永州職業(yè)技術學院 畢業(yè)論文（設計） 提交時間： 年 月 日 專 專 專 專 專 專 專 專 專 專 專 專 汽車機械增壓器 2 永州職業(yè)技術學院畢業(yè)論文 （設計） 誠 信 聲 明 本人鄭重聲明：所呈交的大專畢業(yè)論文（設計），是本人在指導老 師的指導下，獨立進行研究所取得的成果。成果不存在知識產(chǎn)權爭議， 本畢業(yè)論文（設計）不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表過的作品成果。 本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。 畢業(yè)論文（設計）作者簽名： 20 年 月 日 永州職業(yè)技術學院 I 摘摘 要要 隨著汽車尾氣排放問題日趨顯著，人們對汽車低油耗和低排放的要求越來 越高。因此，本文主要圍繞著如何利用機械增壓器提高發(fā)動機性能進行研究的。 本文介紹了機械增壓器的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)我國在機械增壓方向的研 究還有很大空白，得出了課題研究的主要內容： (1) 分析機械增壓器的工作原理，探究與發(fā)動機的匹配條件； (2) 重點設計關鍵部件羅茨轉子。通過比較不同型線轉子，得出各種型 線的優(yōu)、缺點，進而對漸開線進行設計。 關鍵詞關鍵詞 機械增壓器；工作原理；結構設計 全套圖紙，加全套圖紙，加 153893706 II ABSTRACT Along with the car exhaust emission problems are becoming significant, people have become increasingly demanding on the cars low fuel consumption and low emissions. Therefore, this article mainly centered on how to use the mechanical supercharger to improve engine performance. This article describes the history of the development of the supercharger and the status quo, and found that our country there are large gaps in the direction of mechanical supercharger, and the main elements of the research are obtained: (1) Analysis of the working principle of the mechanical supercharger to explore the matching conditions with the engine; (2) Focused on the design of key components - Roots rotor. By comparing different rotor type line, and concludes that the various type line of advantages and disadvantages, and then to design the involute profile. Keywords Mechanical supercharger; Working principle; Structural design 永州職業(yè)技術學院 III 目錄目錄 第 1 章 緒論1 1.1 引言.1 1.2 機械增壓器發(fā)展歷史及現(xiàn)狀.2 1.3 本課題主要設計內容.3 第 2 章 機械增壓器的工作原理4 2.1 機械增壓器的工作原理和特點.4 2.2 機械增壓工作過程分析.5 2.2.1 發(fā)動機的機械增壓過程5 2.2.2 機械增壓器理論工作過程6 2.2.3 機械增壓器的實際工作過程8 2.3 機械增壓器與發(fā)動機的基本匹配條件.8 第 3 章 機械增壓器結構與性能分析11 3.1 機械增壓器結構分析.11 3.2 與渦輪增壓器比較.12 第 4 章 機械增壓器零部件的設計15 4.1 Pro/E 三維制圖軟件介紹15 4.2 總體結構設計.15 4.3 主要零部件的結構設計.17 4.3.1 轉子設計17 4.3.2 殼體設計18 4.3.3 增壓器殼體圖18 4.3.4 前蓋三圍結構圖19 4.3.5 軸的設計計算20 4.3.6 齒輪的設計22 4.3.7 滾動軸承剛度計算24 4.3.8 鍵的設計25 結論結論26 參考文獻參考文獻.27 致謝致謝.28 永州職業(yè)技術學院 1 緒論緒論 1.1 引言引言 自內燃機問世以來，人們就一直在探索如何改普它的性能。在能源問題的 影響下，人們對汽車發(fā)動機的動力性和燃料經(jīng)濟性要求越來越高，而且由于汽 車尾氣排放問題日趨顯著，各國政府對排放的限制也越來越嚴格，目前汽車發(fā) 展的方向是高經(jīng)濟性和低公害性。世界各大汽車企業(yè)都針對這一趨勢不斷開發(fā) 新的技術，以實現(xiàn)人們對汽車低油耗和低排放的要求。 要提高發(fā)動機的動力性能，可以采用更大排量的發(fā)動機或采用進氣增壓技 術。但大排量發(fā)動機顯然不能滿足人們對燃料經(jīng)濟性和環(huán)保性的需求。通過增 壓，可以將更多的空氣送入發(fā)動機的燃燒室中。這就意味著有更多的燃油可以 參與燃燒，以產(chǎn)生更強的燃燒壓力和輸出動力。 發(fā)動機的增壓方法根據(jù)驅動增壓器所用能量來源的不同，基本上可以分為 以下幾類：第一類是機械增壓器，如圖 1-1(a)所示，增壓器由發(fā)動機曲軸通過 齒輪(或鏈條等)直接驅動；第二類是廢氣渦輪增壓器，如圖 1-1(b)所示，增壓器 是由發(fā)動機工作時排出的廢氣帶動的。第三類是復合增壓器，如圖 1-1(c)所示， 即在發(fā)動機上，既采用廢氣渦輪增壓器，又同時應用機械驅動式增壓器。此外 還有慣性增壓、氣波增壓等其他增壓方式。 a) 機械增壓器 b) 廢氣渦輪增壓器 c)復合增壓器 圖 1-1 增壓器 機械增壓器可以使內燃機的廢氣排放最多減少 50，輸出功率最多提高 55,并且具有其結構簡單、制造成本低，降低噪聲，減少廢氣排放等優(yōu)點；特 別在瞬態(tài)響應快、工作性能穩(wěn)定、使用壽命長等方面優(yōu)于目前已大量使用的渦 輪增壓器。這為我國汽車排放達到新的國際標準提供了新的途徑。對于環(huán)境環(huán) 2 保也有著深遠的社會效益。圖 1-1(a)所示的為一臺裝有機械增壓器的發(fā)動機。 隨著汽車工業(yè)的發(fā)展對機械增壓器的轉速要求越來越高，體積也越來越小。 由于轉速的提高，一方面使得增壓器的轉子慣性作用明顯增加，由此產(chǎn)生的振 動、噪聲等問題嚴重影響了其工作性能和使用壽命；另一方面，由于高轉速以 及輕型化的要求，機構的彈性變形已不可避，但人們對振動噪聲的要求越來越 嚴格，機械增壓器動態(tài)性能已成為衡量它的惟能的重要指標。 1.2 機械增壓器發(fā)展歷史及現(xiàn)狀機械增壓器發(fā)展歷史及現(xiàn)狀 采用機械增壓器，在原有發(fā)動機基型上不需要額外制造高精密的零部件。 可使發(fā)動機東麗輸出大幅度增加，又不至于造成維修體系的負擔。在不改變發(fā) 動機結構參數(shù)的情況下，設法提高進入氣缸的氣體密度，改善燃燒經(jīng)濟性，提 高工作性能，使發(fā)動機達到體積小但功率密度高，對發(fā)動機增壓使?jié)M足這種要 求的最佳措施。 今年來，發(fā)動機進氣增壓技術已經(jīng)成為國內外內燃機發(fā)展的重要方向之一， 過去增壓技術主要應用于柴油機上，現(xiàn)在汽油機上也開始大量采用增壓技術。 這是因為發(fā)動機進氣增壓技術有許多優(yōu)點： (3) 能夠提高發(fā)動機升功率； (4) 能夠降低發(fā)動機比油耗和比質量； (5) 能夠減輕發(fā)動機排氣污染； (6) 能夠擴大發(fā)動機變型系列。 隨著增壓器設計和工藝水平的提高，高溫耐熱材料的解決，增壓器的性能 和使用壽命大為提高，體積和質量顯著減少，從而使汽車發(fā)動機增壓技術達到 迅速發(fā)展。在國內，近年來對汽車發(fā)動機增壓也同樣做了大量的研究工作，并 取得了顯著成效。 機械增壓器在全世界整車廠的使用量已超過每年 30 萬臺，主要生產(chǎn)廠家有 Eaton 和 Ougra 等。以 Eaton 公司為例，1989 年至今，其機械增壓器產(chǎn)量近 400 萬部，僅 2008 年產(chǎn)量就達到了約 40 萬部。其第五代機械增壓器熱效率達 62%，新一代的 TVS 犀利增壓器則更是達到了 75%，以達到渦輪增壓器的水平。 圖 1-2 為 Eaton 公司 M45 型機械增壓器。 永州職業(yè)技術學院 3 圖 1-2 Eaton 公司 M45 型機械增壓器 2010 年，我國國產(chǎn)汽車奇瑞汽車與 Eaton 公司合作，引進 Eaton 公司的機 械增壓器裝配在奇瑞 1.6S Tiggo (瑞虎)，1.3S A3 和瑞麒 1.3S G3 三款車型上。 圖 1-3 為奇瑞 1.6S Tiggo (瑞虎)車上裝配的創(chuàng)新節(jié)能的新型機械增壓器。 圖 1-3 奇瑞 1.6S Tiggo (瑞虎)裝配的機械增壓器 1.3 本課題主要設計內容本課題主要設計內容 由以上分析可知，我國在機械增壓器方向的研究還有很大空白，目前國內 外市場上絕大多數(shù)的機械增壓器產(chǎn)品均為國外產(chǎn)品，國產(chǎn)增壓技術基本上均為 渦輪增壓。本文將參照國內外一些研發(fā)資料進行機械增壓器設計，主要內容如 下： (1) 分析機械增壓器的工作原理，探究與發(fā)動機的匹配條件； (2) 重點設計關鍵部件羅茨轉子，通過比較不同型線轉子，得出各種型 線的優(yōu)、缺點，進而對漸開線進行設計。 4 機械增壓器的工作原理機械增壓器的工作原理 1.4 機械增壓器的工作原理和特點機械增壓器的工作原理和特點 機械增壓器采用以兩根嚙合的羅茨式葉片轉子作為主要的運動構件。轉子 在傳動齒輪的帶動下作方向相反的回轉運動，使在進氣口充入容腔的空氣隨著 轉子轉動，在排氣口位置排出，不斷地將空氣抽送到內燃機的進氣歧管中，以 三葉羅茨式機械增壓器為例，其工作原理，如圖 2-1 所示。圖中以 2 轉子為例， 示意了輸氣工作的過程。從工作位置 a 到工作位置 e，兩轉子分別完成一次從 左側進氣口到右側進氣口的輸氣動作。轉子每轉動 1 周，葉片與殼體形成的 3 個容腔(基元容積)各參與一次輸氣，以完成一次工作循環(huán)。在實際過程中，轉 子與轉子、轉子與殼壁之間都有一定的間隙，稱為余隙容積。 由上圖容易看出，機械增壓器并非以基元容積的縮小實現(xiàn)壓力的提高。它 通過將進氣口的空氣送向排氣口，使得在較短時間內排氣口附近壓力有所提高， 而排氣口與基元容積相連通時，基元容積內的壓力因排氣口較高壓力空氣的回 流而升高。 圖 2-1 機械增壓器工作原理示意圖 從結構上來看，機械增壓器屬于專門應用于發(fā)動機的羅茨泵，它相對于其 它類型的流體機械，具有下述特點： (1) 結構簡單、體積小，主要構件之間沒有摩擦，因此可靠性高、使用壽命 長，易于維修和裝配： (2) 具有強制輸氣的特點，排氣量與排氣壓力幾乎無關； (3) 工況范圍較廣，而且在工況范圍內其效率能基本保持在較高水平； (4) 沒有內壓縮工作過程，即基元容積作等容積壓縮，絕熱效率低，因此耗 用的壓縮功較多(與有內壓縮的流體機械相比)，容積效率相對較低，排氣溫度 較高，這就使得羅茨式機械增壓器的增壓壓力較??； (5) 由于基元容積是周期性地運動到排氣口與其連通，排氣脈動氣流和回流 永州職業(yè)技術學院 5 氣壓沖擊會產(chǎn)生較大的噪聲； (6) 轉子的型面一般較復雜，不易加工。 1.5 機械增壓工作過程分析機械增壓工作過程分析 1.5.1 發(fā)動機的機械增壓過程發(fā)動機的機械增壓過程 圖 2-2 增壓器發(fā)動機的工作過程示意圖 要研究機械增壓的實際工作原理，必須先對應用機械增壓器的發(fā)動機的工 作過程進行分析。對于四沖程汽油發(fā)動機，活塞往復運動的四個沖程完成一個 工作循環(huán)，包括進氣、壓縮、做功、排氣四個過程，如圖 2-2 所示。而發(fā)動機 的換氣過程包括從排氣門開啟到進氣門關閉的全過程，一般約占 41004800 的 曲軸轉角(CA)。 機械增壓主要作用于發(fā)動機工作循環(huán)中的吸氣過程。對于自然吸氣的內燃 機，在吸氣過程中，活塞由上止點向氣缸下部運動，對單點噴射(SPI)或多點噴 射(MPI)汽油內燃機，外部空氣與燃油混合后形成混合氣，然后充入氣缸的燃燒 室進行燃燒：對缸內直噴的汽油內燃機，外部空氣進入氣缸后與燃油混合進行 燃燒，其工作過程和工作原理，如圖 2-3，圖 2-4 所示。 6 圖 2-3 缸內直噴的汽油內燃機工作過程 圖 2-4 缸內直噴的汽油內燃機工作原理 機械增壓器一般采用帶傳動的方式，由內燃機的曲軸供給動力，將機械增 壓器吸氣口一側的空氣不斷地壓入機械增壓器排氣口端的進氣歧管中，實現(xiàn)增 壓的目的。在這個過程中，機械增壓器將消耗內燃機的一部分輸出功，以增大 發(fā)動機的進氣密度，從而使可參與燃燒的燃油量增大，燃燒更為充分，使發(fā)動 機功率和輸出扭矩提升。 由于進入發(fā)動機氣缸的空氣分子量增加，要保證一定的空燃比(AF)，使 發(fā)動機燃油燃燒過程穩(wěn)定，就要適當增加進入燃燒室內的燃油量。而在氣缸體 積不變的情況下，燃油量和空氣量的增大，會使燃燒室燃燒后的膨脹壓力增大， 作用于曲軸連桿系上的載荷相應變大，發(fā)動機的負荷率提高。這就是通過機 械增壓提高發(fā)動機輸出功率和扭矩的根本原因。 1.5.2 機械增壓器理論工作過程機械增壓器理論工作過程 機械增壓器的轉子每旋轉一周為一個運動周期，在此過程中，二葉轉子有 2 個基元容積依次經(jīng)歷相同的工作過程，三葉轉子則有 3 個。每個基元容積隨 轉子角度的變化而變化，即基元容積是轉子轉角的緲的函數(shù)，如圖 2-5 所示。 永州職業(yè)技術學院 7 圖 2-5 基元容積函數(shù)圖 圖 2-5 中，各符號量表示意義如下： l、2、3、4 分別指基元容積的吸氣開始、吸氣結束、排氣開始、排氣結束 各狀態(tài)位置：、分別指轉子轉角位于 l、2、3、4 等各狀態(tài)位置 1 2 3 4 時的值：K 為基元容積所能達到的最小容積，它的存在表明基元容積內的氣體 不能被全部排出，一般也稱為穿通容積；為基元容積所能達到的最大容積， 2 V 即 2-3 過程中被封閉的基元容積值；即為排氣結束基元容積的容積值，隨著 0 V 兩轉子的相對轉動，基元容積進一步減小，直到達到。 1 V 需要說明的是，機械增壓器的壓力升高不是由容積減小產(chǎn)生，而是由排出 口管道中的高壓倒流引起的，即氣體的壓縮過程是在基元容積與排出口連通的 瞬時實現(xiàn)的。在這一過程中，將基元容積視作被高壓回流壓縮，容積減小。其 中，基元容積的壓力容積圖，如圖 2-6 所示。 圖 2-6 基元容積的壓力容積圖 8 1.5.3 機械增壓器的實際工作過程機械增壓器的實際工作過程 在實際工作過程中，基元容積內的氣體經(jīng)由余隙容積有泄漏損失，在流經(jīng) 吸、排氣口時均有壓力損失，氣體與外界存在熱交換。這些影響因素使實際工 作過程與理論工作過程有很大的差異： (1) 內泄漏 由于機械增壓器的進、排氣口間存在壓差，在壓差作用下，有一部分氣體 經(jīng)轉子間隙由排氣口流向進氣腔，稱為內泄漏。內泄漏所流經(jīng)的轉子間隙包括： 轉子與轉子間的間隙、轉子與機殼之間的間隙以及轉子與前后墻板之間的間隙。 (2) 外泄漏 一部分氣體通過軸端及機殼與墻板間隙等部分流出，稱為外泄漏。在本文 所述的設計與實驗中，均采用接觸式密封，因此，外泄漏流量忽略不計。 (3) 內泄漏的加熱作用 進入機械增壓器的空氣流至排氣口后，因壓縮而產(chǎn)生溫升，這部分溫度升 高的氣體泄漏到進氣口，使進氣口氣體溫度上升，比容增大，質量流量下降。 (4) 機件傳熱 受氣體壓縮熱作用，轉子與機殼溫度都會有所升高，因此，進氣口氣體受 熱傳遞，也會產(chǎn)生受熱膨脹；另外，機件中的接觸式旋轉件，如軸承、骨架油 封、同步齒輪、皮帶輪等，也會因高速轉動而產(chǎn)生熱量，傳遞給從進氣口流入 的氣體。 (5) 壓力損件 氣體流過機械增壓器的過程中，會因氣流受阻等原因產(chǎn)生一定的壓力損失， 這些壓力損件轉化為熱量而被氣體吸收，最終造成氣體的受熱膨脹，質量流量 降低。 1.6 機械增壓器與發(fā)動機的基本匹配條件機械增壓器與發(fā)動機的基本匹配條件 按照發(fā)動機正常工作的進氣條件，應保證進氣歧管內的空氣流量（無論是 否有增壓，體積流量）大于發(fā)動機所需的空氣流量，即滿足發(fā)動機增壓進氣的 基本匹配條件： 永州職業(yè)技術學院 9 SE QQ 其中為增壓器實際排氣流量，為發(fā)動機所需空氣流量； S Q E Q ssksnVkQ 2 式中， 2增壓器轉子個數(shù)； k 轉子頭數(shù)； kV 基元容積，L； sn 增壓器轉速，r/min; s 增壓器容積效率； 每個轉子單轉理論排氣量： LDVkk 2 4 1 D轉子外徑，dm； 轉子面積利用系數(shù)； L 轉子長度，dm； EEEnQQ 2 1 過量重啟系數(shù)； Q 發(fā)動機排量，L ； En 發(fā)動機轉速，r/min； E 發(fā)動機氣缸充氣效率； 除以 2 表示四沖程發(fā)動機，曲軸沒轉兩轉，完成一次吸、排氣過程。 增壓器增壓的條件為： EEQssknnVk 2 1 2 10 因為發(fā)動機與增壓器以帶輪聯(lián)接，不考慮其他因素，則增壓器的轉速與發(fā) 動機轉速之比為帶傳動的傳動比 i。即 Eisnn EsQiLD 2 以奇瑞 372 型發(fā)動機為例， Q=0.81, E 取為 0.8，取為 1.2， s 以羅茨 泵為參考，取最小容積效率，約 0.7,取 0.5，L/D 取 1.75，i 取 1.85，因此有 mmdm i D L Q s E D68.656568 . 0 3 min ）（ 永州職業(yè)技術學院 11 機械增壓器結構與性能分析機械增壓器結構與性能分析 1.7 機械增壓器結構分析機械增壓器結構分析 機械增壓器壓縮機的驅動力來自發(fā)動機曲軸，一般都是利用皮帶連接曲軸 皮帶輪，間接將曲軸運轉的扭力帶動增壓器，達到增壓目的。依構造不同，機 械增壓會經(jīng)出現(xiàn)過許多種類，包括葉片式(Vane)、羅茲(Roots)、溫克爾(Wankle) 等型式，而活塞運動最早也被認為是一種機械增壓，時至今日，則以羅茨增壓 器（見圖 3-1）最被廣泛使用，更是改裝的大熱門。羅茨增壓器有雙葉與三葉轉 子兩種型式，目前以雙葉轉子較普遍，其構造是在橢圓形的殼體中裝兩個繭形 的轉子，轉子之間保有極小的間隙而不直接相連，藉由螺旋齒輪連動，其中一 個轉子的轉軸與驅動的皮帶輪連結，轉子轉軸的皮帶輪上裝有電磁離合器，在 不需要增壓時即放開離合器以停止增壓,離合器則由計算機控制以達到省油的目 的。 圖 3-1 機械增壓器 圖 3-2 羅茨增壓器結構示意圖 12 機械增壓器的結構設計主要由轉子、殼體、前墻板、后墻板、油箱、軸幾 個部件組成，如圖 3-2 所示。 在傳動方式上，增壓器內部的主、從動輪子靠齒輪作同步傳動。由于考慮 到要求增壓器的傳遞扭矩的變化，選擇齒輪和皮帶輪在同一側，這樣可以傳遞 更大的扭矩。其中，傳動結構如圖 3-3 所示。 圖 3-3 傳動結構示意圖 在結構的密封上，軸端密封主要采用淺齒迷宮密封來防止氣體泄漏，它是 依靠齒槽縫隙使氣體節(jié)流，從而減少泄漏，達到密封的目的。由于無故相摩擦， 并且功耗少，維護簡單，使用壽命長。在設計中增壓器的軸承尾部的密封采用 油氈密封，主動段的密封采用 J 型骨架密封，軸伸處采用迷宮密封。 在結構的潤滑上，由于同步齒輪和前后軸承需要潤滑，在油箱內的同步齒 輪要浸入規(guī)定的油位（一般使油面高度位于齒輪分度圓附近） ，通過齒輪的旋轉 進行飛濺供油，軸承通過在墻板上的注油孔注入潤滑油進行潤滑油，多余的潤 滑油由軸承端蓋和軸承悶蓋上的泄油孔流出。對于后墻板軸承的潤滑，由于后 墻板與油箱相聯(lián)接，所以后墻板中的軸承的潤滑不需要再加上潤滑油孔，它直 接通過同步齒輪甩起的潤滑油來潤滑。 1.8 與渦輪增壓器比較與渦輪增壓器比較 廢氣渦輪增壓系統(tǒng)：平時最常見的增壓裝置（見圖 3-4） ，增壓器與發(fā)動機 無任何機械聯(lián)系，實際上是一種空氣壓縮機，通過壓縮空氣來增加進氣量。 永州職業(yè)技術學院 13 圖 3-4 渦輪增壓器 它是利用發(fā)動機排出的廢氣慣性沖力來推動渦輪室內的渦輪，渦輪又帶動 同軸的葉輪，葉輪壓送由空氣濾清器管道送來的空氣，使之增壓進入氣缸。當 發(fā)動機轉速增快，廢氣排出速度與渦輪轉速也同步增快，葉輪就壓縮更多的空 氣進入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料，相應增加燃料量就 可以增加發(fā)動機的輸出功率。一般而言，加裝廢氣渦輪增壓器后的發(fā)動機功率 及扭矩要增大 20%30%。但是廢氣渦輪增壓器技術也有其必須注意的地方， 那就是泵輪和渦輪由一根軸相連，也就是轉子，發(fā)動機排出的廢氣驅動泵輪， 泵輪帶動渦輪旋轉，渦輪轉動后給進氣系統(tǒng)增壓。增壓器安裝在發(fā)動機的排氣 一側，所以增壓器的工作溫度很高，而且增壓器在工作時轉子的轉速非常高， 可達到每分鐘十幾萬轉，如此高的轉速和溫度使得常見的機械滾針或滾珠軸承 無法為轉子工作，因此渦輪增壓器普遍采用全浮動軸承，由機油來進行潤滑， 還有冷卻液為增壓器進行冷卻。 渦輪增壓的確能夠提升發(fā)動機的動力，不過它的缺點也有不少，其中最明 顯的就是動力輸出反應滯后。我們看看前面有關渦輪增壓的工作原理就知道了， 即由于葉輪的慣性作用對油門驟時變化反應遲緩，也就是說從你大腳踩油門加 大馬力，到葉輪轉動將更多空氣壓進發(fā)動機獲得更大動力之間存在一個時間差， 而且這個時間還不短。一般經(jīng)過改良的渦輪增壓也要至少 2 秒左右來增加或者 減少發(fā)動機動力輸出。如果要突然加速，瞬間會有提不上速度的感覺。隨著技 術的進步，雖然各個使用渦輪增壓的廠家都在對渦輪增壓技術進行改進，但是 由于設計原理問題，因此安裝了渦輪增壓器的汽車駕駛起來的感覺是和大排量 的汽車有一定差異的。 14 機械增壓器(Supercharger)采用皮帶與曲軸皮帶盤連接。利用曲軸轉速帶動 機械增壓器內部葉片，以產(chǎn)生增壓空氣送入曲軸進氣歧管內，整體結構簡單， 工作溫度介于 700c100，不同于渦輪增壓器靠引擎排放的廢氣驅動，必須 接觸 4000C9000C 的高溫廢氣，因此機械增壓系統(tǒng)對于冷卻系統(tǒng)、潤滑油脂 的要求與自然進氣曲軸相同，機件保養(yǎng)程序大同小異。 機械增壓的壓縮機直接被發(fā)動機的曲軸帶動，它的優(yōu)點是響應性好(完全沒 有遲滯)。但是它本身需要消耗一部分能量，因此機械增壓不能產(chǎn)生特別強大的 動力，尤其是在高轉速時因為它會產(chǎn)生大量的摩擦，損失能量從而影響到 發(fā)動機轉速的提高。傳統(tǒng)的機械增壓器在中低轉速時，對發(fā)動機的動力輸出有 明顯改善，但峰值功率出現(xiàn)較早，發(fā)動機最高轉速較低。這種發(fā)動機可以在任 何時候，都能輸出源源不斷的扭力，大大減小換檔頻率。所以，機械增壓非常 適合匹配在又大又重的豪華房車上，而講求高速性能的跑車就很不適合采用它 了。 永州職業(yè)技術學院 15 機械增壓器零部件的設計機械增壓器零部件的設計 1.9 Pro/E 三維制圖軟件介紹三維制圖軟件介紹 Pro/E 第一個提出了參數(shù)化設計的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫來解決特征 的相關性問題。另外，它采用模塊化方式，用戶可以根據(jù)自身的需要進行選擇， 而不必安裝所有模塊。Pro/E 的基于特征方式，能夠將設計至生產(chǎn)全過程集成到 一起，實現(xiàn)并行工程設計。它不但可以應用于工作站，而且也可以應用到單機 上。Pro/E 采用了模塊方式，可以分別進行草圖繪制、零件制作、裝配設計、鈑 金設計、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進行選擇使用。 (1) 參數(shù)化設計，相對于產(chǎn)品而言，我們可以把它看成幾何模型，而無論多 么復雜的幾何模型，都可以分解成有限數(shù)量的構成特征，而每一種構成特征， 都可以用有限的參數(shù)完全約束，這就是參數(shù)化的基本概念。 (2) 基于特征建模 Pro/E 是基于特征的實體模型化系統(tǒng)，工程設計人員采用具有智能特性的基 于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，您可以隨意勾畫草圖，輕 易改變模型。這一功能特性給工程設計者提供了在設計上從未有過的簡易和靈 活。 (3) 單一數(shù)據(jù)庫（全相關） Pro/Engineer 是建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫上，不象一些傳統(tǒng)的 CAD/CAM 系統(tǒng)建立在多個數(shù)據(jù)庫上。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程中的資料全部來自一個 庫，使得每一個獨立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管他是哪一個部門的。 換言之，在整個設計過程的任何一處發(fā)生改動，亦可以前后反應在整個設計過 程的相關環(huán)節(jié)上。例如，一旦工程詳圖有改變，NC（數(shù)控）工具路徑也會自動 更新；組裝工程圖如有任何變動，也完全同樣反應在整個三維模型上。這種獨 特的數(shù)據(jù)結構與工程設計的完整的結合，使得一件產(chǎn)品的設計結合起來。 1.10 總體結構設計總體結構設計 (1) 總體結構設計 機械增壓器的結構設計主要由下列這幾個部件組成：轉子、殼體、前墻板、 16 后墻板、油箱、軸。在這里就根據(jù)這幾個主要的零部件將羅茨鼓風機三維建模 設計的，其中結構的剖視圖，如圖 4-1 所示。 圖 4-1 增壓器的結構剖視圖 (2) 傳動方式 在增壓器內部，主從動輪子靠一堆齒輪作同步傳動。由于考慮到要求增壓 器的傳遞扭矩的變化，選擇齒輪和皮帶輪在同一側，這樣，可以傳遞更大的扭 矩，傳動示意圖，如圖 4-2 所示。 圖 4-2 傳動示意圖 (3) 密封結構 軸密封包括軸伸、軸承座尾部和軸端三個部位的密封，在此增壓器中，軸 端密封主要采用淺齒迷宮密封來防止氣體的泄露，它是依靠齒槽縫隙使氣體節(jié) 流，從而減少泄露，達到密封的目的。由于無固相摩擦，因此不需要潤滑，并 且功耗少，維護簡單，使用壽命長。此次設計的增壓器的軸承座尾部的密封采 永州職業(yè)技術學院 17 用油氈密封，主動軸端的密封采用 J 型骨架密封，軸伸處采用迷宮密封。 (4) 潤滑結構 在機械增壓器中，需要潤滑的部分有同步齒輪和前后軸承這兩個部分，在 油箱內的同步齒輪要浸入規(guī)定的油位(一般使油面高度位于齒輪分度圓附近)， 通過齒輪旋轉的作用，形成飛濺供油系統(tǒng)。前墻板內軸承的潤滑通過前墻板上 的注油孔向風機內注入潤滑油，與軸承透蓋、軸承悶蓋構成供油系統(tǒng)，多余的 潤滑油可由軸承透蓋和軸承悶蓋上的泄油孔流出。對于后墻板軸限的潤滑，由 于后墻板與油箱相聯(lián)接，所以后墻板中的軸承的潤滑不需要再加上潤滑油孔， 它直接通過同步齒輪甩起的潤滑油來潤滑。 1.11 主要零部件的結構設計主要零部件的結構設計 1.11.1 轉子設計轉子設計 羅茨轉子（或稱葉輪）是羅茨增壓器中最為關鍵的組成元件，羅茨轉子一 般分為兩葉赫爾三葉（單葉及三葉以上的羅茨轉子應用極少） ，按葉輪形狀分為 直葉和扭葉。 不少文獻中認為三葉轉子機械增壓器由于比兩葉的轉子的機械增壓器多了 一個葉而簡單的認為中心距和外圓相同的條件下，兩葉轉子的增壓器比三葉的 排量大，這是一種錯誤的觀點。文獻在論述機械增壓器基元容積與節(jié)能及降 噪的關系中，通過兩葉和三葉鼓風機基元容積的大小從而得出三葉增壓器的理 論輸氣量上比兩葉的小。 本次設計采用的 是改進的漸開線型三葉扭葉轉子，其三位模型，如圖 4-3 所示，它的端面就是之前提到的改進型的三葉轉子漸開線型線。主動軸和從動 軸的旋向相反，運轉時，由同步齒輪以 1:1 的傳動來帶動，兩個轉子的相位由 兩同步齒輪控制。 圖 4-3 漸開線型三葉轉子三維模型圖 18 1.11.2 殼體設計殼體設計 殼體在機械增壓器中得作用是支撐整個增壓器并作為轉子的外殼，而且聯(lián) 接前墻板和后墻板，是整個增壓器的主要組成部分。箱體的內壁要求與轉子的 轉動相互配合，并與前墻板組成氣腔。殼體選用鋁材料鑄造，鑄件需經(jīng)過時效 處理，機械性能滿足 GB9439-88 的要求。由于殼體起了很大的支撐作用，所以 必然要求它可以支撐整個增壓器，而且要求有一定的強度以支持殼體內的氣壓。 提高強度有幾種方法：一個方法是增加箱體的厚度，但是以設計中要盡可能減 少重量的原則，不可以大幅度地增加箱體的厚度。所以，采用相對薄的厚度加 肋板的方法來提高強度。指甲因為騎著支撐作用，所以相對取較大的數(shù)值，以 加強支撐作用的強度，建模后殼體的模型如圖 4-4 所示。 圖 4-4 殼體三維模型圖 1.11.3 增壓器殼體圖增壓器殼體圖 殼體與前蓋和后蓋的聯(lián)接螺栓聯(lián)接。為了防止氣體的泄露和調整間隙，在 殼體與前墻板和后墻板的聯(lián)接之間要求加上密封設置，這是機械增壓器裝配時 所必不可少的。箱體的進氣口與出氣口部分設有凸臺，以便聯(lián)接進氣口管子和 出氣口管子。箱體及支架的螺栓固定在支架上。 前蓋的作用主要是作為轉子的最終的支撐并與殼體共同組成氣室。材料選 用非鋁，鑄件的技術條件要求符合國標 JB/TQ6887-93 的規(guī)定，它的機械性能應 滿足 GB9439-8 的要求，還需經(jīng)過時效處理。前蓋上的一端是用于和殼體配合 的，為了辦證密封性，在與殼體的聯(lián)接面上使用密封墊片。其結構如圖 4-5 所 示。它用兩根圓錐銷來保證與殼體的定位要求。它另外一端的兩個圓環(huán)凸臺分 別與軸承透蓋和軸承悶蓋相聯(lián)接。前蓋中要在軸承配合的地方留下潤滑油孔， 潤滑油可以從前墻板的上部注入鼓風機內部的軸承里。前蓋還留有預進氣口一 開用來平衡軸承兩端的的壓力，防止殼體內的高壓把軸承的潤滑油擠出。 永州職業(yè)技術學院 19 圖 4-5 增壓器殼體三維圖 1.11.4 前蓋三圍結構圖前蓋三圍結構圖 與前蓋一樣，后蓋的主要作用也是作為轉子的最終支撐并與箱體共同組成 氣室，它還可以作為聯(lián)接體聯(lián)接油箱，如圖 4-6 所示，材料的選擇和前蓋一樣。 它與殼體的聯(lián)接采用螺栓連接，定位是靠兩根圓柱銷來定的。同前蓋一樣，由 于后蓋與殼體共同組成氣室，從密封方面的考慮，必須在后墻板與箱體的聯(lián)接 之間安裝密封裝置。一般可選用密封紙或密封橡膠。 圖 4-6 后蓋三維結構圖 此外，在進氣口處還有過渡套，其三維結構，如圖 4-7 所示。 圖 4-7 過渡套三維結構圖 20 三零件的三維建模三零件的三維建模 1 1 三葉轉子的設計三葉轉子的設計 步驟和設計內容結果示意圖設計說明（方法） 1 草繪外形 先草繪一個圓，好 方便以后的拉伸皮帶輪 建模。 2 拉伸建模 在草繪平面的基礎 上拉伸出一個直徑為 20 長為 8mm 的實體。 3 齒輪的建模 在草繪平面的基礎 上拉伸出一個直徑為 57.8 長為 9.5mm 的實 體。 永州職業(yè)技術學院 21 4 漸開線利用曲線方程編輯 公式生成漸開線 5 生成齒輪實 體 利用鏡像-曲線-投 影-草繪-陣列生成漸開 線齒形 3 三葉轉子的 建模 草繪一個直徑為 74 的圓 22 4 葉子曲線生成利用曲線方程笛卡 爾坐標 r=18.53 theta=t*120 x=r*cos(theta)+r *sin(theta)*theta*pi /180 y=r*sin(theta)- r*cos(theta)*theta*p i/180 z=0 生成漸開線 5 三葉轉子的 生成 利用草繪命令旋轉 三個葉子漸開線，然后 拉伸生成實體 四機械增壓器的裝配四機械增壓器的裝配 步驟和零件名 圖片區(qū)命令功能說明 1 殼體設置“機械增 壓器”文件為工作 目錄，并缺省 完成殼體的調入 永州職業(yè)技術學院 23 2 轉子 1從“機械增壓 器”文件中調入 “xin1”文件，利 用軸對稱和擋油板 的端面與殼體座對 齊。 3 轉子 2 調取xin2 文件使用齒對 齊和中心對 齊完成約束 4 過渡套取 guoduotao文件 用配對和對 齊將過渡套裝到 殼體上 五、零件工程圖五、零件工程圖 工程圖一般是指二維的零件圖或裝配圖,在 PROE 中可以可以快速的產(chǎn)生三 維零件及組件的二維視圖，并以標注尺寸、公差、幾何公差、表面精度、零件 清單等工程資料 24 1 機械增壓器的殼體工程圖機械增壓器的殼體工程圖 2 2 機械增壓器的殼體零件圖機械增壓器的殼體零件圖 永州職業(yè)技術學院 25 3 機械增壓器的三葉轉子工程圖機械增壓器的三葉轉子工程圖 26 六，總裝配圖六，總裝配圖 永州職業(yè)技術學院 27 28 結論結論 通過本次畢業(yè)設計，使我對機械增壓器有了感性的了解，同時對國內外的 增壓器的發(fā)展也有了一定的認識。根據(jù)國內外增壓器發(fā)展的經(jīng)驗、現(xiàn)狀及近幾 年的動態(tài)，結合當前國內經(jīng)濟發(fā)展的具體情況，增壓器技術重點應放在在機械 增壓器的開發(fā)及應用上來提高發(fā)動機的性能。 通過這次設計，使我綜合運用機械設計的理論和實際知識的能力得到了鍛 煉和提高。結合生產(chǎn)實際知識，培養(yǎng)分析和解決一般工程實際問題的能力，得 到進一步鞏固、深化和擴展；通過設計，使我掌握了機械設計的一般規(guī)律，樹 立了正確的設計思想，培養(yǎng)獨立分析和解決實際問題的能力； 當然在設計過程中，也碰到了許多問題。在方沂老師的指導和同學的幫助 下，我也盡自己的努力去克服困難，最后順利地完成了整個設計。由于本人缺 乏經(jīng)驗及水平有限，設計仍存在一些問題，望老師給予指正。 這次畢業(yè)設計是我們在學校的最后一次課程。它將我們平時所學的知識相 互連接起來，為我們將來進入工作做準備。它讓我們了解了更多的新知識。 感謝老師、系領導和學校的關心和指導，在設計過程中，結合工作體會和 經(jīng)歷，為我完成設計給予了極大的幫助，為我們上了最后一次重要的課程。 永州職業(yè)技術學院 29 參考文獻參考文獻 1 濮良貴. 機械設計. 高等教育出版社,2003 2 成大先. 機械設計手冊. 北京：化學工業(yè)出版社，2002. 30243031 3 趙玉剛，宋觀春. 數(shù)控技術. 北京：機械工業(yè)出版社，2003 4 韓進宏. 互換性與技術測量. 北京：機械工業(yè)出版社，2004 5 王蘭美. 畫法幾何及工程制圖. 北京：機械工業(yè)出版社，2003 6 邱宣懷. 機械設計. 高等教育出版社，1997. 257295 以及 359398 7 劉鴻文. 材料力學. 高等教育出版社，2004 8 機械設計手冊聯(lián)合編寫組. 機械設計手冊. 化學工業(yè)出版社，1987 9 機床設計手冊編寫組. 機床設計手冊.北京：機械工業(yè)出版社，1980 10機床設計圖冊編寫組. 機床設計圖冊. 上海：上?？茖W技術出版社，1979 11王潤孝. 先進制造技術導論. 科學出版社,2004 12盛曉敏. 先進制造技術. 北京：機械工業(yè)出版社，2000 13Bixon M, Jortner J. The dynamics of predissociating high Rydberg states of NO. J. Chem. Phys. 1996,105:1363-1382 14Matsui H, Mayer E E, and Grant E R. Bend-stretch Fermi resonance in NO2+ as observed in the 2-photon absorption spectroscopy of the 3p 2u+ Rydberg state of NO2. J. Mol. Spectrosc. 1996, 175: 203-214 15Bixon M, Jortner J. The dynamics of predissociating high Rydberg states of NO. J. Chem. Phys. 1996,105:1363-1382 30 致謝致謝 在本設計的開題論證、課題研究、論文撰寫和論文審校整個過程中，得到 了方沂老師的親切關懷和精心指導，使得本設計得以順利完成，其中飽含了方 沂老師的汗水和心血。老師敏銳的學術思想、嚴謹踏實的治學態(tài)度、淵博的學 識、精益求精的工作作風、誨人不倦的育人精神，將永遠銘記在學生心中，使 學生終生受益。在此我們向侯方沂老師表示衷心的感謝和崇高的敬意。同時也 感謝親愛的同學在這三年來對我的支持和幫助。 感謝學校給我們提供設計場地，和系領導的關心和指導，在設計過程中， 結合工作體會和經(jīng)歷，提出了許多建設性的觀點，為我完成設計給予了極大的 幫助。 感謝學校的領導和老師對我的關心和幫助。 再次感謝所有支持和幫助過我的領導、老師、同學們。