毕业设计基于汽车发动机飞轮的设计与制造

目 录

一 摘要…………………………………………………………………………………3 二 正文…………………………………………………………………………………3 1 绪论………………………………………………………………………………3 选题的意义与目的……………………………………………………………3 飞轮的进展史…………………………………………………………………4 2飞轮工作的原理及………………………………………………………………5

飞轮的组成和材料的…………………………………………………………5

飞轮原理及在发动机中的作用 ……………………………………………5

飞轮的结构、功能及应力分析………………………………………………7 3飞轮的动态优化设计……………………………………………………………11 飞轮的动态优化设计的意义………………………………………………11 模型简化与方案选择………………………………………………………12

飞轮的动态有限元分析………………………………………………………13 飞轮的动态优化………………………………………………………………15 4飞轮浇铸工艺的设计……………………………………………………………18 无冒口铸造方案的确信……………………………………………………18 无冒口方案的设计与实施…………………………………………………18 五、飞轮的加工工艺及流程………………………………………………………19 飞轮要紧加工技术要求分析…………………………………………………19 工艺方案分析…………………………………………………………………21 飞轮机械加工工艺线路的制定………………………………………………21 6结论………………………………………………………………………………23 7终止语……………………………………………………………………………23 三 参考文献………………………………………………………………………25

基于汽车发动机飞轮的设计与制造

学号：09 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，使飞轮性能和质量取得了专门好的保障。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本钱，为企业博得了时刻和效益。方式 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，通过数据对照，方案二优于方案一。结论 基于有限元法的参数化建模能够快速动态的修改模型动态取得各类分析结果。

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，本文要紧介绍了汽车发动机飞轮的进展史，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，并使飞轮在知足设计要求的前提下质量尽可能小，那个地址利用有限元分析软件ANSYS对某飞轮进行参数化建模，动态的分析了飞轮的应力场与位移场。实践证明，利用数化建模能够大大地提高效率，而且能够在设计时期的合理范围内任意取值进行分析，有利于缩短设计周期，降低制造本钱。从工作生产实际动身，研究了飞轮的无冒口铸造工艺及机械加工工艺规程，分析了飞轮在加工进程中的注意事项，并完成加工工序设计。

1 绪论

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，具有必然的重量（汽车工程称为质量），用螺栓固定在曲轴后端面上，其齿圈镶嵌在飞轮外圆。发动机启动是，飞轮齿圈与启动齿轮啮合，带动曲轴旋转起动。许多人以为，飞轮仅是在起动时才其作用，其实飞轮不但在发动机起动时起作用，还在发动机启动后贮存和释放能量来提多发动机运转的均匀性，同时将发动机动力传递至聚散器。

飞轮是发动机的关键平安件，其功能是调剂发动机曲轴转速转变，其稳固转速的作用。发动机在任何工况下，既使是稳固工况，由于负荷的突变，发动机输出扭矩与其所带动的阻力矩之间不相等，二产生曲轴转动角速度的波动，引发曲轴回转的不均匀性。这会产生一系列不良后果：对由曲轴驱动的另部件产生冲击，阻碍工作靠得住性。降低利用寿命，产生噪音曲轴振动等。因此必需操纵曲轴回转的不均匀性在许诺范围之内。飞轮正是在利用其具有较大的转动微量，在曲轴加减速进程中吸收或释放其动能，稳固曲轴加速度得转变，从而稳固转速。

咱们明白，四冲程发动机只有作冲程产生动力，其他进气、紧缩、排气冲程是消耗动力，多缸发动机是距离地连番作功，扭矩呈脉冲输出。另外，当汽车起步时，由于扭力突然剧增会使发动机转速急降而熄火。利用飞轮所具有的较大惯性，当曲轴转速增高时吸收部份能量阻碍其降速，当曲轴转速降低时释放部份能量使得其增速，如此一增一降，提高了曲轴旋转的均匀性

飞轮的进展史

飞轮的概念很早就出此刻人类的生活中，的及都有类似飞轮的概念。。十一世纪时的农艺师Ibn Bassal在其高作《Kitab al-Filaha》中，描述飞轮应用在水力机械中的情形。依照从事中世纪研究的学者 Lynn White 的资料，第一次显现利用飞轮来作为稳固转速的记载是在艺术家 Theophilus Presbyter（约1070-1125）的高作《De diversibus artibus》（On various arts）中，他在他的许多机械中都利用到飞轮。在时，将飞轮应用在上，而（）将飞轮和（）一路利用，将往复式运动变成旋转运动。飞轮应用在车辆上时，需考虑的问题。假设一个旋转的飞轮受到其他会改变其旋转轴力矩的阻碍，飞轮的旋转轴也会会绕另一个轴旋转，那个称为进动。一部有垂直轴飞轮的车辆在通过山顶或谷底时，会受到一个横向的动量，用二个旋转方向相反的飞轮即可排除此问题。飞轮常运用在打洞机及铆钉机中，平常贮存马达提供的能量，在需要功率输出时，即可释放原先贮存的能量。在内燃机的应用上，飞轮是连结到上的大质量轮子，要紧目的是维持曲轴上固定的角速度。

2飞轮工作的原理及应力分析

飞轮的组成和材料的选取

飞轮总成 （Flywheel assembly ）一样由飞轮、齿圈、聚散器定位销、轴承等组成，部份产品轴承用花键代替。

此刻随着爱车一族的不断钻研扩展，发动机飞轮已演变出有效的好多类型，如双质量减震飞轮（要紧用于柴油发动机），45#锻钢轻质量飞轮，铝合金T6飞轮，轻质量飞轮要紧用于赛车和特殊爱好者利用，安装这种飞轮以后，发动机加速快，缺点是收油门后减速也快。

材质：一样利用铸铁 ：HT200 HT250 ；球铁：QT450-10、QT600-3、QT500-7 等，国外也有效45号钢制作的飞轮。

灰铸铁的力学性能与基体的组织和石墨的形态有关。灰铸铁中的片状石墨对基体的割裂严峻，在石墨尖角处易造成应力集中，使灰铸铁的抗拉、塑性和韧性远低于钢，但抗压强度与钢相当，也是经常使用中力学性能最差的铸铁。同时，基体组织对灰铸铁的力学性能也有必然的阻碍，铁素体基体灰铸铁的粗大，强度和最低，故应用较少；珠光体基体灰铸铁的石墨片细小，有较高的强度和硬度，要紧用来制造较重要；铁素体一珠光体基体灰铸铁的石墨片较珠光体灰铸铁稍粗大，性能不如珠光体灰铸铁。

飞轮原理及在发动机中的作用

飞轮(Flywheel)装置在曲柄的轴的一端，是铸铁制造较重的轮盘，在暴发冲程传递回转力，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，反面与聚散器片接触，成为聚散器总成的主件

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份能量贮存起来，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聚散器，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。

飞轮，是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份能量贮存起来，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，把发动机和连接起来；装有与接合的齿圈，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，能量以的方式贮存在中：

1EkI2

2其中 ω 是

I 是相对轴心的，转动惯量是物体抗击的能力，给予必然力矩，转动惯量越大的物体转速越低。

固体圆柱的转动惯量为I12mr, 2假设是薄壁空心圆柱，转动惯量为Imr2, 假设是厚壁空心圆柱，转动惯量那么为I1m(r12r22). 2其中 m 表示质量，r 表示半径，在中能够找到更多的信息。在利用计算时，质量、半径及角速度的单位别离是千克、米，弧度/秒，所取得的结果会是。

由于飞轮可贮存的能量是和转动惯量成正比，因此在设计飞轮时，会尽可能在不变更质量的条件下，去增加其转动惯量，例如说中间搂空将，质量集中在飞轮的外围等作法。

在利用飞轮贮存能量时，还需要考虑在转子不变形或断裂的前提下，飞轮可贮存的能量上限，转子的（）是要紧的考量因素：

tr22

其中：

σt 是转子外圈所受到的张应力 ρ 是转子的密度 r 是转子的半径 ω 是转子的

飞轮贮存的能量

范例：

以下是一些“飞轮”的范例及其贮存的能量，I = kmr2, k的计算方式请参考（表1）。

物体 k (随形状而质量 直径 转速 所储存的能量（焦耳） 所储存的能量 自行车车轮 （时速20公里） 速度加倍的自行车车轮（时速40公里） 质量加倍的自行车车轮（时速20公里） 火车车轮 （时速60公里） 大卡车车轮（时速30公里） 小的飞轮电池 火车用的飞轮 变) 1 1 1 1/2 1/2 1/2 1/2 1公斤 1公斤 2公斤 942 公斤 1000公斤 100 公斤 3000公斤 600 公斤 × 1024 公斤 70厘米 70厘米 70厘米 1米 2米 150 rpm 300 rpm 150 rpm 318 rpm 79 rpm 15 J 60 J 30 J 65 kJ 17 kJ MJ 33 MJ 4 × 10−3 Wh 16 × 10−3 Wh 8 × 10−3 Wh 18 Wh Wh kWh kWh 26 kWh 60厘米 20000 rpm 50厘米 8000 rpm 备用电源用的飞轮 1/2 地球 2/5 50厘米 30000 rpm 92 MJ 12,725公里 大约每天一转(696 µrpm) × 1029 J 72 Wh (× 1024 Wh) 表1

飞轮能量和材料的关系：

关于相同尺寸外形的飞轮，其动能和环向应力及体积成正比：EktV 假设以质量来表示，那么其动能和质量成正比，也和单位密度的环向应力成正比：Ekt能够称为（）。假设飞轮利用材质的比强度越高，其单位质量下的能量密度也就就越大。

tm 飞轮的结构、功能及应力分析

飞轮效应指为了使的转动起来，一开始你必需使专门大的力气，一圈一圈反复地推，每转一圈都很费力，可是每一圈的尽力都可不能白搭，飞轮会转动得愈来愈快。达到某一后，飞轮的和冲力会成为推动力的一部份。这时，你不必再费更大的力气，飞轮依旧会快速转动，而且不断地转动。这确实是“飞轮效应”

飞轮设计第一应用工程提多发动机应用配套对飞轮的大体要求。包括适用机型，飞轮因负荷突变而需要稳固转速的大体参数，如质量、转动惯量，所需经受的最大转速，动力输出和聚散器安装定位孔（面）的要求；安装起动电机和齿圈

的要求。然后依照要求确信飞轮轮缘尺寸。腹板及轮辐过度连接区域结构、尺寸及厚度，轮毂连接定位结构及尺寸。在此还应确信飞轮安装螺栓的规格和品级，以便飞轮安装部位的设计。一样飞轮螺栓都采纳级或更高的螺栓。

在通过以上几个步骤，大体上确信了飞轮的直径、轮缘形状，辐板偏心量、飞轮开槽钻孔等本形式后，现应进行应力分析，这是飞轮设计中得关键一步。应力分析中应考虑角加速度、振动、回转救应、动力输出和聚散器负荷的阻碍。

此刻说明应力分析的计算方式及材料的选取

离心应力

飞轮是高速旋转运动件，其要紧的离心应力是作用于飞轮栓安装孔剖面，BJ374飞轮聚散器销孔剖面轮缘短，螺栓孔剖面轮缘长，离心力阻碍的危险剖面是螺栓孔剖面，其离心力应力为：ScMP2R2其中式中：

S：离心力产生的切向回应了 M:轮缘的开状系数（rad/see/rpm）

其是依照轮缘形状，面积转化为以以下图1中得三种标准形式之一，计算查表确信M。

A1 A2

图1轮缘标准形状尺寸

B10飞轮已知Wr,R-轮缘近似径向厚度为，将轮缘划分成三部份（见图），其部份等效面积计算和为（计算进程略）

TrWr3405.8mm2 Tr3405.83405.8991.5Wr3.435

那么

TrWr4.206 59.4741 RTA查表图，线性插值

rad/secM0.295

rom3g/mmρ：材料密度

32飞轮材料一样选用灰铸铁250（HT250） ρ=g/mm ω：飞轮计算转速，一样考虑50%的转速，

W=×2100=3150rpm

R:飞轮外径 B10飞轮:已知R=127

A1：飞轮剖面径向无钻孔，开槽等的实心面积。

B10飞轮 A1=轮缘面积+圆盘面积+法兰面积=147129平安毫米

As：飞轮剖面径向最小面积（包括去除所有的钻孔、开槽，凹入区域）。 B10飞轮 A2=A1-孔、槽、凹入区域面积=110718平方毫米 那么Sc=7751 psi

对在应力计算中，轮缘长度大于轮辐厚度4倍以上，或轮缘伸出长度大于轮缘厚度3倍以上的，那么用以下计算离心应力：

2Sc8.421032R0Ar1(psi) Ar2 热应力：

对不带聚散器的飞轮设计，可不进行热应力计算，热应力计算公式如下：

StM1EdA1psi NVeffA2式中，St：轮缘处产生的最大拉伸热效应力psi. M1：材料应力系数

B10发动机飞轮，材料为HT250,查表M=

Ed:飞轮一聚散器系统能量扩散系数，由发动机转速、聚散器传输扭矩、啮合速度确信，对B10飞轮和Lipe14n-2聚散器。

N：聚散器摩擦片数量，Lipe14n-2聚散器为双盘，因此N=2。

Weff飞轮有效体积是指有关聚散器工作区域的体积，一样转化标准的结构形式。

B10发动机飞轮 Weff：圆盘体积+轮缘有效体积（前、后缘） 圆盘体积：

t 后缘体积：由已知L0、T0、R0， 则

R0L6.7 00.8744 T0T0查表图，线性插值得：算最大全负荷转速

LeffT00.9 得：Leff0.91.251.25n

飞轮所能经受的最大转速由应用工程依照发动机配套利用确信，飞轮限定的最大全负荷转速得超过3255rpm,依照上述Sr,St和材料许用应力Sa,核算飞轮所能经受的最大转速。其应取以下计算公式中得最小值，计算公式为：

S2Wmaxa 3Sr3(SaSt)Sc2即 Wmax

3St拉强度实验

按图纸要求在飞轮上取试样进行拉力实验，取样标准应该按《金属拉力试样》GB6397-86执行。拉力试样如图2：

图2 拉力试样

L--平行长度，L≥L0+d0；

L0—试件平行长度部份两条刻线间的距离，成为原始标距； d0—平行长度部份原始直径。 圆形比例试件分两种： L0=10d0，称为长试件； L0=5 d0，称为短试件。

本实验试件采纳d0=10mm,L0=100mm的长试件。

将试件装好后按下“运行”按钮，实验机开始按实验程序进行拉伸，认真观看试件和运算机屏幕上的拉伸曲线在拉伸进程中的对应情形，直至拉断，取下试件并观看断口。实验终止，在实验结果栏中，程序将自动计算结果显示在其中。阅读拉伸曲线，记录屈服载荷Fs(Fel)和最大载荷Fbz(Fm)。输入断后标距，断后面积，打印实验报告。

依照测得的灰铸铁拉伸载荷Fs、Fb计算出屈服极限s和强度极限b。

d02FsFb s ， b ， A04A0A0

3飞轮的动态优化设计

飞轮的动态优化设计的意义

在设计任务中，常常碰到系列产品的设计工作，这些产品在结构上大体相同，但由于利用处合、工况的不同，在结构尺寸上形成了一个系列。关于这种设计任务，若是一一地去设计、画图等，会带来专门大的重复工作量。如此不仅浪费了人力、物力资源，也延长了设计周期。另外，工程中得很多结构，在投入正式利用之前，都需要进行有限元结构分析。有限元分析工程中专门大一部份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。该进程通常于成立实体模型。关于系列化产品，其有限元结构分析的工作类似于模型成立工作，有着相当大的重复性。

参数化建模是利用重要几何参数快速结构和修改几何模型的一种造型方式，这些几何参数包括操纵形状大小的尺寸和定位形状的方向矢量等。假设几何模型的所有尺寸是参数化的就能够够动态修改参数，随后动态取得有限元分析结果。

飞轮是内燃机中有重要作用但结构形状相关于简单的零件之一。它是一个转动惯量专门大的圆盘，其中要功用是将在做功行程中传输给曲轴的功的一部份贮存起来，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刻的超载荷。另外，在结构上飞轮又往往用作汽车传动系中摩擦聚散器的驱动件。

随着高速内燃机的进展，飞轮的旋转速度不断提高。众所周知，一旦发生飞轮强度、刚度方面的破坏，就会显现危险。在设计进程中，除保证飞轮又足够的转动惯量外，应使飞轮知足设计要求的前提下质量尽可能小，从而减轻发动机整

体重量提多发动机固有频率。那个地址利用通用有限元分析软件ANSYS关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优化模块对飞轮的要紧尺寸参照同类型发动机的性能参数进行了优化，在知足飞轮设计要求的前提下减轻了飞轮的重量。

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；飞轮的均质圆盘。飞轮简化模型如图3所示，

图3 飞轮简化模型如下图

方案选择

假设不考虑螺栓孔和减重槽，飞轮不管是结果形状，仍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，如此可将飞轮简化为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。 参数化建模

（1）二维轴对称参数化建模

利用ANSYS提供的APDL语言编程实现参数化实体建模，注意一些尺寸是不能进行参数化的，如轮缘外径，它是依照飞轮利历时对空间等的要求事前给定的；螺栓孔的位置，它是由飞轮轴的外径和装配情形而定的等。另外，关于分析结果阻碍不大的尺寸，也不作为参数化的尺寸。轴对称模型的参数化尺如图4所示：

图4 旋转对称面及参数化的尺寸

（2）三维1/8实体参数化建模

在二维模型的基础上，将飞轮的旋转对称面绕Y轴旋转45度然后再构造和凹槽，槽的深度H3也作为参数。飞轮1/8实体模型界约束，并在飞轮旋转中心轴上施加角速度：w=2800rad/s。

飞轮的动态有限元分析

二维模型动态有限元分析

选取8Node PLANE82为二维轴对称模型单元。由于在模型中有较小的圆角和尖角，是可能产生应力集中地部位，采纳NASYS提供的智能网格划分方式，能够在这些部位产生密度较大的单元，提高计算精度。模型单元数：511；节点数：1672.在螺栓轴线处施加全约束，在飞轮旋转中心轴上施加角速度w=2800rad/s，二维对称模型网格如图5所示。

图5二维对称模型网格

飞轮的应力场和位移场的计算结果如图6和7所示。

图6 飞轮的应力场 图7 飞轮的位移场

图6可知，最大应力为，位于飞轮小圆角周围。最大节点位移为,位于飞轮外缘。由于螺栓处轴线全约束，飞轮旋转产生离心力，远离轴线和靠近轴线的飞轮的质心有必然距离，因此产生力矩，致使变形，同时引发小圆角周围应力最大。 三维模型的动态有限元分析

（1）单元类型

1/8实体模型咱们选用8节点SOLID45号单元。因为实体模型体积较大，因此网络划分后节点数不能太多，不然会增加后面的计算量和时刻。

（2）网格划分

采纳ANSYS提供的扫掠网格划分功能，通过扫掠一个面上的网格将一个已有的体离散为三维六面体单元。但在实体建模时期，咱们应将1/8实体模型划分为5个部份，如图8所示，使其符合扫掠网格划分的条件，单元尺寸定为。

图8三维模型应力图 图9 三维模型网格划分及边界条件

（3）边界条件

约束：飞轮由螺栓孔和法兰盘相连。在1/8三维实体模型中，因为在边界上要施加对称边界约束，因此咱们在螺栓孔只约束其轴向位移，如图9所示。

载荷：施加角速度载荷。

（4）应力场和位移场的计算结果

飞轮应力场和位移场的计算结果如图，最大应力在图10中螺栓孔处，最大位移在位移图11中红色区域。

图10 应力图 图11 位移图

结果比较

两种方案最大应力、位移、转动惯量和体积见表2两种方案的结果比较：

方案一 方案二 SMAX(M) U-SUM(m) UX99m0 IYY(kgm立方) VOLUM(M立方) 100E-5 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，且出此刻螺栓孔边缘。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，这一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取得实体模型，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，同时计算结果也会立刻呈现出来。这种动态有限元分析能够用于实时、动态地飞轮设计进行评判，是结构优化的基础。

飞轮的动态优化

图12 ANSYS软件完成优化设计的进程。

基于有限元法的优化是将有限元分析方式与传统的优化技术结合，并应用于结构优化设计中，使结构在知足给定的性能要求条件下，尺寸最正确。图12是利用ANSYS软件完成优化设计的进程。 方案一的优化设计

选取飞轮的整体积为目标函数。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，因此从分析结果中提取转动惯量IYY、最大应力SMAX、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。

设计变量 设计变量 设计变量 设计变量 设计变量 状态变量 状态变量 优化变量 Minmun Maximum 优化结果 参考值 B1 H1 H2 R1 R2 IYY SMAX H2 H2 +7 +7 变化量 % % % 0 % % % 目标函数 目标函数 UX % % 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较，转变量小，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中意的。 方案二的优化设计

在三维参数化建模与有限元分析的基础上，仍选取飞轮的整体积为目标函数，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。 设计变量 设计变量 设计变量 设计变量 设计变量 设计变量 设计变量 状态变量 状态变量 目标函数 目标函数 优化变量 Minmun Maximum 优化结果 参考值 B1 H1 H2 R1 R2 H3 R3 IYY SMAX UX H H +7 +7 变化量 % % % 0 % % % % % % % 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较，有必然的改变；三个状态变量的值都高于参考值，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正确。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，花费机时长，在迭代次数、步长及变量容差得选取等方面应予以注意。另外，通过将方案二的优化结果与方案一的对照能够看出飞轮的大体设计变量如B1，H1，H,R1和R2的转变并非大，能

够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加倍有的放矢，提高工作效率。

那个地址别离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，在知足飞轮设计要求的前提下减轻了飞轮的重量，优化结果是令人中意的

在结果的概念性设计时期能够利用二维轴对称模型初步优化。三维实体模型的优化可成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能够快速动态的修改模型动态取得各类分析结果，并能够进行优化分析，实践证明，利用数化建模能够大大地提高效率，而且能够在设计时期的合理范围内任意取值进行分析，有利于缩短设计周期，降低制造本钱。

4飞轮浇铸工艺的设计

无冒口铸造方案的确信

飞轮其结构尺寸及铸造工艺见图12，该工艺的优势是工艺成熟，铸质量稳固，无缩口，缩凹缺点。缺点是组织部均匀，口周围晶粒粗大，动平稳实验时需在对面钻1~孔。为了取得组织致密的铸件，在均衡凝固理论的指导下，最终确信该飞轮采纳无冒口的铸造工艺。

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，缩凹缺点，也没有气孔、夹砂等缺点，专门快就投入批量生产。至今成效良好，铸件质量稳固，综合废品率低，动平稳实验只需钻一个浅孔活着不需要钻孔。

图12 工艺方案图 图13 工艺方案图

生产进程中应注意事项

（1）铁液中c、Si含量在规定范围内应尽可能使c高Si，增大共晶石墨膨胀量。

（2）尽可能降低浇注温度，减小液态收缩量。

（3）砂型硬度>75，透气性>100.型砂配比及性能见表1。

五、飞轮的加工工艺及流程

飞轮要紧加工技术要求分析

坯件需经时效处置，喷丸后不得有残砂。坯件不许诺有裂纹、气孔、砂眼、夹渣、冷隔、疏松等缺点，不许诺有锈蚀。力学性能：σb≥250MPa（本体）；零件图如图14所示：

图14 零件图

该零件属于多孔类盘型零件。平面和孔系都有行位公差要求，从零件图可知：该零件的左、右端面精度要求较高 ，采纳粗车—半精车—精车的方式加工到设计要求。

A平面φ227的外圆为压装齿圈面，因此该圆弧面必需与A基准维持较高的的同轴度和较高的公差，才能和齿圈内孔保证专门好的过盈配合而保证飞轮在运转进程中可不能致使齿圈脱落。

A平面的外圆台阶相关于φ26的内孔有圆跳动和平面度要求，在后续分析加工方案时应保证该跳动和平面度要求，同时区域还有粗糙度要求，将粗、精加工分开使其达到要求。

B平面有相关于A基准有平行度和平面度要求，C平面有相关于B基准有平行度要求，均采纳粗车---精车的加工方式。

关于φ2六、φ60的孔别离为聚散器安装孔和轴承安装孔，精度要求高，公差要求严格。该孔也应该粗、精加工分开，以达到设计要求，零件如图15所示。

图15 零件图

关于螺纹孔系和销孔系其形位公差也有很高的要求，同时对孔的粗糙度也有要求。3﹣φ8的销孔对基准A也有位置度得要求，同时6-M8×深13螺纹孔和销孔在同一个圆周上。φ6F7的销孔和6﹣φ的法兰孔同一个圆周上，因此钻加工时为保证位置度要求应该设计工装时应该有钻模和钻模套，能够保证孔与孔之间的位置度关系和减少加工工序，从而达到尺寸要求及减少加工时刻提高产量。在安排钻孔工序时要考虑钻孔能达到的粗糙度品级，精度要求较高的销孔能够先用小于该孔的铰刀进行粗加工后用镗刀进行精镗销孔。

工艺方案分析

选择定位基准 选择左端面的φ227的台阶外圆面（压装齿圈外圆）作为定位精基准，粗车左端面。如此能够保证端面跳动、圆跳动及平行度的要求，被选为精基准的面在第一道工序来加工，选择粗基准的面应尽可能平整，粗糙度只想对较小的面，如此有利于加工后的精基准定位性能较高。

拟定工艺方案 由于各表面加工方式及粗精基准已大体确信，现依照“先粗后精”、“先主后次”、“先面后孔”、“基准先行”的原那么。

飞轮机械加工工艺线路的制定

图16 飞轮的三维实体图

（1）毛坯的铸造。

（2）毛坯的查验。括外形尺寸的查验，金相、本体化学成份、抗拉强度等的检测。

(3) 粗车端面，大外圆并钻孔。以右端面φ227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。以粗加工事后左端面φ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φ227的台阶外圆为基准，精加工飞轮的左端面，镗中心孔并倒角。

（6）车端面、外圆、镗孔并倒角。以加工事后左端面φ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。由于齿圈在压装进程中会致使飞轮又轻微变形，因此要留的余量精车，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φ6法兰定位销孔、钻6-φ法兰孔并倒角。

（12）钻、镗3-φ8销孔，钻6-φ螺纹底孔、倒角并攻丝6-M8-6H。 （13）动平稳实验，由于飞轮在铸造进程中质量的散布不均匀，不对称，飞轮转动时会产生不平稳，不平稳在工作中会产生振动和晃动。动平稳实验以达到平稳精度要求。动平稳实验：不平稳量≤（Z）；在图示C面以φ为中心的圆周上钻孔修正，孔径≤φ14、孔深≤5、孔边距≥20、孔数≤5。

（14）终检，依照工艺要求，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，明确了设计的大体线路，了解了汽车发动机飞轮的进展史，工作原理，动态优化设计，机械加工流程等，发动机大体结构等。本文对飞轮的动态优化设计，除保证飞轮又足够的转动惯量外，应使飞轮知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多发动机固有频率，模拟的计算了飞轮的飞轮的质量和设计的合理性，使飞轮性能和质量取得了专门好的保障。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本钱，为企业博得了时刻和效益。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终止语

通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，由于体会的匮乏，不免有许多考虑不全面的地址，若是没有唐教师的催促指导，和同窗们的支持和帮忙，要完成那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，这是我经历人一辈子最大的一次考验和锻炼。固然从中学到了很多的新东西，有生活上的,有学校里没学过的。此刻我的毕业设计已完成，这与大学里的列位教师的教育和指导教师的细心指点是分不开的。

在这次毕业设计进程中，论文的写作进程中，取得了唐任奎教师的亲切关切和耐心的指导，他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深的感染和鼓励着我。从课题的选取和论文的最终完成，唐教师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。在过去的时刻里，教师们不仅给咱们提供了良勤学习环境，而且在精神上给了我很多鼓舞，也细心给予咱们很多帮忙。在此，对您们的辛勤工作和细心照顾表示衷心感激，并祝愿列位教师们躯体健康，万事如意。

在此，我超级感激大学四年期间所有指导和教育过咱们的教师，感激他们对咱们无私的教诲和细心的帮忙，感激他们的谆谆教诲。感激大学里同班同窗、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。和大伙儿一起走过的这四年里，我感到超级的欢乐与欣慰，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,衷心祝愿大伙儿在尔后的日子里一路顺风，宏图大展，了做事。也培育了我踊跃的心态，专业的爱好和良好的沟通、和谐、执行和应变能力，这些都是此刻我在工作中的动力源泉。事业有成！

参考文献：

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