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飞轮的设计与校核(二)
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毕业论文范文题目:
飞轮的设计与校核(二)
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飞轮的设计与校核(二)
飞轮的设计与校核(二)毕业论文范文介绍开始:
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:
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。
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。
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:
(1)
其中是机组的转动惯量;是角速度。
整理后,对ab段进行积分。
(2)
正剩余功 (3)
动能增加量。 (4)
取平均角速度 (5)
定义曲轴旋转不均匀度 (6)
则
(7)
则不均匀度
(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
(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。
图2 输出扭矩曲线
图3 局部扭矩曲线
图4 模拟数据与拟合曲线
通过积分,得到
(10)
(11)
(12)
通过对现有的飞轮进行计算,得到 (13)
加上两个曲柄单元的转动惯量
(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。
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:
(15)
固紧飞轮的螺栓计算面积A
(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 (17)
此时曲轴转角为
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。
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:
(18)
受力面积
(19)
压应力
(20)
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。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.
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