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毕业设计论文
重庆科技学院
毕业设计(论文)
题目三角转子缸体型面加工设计
院(系)机械与动力工程学院
专业班级热动普2007-01
学生姓名刘伋学号2007440690
指导教师贺泽龙职称副教授
评阅教师职称
2011年6月8日
学生毕业设计(论文)原创性声明
本人以信誉声明:
所呈交的毕业设计(论文)是在导师徐妙侠的指导下进行的设计(研究)工作及取得的成果,设计(论文)中引用他(她)人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出,论文中的结论和结果为本人独立完成,不包含他人成果及为获得重庆科技学院的学位或证书而使用其材料。
与我一同工作的同志对本设计(研究)所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
毕业设计(论文)作者(签字):
年月日
摘要
气缸型面的加工是缸体加工的关键工序,其加工精度直接影响发动机的工作性能和使用寿命。
而且其精度和粗糙度要求较严格,它的加工在转子机零件加工中算是最复杂,又是最消耗时的一个工序,且无法在普通机床上加工,因此必须设计制造工装夹具或专用机床才能完成着一工序。
本文将介绍转子发动机的工作原理,及气缸型线的创成包括滚动圆与固定圆的内切创成法和滚动圆与固定圆外切创成法,重点分析气缸包络型面的镗削加工;详细阐述了磨削气缸型面的加工方法——创成法、靠模法和创成靠模法,并对其相应的加工原理进行了阐述,同时进行了优缺点的分析。
绘出相应加工方法的原理结构图,并叙述缸体加工过程。
关键词:
创成法创成靠模法靠模法气缸型面缸体加工过程
ABSTRACT
Cylindertypethemanufacturingisthekeyprocessmachining,themachiningaccuracydirectlyaffectingengineworkingperformanceandlongservicelife.Anditsprecisionandroughnessrequirements,anditsprocessingisstrictinrotormachinepartsprocessingisthemostcomplex,isinaprocesswhenthemostconsumption,whichcannotbeinordinarymachineprocessing,thereforemustdesignmanufacturingtooling/fixtureorspecialmachinetooltocompletetheprocess.Thispaperintroducestheworkingprincipleofrotorengine,andthecylinderprofileofgenintoincludesrollingroundandfixedroundthediagnosisandcuttinginsideandoutsidewithfixedroundrollroundcutgennanocomposites,emphaticallyanalysesthecylinderenvelopetype1taseriesprocessing;Expoundedtheprocessingmethodofgrindingcylindertype-gennanocomposites,modelingmethodandthenmodelingmethodinto,anditscorrespondingprocessingprincipleisdiscussed,andtheanalysisoftheadvantagesanddisadvantages.Drawthecorrespondingprocessingmethodprinciplechart,andnarrativemachiningprocess.
Keywords:
GennanocompositesGenintomodelingmethodModelingmethodCylindertypesurfaceMachiningprocess
绪论
气缸型面的加工是缸体加工的关键工序,其加工精度直接影响发动机的工作性能和使用寿命。
由于型线为双弧长短辐圆外旋轮线,属非圆曲线,几何形状特殊,而且精度和粗糙度要求较严格,它的加工在转子机零件假定中算是最复杂,又是最消耗时的一个工序,且无法在普通机床上加工,因此必须设计制造工装夹具或专用机床才能完成着一工序。
它现在能被大多数人看好是因为,转子发动机有几个优点,其中最重要的一点是减小了体积和减轻了重量。
在运行安静性和平稳性两方面,双转子RE相当于直列六缸往复式发动机。
在保证相同的输出功率水平前提下,转子式发动机的设计重量是往复式的三分之二,这个优点对于汽车工程师们有着无比的吸引力。
特别是近年来,在防撞性(碰撞安全)、空气动力学、重量分布和空间利用等方面的要求越来越严格的情况下:
(1)精简结构; 由于转子发动机将空燃混合气燃烧产生的膨胀压力直接转化为三角形转子和偏心轴的转动力,所以不需要设置连杆,进气口和排气口依靠转子本身的运动来打开和关闭;不再需要配气机构,包括正时齿带、凸轮轴、摇臂、气门、气门弹簧等,而这在往复式发动机中是必不可少的一部分。
综上所述,转子发动机组成所需要的部件大幅度减少。
(2)均匀的扭矩特性; 根据研究结果,转子发动机在整个速度范围内有相当均匀的扭矩曲线,即使是在两转子的设计中,运行中的扭矩波动也与直列六缸往复式发动机具有相同的水平,三转子的布置则要小于V型八缸往复式发动机。
(3)运行更安静,噪音更小; 对于往复式发动机,活塞运动本身就是一个振动源,同时气门机构也会产生令人讨厌的机械噪音。
转子发动机平稳的转动运动产生的振动相当小,而且没有气门机构,因此能够更平稳和更安静的运行。
1转子发动机的结构和工作原理
现代的转子发动机由茧形壳体(一个三角形转子被安置在其中)组成。
缸体内部空间总是被分成三个工作室,转子转动这些工作室也在运动。
依次在摆线型缸体内的不同位置完成进气、压缩、作功(燃烧)和排气四个过程。
转子和壳体壁之间的空间作为内部燃烧室,通过气体膨胀的压力驱动转子旋转。
和普通内燃机一样,转子发动机必须在其工作室中相继形成四个工作过程。
如果将三角形的转子放置在圆形壳体的中心部,工作室将不会随着壳体内部转子的旋转而在体积上发生变化。
即使空燃混合气在那里点燃,燃烧气体的膨胀压力也仅作用在转子的中部,不会产生旋转。
这就是为什么壳体的内侧圆周被设计成旋轮线外形并和安装在偏心轴上的转子组装在一起的原因。
因此,每转一圈,工作室的体积变化两次,从而实现内燃机的四个工作过程。
在汪克尔型转子发动机上,转子的顶点随着发动机壳体内圆周的椭圆形壳体而运动,同时保持与围绕在发动机壳体中心的一个偏心轨道上的输出轴齿轮的接触。
三角形转子的轨道是用一个相位齿轮机构来规定的。
相位齿轮包括安装在转子内侧的一个内齿圈和安装在偏心轴上的一个外齿轮。
如果转子齿轮在其内侧有30个齿,轴齿轮将在其外原周上有20个齿,由此得到其齿数比为3:
2。
由于这一齿数比,转子和轴之间的转速比被限定为1:
3。
和偏心轴相比,转子有较长的转动周期。
转子转动一圈,偏心轴转动三圈。
当发动机转速为3000 转/分时,转子的速度只有1000 转/分。
1-1内燃机四个工作过程
与传统往复式发动机的比较
往复式发动机和转子发动机都依靠空燃混合气燃烧产生的膨胀压力以获得转动力。
两种发动机的机构差异在于使用膨胀压力的方式。
在往复式发动机中,产生在活塞顶部表面的膨胀压力向下推动活塞,机械力被传给连杆,带动曲轴转动。
1-2转子工作原理示意图
对于转子发动机,膨胀压力作用在转子的侧面。
从而将三角形转子的三个面之一推向偏心轴的中心(见图中力PG)。
这一运动在两个分力的力作用下进行。
一个是指向输出轴中心(见图中的Pb)的向心力,另一个是使输出轴转动的切线力(Ft)。
壳体的内部空间(或旋轮线室)总是被分成三个工作室。
在转子的运动过程中,这三个工作室的容积不停地变动,在摆线形缸体内相继完成进气、压缩、燃烧和排气四个过程。
每个过程都是在摆线形缸体中的不同位置进行,这明显区别于往复式发动机。
往复式发动机的四个过程都是在一个汽缸内进行的。
转子发动机的排气量通常用单位工作室容积和转子的数量来表示。
例如,对于型号为13B的双转子发动机,排量为"654cc × 2"。
单位工作室容积指工作室最大容积和最小容积之间的差值;而压缩比是最大容积和最小容积的比值。
往复式发动机上也使用同样的定义。
图1-3转子发动机工作容积的变
如图1-3中所示,转子发动机工作容积的变化,以及与四循环往复式发动机的比较。
尽管在这两种发动机中,工作室容积都成波浪形稳定变化,但二者之间存在着明显的不同。
首先是每个过程的转动角度:
往复式发动机转动180度,而转子发动机转动270度,是往复式发动机的1.5倍。
换句话说,在往复式发动机中,曲轴(输出轴)在四个工作过程中转两圈(720度); 而在转子发动机中,偏心轴转三圈(1080度),转子转一圈。
这样,转子发动机就能获得较长的过程时间,而且形成较小的扭矩波动,从而使运转平稳流畅。
此外,即使在高速运转中,转子的转速也相当缓慢,从而有更宽松的进气和排气时间,为那些能够获得较高的动力性能的系统的运行提供了便利。
2气缸的理论型线
转子机气缸的理论型线为双弧长短幅外旋轮线。
它的创成方法一般有两种:
2.1气缸型线的创成
图2-1是气缸型线内切创成原理图。
当圆心为Or,半径为r的大圆(相当于内齿轮)沿着圆心为O,半么为k的固定小圆(相当于外齿轮)无滑动地滚动时,在大圆外有一与大圆连在一起的点P(相当于转子的某一顶角)也一起滚动,这样,P点的运动轨迹就是气缸理论型线。
图2-1汽缸理论型线创成原理
图2-1中,O和Or连线的长度称为偏心距(即偏心轴的偏心距),以e表示。
Or至P点的距离称为双弧圆外旋轮线的创成半径,以R表示。
当设在大圆上的一点A和小圆上的一点B在起始位置时,两圆相切于B点,这时A点与B点重合,大圆的半径AOr以及P点位于X轴线上(AOrP成一直线)。
大圆沿固定小圆逆时针方向滚过一段圆弧AI后,即为图中所示位置,此时两圆相切于I点,主轴偏心距OOr转过了a角,AOr转过了角。
因为两圆作无滑动的滚动,故B
。
这就表明,大圆的公转速度为其自转速度的3倍,即偏心轴与转子的速比为3:
1。
由于大圆是沿固定圆滚动,因此除了它本身绕其圆心Or自转外,还绕固定圆心O公转,所以创成半径上的P点,对于固定圆来说,实际上并不是绕圆心Or旋转的,而是绕两个圆的切点(即图2-1上I点)旋转。
由于该切点本身的位置在变化,因此I点只是P点的瞬时旋转中心,IP则称为P点的瞬时旋转半径,也是外旋轮线在P点上的法线。
创成半径R与瞬时旋转半径IP所成的角Q称为外旋轮线在P点的摆动角,这个角度的大小是随着P点的位置变化而改变。
由图2-1可知,随着偏心轴转角a的变化,P点轨迹的坐标为
由上方程得出气缸的理论型线下图所示
图2-2气缸的理论型线
图2-3气缸实际型线
b.气缸的实际型线
上述气缸理论型线是P点的运动轨迹,若把P点作为转子的一个顶角,则转子在气缸中运动时,它的三个顶角在理论上就能保持与气缸中运动时,它的三个顶角在理论上就能保持与气缸型线接触。
但是,由于制造有误差,还有零件爱热变形等原因,主轴承和偏心轴承以及相位齿轮均需有间隙,转子顶角需具有径向密封片。
因此在实际结构中,是以转子的顶角P点为中心,以a为半径所形成的小圆弧作为径向密封片的顶端,与气缸弄而保持接触的,这时要相应将气缸理论型线向外扩张,扩张的距离也为a(称平移距)。
即气缸的实际型线是以气缸理论型线上的点为圆心,以a为半径所形成各小圆珠笔外包络线。
如图C所示。
当转子在气缸内转动时,摆动角Q是变化的,采用平移距为a的气缸型面与以a为圆珠笔弧半径的径向密封片相配,接触线在密封片圆珠笔弧面上来回摆动,这样可减少磨损和改善密封性,同时径向密封片在槽内也不致于产生径向运动。
根据图2-1和图2-3,气缸的实际型线方程为
(1)
(2)
式中
——平移距(m)
——摆动角(rad)
气缸实际型线与理论型线之间的关系如下:
1.两条曲线在各点法线方向的距离均为a,所以把气缸实际型号线称为理论型线的等距曲线或平移曲线。
2.两者在长、短轴方向上的长度相差2a,因此实际型线的长轴长度为2(R+e+a),短轴长度为2(R-e+a);
3.确定理论型线以及由此而形成的转子理论型线(内包络线),只要从R、K、e三个参数中选项定任意两个即可;面对实际型线来说,则需要选定K、e、a三个参数才能确定。
2.2滚动圆与固定圆的内切创成法
图1-1示出气缸型线内切创成原理图。
当圆心为or,半径为r的大圆(相当与内齿轮)沿着圆心为o,半径为k的固定小圆(相当与外齿轮)无滑动滚动时,在大圆外有一与大圆连在一起的点p(相当于转子的某一顶角)也一起滚动,这样,p点的运动轨迹就是气缸理论型线。
图1-1中,O和Or连线的长度称为偏心距(即偏心轴的偏心距),以e表示。
Or至P点的距离称为双弧圆外旋轮线的创成半径,以R表示。
设在大圆上的一点A和小圆上的一点在起始位置时,两圆相切于B点,这时A点与B点重合,大圆的半径AOr以点位于x轴线上(AOrP成一直线)。
当大圆沿固定小圆逆时针方向滚过一段圆弧AI后,即为图中所示位置,此时两圆相切于I点,主轴偏心距OOr转过了β角。
因为两圆作无滑动的滚动,故
AI=BI
即rθ=kα
α=
α=
α
而α=θ+β=
α+β
所以α=3β
这就表明,大圆的公转速度为其自转速度的3倍,即偏心轴与转子的速比为3:
1。
由于大圆是沿固定圆滚动,因此除了它本身绕其圆心Or自转外,还绕固定圆心O公转,所以创成半径上的P点,对于固定圆来说,实际上并不是绕圆心Or旋转的,而是绕两个圆的切点(即图上I点)旋转。
由于该切点本身的位置在变化,因此I点只是P点的瞬时旋转中心,IP则称为P点的瞬时旋转半径,也是外旋轮线在P点上的法线。
创成半径R与瞬时旋转半径IP所成的角称为外旋轮线在P点的摆动角,这个角度的大小是随着P点的位置变化而改变。
由图2-1可知,随着偏心轴转角α的变化,P点轨迹的坐标为:
x`=ecosα+Rcosα/3(m)(2-1)
y`=esinα+Rsinα/3(m)
式中e—偏心距(m);
R—创成半径(m)
式1-2即为气缸理论型线方程,气缸的理论型线如图1-2所示
图2-2气缸的理论型线
当α=0时
x`=R-e,y`=R-e
此时P点在x`轴上,P与气缸中心的距离最大。
2(R+e)为型线长轴长度。
同样,当α=2/3π
x`=0,y`=R-e
此时P点在y轴上,P与气缸中心的距离最小。
2(R-e)为型线短轴长度。
故这种气缸型线也称为双弧长短幅外旋轮线。
型线方程可表示为
x`/e=cosα+R/ecosα/3(2-1`)
y`/e=sinα+R/esinα/3
令R/e=K,称为型线的形状参数。
从式(2-1`)可知,只要K值相等,所得的型线是完全相似的。
2.3滚动圆与固定圆外切创成法
图2-3气缸理论型线创成原理
图2-3所示是半径为r的圆(r)沿着与它外切半径为k的固定圆(k)滚动的情况。
当r〈k,与圆(r)一起滚动的某一点P所形成的运动轨迹也是外旋轮线。
在图2-3中OOr=k+r=R取k/r=2,OrP=e
设在起始位置时,两圆相切于B点,即圆(r)上的点A与圆(k)上的B重合,AOrP在x轴上。
动圆(r)以逆时针方向沿固定圆(k)纯滚过一段圆弧AI后,到达图中所示位置。
此时两圆切于I点,连心线Oor转过α角,而AOrP转过β角。
故
=BI
即kα=rθ
θ=k/rα=2α
而β=α+θ=2α
所以α=1/3β
由此得出气缸理论型线方程
x`=ecosβ+Rcosβ/3(2-2)
y`=esinβ+Rsinβ/3
图2-4气缸理论型线的两种创成方法比较
a内切法b外切法
比较式(2-2)和式(2-1),可见P点的坐标变化规律是完全相同的。
因此,由这两式画出的型线也是完全相同的,如图1-4所示。
对这两种创成方法,内切法是以转子发动机的实际结构为基础的气缸型线创成法,与目前转子机的相位齿轮机构一致;外切法的齿轮机构则不同于实际转子机的结构,但在加工和检验气缸型线时有实用意义。
2.4气缸的实际型线
上述气缸理论型线是P点的运动轨迹,若把P点作为转子的一个顶角,则转子在气缸中运动时,它的三个顶角在理论上就能保持与气缸型线接触。
但是,由于制造有误差,还有零件受热变形等原因,主轴承和偏心轴承以及相位齿轮均需有间隙,转子顶角需具有颈项密封片。
因此在实际结构中,是以转子的顶角P点为中心,以α为半径所形成的小圆弧作为颈向密封片的顶端,与气缸型面保持接触的,这时要相应将气缸理论型线相外扩张,扩张的距离也为α(称平移距)。
即气缸的实际型线是以气缸理论型线上的点为圆心,以α为半径所形成各小
圆的外包络线。
图2-5气缸实际型线
如图2-5所示。
当转子在气缸内转动时,摆动
角Ф是变化的,采用平移距为α的气缸型面与以α为圆弧半径的颈向密封片相配,接触线在密封片圆弧面上来回摆动,这样可减少磨损和改善密封性,同时径向密封片在槽内也不致产生径向运动。
根据图2-1和图2-5,气缸的实际型线方程为
x=ecosα+Rcosα/3+αcos(α/3+Ф)(m)(2-3)
y=esinα+Rsinα/3+αsin(α/3+Ф)(m)
式中α——平移距(m)
Ф——摆动角(rad)
若将式(2-3)中的Ф角消去,则可得到只含α一个变数是气缸实际型线方程。
从图2-1的OrPI中,令f=IP可得
(3e)2=R2+f2-2RfcosФ
f=
由此得
cosФ=
(2-4)
因sinФ=
,以式(2-4)代入整理得
sinФ=
(2-5)
又因cos(
+Ф)=cos
cosФ-sin
sinФ
sin(
+Ф)=sin
cosФ+cos
sinФ
以式(2-4)和式(2-5)代入并整理得
cos(
+Ф)=
(2-6)
sin(
+Ф)=
(2-7)
将式(2-6)和式(2-7)代入(2-3)得
x=ecosα+Rcos2α/3+α
(m)
y=esinα+Rsinα/3+α
(m)
的气缸实际型线与理论型线之间的关系:
1、两条曲线在各点法线方向的距离均为α,所以把气缸实际型线称为理论型线的等距曲线或平移曲线,但两者在几何上。
1.两者在长、短轴方向上的长度相差2α,因此实际型线的长轴长度为2(R+e+α),短轴长度为2(R-e+α);
2.确定气缸理论型线以及由此而形成的转子理论型线(内包络线),只要从R、K、e三个参数中选定任意两个即可;而对实际型线来说,则需要选定K、e、α三个参数才能确定。
3汽缸型面的镗面加工
汽缸型面的加工是缸体加工的关键工序,其加工精度直接影响发动机工作性能和使用寿命。
由于型线为双弧长短辐圆外旋轮线,属非圆曲线,几何形状特殊,而且精度和粗糙度要求较严格,它的加工在转子机零件假定中算是最复杂,又是最消耗时的一个工序,且无法在普通机床上加工,因此必须设计制造工装夹具或专用机床才能完成着一工序。
3.1刀具的几何角度
目前,多数是按型线的创成原理设计工装夹具或专用机床来行镗削加工的。
这种加工方法实际上与转子机的工作情况相类似,只要在转子顶角处装上一把或三把刀具,并用外力驱动偏心轴旋转,刀刃就可切削加工出汽缸型面。
但应用此法时,刀具不宜刚性安装在转子顶角处。
因为刀具刚性安装,则刀具的刃面与气缸型线各处发线不重合(仅在型线的长轴和短轴处才重合一致)。
这样刀具与型线所形成的前角和后角总是变化的,
图3-1气缸理论型面加工示意图
如图3-1所示。
这种角度变化使切削条件变坏,同时所加工出的气缸型线只是理论型线,误差较大且达不到要求。
那么对于铸件来说刀具角度怎么选择,铸铁其力学性能特点是抗压强度远高于抗拉强度(约为3—5倍)。
故采用正前角切削更有利于减少切屑变形及切削力。
但切削铸铁时切削力最高温度和切削力集中在刃区,楔角β0小时会削弱切削刃的强度和散热能力,一般宜采用较小值的正前角、平前面不开负倒棱,用油石仔细成轻型钝圆刃或锋刃。
当加工条件恶劣,余量不均冲击较大时也可以采用负倒棱,但负倒棱宽度bγ1宜取小值,否则由于切削与前面接触长度很断,致使宽的倒棱角实际成了负前角切削。
一般取bγ1<0.5f;γ01=-50—100。
有些先进刀具采用大前角(γ0=250—300),同时配以负倒棱以使切削刃口强度不致削弱。
这种大前角刀具以较高的速度进行切削可生成类似带状切削,切削与前面的接触长度增加。
下表列出了切削铸铁的刀具几何参数,具体选用时根据工件材料的硬度,以及机床,刀具、夹具、工件系统的情况进行修正,特别是国外的一些数据仅供参考。
单刃刀具(车、镗)的几何角度
工件材料
高速钢
硬质合金
铸铁种类
硬度
(HBS)
λs
γ0
α0
λ0
焊接的
可转位的
αs
γ0
α0
λs
γ0
α0
灰铸铁
球墨铸铁
100-200
50
100
50
50
00
60
70
-50
-50
-50
可锻铸铁
200-300
50
80
50
50
00
60
70
-50
-50
-50
紧密石墨铸铁白口铁
300-400
50
50
50
50
-50
-50
70
-50
-50
-50
3.2镗削气缸实际型面的工装夹具
为了保持刀具有固定的切削角度,以便得到最有利的切削条件,必须是刀具在切削是,应相对与到架有一个摆动动作,以使刀具的刀刃面始终与汽缸型线个处的法线相重合。
为此,可采用如图所示的工装夹具。
图3-2(a)是传动机构简图,刀具装在刀杆上,并选定刀杆摆动中心p至内齿轮中心o的距离为p,刀具的刀尖至刀杆摆动中心p的距离为平移距a.在偏心轴端附设法线控制机构,它由曲柄8滑块9摆动杆7等组成.滑块与曲柄的转动中心线设在内外齿轮瞬时啮合点I位置处,滑块在摆动杆上滑动摆动杆的另一端与刀杆固紧.当偏心轴转动是,使刀架产生公转与自转,刀杆也随之摆动和转动.刀刃平面的摆动中心P在圆外旋轮线上,且摆动杆中心线通过内外齿轮啮合点I的下方,因此,它能使刀具的刀面保持在气缸型线各处的法线上.其摆动的角度是与摆动角a相同,因而刀具的切削角度不发生变化.由于刀刃摆动中心P的运动轨迹为圆外旋轮线,故能加工出汽缸的实际型线(平移距曲线)
图3-2镗销气缸实际型面的工装夹具
(a)传动机构简图(b)具体结构图
图2-
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