基于汽車發(fā)動機飛輪的設計與制造

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)動機中的作用 5 2.3飛輪的結構、功能及應力分析7 3飛輪的動態(tài)優(yōu)化設計113.1 飛輪的動態(tài)優(yōu)化設計的意義113.2 模型簡化與方案選擇123.3飛輪的動態(tài)有限元分析13 3.4飛輪的動態(tài)優(yōu)化15 4飛輪澆鑄工藝的設計184.1 無冒口鑄造方案的確定184.2 無冒口方案的設計與實施185、飛輪的加工工藝及流程191921216結論237結束語23三 參考文獻25基于汽車發(fā)動機飛輪的設計與制造 摘要 目的 通過對汽車發(fā)動機飛輪的設計模擬的計算了飛輪的飛輪的質量和設計的合理性，使飛輪性能和質量得到了很好的保障。對飛

2、輪澆鑄工藝的設計和加工技術要求、工藝方案的分析，有利于提高飛輪的產品質量、工作性能，節(jié)約了制造和加工的成本，為企業(yè)贏得了時間和效益。方法 利用相關理論知識和參數(shù)化建模，利用ANSYS軟件進行動態(tài)有限元分析得出相應優(yōu)化結果。結合工作生產實際，明確了飛輪澆鑄工藝和加工工藝。結果 在參數(shù)化建模、動態(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)化設計中，通過數(shù)據對比，方案二優(yōu)于方案一。結論 基于有限元法的參數(shù)化建?？梢钥焖賱討B(tài)的修改模型動態(tài)得到各種分析結果。關鍵詞：發(fā)動機飛輪，有限元分析，參數(shù)化建模，無冒口鑄造，機械加工飛輪是汽車發(fā)動機中有重要作用但結構相對簡單的零件之一，本文主要介紹了汽

3、車發(fā)動機飛輪的發(fā)展史，工作原理，應力分析，動態(tài)優(yōu)化設計，澆鑄工藝的設計，機械加工流程等。為了保證飛輪又足夠的轉動慣量、剛度和強度，并使飛輪在滿足設計要求的前提下質量盡可能小，這里利用有限元分析軟件ANSYS對某飛輪進行參數(shù)化建模，動態(tài)的分析了飛輪的應力場與位移場。實踐證明，利用數(shù)化建?？梢源蟠蟮靥岣咝?，并且可以在設計階段的合理范圍內任意取值進行分析，有利于縮短設計周期，降低制造成本。從工作生產實際出發(fā)，研究了飛輪的無冒口鑄造工藝及機械加工工藝規(guī)程，分析了飛輪在加工過程中的注意事項，并完成加工工序設計。1 緒論發(fā)動機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)動機啟動是，飛輪齒圈與啟動齒輪嚙合，帶動曲軸旋轉起動。許多人認為，飛輪僅是在起動時才其作用，其實飛輪不但在發(fā)動機起動時起作用，還在發(fā)動機啟動后貯存和釋放能量來提高發(fā)動機運轉的均勻性，同時將發(fā)動機動力傳遞至離合器。 飛輪是發(fā)動機的關鍵安全件，其功能是調節(jié)發(fā)動機曲軸轉速變化，其穩(wěn)定轉速的作用。發(fā)動機在任何工況下，既使是穩(wěn)定工況，由于負荷的突變，發(fā)動機輸出扭矩與其所帶動的阻力矩之間不相等，二產生曲軸轉動角速度的波動，引起曲軸回轉的不均勻性。這會產生一系列不良后果：對由曲軸驅動的另部件產生沖擊，影響工作可靠性。降低使用壽命，產生噪音曲軸振動等。因此

5、必須控制曲軸回轉的不均勻性在允許范圍之內。飛輪正是在利用其具有較大的轉動微量，在曲軸加減速過程中吸收或釋放其動能，穩(wěn)定曲軸加速度得變化，從而穩(wěn)定轉速。我們知道，四沖程發(fā)動機只有作沖程產生動力，其他進氣、壓縮、排氣沖程是消耗動力，多缸發(fā)動機是間隔地輪流作功，扭矩呈脈沖輸出。另外，當汽車起步時，由于扭力突然劇增會使發(fā)動機轉速急降而熄火。利用飛輪所具有的較大慣性，當曲軸轉速增高時吸收部分能量阻礙其降速，當曲軸轉速降低時釋放部分能量使得其增速，這樣一增一降，提高了曲軸旋轉的均勻性 飛輪的概念很早就出現(xiàn)在人類的生活中，新石器時代的紡錘及陶輪都有類似飛輪的概念。十一世紀時安達盧斯的農藝師Ibn Bassa

6、l在其著作Kitab al-Filaha中，描述飛輪應用在水力機械中的情形。根據從事中世紀研究的學者 Lynn White 的資料，首次出現(xiàn)使用飛輪來作為穩(wěn)定轉速的記載是在德國藝術家 Theophilus Presbyter（約1070-1125）的著作De diversibus artibus（On various arts）中，他在他的許多機器中都使用到飛輪。在工業(yè)革命時，詹姆斯瓦特將飛輪應用在蒸氣機上，而詹姆斯皮卡德（James Pickard）將飛輪和曲柄（Crank）一起使用，將往復式運動變成旋轉運動。飛輪應用在車輛上時，需考慮進動的問題。若一個旋轉的飛輪受到其他會改變其旋轉軸力矩的

7、影響，飛輪的旋轉軸也會會繞另一個軸旋轉，這個稱為進動。一部有垂直軸飛輪的車輛在通過山頂或谷底時，會受到一個橫向的動量，用二個旋轉方向相反的飛輪即可消除此問題。飛輪常運用在打洞機及鉚釘機中，平時儲存馬達提供的能量，在需要功率輸出時，即可釋放原先儲存的能量。在內燃機的應用上，飛輪是連結到曲軸上的大質量輪子，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，部分產品軸承用花鍵代替?，F(xiàn)在隨著愛車一族的不斷鉆研擴展，發(fā)動機飛輪已演變出實用的好多類型，如雙質量減震飛輪（主要用于柴油發(fā)動機），45#鍛鋼輕

8、質量飛輪，鋁合金T6飛輪，輕質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)動機加速快，缺點是收油門后減速也快。材質：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。 灰鑄鐵的力學性能與基體的組織和石墨的形態(tài)有關。灰鑄鐵中的片狀石墨對基體的割裂嚴重，在石墨尖角處易造成應力集中，使灰鑄鐵的抗拉強度、塑性和韌性遠低于鋼，但抗壓強度與鋼相當，也是常用鑄鐵件中力學性能最差的鑄鐵。同時，基體組織對灰鑄鐵的力學性能也有一定的影響，鐵素體基體灰鑄鐵的石墨片粗大，強度和硬度最低，故應用較少；珠光體基體灰鑄鐵的石墨片細

9、小，有較高的強度和硬度，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)動機中的作用 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)沖程傳遞回轉力，由飛輪一時吸收儲蓄，供給下一次動力沖程，能使曲柄軸圓滑的回轉作用，外環(huán)的齒圈可供起時搖轉引擎之用，背面與離合器片接觸，成為離合器總成的主件飛輪是發(fā)動機在曲軸后端的較大的圓盤狀的零件，它具有較大的轉動慣量，具有以下功能：將發(fā)動機作功形成的部分能量儲存起來，以克服其他形成的阻力，使曲軸均勻旋轉。通過安裝在飛輪上的離合器，把發(fā)動機和汽車傳動系統(tǒng)連接起來。裝

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

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

12、飛輪”的范例及其儲存的能量，I=kmr2, k的計算方式請參考轉動慣量列表（表1）。物體k (隨形狀而變)質量直徑轉速所儲存的能量（焦耳）所儲存的能量自行車車輪（時速20公里）11公斤70厘米150 rpm15 J4 103 Wh速度加倍的自行車車輪（時速40公里）11公斤70厘米300 rpm60 J16 103 Wh質量加倍的自行車車輪（時速20公里）12公斤70厘米150 rpm30 J8 103 Wh火車車輪（時速60公里）1/2942公斤1米318 rpm65 kJ18 Wh大卡車車輪（時速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(696rpmnb 1)2.6 1029 J72 YWh ( 1024 Wh)表1轉動慣量列表飛輪能量和材料的關系：對于相同尺寸外形的飛輪，其動能和環(huán)向應力及體積成正比：若以質量來表示，則其動能和質量成正比，也和單位密度的環(huán)向應力成正比：可以稱為比強度（Specific strength）。若飛輪使用材質的比強度越高，

14、其單位質量下的能量密度也就就越大。2.3飛輪的結構、功能及應力分析飛輪效應指為了使靜止的飛輪轉動起來，一開始你必須使很大的力氣，一圈一圈反復地推，每轉一圈都很費力，但是每一圈的努力都不會白費，飛輪會轉動得越來越快。達到某一臨界點后，飛輪的重力和沖力會成為推動力的一部分。這時，你無須再費更大的力氣，飛輪依舊會快速轉動，而且不停地轉動。這就是“飛輪效應”飛輪設計首先應用工程提高發(fā)動機應用配套對飛輪的基本要求。包括適用機型，飛輪因負荷突變而需要穩(wěn)定轉速的基本參數(shù)，如質量、轉動慣量，所需承受的最大轉速，動力輸出和離合器安裝定位孔（面）的要求；安裝起動電機和齒圈的要求。然后根據要求確定飛輪輪緣尺寸。腹板

15、及輪輻過度連接區(qū)域結構、尺寸及厚度，輪轂連接定位結構及尺寸。在此還應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計。一般飛輪螺栓都采用10.9級或更高的螺栓。在經過以上幾個步驟，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)應進行應力分析，這是飛輪設計中得關鍵一步。應力分析中應考慮角加速度、振動、回轉救應、動力輸出和離合器負荷的影響?，F(xiàn)在說明應力分析的計算方法及材料的選取飛輪是高速旋轉運動件，其主要的離心應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，離心力影響的危險剖面是螺栓孔剖面，其離心力應力為：其中式中：S：離心力產生的

16、切向回應了M:輪緣的開狀系數(shù)（rad/see/rpm） 其是根據輪緣形狀，面積轉化為以下圖1中得三種標準形式之一，計算查表確定M。圖1輪緣標準形狀尺寸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），其部分等效面積計算和為（計算過程略）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） ：飛輪計算轉速，一般考慮50%的轉速，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，凹入區(qū)域）。B10飛輪 A2=A1-孔、槽、凹入區(qū)域面積=110718平方毫米則Sc=7751 psi對在應力計算中，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，則用下列計算離心應力： 熱應力：對不帶離合器的飛輪設計，可不進行熱應力計算，熱應力計算公式如下：式中，St：輪緣處產生的最大拉伸熱效應力psi.M1：材料應力系數(shù)B10發(fā)動機飛輪Ed:飛輪一離合器系統(tǒng)能量擴散系數(shù)，由發(fā)動機轉速、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離合器工作區(qū)域的

18、體積，一般轉化標準的結構形式。B10發(fā)動機飛輪 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：算最大全負荷轉速飛輪所能承受的最大轉速由應用工程根據發(fā)動機配套使用確定，飛輪限定的最大全負荷轉速得超過3255rpm,根據上述Sr,St和材料許用應力Sa,核算飛輪所能承受的最大轉速。其應取下列計算公式中得最小值，計算公式為：即 按圖紙要求在飛輪上取試樣進行拉力試驗，取樣標準應該按金屬拉力試樣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。本實驗試件采用d0=10mm,L0=100mm的長試件。將試件裝好后按下“運行”按鈕，試驗機開始按試驗程序進行拉伸，仔細觀察試件和計算機屏幕上的拉伸曲線在拉伸過程中的對應情況，直至拉斷，取下試件并觀察斷口。試驗結束，在試驗結果欄中，程序將自動計算結果顯示在其中。瀏覽拉伸曲線，記錄屈服載荷Fs(Fel)和最大載荷Fbz(Fm)。輸入斷后標距，斷后面積，打印試驗報告。根據測得的灰鑄鐵拉伸載荷Fs、Fb計算出屈服極限和強度極限。 ， ， 3飛輪的動態(tài)優(yōu)化設計3.1 飛輪的動態(tài)優(yōu)化設計的意義在設計任務中，經常遇到系列產品的

20、設計工作，這些產品在結構上基本相同，但由于使用場合、工況的差別，在結構尺寸上形成了一個系列。對于這種設計任務，如果一一地去設計、繪圖等，會帶來很大的重復工作量。這樣不僅浪費了人力、物力資源，也延長了設計周期。另外，工程中得很多結構，在投入正式使用之前，都需要進行有限元結構分析。有限元分析工程中很大一部分工作量在于實際結構抽象出有限元分析數(shù)學模型劃分有限元網絡。該過程通常獨立于建立實體模型。對于系列化產品，其有限元結構分析的工作類似于模型建立工作，有著相當大的重復性。參數(shù)化建模是使用重要幾何參數(shù)快速結構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)化的就可以動態(tài)修改參數(shù)，隨后動態(tài)得到有限元分析結果。飛輪是內燃機中有重要作用但結構形狀相對于簡單的零件之一。它是一個轉動慣量很大的圓盤，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，帶動曲柄連桿結構越過上、下止點，保證曲軸的旋轉角速度和輸出轉矩盡可能均勻，并使發(fā)動機有可能克服短時間的超載荷。此外，在結構上飛輪又往往用作汽車傳動系中摩擦離合器的驅動件。隨著高速內燃機的發(fā)展，飛輪的旋轉速度不斷提高。眾所周知，一旦發(fā)生飛輪強度、剛度方面的破壞，就會出現(xiàn)危險。在設計過程中，除了保證飛輪又足夠的轉動慣量外，應使飛輪滿足設計要求的前提下質量盡可能小

22、，從而減輕發(fā)動機整體重量提高發(fā)動機固有頻率。這里利用通用有限元分析軟件ANSYS對于某發(fā)動機飛輪進行了參數(shù)化建模動態(tài)分析了飛輪的應力場與位移場，并利用ANSYS優(yōu)化模塊對飛輪的主要尺寸參照同類型發(fā)動機的性能參數(shù)進行了優(yōu)化，在滿足飛輪設計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絡規(guī)模不致過大，建模時忽略了一些小得細節(jié)，如小倒角、定位孔等，并假設：飛輪以恒定的轉速作高速旋轉；整個飛輪只受慣性力作用，考慮螺栓的約束，不考慮螺栓處的預緊力；飛輪的均質圓盤。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，飛輪無論是結果形狀，還是載荷約束

23、條件都符合軸對稱結果要求。因此，方案一將飛輪簡化為二維軸對稱結構進行參數(shù)建模、有限元分析和形狀優(yōu)化設計；方案二在實體建模中考慮螺栓孔與減重槽，這樣可將飛輪簡化為1/4三維實體模型進行參數(shù)化建模、有限元分析和形狀優(yōu)化設計。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語言編程實現(xiàn)參數(shù)化實體建模，注意一些尺寸是不能進行參數(shù)化的，如輪緣外徑，它是根據飛輪使用時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 旋轉對稱面及參數(shù)化的尺寸（2）三維1/8實體參數(shù)化建模

24、在二維模型的基礎上，將飛輪的旋轉對稱面繞Y軸旋轉45度然后再構造和凹槽，槽的深度H3也作為參數(shù)。飛輪1/8實體模型界約束，并在飛輪旋轉中心軸上施加角速度：w=2800rad/s。3.3飛輪的動態(tài)有限元分析3.3.1 二維模型動態(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，是可能產生應力集中地部位，采用NASYS提供的智能網格劃分方法，可以在這些部位產生密度較大的單元，提高計算精度。模型單元數(shù)：511；節(jié)點數(shù)：1672.在螺栓軸線處施加全約束，在飛輪旋轉中心軸上施加角速度w=2800rad/s，二維對稱模型網格如圖5所示。圖5二維對稱模型網格飛輪

25、的應力場和位移場的計算結果如圖6和7所示。圖6 飛輪的應力場 圖7 飛輪的位移場圖6可知，最大應力為35.7mpa，位于飛輪小圓角附近。最大節(jié)點位移為0.334e-4m,位于飛輪外緣。由于螺栓處軸線全約束，飛輪旋轉產生離心力，遠離軸線和靠近軸線的飛輪的質心有一定距離，所以產生力矩，導致變形，同時引起小圓角附近應力最大。3.3.2三維模型的動態(tài)有限元分析（1）單元類型1/8實體模型我們選用8節(jié)點SOLID45號單元。因為實體模型體積較大，所以網絡劃分后節(jié)點數(shù)不能太多，否則會增加后面的計算量和時間。（2）網格劃分采用ANSYS提供的掃掠網格劃分功能，通過掃掠一個面上的網格將一個已有的體離散為三維六

26、面體單元。但在實體建模階段，我們應將1/8實體模型劃分為5個部分，如圖8所示，使其符合掃掠網格劃分的條件，單元尺寸定為0.004m。圖8三維模型應力圖 圖9 三維模型網格劃分及邊界條件（3）邊界條件約束：飛輪由螺栓孔和法蘭盤相連。在1/8三維實體模型中，因為在邊界上要施加對稱邊界約束，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）應力場和位移場的計算結果飛輪應力場和位移場的計算結果如圖，最大應力在圖10中螺栓孔處，最大位移在位移圖11中紅色區(qū)域。 圖10 應力圖 圖11 位移圖3.3.3 結果比較兩種方案最大應力、位移、轉動慣量和體積見表2兩種方案的結果比較：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 最大應力、位移、轉動慣量和體積比較結果由表中數(shù)據可知，三維實體模型中最大應力較大，且出現(xiàn)在螺栓孔邊緣。這是因為約束直接施加在螺栓孔面上造成的。軸對稱模型與實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；兩種模型轉動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語言編程實現(xiàn)的參數(shù)化建模得到實體模型，參數(shù)化尺寸改變后，模型形狀會隨之改變，有限元網絡也會隨實體改變而改變，同時計算結

28、果也會立刻呈現(xiàn)出來。這種動態(tài)有限元分析可以用于實時、動態(tài)地飛輪設計進行評價，是結構優(yōu)化的基礎。3.4飛輪的動態(tài)優(yōu)化圖12ANSYS軟件完成優(yōu)化設計的過程。基于有限元法的優(yōu)化是將有限元分析方法與傳統(tǒng)的優(yōu)化技術結合，并應用于結構優(yōu)化設計中，使結構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)化設計的過程。3.4.1 方案一的優(yōu)化設計選取飛輪的總體積為目標函數(shù)。由于飛輪的轉動慣量是十分重要的設計參數(shù)，它不能低于同類發(fā)動機參考的轉動慣量值；同時飛輪不能發(fā)生強度、剛度方面的破壞，所以從分析結果中提取轉動慣量IYY、最大應力SMAX、徑向最大位移值UX作為優(yōu)化設計的狀態(tài)量，選參考飛

29、輪相應分析結果作為狀態(tài)的約束，飛輪設計變量取值范圍及優(yōu)化結果如表3所示。優(yōu)化變量MinmunMaximum優(yōu)化結果參考值變化量設計變量B12.89%設計變量H1H2-6.25%設計變量H2H23.33%設計變量R10設計變量R23.75%狀態(tài)變量IYY0.20%狀態(tài)變量SMAX4.04E+74.31E+7-0.62%目標函數(shù)UX7.69%目標函數(shù)-1.24%表3 方案一變量取值范圍及優(yōu)化結果由表3中數(shù)據，設計變量優(yōu)化結果與同類型發(fā)動機的參考尺寸相比，變化量小，結果接近；三個狀態(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態(tài)優(yōu)化設

30、計的結果是令人滿意的。3.4.2 方案二的優(yōu)化設計表4所示。優(yōu)化變量MinmunMaximum優(yōu)化結果參考值變化量設計變量B15.8%設計變量H1H-12.55%設計變量H2H3.33%設計變量R10設計變量R23.75%設計變量H37.14%設計變量R3-6.25%狀態(tài)變量IYY0.20%狀態(tài)變量SMAX4.04E+74.31E+7-0.62%目標函數(shù)UX7.69%目標函數(shù)-1.24%表4 方案二變量取值范圍及優(yōu)化結果由表4中數(shù)據，設計變量優(yōu)化結果與同類型發(fā)動機飛輪的參考尺寸相比，有一定的改變；三個狀態(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；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)化地構造了飛輪凹槽，可見，方案二的動態(tài)優(yōu)化設計的結果更接近最佳。由于實體模型單元節(jié)點數(shù)較多，且增加了3個設計變量，因此優(yōu)化循環(huán)計算量最大，耗費機時長，在迭代次數(shù)、步長及變量容差得選取等方面應予以注意。此外，通過將方案二的優(yōu)化結果與方案一的對比可以看出飛輪的基本設計變量如B1，H1，H,R1和R2的變化并不大，可以參考方案一的優(yōu)化結果用于這幾個參數(shù)，構造幾何，僅將H3，R3和L3最為三維實體的設計變量，將二維優(yōu)化結果與三維優(yōu)化設計變量的選取結合起來能夠更加有的放矢，提高工作效率。這里分別對發(fā)動機飛輪的二維軸對稱模型和三維1/4實體模型，進行了參數(shù)化建模、動態(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)動機飛輪的參考尺寸進行了分析和較，在滿足飛輪設計要求的前提下減輕了飛輪的重量，優(yōu)化結果是令人滿意的在結果的概念性設計階段可以利用二維軸對稱模型初步優(yōu)化。三維實體模型的優(yōu)化可建立在軸對稱模型優(yōu)化的基礎上。實體模型單元節(jié)點數(shù)較多，應注意在優(yōu)化循環(huán)過中參數(shù)的設置?；谟邢拊ǖ膮?shù)化建?？梢钥焖賱討B(tài)的修改模型動態(tài)得到各種分析結果，并可以進行優(yōu)化分析，實踐證明，利用數(shù)化建?？梢源蟠蟮靥岣咝剩⑶铱梢栽谠O計階段的合理范圍內任意取值進行分析，有利于縮短設計周期，降低制造成本。4飛輪澆鑄工藝的設計4.1 無冒口鑄造方案的確定飛輪其結構尺寸及鑄造工藝見圖12，該工藝的優(yōu)點是工藝成熟，鑄質量穩(wěn)定

33、，無縮口，縮凹缺陷。缺點是組織部均勻，口附近晶粒粗大，動平衡試驗時需在對面鉆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 無冒口方案的設計與實施工藝方案見圖13該方案實施后，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。至今效果良好，鑄件質量穩(wěn)定，綜合廢品率低，動平衡試驗只需鉆一個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生產過程中應注意事項（1）鐵液中c、Si含量在規(guī)定范圍內應盡量使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時效處理，

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計要求。A平面227的外圓為壓裝齒圈面，因此該圓弧面必須與A基準保持較高的的同軸度和較高的公差，才能和齒圈內孔保證很好的過盈配合而保證飛輪在運轉過程中不會導致齒圈脫落。A平面的外圓臺階相對于26的內孔有圓跳動和平面度要求，在后續(xù)分析加工方案時應保證該跳動和平面度要求，同時區(qū)域還有粗糙度要求，將粗、精加工分開使其

35、達到要求。B平面有相對于A基準有平行度和平面度要求，C平面有相對于B基準有平行度要求，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，公差要求嚴格。該孔也應該粗、精加工分開，以達到設計要求，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，同時對孔的粗糙度也有要求。38的銷孔對基準A也有位置度得要求，同時6-M8深13螺紋孔和銷孔在同一個圓周上。6F7的銷孔和610.5的法蘭孔同一個圓周上，因此鉆加工時為保證位置度要求應該設計工裝時應該有鉆模和鉆模套，可以保證孔與孔之間的位置度關系和減少加工工序，從而達到尺寸要求及減少加工時

36、間提高產量。在安排鉆孔工序時要考慮鉆孔能達到的粗糙度等級，精度要求較高的銷孔可以先用小于該孔的鉸刀進行粗加工后用鏜刀進行精鏜銷孔。選擇定位基準 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，粗車左端面。這樣可以保證端面跳動、圓跳動及平行度的要求，被選為精基準的面在第一道工序來加工，選擇粗基準的面應盡量平整，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已基本確定，現(xiàn)按照“先粗后精”、“先主后次”、“先面后孔”、“基準先行”的原則。圖16 飛輪的三維實體圖（1）毛坯的鑄造。（2）毛坯的檢驗。括外形尺寸的檢驗，金相、本體化學成

37、分、抗拉強度等的檢測。(3) 粗車端面，大外圓并鉆孔。以右端面227的臺階外圓為基準，加工飛輪的有端面及外圓，并鉆中孔。（4）粗車端面、外圓、內孔、倒圓并倒角。以粗加工過后左端面250.5的外圓為基準，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，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，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導致飛輪又輕微變形，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）動平衡試驗，由于飛輪在鑄造過程中質量的分布不均勻，不對稱，飛輪轉動時會產生不平衡，不平衡在工作中會產生振動和晃動。動平衡試驗以達到平衡精度要求。動平衡試驗：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，根據工藝要求，對飛輪的全尺寸進行檢測，尤其的關鍵尺寸和重要尺寸。6 結論本文通過工作生產實際結合理論研究對汽車發(fā)動機飛