參數(shù)化建模得到實(shí)體模型，參數(shù)化尺寸改變后，模型形狀會(huì)隨之改變，有限元網(wǎng)絡(luò)也會(huì)隨實(shí)體改變而改變，同時(shí)計(jì)算結(jié)

28、果也會(huì)立刻呈現(xiàn)出來。這種動(dòng)態(tài)有限元分析可以用于實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地飛輪設(shè)計(jì)進(jìn)行評價(jià)，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)。3.4飛輪的動(dòng)態(tài)優(yōu)化圖12ANSYS軟件完成優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程?；谟邢拊ǖ膬?yōu)化是將有限元分析方法與傳統(tǒng)的優(yōu)化技術(shù)結(jié)合，并應(yīng)用于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，使結(jié)構(gòu)在滿足給定的性能要求條件下，尺寸最佳。圖12是利用ANSYS軟件完成優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程。3.4.1 方案一的優(yōu)化設(shè)計(jì)選取飛輪的總體積為目標(biāo)函數(shù)。由于飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是十分重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，它不能低于同類發(fā)動(dòng)機(jī)參考的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值；同時(shí)飛輪不能發(fā)生強(qiáng)度、剛度方面的破壞，所以從分析結(jié)果中提取轉(zhuǎn)動(dòng)慣量IYY、最大應(yīng)力SMAX、徑向最大位移值UX作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的狀態(tài)量，選參考飛

29、輪相應(yīng)分析結(jié)果作為狀態(tài)的約束，飛輪設(shè)計(jì)變量取值范圍及優(yōu)化結(jié)果如表3所示。優(yōu)化變量MinmunMaximum優(yōu)化結(jié)果參考值變化量設(shè)計(jì)變量B12.89%設(shè)計(jì)變量H1H2-6.25%設(shè)計(jì)變量H2H23.33%設(shè)計(jì)變量R10設(shè)計(jì)變量R23.75%狀態(tài)變量IYY0.20%狀態(tài)變量SMAX4.04E+74.31E+7-0.62%目標(biāo)函數(shù)UX7.69%目標(biāo)函數(shù)-1.24%表3 方案一變量取值范圍及優(yōu)化結(jié)果由表3中數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)變量優(yōu)化結(jié)果與同類型發(fā)動(dòng)機(jī)的參考尺寸相比，變化量小，結(jié)果接近；三個(gè)狀態(tài)變量中只有UX較參考值大，但仍在狀態(tài)變量許可的范圍類；優(yōu)化后飛輪的體積略小于參考飛輪。因此，二維軸對稱模型的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)

30、計(jì)的結(jié)果是令人滿意的。3.4.2 方案二的優(yōu)化設(shè)計(jì)表4所示。優(yōu)化變量MinmunMaximum優(yōu)化結(jié)果參考值變化量設(shè)計(jì)變量B15.8%設(shè)計(jì)變量H1H-12.55%設(shè)計(jì)變量H2H3.33%設(shè)計(jì)變量R10設(shè)計(jì)變量R23.75%設(shè)計(jì)變量H37.14%設(shè)計(jì)變量R3-6.25%狀態(tài)變量IYY0.20%狀態(tài)變量SMAX4.04E+74.31E+7-0.62%目標(biāo)函數(shù)UX7.69%目標(biāo)函數(shù)-1.24%表4 方案二變量取值范圍及優(yōu)化結(jié)果由表4中數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)變量優(yōu)化結(jié)果與同類型發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪的參考尺寸相比，有一定的改變；三個(gè)狀態(tài)變量的值都高于參考值，且均在狀態(tài)變量許可的范圍內(nèi)；優(yōu)化后飛輪的體積小于參考飛輪。由于方案二

31、中參數(shù)化地構(gòu)造了飛輪凹槽，可見，方案二的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果更接近最佳。由于實(shí)體模型單元節(jié)點(diǎn)數(shù)較多，且增加了3個(gè)設(shè)計(jì)變量，因此優(yōu)化循環(huán)計(jì)算量最大，耗費(fèi)機(jī)時(shí)長，在迭代次數(shù)、步長及變量容差得選取等方面應(yīng)予以注意。此外，通過將方案二的優(yōu)化結(jié)果與方案一的對比可以看出飛輪的基本設(shè)計(jì)變量如B1，H1，H,R1和R2的變化并不大，可以參考方案一的優(yōu)化結(jié)果用于這幾個(gè)參數(shù)，構(gòu)造幾何，僅將H3，R3和L3最為三維實(shí)體的設(shè)計(jì)變量，將二維優(yōu)化結(jié)果與三維優(yōu)化設(shè)計(jì)變量的選取結(jié)合起來能夠更加有的放矢，提高工作效率。這里分別對發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪的二維軸對稱模型和三維1/4實(shí)體模型，進(jìn)行了參數(shù)化建模、動(dòng)態(tài)有限元分析及形狀優(yōu)化。將優(yōu)化后的

32、尺寸與同類型發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪的參考尺寸進(jìn)行了分析和較，在滿足飛輪設(shè)計(jì)要求的前提下減輕了飛輪的重量，優(yōu)化結(jié)果是令人滿意的在結(jié)果的概念性設(shè)計(jì)階段可以利用二維軸對稱模型初步優(yōu)化。三維實(shí)體模型的優(yōu)化可建立在軸對稱模型優(yōu)化的基礎(chǔ)上。實(shí)體模型單元節(jié)點(diǎn)數(shù)較多，應(yīng)注意在優(yōu)化循環(huán)過中參數(shù)的設(shè)置?；谟邢拊ǖ膮?shù)化建?？梢钥焖賱?dòng)態(tài)的修改模型動(dòng)態(tài)得到各種分析結(jié)果，并可以進(jìn)行優(yōu)化分析，實(shí)踐證明，利用數(shù)化建?？梢源蟠蟮靥岣咝?，并且可以在設(shè)計(jì)階段的合理范圍內(nèi)任意取值進(jìn)行分析，有利于縮短設(shè)計(jì)周期，降低制造成本。4飛輪澆鑄工藝的設(shè)計(jì)4.1 無冒口鑄造方案的確定飛輪其結(jié)構(gòu)尺寸及鑄造工藝見圖12，該工藝的優(yōu)點(diǎn)是工藝成熟，鑄質(zhì)量穩(wěn)定

33、，無縮口，縮凹缺陷。缺點(diǎn)是組織部均勻，口附近晶粒粗大，動(dòng)平衡試驗(yàn)時(shí)需在對面鉆1孔。為了獲得組織致密的鑄件，在均衡凝固理論的指導(dǎo)下，最終確定該飛輪采用無冒口的鑄造工藝。4.2 無冒口方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施工藝方案見圖13該方案實(shí)施后，鑄件沒有鎖孔，縮凹缺陷，也沒有氣孔、夾砂等缺陷，很快就投入批量生產(chǎn)。至今效果良好，鑄件質(zhì)量穩(wěn)定，綜合廢品率低，動(dòng)平衡試驗(yàn)只需鉆一個(gè)淺孔活著不需要鉆孔。 圖12 工藝方案圖 圖13 工藝方案圖4.3生產(chǎn)過程中應(yīng)注意事項(xiàng)（1）鐵液中c、Si含量在規(guī)定范圍內(nèi)應(yīng)盡量使c高Si，增大共晶石墨膨脹量。（2）盡可能降低澆注溫度，減小液態(tài)收縮量。5、飛輪的加工工藝及流程坯件需經(jīng)時(shí)效處理，

34、噴丸后不得有殘砂。坯件不允許有裂紋、氣孔、砂眼、夾渣、冷隔、疏松等缺陷，不允許有銹蝕。力學(xué)性能：b250MPa（本體）；零件圖如圖14所示：圖14 零件圖該零件屬于多孔類盤型零件。平面和孔系都有行位公差要求，從零件圖可知：該零件的左、右端面精度要求較高 ，采用粗車半精車精車的方法加工到設(shè)計(jì)要求。A平面227的外圓為壓裝齒圈面，因此該圓弧面必須與A基準(zhǔn)保持較高的的同軸度和較高的公差，才能和齒圈內(nèi)孔保證很好的過盈配合而保證飛輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不會(huì)導(dǎo)致齒圈脫落。A平面的外圓臺階相對于26的內(nèi)孔有圓跳動(dòng)和平面度要求，在后續(xù)分析加工方案時(shí)應(yīng)保證該跳動(dòng)和平面度要求，同時(shí)區(qū)域還有粗糙度要求，將粗、精加工分開使其

35、達(dá)到要求。B平面有相對于A基準(zhǔn)有平行度和平面度要求，C平面有相對于B基準(zhǔn)有平行度要求，均采用粗車-精車的加工方法。對于26、60的孔分別為離合器安裝孔和軸承安裝孔，精度要求高，公差要求嚴(yán)格。該孔也應(yīng)該粗、精加工分開，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，零件如圖15所示。圖15 零件圖對于螺紋孔系和銷孔系其形位公差也有很高的要求，同時(shí)對孔的粗糙度也有要求。38的銷孔對基準(zhǔn)A也有位置度得要求，同時(shí)6-M8深13螺紋孔和銷孔在同一個(gè)圓周上。6F7的銷孔和610.5的法蘭孔同一個(gè)圓周上，因此鉆加工時(shí)為保證位置度要求應(yīng)該設(shè)計(jì)工裝時(shí)應(yīng)該有鉆模和鉆模套，可以保證孔與孔之間的位置度關(guān)系和減少加工工序，從而達(dá)到尺寸要求及減少加工時(shí)

36、間提高產(chǎn)量。在安排鉆孔工序時(shí)要考慮鉆孔能達(dá)到的粗糙度等級，精度要求較高的銷孔可以先用小于該孔的鉸刀進(jìn)行粗加工后用鏜刀進(jìn)行精鏜銷孔。選擇定位基準(zhǔn) 選擇左端面的227的臺階外圓面（壓裝齒圈外圓）作為定位精基準(zhǔn)，粗車左端面。這樣可以保證端面跳動(dòng)、圓跳動(dòng)及平行度的要求，被選為精基準(zhǔn)的面在第一道工序來加工，選擇粗基準(zhǔn)的面應(yīng)盡量平整，粗糙度只想對較小的面，這樣有利于加工后的精基準(zhǔn)定位性能較高。擬定工藝方案 由于各表面加工方法及粗精基準(zhǔn)已基本確定，現(xiàn)按照“先粗后精”、“先主后次”、“先面后孔”、“基準(zhǔn)先行”的原則。圖16 飛輪的三維實(shí)體圖（1）毛坯的鑄造。（2）毛坯的檢驗(yàn)。括外形尺寸的檢驗(yàn)，金相、本體化學(xué)成

37、分、抗拉強(qiáng)度等的檢測。(3) 粗車端面，大外圓并鉆孔。以右端面227的臺階外圓為基準(zhǔn)，加工飛輪的有端面及外圓，并鉆中孔。（4）粗車端面、外圓、內(nèi)孔、倒圓并倒角。以粗加工過后左端面250.5的外圓為基準(zhǔn)，加工飛輪的右端面及外圓，倒圓并倒角。（5）精車端面、外圓、鏜孔并倒角。以右端面227的臺階外圓為基準(zhǔn)，精加工飛輪的左端面，鏜中心孔并倒角。（6）車端面、外圓、鏜孔并倒角。以加工過后左端面250.5外圓為基準(zhǔn)，精加工飛輪的左端面及外圓。（7）銑信號齒并去毛刺。（8）齒圈加熱并壓裝。由于齒圈在壓裝過程中會(huì)導(dǎo)致飛輪又輕微變形，所以要留0.5的余量精車，以保證尺寸要求。（9）精車摩擦面、端面及內(nèi)孔。（10）精車端面、外圓、鏜孔并倒角。（11）鉆、鏜6法蘭定位銷孔、鉆6-法蘭孔并倒角。（12）鉆、鏜3-8銷孔，鉆6-6.7螺紋底孔、倒角并攻絲6-M8-6H。（13）動(dòng)平衡試驗(yàn)，由于飛輪在鑄造過程中質(zhì)量的分布不均勻，不對稱，飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生不平衡，不平衡在工作中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和晃動(dòng)。動(dòng)平衡試驗(yàn)以達(dá)到平衡精度要求。動(dòng)平衡試驗(yàn)：不平衡量（Z）；在圖示C面以為中心的圓周上鉆孔修正，孔徑14、孔深5、孔邊距20、孔數(shù)5。（14）終檢，根據(jù)工藝要求，對飛輪的全尺寸進(jìn)行檢測，尤其的關(guān)鍵尺寸和重要尺寸。6 結(jié)論本文通過工作生產(chǎn)實(shí)際結(jié)合理論研究對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)飛