基于CATIA的离心式机械增压器的仿真研究.docx

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基于CATIA的离心式机械增压器的仿真研究

分类号密级

UDC编号

本科毕业论文（设计）

题目基于CATIA的离心式机械增压器的仿真研究

院（系）机械与汽车工程学院

专业车辆工程

年级0911级

学生姓名姚永德

学号**********

指导教师邓利军

二○一三年五月

湖北文理学院

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

学位论文作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

本学位论文属于

1、保密□，在_____年解密后适用本授权书。

2、不保密□。

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学位论文作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

摘要

机械增压器是内燃机增压装置的一种，它通过提高内燃机的进气密度提升内燃机的功率，在内燃机增压领域有着广泛的应用。

由于机械增压器传统开发模式存在开发周期长、过程繁杂、开发成本高、性能测试困难等问题，本文以离心式机械增压器为研究对象，以分析解决增压器的设计开发为目的，引入CATIA三维建模和仿真研究，从理论和实验等方面对离心式机械增压器的开发过程进行了研究。

主要工作内容有：

1、了解机械增压器的发展历史及前景，机械增压器的种类，了解仿真技术产生的背景、在国内的发展状况、仿真技术的实际意义；

2、对离心式机械增压器的主要部件进行选型，并设计相关参数；

3、简述CATIA软件在工程设计中的应用，利用CATIA软件构建离心式机械增压器的三维实体模型，并对其进行装配，完成设计图纸；

4、在CATIA软件环境中进行运动仿真，得出离心式机械增压器的工作性能曲线。

关键字：

离心式机械增压器CATIA建模仿真研究

Abstract

Themechanicalsuperchargerisakindofaninternalcombustionenginesuperchargingdevice,byraisingthedensityoftheintakeairoftheinternalcombustionenginetoenhancethepoweroftheinternalcombustionenginehasbeenwidelyappliedinthefieldofinternalcombustionenginesupercharger.Duetothepresenceoftraditionaldevelopmentmodelofthemechanicalsuperchargerdevelopmentcycleislong,complicatedprocess,thehighcostofdevelopment,performancetestingdifficulties,thecentrifugalsuperchargerforthestudyistoanalyzeandsolveturbochargerdesignanddevelopmentforthepurposeoftheintroductionofCATIA3Dmodelingandsimulationstudies,thecentrifugalsuperchargerdevelopmentprocesshasbeenstudiedfromatheoreticalandexperimentalaspects.Themaintasks:

1,tounderstandthehistoryandprospectsofdevelopmentofthemechanicalsuperchargersuperchargerkindofunderstandthebackgroundofsimulationtechnology,thepracticalsignificanceinthedevelopmentofthedomesticsituation,simulationtechnology;

2,themaincomponentsofthecentrifugalsuperchargerselectionanddesignparameters;

3,brieflyCATIAsoftwareapplicationsinengineeringdesign,theuseofCATIAsoftwaretobuildacentrifugalsuperchargerthree-dimensionalsolidmodel,anditsassembly,completethedesigndrawings;

CATIAsoftwareenvironmentformotionsimulation,drawnthecentrifugalsuperchargerworkperformancecurve.

Keywords：

ThecentrifugalsuperchargerCATIAModelingSimulation

第一章绪论

1.1课题背景

发动机增压技术源于内燃机的出现，早在20世纪20年代就出现了机械增压的汽油机赛车；1937年出现了机械增压的Cummins发动机；70年代之后，涡轮增压技术得到了广泛的应用。

目前，美国大排量（10L以上）的柴油机几乎全部采用了增压技术，中、小排量的柴油机和汽油机采用增压技术也占相当大的比例。

欧洲次之，日本发展较晚，20世纪70年代后才开始批量生产，现在增压技术正处于大力发展之中。

相对柴油机而言，汽油机在小排量，尤其是轿车内燃机领域，有其独特的应用优势及地位，所以汽油机的增压研究对于解决能源及提高汽车性能都具有重要意义。

70年代末国外汽油机开始逐渐采用增压技术，并得到了迅速发展和完善，1990年美国生产的汽油机已有1/4采用了增压技术，1992年国际市场上出售的汽油机有15%采用增压技术。

目前国外的汽油机增压正处于完善和推广应用阶段。

一般认为增压对内燃机具有以下作用：

1、可以提高内燃机的机械效率和指示功率，强化汽车内燃机的工作过程，提高内燃机的升功率，使同等功率下，内燃机的相对质量降低，汽车的滚动阻力减小，提高内燃机的输出功率，以达到改善动力性能的目的。

2、通过增压把空气先压缩，减小体积提高密度后再送入气缸，可以使气缸容纳更多的空气，从而促进燃料充分燃烧，提高燃烧效率，减少燃料燃烧产生的有害气体和温室气体二氧化碳的排放。

3、使内燃机气缸内的混合气空燃比大幅度上升，有利于提高内燃机的热效率，从而提高内燃机的负荷率。

4、通过增压，可以在一定程度上补偿内燃机在高原地区因当地空气密度降低而出现的功率减小。

试验表明，海拔每升高1000m，内燃机功率将下降8%～12%，而通过增压可以改善这一状况，因此增压技术在高海拔地区的应用潜力较大。

此外，增压可以降低内燃机的油耗。

但增压的不足时加重了内燃机的机械负荷和热负荷。

由于进气增压能提高内燃机升功率、改善其经济性，因此被认为是内燃机的重要发展趋势之一。

1.1.1增压技术分类及对比

增压多采用的装置，称为增压器，目前世界范围内采用的多种增压方式，一般以以下几类进行划分：

1、按增压驱动方式

（1）机械增压：

由内燃机曲轴直接驱动；

（2）涡轮增压：

由内燃机所排放的废气驱动涡轮进行增压；

（3）外源增压：

由其他动力源（如电动机）驱动；

（4）复合增压：

同时采用废气涡轮增压器和机械增压器的增压方式，如大众汽车公司应用于TSI内燃机的双增压技术；

（5）其他增压方式：

如气波增压、惯性增压、氨氧增压等。

2、按增压器类型

（1）容积式，主要应用于机械增压，如罗茨式机械增压器；

（2）叶轮式，包括离心式、轴流式及混流式等。

（3）按增压度（增压比）

增压度和增压比是衡量进气增压的主要指标，增压度指增压后增与压前的内燃机有效功率之比；增压比（压力比）是指增压器出口压力与进口压力之比。

表1-1按增压度、增压比的增压方式分类

分类方式

低增压

中增压

高增压

超高增压

增压度∅

≤1.9

1.9～2.5

2.5～3.5

≥3.5

增压比

≤1.6

1.6～2.5

≥2.5

-

目前世界范围内应用最为广泛的是废气涡轮增压技术，实践表明：

废气涡轮增压在改善整机排量较大的车用内燃机高速工况性能方面体现了较强的优势，但涡轮增压器的低速特性和瞬时响应特性较差，在中、小排量车用内燃机上存在动态性能及排放性能不佳、匹配困难等缺点：

其材料和装配精度要求都较高，因此成本也较高；另外，它的润滑系统的冷却和密封性要求较高，容易产生润滑油结焦，影响内燃机性能。

与涡轮增压系统比较，机械增压系统具有结构简单、成本低等特点，通过增压，不但能补偿内燃机的驱动损失，还能提高输出功率。

但的那个增压比较高时，消耗的驱动功率很大，可能超过指示功率的19%,使整机的机械效率下降，比油耗增加，因此主要应用于小型机，一般增压比不超过1.6～1.7.机械增压可以克服涡轮增压在低转速、小负荷时反应滞后、供气不足的缺陷，因而有较大的发展空间。

1.1.2机械增压器概述

在机械增压器中应用最为广泛的事罗茨式机械增压器，在机械增压中的保有量约占90%之多。

除了罗茨式增压器，还有一种离心式增压器也被广泛使用，特别是在改装车上，这种增压器越来越受到重视。

离心式增压器的样子长得跟蜗牛一样的外形，增压器里面只有一个离心式叶片（图1.1），在高速旋转的过程中就把空气给压缩了。

图1.1离心式机械增压器工作原理

很显然，这种增压器的特点结构更为简单，不像罗茨式需要两个转子，因此体积更小，布置更方便。

不过这种增压器工作的时候会带有高频噪音，并且随着转速提高而愈发尖锐。

为了达到有效的增压值，离心式增压器的转速普遍比罗茨式的偏高，一般可以高于曲轴转速5倍以上。

1.1.3国内外机械增压技术现状

国外车用发动机的机械增压器曾在上世纪30年代一度兴起，但由于当时的增压器体积大、噪声高、成本高、寿命短和效率低等原因未被汽车工业界所接纳，逐渐淡出汽车发动机行业，而涡轮增压技术却从20世纪60年代起得到了迅速发展。

到了20世纪80年代初，机械增压技术又被汽车工业界重新重视。

发动机机械增压器主要包括涡旋式、螺杆式、滑片式、罗茨式等类型。

鉴于制造工艺及成本原因，目前国外最常用的车用机械增压器是罗茨式机械增压器，也称为鲁氏增压器。

我国从20世纪50年代开始研制涡轮增压器，据不完全资料统计，目前共有专业生产车间和生产厂40多家，大部分以引进国外技术仿制为主，只有极少数内燃机研究所和部分高校从事增压器的开发和研究工作。

经过近50年的开发，逐渐形成一定规模的产量。

1.2运动仿真技术简介

1.2.1运动仿真技术产生的背景

进入21世纪，科学技术突飞猛进，社会发展日新月异。

人们对个性化产品的需求越来越迫切，对产品性能的要求也越来越高，全球化经济已明显地呈现出买方市场的特点。

由于这一变化，导致市场竞争日趋激烈，而竞争的核心则主要体现在产品创新上，体现在对客户的响应速度和响应品质上。

传统的物理样机在产品的创新开发中，在开发周期、开发成本、产品品质等方面已越来越不能满足市场需求，运动仿真技术正是在这一市场需求的驱动下产生的。

1.2.2运动仿真技术

运动仿真技术是一种崭新的产品开发方法，是多个相关学科领域交叉、集成的产物，是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法。

其涉及机械、电子、计算机图形学、仿真建模、虚拟现实等多个领域、多项技术，以计算机仿真和产品生命周期建模为基础，以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心，借助成熟的三维计算机图形技术、图形用户界面技术、信息技术、集成技术、多媒体技术、并行处理技术等，将分散的产品设计开发和分析过程集成在一起，使得与产品相关的所有人员能在产品研制的早期直观形象地对虚拟的产品原型进行设计优化、性能测试、制造仿真以及使用仿真等。

换句话说“运动仿真”设计方法就是在建造第一台（件）物理样机之前，利用软件技术建立产品系统计算机模型，通过基于实体可视化的仿真分析，模拟系统在真实工作环境条件下的运动和动力特性，以便反复修改设计方案，最终得到最优设计方案。

1.2.3运动仿真技术在国内外的发展概况

国外已在各个领域广泛地应用仿真设计。

所涉及到的产品从庞大的卡车到微小的照相机的快门，从火箭到轮船的锚机。

在工程／矿山机械行业，如约翰•迪尔公司利用仿真技术成功地解决了工程机械在高速行驶时出现蛇行现象的问题及在重载下的自激振动这个一直困扰着设计师及用户的难题，大大提高了工程／矿山机械高速行驶性能与重载作业性能。

卡特彼勒公司利用虚拟样机在切削任何一片金属之前就可快速试验数千种设计方案，不但降低了产品设计成本，缩短了开发周期，而且还制造出性能更为优异的产品。

运动仿真技术在国外已有很多应用实例，我国也正极急投身于该项技术的研究中。

在传统上，我国引进物理样机，开发人员往往停留在零件照抄的水平上，对于样机缺乏系统水平上的理解和研究，结果虽然投入了大量的人力物力，却收效甚微。

但如果采用虚拟样机技术，技术人员便可对引进样机进行深入的研究，可以追踪样机的设计思想，从而真正提高设计人员的水平，开发出能满足市场需求的产品来。

1.2.4发展运动仿真技术的重要意义

运动仿真设计方法将分散的零部件设计和分析技术集成在一起，提供一种更全面地了解设备性能的方法。

它利用虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互式地探索虚拟物体的功能，对设备进行几何、功能及制造等方面交互的建模与分析。

在概念设计和方案论证中，便于设计师将自己的经验与想象融于计算机的虚拟样机设计中，充分发挥想象力和创造力，并替代物理样机进行性能模拟试验。

设计师可在计算机上方便地确定、修改设计进程，逐步优化设计方案。

通过运动仿真机试验，还可节省建立试验台、安装测试设备和测试仪表等有关的费用，更快地确定影响设计方案性能的敏感参数，达到最优化设计目的。

这样，可大大缩短设备研发周期，降低研制成本，提高设计质量和效率，为产品赢得了竞争优势。

1.3CATIA软件在工程设计中的应用

1.3.1CATIA软件介绍

CATIA是法国DassaultSystem公司旗下的CAD/CAE/CAM一体化软件，DassaultSystem成立于1981年，CATIA是英文ComputerAidedTri-DimensionalInterfaceApplication的缩写。

在70年代DassaultAviation成为了第一个用户，DassaultAviation是世界著名的航空航天企业，其产品以幻影2000和阵风战斗机最为著名。

CATIA如今其在CAD/CAE/CAM以及PDM领域内的领导地位，已得到世界范围内的承认。

雇员人数由20人发展到2，000多人。

居世界CAD/CAE/CAM领域的领导地位，广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子\电器、消费品行业，它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域，其特有的DMU电子样机模块功能及混合建模技术更是推动着企业竞争力和生产力的提高。

CATIA提供方便的解决方案，迎合所有工业领域的大、中、小型企业需要。

包括:

从大型的波音747飞机、火箭发动机到化妆品的包装盒，几乎涵盖了所有的制造业产品。

在世界上有超过13,000的用户选择了CATIA。

CATIA源于航空航天业，但其强大的功能以得到各行业的认可，在欧洲汽车业，已成为事实上的标准。

CATIA的著名用户包括波音、克莱斯勒、宝马、奔驰等一大批知名企业。

其用户群体在世界制造业中具有举足轻重的地位。

波音飞机公司使用CATIA完成了整个波音777的电子装配，创造了业界的一个奇迹，从而也确定了CATIA在CAD/CAE/CAM行业内的领先地位。

本次设计应用到的主要是CATIA的混合建模、装配设计、工程制图、运动仿真等模块。

1.4本章小结

本章主要概括了机械增压器的类型，结合各自特点进行简要分析，并对国内外发展现状进行了详尽剖析，确定本文的写作目的及其意义；对运动仿真技术产生的背景、状况及发展趋势做出简要介绍，及其在运动仿真应用的领域和实现的过程，指出了课题研究的背景和实际意义，确定了论文所要完成的主要任务和预期目的。

介绍了CATIA软件在工程设计中的应用。

第二章离心式机械增压器结构及参数的确定

为设计离心式机械增压器的三维虚拟模型，必须对其工作装置进行选型分析，通过匹配分析对其主要零部件的类型及尺寸进行优化设计，以期为后续的仿真研究阶段提供理论依据。

图2.1离心式机械增压器的结构

2.1工作装置的结构设计

离心式机械增压器（后面简称增压器）主要由三个组成部分构成，主机外壳部分、加速齿轮传动部分、涡轮叶片。

以下对三个组成部分进行设计选型。

2.1.1齿轮传动部分

齿轮传动部分通常设计为斜齿轮传动，它具有传动精准性好、噪音小等优点，设计技术也较为成熟，但由于仿真设计对齿轮的形貌无要求，为方便设计采用直齿圆柱齿轮。

现代汽车转速范围设计一般在1000-7000r/min，速度范围的加大带来更宽的调速范围和更好的节油效果。

离心式压气系统最高转速可达260000r/min，但是对于体积相对较大的机械增压器来说，过高的转速设计必然会使成本提高，且最大的问题是转速越高，相应发动机的功率损失就越大，这样的话增压效果会大受影响。

所以对一般车用机械增压器，采用传动比为2～5个大小的传动系统来实现转速提升就可以了。

本设计所采用的齿轮传动比为3。

2.1.2涡轮叶片

涡轮叶片是增压器中唯一对空气作功的部件，它将发动机皮带提供的机械能转变为空气的压力能和动能。

涡轮叶片分为导风轮和工作叶轮两部分。

机械增压器中两者做成一体。

导风轮是叶轮入口的轴向部分，叶片入口向旋转方向前倾，直径越大处前倾越多，其作用是使气流以尽量小的撞击进人叶轮。

根据叶轮轮盘的结构形式，涡轮叶片可分为开式、半开式、闭式、星形等形式。

开式叶轮没有轮盘，流动损失大，叶轮效率低，且叶片刚性差，易振动。

闭式叶轮既有轮盘又有轮盖，流道封闭，流动损失小，叶轮效率高;但结构复杂，制造困难。

半开式叶轮只有轮盘，没有轮盖，其性能介于开式和闭式之间。

但其结构较简单，制造方便，且强度和刚度都较高，在涡轮增压器中应用广泛。

星形叶轮是在半开式叶轮的轮盘边缘叶片之间挖去一块，减轻了叶轮质量，从而减小了叶轮应力，并保持一定的刚度，因此能承受很高的转速，多在小型涡轮增压器中应用。

按叶片的长短，涡轮叶片还可分为全长叶片叶轮和长短叶片叶轮。

全长叶片叶轮进口流动损失小，效率高，但对于小直径叶轮，进口处气流阻塞较为严重。

因此，小型涡轮增压器中多采用长短叶片叶轮。

.

根据叶片沿径向的弯曲形式，压气机叶轮又可分为前弯叶片叶轮、后弯叶片叶轮和径向叶片叶轮等，前弯叶片叶轮的叶片沿径向向旋转方向弯曲。

这种叶轮对空气的作功能力最大，但其作功主要是增加了空气的动能，对压力能却提高较少，这就要求空气的动能更多地要在扩压器和蜗壳中转化为压力能。

因为扩扭器和蜗壳的效率比叶轮低，因此压气机效率低，增压器中不采用这种叶轮。

径向叶片叶轮的叶片径向分布，不弯曲。

这种叶轮的压气机效率比前弯叶片高，比后弯叶片的低，由于其强度和刚度最好，能承受较高的圆周速度，从而在此前增压比较低的涡轮增压器中得到较多应用。

后弯叶片叶轮的逆旋转方向弯曲，虽然它的作功能力小，但空气压力的提高大部分是在叶轮内完成的。

这种叶轮由于压气机效率高，应用也较多前倾后弯式叶轮（也称后掠式叶轮），其叶片沿径向后弯的同时还向旋转方向前倾，这种叶轮不仅压气机效率高，而且高效率范围宽广，近年来在车用增压器上受到了重视和应用。

图2.2增压器涡轮叶片

2.1.3主机外壳

主机外壳是一个类圆形的铸造成型的空壳，它包括风扇部分的蜗壳和齿轮传动部分的外壳。

其中蜗壳的形状对于集气和尺寸大小有要求，涡壳截面的形状可以有很多种，以梨形的损失最小，但各种形状相差不大，所以在设计时更多地是考虑尺寸上的小型化。

近年来逐渐多采用的鸭蛋形截面涡壳能得到最小的外形尺寸。

齿轮传动部分外壳与蜗壳是独立设计的。

图2.3蜗壳的截面形状

2.2增压器的分析及计算

结构装置的计算包括：

（1）确定计算位置

（2）选取受力最大的典型工况，确定外载荷

（3）对工作装置经行受力分析

2.2.1拟定齿轮的结构及参数

一对渐开线齿轮正确啮合的条件是处于啮合线上的各对轮齿都能同时进入啮合，为此两齿轮的法向齿距应相等，即

（2-1）

（2-2）

式中，

及

分别为两轮的模数和压力角。

由于模数和压力角均已标准化，通常对于标准齿轮的压力角已经固定

所以啮合的条件是模数和压力角分别相等。

首先确定从动齿轮的齿数，因为是高速齿轮传动，齿数越多，模数越小，同时进入啮合的齿数相应越多，这样传动的平稳性就更好。

假定从动齿轮的齿数为18，选择第一系列的标准模数1.5，顶隙系数为0.38，由《机械原理》中表10-2渐开线标准直齿轮几何尺寸的计算公式确定余下相关参数如下表2-1所示

表2-1从动齿轮参数

参数名称

符号

数值

模数

m

1.5mm

齿数

z

18

压力角

20deg

齿顶高

ha

1.5mm

齿根高

hf

1.875mm

分度圆半径

rp

13.5mm

齿顶圆半径

ra

15mm

齿根圆半径

rf

11.625mm

基元半径

rb

12.685mm

齿根圆角半径

rr

0.57mm

齿厚

b

19mm

有了从动齿轮的参数，主动齿轮参数基本确定下来，这样就可以定下来齿轮传动的中心距a。

（2-3）

从动齿轮轴的相关设计尺寸如图2.4所示

图2.4从动齿轮轴的设计尺寸

2.2.2确定端盖外形结构及参数

端盖需要对齿轮传动完全包容，同时尽量让尺寸做到最小化，本次设计只是传统的概念设计，所以端盖外形没有复杂的构型，只为端盖的定位和轴承定位做了详细设计。

初定端盖的壁厚为5mm，查阅标准件手册，根据齿轮的大小选定轴承标准件，然后就能够得出轴承座的基本尺寸。

其中两个轴承的中心距尺寸设定为齿轮传动的中心距尺寸a，最终敲定的端盖尺寸如图2.5所示

图2.5端盖设计尺寸

2.3本章小结

本章主要介绍了增压器中关键部件的对比选型和参数设计，从各种不同的结构中选出最佳的一个并简要分析它的特点，然后以齿轮传动设计和端盖设计为例进行参数设计分析，进而完成对整个机械增压器概念设计。

第三章机械增压器三维实体建模

3.1工作装置零件建模

在传统的工程设计中，设计人员首先在头脑中形成产品的三维轮