毕业设计（论文）-空气压缩动力汽车动力系统设计.doc

山东大学毕业论文摘要压缩空气动力汽车利用压缩空气发动机作为动力源，基本上可以实现零排放，是真正的绿色环保型汽车。压缩空气动力汽车的动力系统和普通内燃机动力汽车相比，具有一定的特殊性，本文主要介绍了压缩空气动力汽车在国内外已经取得的发展、未来发展前景、实用性以及现实意义，并在结合压缩空气动力汽车的特点进行分析的基础上，探讨压缩空气动力汽车动力系统的设计方法，对压缩空气动力汽车动力系统的原理进行了说明。并利用三维绘图软件solidworks绘制三维立体模型、运动仿真。关键词 压缩空气；动力汽车；动力系统；发动机AbstractCompressed air powered vehicles using compressed air engine as a power source, can be achieved basically zero emissions, is the real green cars. Compressed air powered vehicle power systems and general engine powered vehicles, compared with a certain degree of particularity, this paper introduces compressed air-powered cars at home and abroad has made the development of future prospects, practical and realistic, and in the combined compressed air powered vehicles on the basis of analysis of the characteristics to explore the compressed air powered vehicle power system design methods, the compressed air powered vehicle power system principles are described. And three-dimensional graphics software solidworks draw a three-dimensional model, motion simulation.Keywordscompressed air; electric vehicle; dynamical systems; engineII1山东大学本科设计论文第1章 绪论能源是现代社会经济发展的支柱，随着时间的推移，人口的急剧增加，人类经验和知识的积累，科学技术的发展，社会现代化的飞速发展，全球工业化进程的发展，尤其是工业革命以后，世界各国对能源消耗急剧增大，人类的一切物质活动，都离不开能源的支持。如今，能源短缺、资源争夺以及过度使用能源造成的环境污染等问题，正威胁着人类的生存与发展。使能源危机日益凸现并导致一系列世界性的环境问题。石油、天然气和煤炭等化石能源供应着世界85%以上的一次能源消费，但储量有限，不可再生，地球上剩余可采年限分别仅为约40、60和230年。能源问题迫在眉睫，尤其是在21世纪，“能源”成为国家间竞争的焦点，节约使用能源，探索新能源，是人类面对即将到来的能源困境，寻求可持续发展的一条生路。 而传统汽车对化石原料的消耗最大以及对环境污染最严重。国际能源机构（IEA）的统计表明，2001年全球在交通运输业的石油消耗量占全世界石油总消费量的57%（其中美国为67%），据估计2020年全球汽车拥有量将达到数亿辆，交通运输业将耗全球约62%的石油生产量。根据美国能源部估计，2020年后，全世界石油需求与供给之间矛盾尖锐；而2050年石油供需的缺口，约是2000年世界石油总产量的数倍。发展新能源汽车是世界汽车产业的必然战略选择。1.1 压缩空气动力汽车的研究现状作为最容易被忽略的新型能源之一，压缩空气动力已经问世，并在世界一些国家得到了发展，并推广应用。压缩空气动力汽车利用压缩空气发动机作为动力源，基本上可以实现零排放，是真正的绿色环保型汽车。空气车最高时速达110公里，平均每加一次空气可行驶200公里或10小时。车上有4个总容量90升的压缩空气缸，可储90立方米的空气。由于空气车使用的是压缩空气，为避免损害发动机，所有空气都要先经过滤器过滤沙尘杂质，变做干净空气后才能注入发动机。所以驾驶人士在驾驶空气车的同时，还能帮助清新城市内的废气。空气车加气过程非常简单，驾驶者可在家中自行加气，只需把空气车上的空气压缩机接到家中电源上，4小时后便能自动加满气。将来驾驶者也可以去指定的加气站，快速加气，MDI已开发出一种快速充气技术，使气缸可在3分钟内完成充气，服务费约1.5欧元。下面就看以一下，压缩空气动力汽车在一些国家的发展现状，以及他们所采用的动力系统。在国际上，致力于发展研究压缩空气动力汽车的国家有法国、印度、美国、澳大利亚以及乌拉圭等国家，其中以法国、美国、澳大利亚最为知名。但是目前国际上的研究工作主要集中在法国工程师Gury Negre领导的研究小组，他们已获得相关的专利20余项。下面是法国MDI公司研究的一款压缩空气动力汽车：图1-1 AIRPOD图1-1所示的这一款外型美观的汽车，名字叫 AIRPOD air-powered urban vehicle （AIRPOD 城市空气动力车）。与目前市场存在的普通清洁能源汽车是不同的，这辆车并没有用压缩氢气或天然气作动力源，而是用了普通的空气，经压缩存储之后，作为汽车动力来源。可以说，是一部真正实现了零排放的交通工具。图1-2 MDI所采用发动机的主要配置为参数：储气罐容积175升； 储气压力350大气压； 全车空重220千克； 充满气能连续行驶220公里； 最高车速70公里/小时； 发动机功率4千瓦； 工作压力19大气压； 最大扭矩15NM； 排量1800CC 它特殊的发动机引擎是由 Motor Development International （汽车发展国际）开发的，车上附设有 175 L的汽缸，所用的空气可以通过外泵或者行车时由电动马达完成充气过程。包括司机的话，最大可载乘客量是 3 人。目前 AIRPOD 的最高时速可达 70 公里，每一次充满气的最大行驶范围可在 200 公里左右。每以次在专用气站充气需时大约两分钟，费用大约 1 欧元。如果发生撞车的话，气瓶也不会发生爆炸，最多只是把压缩的气体放出来而已。AIRPOD目前已经进入第二测试阶段，相信在不久的将来就能投入市场。据2008年网易汽车频道报道，法国国际机械研发公司（MDI）计划将两款以压缩空气作为动力的汽车MDI Citycat和Minicat近日即将投入批量生产。图1-3 MDI CitycatCityCAT拥有一个可储存52加仑压缩空气的空气罐（而这种压缩空气在常见的轮胎充气点就可以冲灌），该车据称最高时速可到到68mph，充满气体后可连续驾驶125英里。而更重要的是，这种直接采用空气物理动力的车在行驶中除了“嗞嗞”的声音外，不会排放任何有害物质，所用的能源也就是我们最常见不过的空气，可谓实现了真正的零耗能零污染。图1-4 北得大研究的液化氮车这种汽车外形结构简洁、车架重量轻，非常适合用压缩空气作为动力，可运用在短途客运上。它的动力系统与能力转换过程如下图所示：图1-5 液化氮车动力系统图1-6 液化氮车能量转换国内，在压缩空气动力研究方面还与国际上有一定的差距，但是经过国家的大力支持与此方面专家的不懈努力，还是去的了一定的进展。走在国内最前列的是浙江大学流体传动与控制国家重点实验室气动实验室，国内大部分有关空气动力理论及应用方面的文献，基本上都来自于该实验室。1.2 研究压缩空气动力汽车的意义随着全世界汽车拥有量的急剧增多，石油资源作为不可再生的典型化石能源正面临短缺和枯竭；而且汽车燃烧石油产品所产生的有害气体对环境所也造成了极大的污染，给人类生存环境带来不可估量的不良影响。节约石油资源以及减少有害气体排放量，寻找新的、可替代的、清洁的能源，是所有行业的人士尤其是汽车行业核心高级工作者必须要解决的最大问题。气动发动机利用高压压缩空气在发动机气缸内膨胀，推动活塞运动做功，输出动力，不消耗任何燃料，排出的尾气中也不含任何污染物质。同时，空气的储量巨大，取之不尽用之不竭，取用方便。而且空气压缩可以利用由风力、水力以及太阳能等环保能源为动力的存储设备，将使压缩空气动力汽车成为真正的零排放的绿色环保型汽车，为缓解石油资源匮乏和城市空气污染的压力做出巨大的贡献。第2章 气动汽车动力系统的核心及工作原理空气压缩动力汽车（air powered vehicle简称APV），它利用高压空气作为动力源， 空气或液氮作为介质，在汽车运行时通过动力装置把压缩空气储存的压力能转化为汽车的动能。空气动力汽车的原理与传统汽车基本相同，主要差别在于汽车的动力来源不同。压缩空气动力发动机(气动发动机)是气动汽车的核心部件，压缩空气动力汽车的压缩空气发动机在构造原理上类似传统的汽油发动机，但是最大的区别在于，传统发动机是通过汽油和空气混合燃烧释放的能量提供动力，压缩空气动力汽车则是通过气体的压缩和膨胀来驱动发动机，将储气罐中的高压空气减压到可工作的压力范围，进入发动机气缸后膨胀做功，类似于传统发动机在燃油燃烧时产生高压混合气体后，推动活塞做功的工作过程，所以，在基本结构上也类似于于传统的发动机，包括壳体、连杆、曲轴、气缸、活塞和配气机构等结构。因为气动发动机不存在燃烧过程，气动发动机机体不承受高温和高压，机体的强度也可以减小，结构简单，重量轻。在汽车中也不再需要使用冷却系统，制造及使用维护成本降低。压缩空气动力发动机的工作特性具有启动性及低速转矩大，输出转矩随着发动机转速升高逐渐减小，而耗气量逐渐增大的特点，通常情况下打开进气阀门后发动机即可运行并输出最大转矩，直接驱动汽车起步行驶。同时，发动机的输出转矩及转速与进气压力和流量成比例，可以通过对进气压力和流量的调节方便地进行调整，以适应不同工况的需要。 2.1关于发动机的基本知识首先介绍一下与发动机相关的一些术语：图2-1 发动机1 )上止点：活塞顶离曲轴中心最大距离时的位置称为上止点。2 )下止点：活塞顶离曲轴中心最小距离时的位置称为下止点。活塞行程（S）：活塞运行在上下两个止点间的距离称为活塞行程。它等于曲轴旋转半径长度的两倍。3 )气缸工作容积(V h)：活塞在上下止点间运动所扫过的容积称为气缸工作容积。V h = D2S 10-6/4（L） D气缸直径mm S活塞行程mm 4 )燃烧室容积(Vc )：活塞在上止点时，活塞顶部上方整个空间的容积称为燃烧室容积。5 )气缸总容积(Va )：活塞在下止点时，活塞顶部上方整个空间的容积称为气缸总容积。它等于气缸工作容积与燃烧室容积之和。6 )压缩比（）：压缩前气缸中气体的最大容积与压缩后的最小容积之比称为压缩比。它表示活塞由下止点运动到上止时，气缸内气体被压缩的程度。= Va/Vc 7 )发动机排量(VL)：多缸发动机各缸气缸工作容积的总和称为发动机排量。它等于气缸排量与缸数的乘积。VL= V h I8)工作循环：燃料的热能转换为机械能需经进气、压缩、作功、排气等一系列连续过程，每完成一次称为一个工作循环。2.2 现代传统发动机的总体构造发动机是一种能够把其它形式的能转化为另一种能的机器，其作用是将液体或气体燃烧后的化学能转化为热能，再通过把热能膨胀转化为机械能，并且对外输出动力。汽油机通常由两大机构 （曲柄连杆机构、配气机构）和五大系统（燃料供给系统、润滑系统、冷却系统、点火系统、起动系统）组成。柴油机通常由两大机构（曲柄连杆、配气）和四大系统（燃料供给系统、润滑系统、冷却系统、起动系统）组成。2.2.1 两大机构 ：1)曲柄连杆机构：曲柄连杆机构是由气缸盖、气缸体、连杆、活塞、飞轮和曲轴等组成。使发动机生产动力，并将活塞直线运动转变为曲柄旋转运动，并且对外输出动力。2)配气机构：配气机构是由排气门、进气门、气门弹簧、推杆、凸轮等组成。作用是将压缩空气充入气缸，并将产生的废气排出气缸。 2.2.1 五大系统 ：1)燃料供给系统：由于使用的燃料不同，可分为汽油机燃料供给系和柴油机燃料供给系。汽油燃料供给系又分化油器式和燃油直接喷射式两种，通常所用的化油器式燃料供给系由燃油箱、汽油泵、汽油滤清器、化油器、空气滤清器、进排气歧管和排气消声器等组成，其作用是向气缸内供给已配好的可燃混合气，并控制进入气缸内可燃混合气数量，以调节发动机输出的功率和转速，最后，将燃烧后废气排出气缸。 柴油机燃料供给系由燃油箱、输油泵、喷油泵、柴油滤清器、进排气管和排气消声器等组成，其作用是向气缸内供给纯空气并在规定时刻向缸内喷入定量柴油，以调节发动机输出功率和转速，最后，将燃烧后废气排出气缸。 2)冷却系统：机动车一般采用水冷却式。水冷式由水泵、散热器、风扇、节温器和水套（在机体内）等组成，其作用是利用循环的冷却水将高温零件的热量散发到大气中，从而维持正常工作温度。 3)润滑系统：润滑系由滤清器、机油泵、油底壳、油道等组成。其作用是将润滑油分送至零件的摩擦面，以减小摩擦力，减缓机件磨损，并清洗，冷却摩擦表面。4)点火系统：汽油机点火系由点火线圈、电源（蓄电池和发电机）、火花塞和分电器等组成。 5)起动系统：起动系由起动机和继电器等组成，用以使发动机起动并转入运转状态。2.3、四冲程、二冲程发动机的工作过程图2-2 四冲程发动机工作过程四行程汽油机经过进气、压缩、作功和排气行程完成一个工作循环。 进气行程：活塞从上止点向下止点运动，排气门关闭，进气门打开。可燃混合气通过进气门被吸入气缸，直至活塞向下运动到下止点。 压缩行程：曲轴继续旋转，活塞从下止点向上止点运动，这时进气门和排气门都关闭，气缸内成为封闭容积，可燃混合气受到压缩，压力和温度不断升高，当活塞到达上止点时压缩行程结束。 作功行程：作功行程，进气门和排气门仍然保持关闭。排气行程：当作功终了时，开启排气门，仍然关闭进气门，靠废气的压力自由进行排气，活塞到达下止点再继续向上止点运动时，把废气排出到大气中去，活塞越过上止点后，关闭排气门，排气行程结束。图2-3 二冲程发动机工作过程二冲程发动机与四冲程发动机相比，它的优点是：理论上它的功率应等于四冲程发动机的二倍。 由于作功频率较大，二冲程发动机的运转比较均匀平稳。 构造简单，质量较小。易受磨损和经常需要修理的运动部件数量较少。第3章 设计过程中使用的工具现在常用的三维绘图软件有：Pro/E、 UG、 solidworks、 3Dmax 、Auto CAD。我在该气动发动机的设计过程中主要使用了Solidworks三维设计软件。相比于其他几款三维绘图软件，solidworks有着明显的优势，最要的原因是我感觉操作简单、容易上手。3.1 SolidWorksSolidWorks公司由PTC公司的技术副总裁与CV公司的副总裁发起，于1993年成立，总部位于马萨诸塞州的康克尔郡内。 Solidworks软件功能非常强大，工具库、组件繁多。Solidworks的强大功能、易学易用性及技术革新是其三大主要特点。其中，易学易用性是选择Solidworks作为本次设计主要工具的一个重要原因。Solidworks形象生动的图形界面对于初学者操作起来相当方便。 比起诸如PROE、UG等其他种类的三维设计软件，只有SolidWorks 提供了一套完整的动态界面及鼠标拖动控制系统。“全动感的”的用户界面减少了设计步骤和多余的对话框，从而避免了界面的零乱。 全新的属性管理员可用来高效地管理整个设计过程和步骤。属性管理员包含所有的设计数据和参数，操作方便、界面直观。 用SolidWorks资源管理器可以方便地管理CAD文件。SolidWorks资源管理器是唯一一个同Windows资源器类似的CAD文件管理器。特征模板（零件库）为标准件和标准特征。用户可以直接从特征模板上调用标准的零件和特征，为设计节省了时间。SolidWorks 提供的AutoCAD模拟器，使得AutoCAD用户可以保持原有的作图习惯，顺利地从二维设计转向三维设计或从三维设计转向二维设计。软件特点：Solidworks软件功能强大，组件繁多。 Solidworks 功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks 的三大特点，使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。其中，易学易用性是选择Solidworks作为本次设计主要工具的一个重要原因。Solidworks形象生动的图形界面对于初学者操作起来相当方便。3.2 triz创新理论 本次设计的过程中，指导老师专门为我们开设了triz创新理论及实践的课程，对于triz创新理论及其方法做了一个详细深入的介绍与教学，而且使用的是本校研究生自行开发的triz创新理论，这对我们在此后的设计中所遇到的问题提供了极大的帮助。现在就triz创新理论做一个简单的介绍。triz创新理论：triz的含义是发明问题的解决理论，其拼写是由“发明问题的解决理论” 俄语单词的首字母组成的，欧美国家将其缩写为TIPS。它是由前苏联发明家阿奇舒勒于1946年创立的，它总结出了各种技术发展进化过程中所遵循的规律模式，以及解决各种技术矛盾和物理矛盾过程中的创新原理和法则，建立了一个由解决技术，实现创新开发的各种方法和算法所组成的综合理论体系，并综合了多学科领域的原理和法则，建立起了triz创新理论体系。triz创新理论在前苏联国防工业的发展中扮演了极其重要的角色，前苏联也正是依靠trzi创新理论研发出了一大批尖端武器，triz创新理论在20世纪80年代随着一批苏联科学家移居海外而得到广泛的传播，逐渐为世界各国所了解并得到应用。苏联解体后，triz理论仍在世界各国得到了较大的发展并至今仍在继续发展。triz创新理论所包含的主要内容：1. 创新思维方法与问题分析方法。triz理论中提供了如何系统分析问题的科学方法，如多屏幕法等；而对于复杂问题的分析，则包含了科学的问题分析建模方法物-场分析法，它可以帮助快速确定核心问题，发现根本矛盾之所在。2. 技术系统进化法则针对技术系统进化演变的规律，在分析大量专利的基础上，TRIZ创新理论总结提炼出了八个基本的进化法则。利用这些进化法则，可以分析确认当前产品的技术状态，并预测其未来的发展趋势，开发出具有竞争力的新产品。3. 技术矛盾解决原理。不同的发明创造往往遵循着共同的规律。triz理论将这些共同的规律归纳成40个创新原理，针对具体的技术矛盾，可以基于这些创新原理、结合工程实际寻求具体的解决方案。4. 创新问题标准解法。针对具体问题的物-场模型的不同特征，分别对应有标准的模型处理方法，包括模型的修整、转换、物质与场的添加等等。5. 发明问题解决算法ARIZ。主要针对问题情境复杂，矛盾及其相关部件不明确的技术系统。它是一个对初始问题进行一系列变形及再定义等非计算性的逻辑过程，实现对问题的逐步深入分析，问题的转化直至问题的解决。6. 基于物理、化学、几何学等工程学原理而构建的知识库。基于物理、化学、几何学等领域的数百万项发明专利的分析结果而构建的知识库可以为技术创新提供丰富的方案来源。第4章 设计过程：对于动力系统的整体布局，参照了当今国内外比较常见的布局，如图所示：图4-1 动力系统整体布局可以很直观的看到，压缩空气动力系统的工作过程：储存在储气罐中的高压空气经过压力调节器减压，至工作压力，再通过热交换器吸收热量，提升至工作温度后，由配气系统控制并进入发动机气缸中，进行将压力能转换成机械能的能量转换过程。最终由发动起排出尾气。4.1气动发动机设计不难看出，气动发动机是该系统中最重要的部分，所考虑的问题也最多。在最初的设计阶段，首先要面对的一个问题就是，设计哪种类型的发动机。对于现在市场已经问世的气动发动机类型，做了一番调研，了解到主要存在以下三种类型的发动机：往复活塞式、叶片式和旋转活塞式。这三种类型的发动机在传统的汽车行业因为是最常见的。由于发动机是汽车动力系统的核心部件，也是汽车行业的商业机密，所以很难接触到其内部构造。而且目前国内外只能见到往复活塞式的报道，因此该气动发动机的总体结构形式可以参照传统往复活塞式发动机。图4-2这是个人认为比较典型的气动发动机，它是四缸对称部署。每杠都有快速排气系统，并且有顶部进气分配阀，逐缸进气。还有水吸热管路，能制造冷气。而且曲轴不是直接和连杆连接，而是通过一付杠杆再和连杆连接，这就能是活塞上下运动不等速。活塞上行时，速度要快些，可快速排出废气；活塞下行时，是做功行程，就是高压空气根据气压、负荷而改变。4.1.1发动机外壳的简化设计为了设计的方便，首先把整体结构简化，也就是简化发动机的壳体，先就内部结构进行最先的设计，最后阶段就内部结构配合之后，再做相应的完善。考虑到气动汽车的用途，短途运输，无法与传统汽车相比，而且车体结构相对简单轻便，个人决定使用四缸结构，直列式发动机。图4-3 发动机简化外壳理论依据是：单缸发动机的曲轴每转两周才能产生一次燃烧做功，这样它的声音听起来也不连续顺畅，也就是噪音比较大；在目前的市场上，使用两缸发动机的汽车已经不多见，可参考的资料文献较少，故不采用；三缸以上的发动类型是比较常见的，像国内生产的华利面包车、老款夏利车、吉利豪情和奥拓、福莱尔上，装的都是3缸机，但是考虑到在相同排量的情况下，增加气缸数可以提高发动机的转速，从而可以提高发动机的输出功率。此外，增加气缸数可以使发动机运转更平稳，使其输出扭矩和输出功率更加稳定。增加气缸数可以使汽车更容易起动，加速响应性更好。但是，气缸数不能无限制的增加。因为随着气缸数的增加，发动机的零部件数也成比例地增加，从而使发动机结构复杂，降低发动机的可靠性，增加发动机重量，提高制造成本和使用费用，增加燃料消耗，并使发动机的体积变大。所以决定使用四缸结构。直列式的有点也比较突出，它的所有气缸均肩并肩排成一个平面，它的缸体和曲轴结构简单，而且使用一个气缸盖，制造成本较低，稳定性高，低速扭矩特性好，燃料消耗少，尺寸紧凑，应用比较广泛。对于壳体材料的选择上，传统发动机的材料多使用灰铸铁，但是铸铁重量较大，小号较大，相比之下。铝合金材料因为其导热好、轻、精度高的特点，成为了此发动机的首选材料，尤其是气动发动机不使用冷却系统的前提下，使得对材料的导热性能要求更高。4.1.2曲柄连杆机构的设计在确定了发动机的类型之后，接下来所做的工作就是设计出曲柄连杆机构。曲柄连杆机构又包括曲柄和活塞连杆组。考虑到活塞的工作环境高温、散热条件差、需要承受很大的惯性力等，铝合金材料所拥有的质量小、导热性好等特征，满足了活塞的使用条件，在此特选用铝合金作为活塞连杆组的制造材料。图4-4 活塞组活塞的外形设计参照了传统柴油发动机活塞的结构，其中包括了活塞、活塞环、活塞销、活塞销卡环等结构。相比于其他的结构来说，活塞组的结构设计是相对比较简单的。连杆组与活塞组并成为活塞连杆机构，它的作用是将活塞承受的力传给曲轴，并使活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。连杆由连杆体、连杆盖、连杆螺栓和连杆轴瓦等零件组成。对于连杆组的选材上，考虑到国内一般中、小型汽油机及柴油机连杆采用的传统材料主要是中碳钢与中碳合金钢，而增压中冷强化的柴油机一般采用中碳合金钢如铬钢、锰铬钢、镍合金钢等材料的钢材在毛坯制造的过程中要耗费大量的能源，水、专用的淬火油等，并不符合压缩空气动力汽车节能环保的初衷。而国外的一种用钛合金制造汽车发动机连杆的方法，可大幅度地减轻连杆的质量，简化机械加工过程中的制造工序，故此采用钛合金材料。图4-5 连杆组通过调研现阶段国内外所采用的连杆结构，唯一例外的包括了连杆大小头、连杆盖、连杆轴瓦、连杆螺栓、连杆衬套等零件。杆身设计成“工”字型结构，以求在满足强度和刚度要求的前提下减轻质量。图4-6 曲柄a图4-7 曲柄b这是设计的曲柄，采用了传统的结构形式。其作用是将活塞连杆组传来的气体作用力转变成曲轴的旋转力矩对外输出，并驱动发动机的配气机构及其他辅助装置工作，特选用强度高、耐冲击韧度和耐磨性能好的优质中碳结构钢。曲柄的中央安装的这个齿轮，是作为驱动发动机配气机构而设计的。最初的设计构想是采用链传动结构，由于采用的三维设计设计软件solidworks零件库中没有链条，用其他软件生成的链条，放在solidworks中安装在装配体上无法实现运动，无法进行以后的运动模拟；而且如果单独画出链条的每一节在安装起来，不但工作量大、容易出错，软件也将因为内存占用量过而无法正常使用。所以在衡量利弊之后，决定采用齿轮驱动配气机构。关于传动机构的设计，此后的段落终将会提到，这里不再赘述。曲轴后端采用键槽和键的配合，用以安装飞轮。如图所示：图4-8 飞轮飞轮是一个质量较大的铸铁惯性圆盘，它贮蓄能量，将在作功行程中产生的一部分力由曲轴储存起来，用以在其他行程中克服阻力，用以带动曲柄连杆机构作上下往复惯性运动，保证发动机曲轴旋转的均匀性和输出扭矩的均匀性，也就是保证曲轴的旋转角速度和输出转矩尽可能均匀图4-9 曲柄连杆机构（含齿轮、飞轮以及活塞组）装配之后的效果图。考虑到曲柄与壳体所接触的部分会因为摩擦严重而造成磨损严重、大量热量的产生等问题，将会使发动机的寿命大大降低，因此采用了滑动轴承，不仅使得上述问题得以解决，还使发动机的工作更加平稳可靠，减少噪声。图4-10 滑动轴承此滑动轴承是标准件，可以利用solidworks零件库直接生成，增加设计过程中的方便性。4.1.3 配气机构的设计配气机构是气动发动机另一个重要的组成部分，在说明配气机构的设计之前，先介绍一下曲柄连杆机构对驱动配气机构驱动机构的设计，也就是气门传动组（包括凸轮轴、挺柱、推杆、摇臂气门等）。图4-11 凸轮轴以及驱动齿轮在前面介绍曲柄连杆机构的时候已经提到，气门传动组采用了齿轮传动的方式，凸轮轴下置。目前，大部分传统汽车发动机制造企业都采用整体式凸轮轴，其材料有的采用中碳、低合金锻钢(经高频淬火)，有的采用球墨铸铁。但是整体式凸轮轴加工工艺包括粗加工、半精加工和精加工。生产中采用自动线多工位机床，设备投资较大，生产线占地面积多，生产成本较高。而装配式凸轮轴只需半精加工和精加工，凸轮、齿轮、轴套可采用不同的材料，因此产品质量可减轻3050；可柔性化生产，设备投资小，生产线占地面积少，生产成本较低。所以在这里采用了装配式凸轮轴，凸轮与凸轮轴的配合方式采用标准键过盈配合，在必要的时候，也可以采用一体式的结构。在这里着重介绍一下分别驱动进气门和排气门的凸轮设计。图4-12 驱动进气门的进气凸轮进气凸轮的参数分别为：基圆(盘形凸轮中，与凸轮轴心为圆心，理论廓线的最小向径为半径所做的圆)半径rb=40mm；行程(从动件的最大位移)h=10mm；推程运动角(从动件远离凸轮轴心的行程为推程，与推程相对应的凸轮回转角度为推程运动角)为120；回程运动角(从动件移近凸轮轴心的行程为回程，与回程相对应的凸轮回转角度为回程运动角)为120；远休止角(从动件举起凸轮轴心最远处停留不动的位置为远休止，对应的凸轮回转角度为远休止角)为20；近休止角(从动件距离凸轮轴心最近处停留不动的位置为远休止，对应的凸轮回转角度为近休止角)为100。图4-13 驱动排气门的排气凸轮排气凸轮的参数分别为：基圆半径rb=40mm；行程h=10mm；推程运动角为40；回程运动角为40；远休止角为20；近休止角为260。这些参数都是自己设计的，仅仅是从理论的角度出发，在实际运用中还需要综合考虑多方面的改善。这两种凸轮都是采用了正弦加速度的运动规律。考虑到凸轮的特殊工作条件，因此需要凸轮表面有良好的耐磨性，足够的刚度、韧性。在选材上，传统凸轮轴大多是由铸造和锻造生产，个别也有用碳钢切削加工制造。铸造式凸轮轴主要有冷硬铸铁、淬火铸铁等。在日本，以冷硬铸铁凸轮轴为主，在美国，以淬火铸铁凸轮轴为主。为了使发动机性能更好，近年开发了重融冷硬铸铁，淬火球墨铸铁等多种形式的凸轮轴，但因成本等原因其应用范围仅限于个别领域；锻造式凸轮轴的碳钢为主进行热锻，凸轮部分采用高频淬火处理，主要应用于大中型发动机上。对于该机械式组装连接的凸轮，采用碳烧合金+碳钢+特殊钢制造而成。图4-14 气门传动组图4-15 挺柱挺柱的作用是将凸轮的推力传给推杆，并且承受来自凸轮轴旋转所产生的侧向力。与传统发动机所使用的挺柱不同的是，我在这里使用了一个类似铰链的一个机构，所以挺柱做上下直线运动，推杆则不在是做上下直线运动，而是在上下运动的过程中有略微的摆动。这里的改动主要是为了配合气门组中的气门摇臂做得改善。作为凸轮机构的从动件，可以看出该从动件的类型是平底从动件，在这里选择平底结构的原因是：从动件底端为一平底，如果不考虑摩擦的情况，凸轮对从动件的作用力始终垂直于平底，传力效果比较好；而且凸轮与平底接触面键容易形成润滑油膜，摩擦、磨损小，效率高，适用于高速的场合。图4-16 气门组气门组包括：气门、气门座、气门导管、气门导管等。传统发动机气门头部一般是一个具有圆锥斜面的圆盘，气门锥角一般为45，也有30，门头顶部形状有平顶，球面顶和喇叭形顶等。这里摒弃了传统的结构形式，采用图中所示的结构，是为了增大与气门的接触面积，更好的防治漏气的发生，提高发动机的工作效率。图4-17 气门弹簧气门弹簧是气门组中一个比较典型的零件，作用是使气门迅速回位，紧密闭合，防止气门在发动机振动时发生跳动，还可使各传动件之间因惯性力而产生间隙，保证气门按凸轮轴轮廓曲线的规律关闭。这里所使用的弹簧，也是由solidworks生成的，伸长状态下是20mm，压缩状态下是10mm；而且两端都是做成了平面结构，主要是防止弹簧运动过程中受侧向力的作用，造成运动偏差。因为气门弹簧的特殊作用，因此要求气门弹簧应具有足够的刚度和安装预紧力。可以选择高锰碳钢或者铬钒钢作为气门弹簧的毛坯材料。图4-18 配气机构总装配图图4-19 曲柄连杆机构、配气机构以及活塞组装配效果图从这里的装配图可以看出，这款发动机不是很复杂，与市面上存在的发动机无法相比拟，但是在设计的过程中却凝聚了作者大量的心血。尤其是配合之后出现的干涉现象，为此反复改善尺寸，很多地方也是数次的翻改，这些是这一张图片无法表达出的。在这里就多次用到了triz创新理论解决实际问题。例如在是否使用链条的问题上，就遇到了创新性的问题，如果使用链条，就必须用软件画出每一节，之后一节一节的安装。然后分别在triz软件中选择11号改善参数信息的数量与42号恶化参数制造精度/连贯性，系统给出了13,3,10,37,2五个可选择的方案，如果选择2号方案分离原理，也就是在特定的条件下，系统所提供的功能可能有一个或多个是不需要的（也可能是有害的）,所以，在设计系统时要把这些功能去掉 。所以，根据此方案，弃用链条的使用，而转用齿轮驱动的方案。4.2动力系统的其他部分气动发动机是动力系统的核心，在整个动力系统中起最重要的作用，但是其它几部分结构的重要性也不能忽视，因此对储气罐、减压器、空气过滤器、流量计也需要综合考究。4.2.1储气罐储气罐需要承受很大的空气压力，所以选材上必须考虑承压能力和耐腐蚀性。现在市场上常用的材料有Q235-B、16MnR、16MnDR三种，16MnR是普通低合金钢，强度较高、塑性韧性良好，是锅炉压力容器专用钢，锅炉压力容器的常用材料，因此可选择16MnR制造储气罐。储气罐的规格可以参照AIRPod空气动力汽车，这款汽车由法国MDI公司制造而成，储气罐的容积为175升，储气压力大约为350大气压。现在市场上存在大量的储气罐生产商，所以通过外购可以解决储气罐的问题。图4-20 压缩空气储气罐4.2.2空气过滤器由于压缩空气是该动力系统的动力源，空气的质量对发动机的驱动有着至关重要的影响，所以对空气质量有较高的要求。尽管在储气的过程中已经对空气做了相应的处理，但是储气罐中的压力非常大，空气的存在状态十分复杂，部分气体会发生液化、伴随悬浮颗粒等。如果不加以改善，当较大的颗粒或杂质进入活塞与气缸之间时，就会造成严重的“拉缸”现象，所以在通入发动机之前要进行过滤。在这里空气过滤器的作用主要是清除空气中的灰尘和固体杂质以及液态空气。一般由人造纤维和纤维滤材做成，壳体和过滤芯是其主要的两个组成部分。市面上存在的空气过滤器种类繁多，规格多种多样，在这里可以选用无锡汉英机器制造有限公司生产的空气过滤器。图4-21 空气过滤器4.2.3减压器储气罐内压缩空气的压力约为350个大气压，发动机的工作压力为19个大气压，因此必须使用减压器将储气罐中的压缩空气减至工作压力，而后供发动机使用。经市场调研了解，作者看中了重庆智胜机电仪表有限公司的一款空气减压器设备，该设备本体是由黄铜制成，单级减压，由活门顶杆、调压弹簧、弹性薄膜装置、减压门等零部件组成。输出气体压力稳定，可适用于纯净空气或多种气体混合的情况。进口压力15MPa，出口压力1MPa，可调节压力范围01.5MPa。图4-22 减压器4.2.4流量计为了直观的观测压缩空气的使用情况，在这里采用流量计来测量管道中压缩空气的气体流量。它是指示被测流量和(或)在选定的时间间隔内流体总量的仪表，可分为瞬时流量和累计流量，瞬时流量即单位时间内过封闭管道或明渠有效截面的量，流过的物质可以是气体、液体、固体；累计流量即为在某一段时间间隔内流体流过封闭管道或明渠有效截面的累计量。通过瞬时流量对时间积分亦可求得累计流量，所以瞬时流量计和累计流量计之间也是可以相互转化的。流量测量仪表的种类繁多，分类方法也很多。至今为止，可供工业用的流量仪表种类达60种之多。品种如此之多的原因就在于至今还没找到一种对任何流体、任何量程、任何流动状态以及任何使用条件都适用的流量仪表。差压式流量计应用范围特别广泛、历史悠久的一种系列化流量计，在封闭管道的流量测量中各种对象都有应用，考虑到这种流量计出现时间较长，技术水平相对成熟，因此特在本设计中采用差式流量计。图4-23 差式流量计4.3动力系统的整体布局对于整个动力系统都参照现有的汽车动力系统，做了一个整体的布局，但没有考虑整车的类型以及用途，仅仅是一个宽泛动力系统，在应用到实际当中时，可以做相应的调整及优化。图4-24 动力系统总装配效果图a图4-25 动力系统总装配效果图b总装配图为了更方便的观察到发动机的内部结构，没有补全发动机壳体。4.4能量分析压缩空气动力汽车动力系统可以直接采用流量或压力调节，传动系的机械损失会有较大减少，虽然没有传统汽车发动机的泵气损失，但压缩空气动力发动机的残气损失，将对整个汽车的功率产生较大影响。可以假设在控制压缩空气动力汽车动力过程中，储气罐中的高压气体在减压到工作压力的过程中充分吸热，并认为是等温过程。由此可以计算分析整个过程能量的释放。假定储气罐中气体的压力为30 MPa，实际储气体积为300 L，当压缩空气从充气压力完全等温膨胀到工作压力时所能做的全部膨胀功为 （1） （2）式中（p1,v1）, （p2,v2）分别对应起始、终了的状态。由式（1）、式（2）以及相对应的参数可以计算压缩空气从起始到终了状态的过程中，气体的全部膨胀做功为假定压缩空气动力汽车发动机的工作温度为300K，可求得300L、30MPa气压下的压缩空气的气体质量为104 53 kg。选定储气罐重100 kg，所对应的压缩空气的质量比能量约为75Wh/kg。如果获得较大的汽车行驶里程，只有加大罐容和存储压力，同时提高机械效率和减小排气损失和减压损失，进行能量同收和能量的充分利用。当然增大罐容受到汽车有效空间的限制，增大充气压力受制罐工艺的限制，在罐容、充气压力和汽车行驶里程之间有个最优匹配参数，需要更长期深入的研究。本次设计是基于理论上的一次探索，所选择的数据都是在理想状态下。 发动机的气缸的基本参数： 活塞行程S=51mm，气缸直径D=100mm， 气缸排量Vh=D10 S/4=0.4 L发动机排量VL= V h I=0.44=1.6 L图4-26 由于各大城市实施限速政策，而且气动汽车本身的设定也是中低速行驶 在这里取转速n=1200rmp没对应的输出扭矩为55N m。输出功率P2Ten/60=23.1415926 551200/60= 6.9KW。根据我同学设计的压缩空气动力汽车整车重量约500Kg，这里取500Kg。城市沥青路面摩擦系数0.40.8，这里取0.5路面摩擦力Ff=fGg=0.5500 9.8=2450N。牵引力为F=Ff=2450N。行驶速度可由P=FV得出：V=2.81m/s=10.11km/h第5章 结语与展望在工业化进程高度发展的今天，能源几乎成了人类一切社会活动的基石，在化石能源储量有限，浪费严重的情况下，寻求优质能源，追求先进的能源技术，自然成为了我们至关重要的工作。因此，新型能源的探究成为了关乎人类社会持续发展的关键。从原始社会到近代文明的出现，人类社会的发展经历了漫长的时期。纵观迄今为止整个人类社会的发展历程，我们不难发现，每次社会的重大变革的背后，都有一种力量在推进，这种力量，我们可以称之为能源，以及人类使用的不断发展能源技术。从原始社会，人类利用大自然的力量，例如火种、雷电的利用，矿产资源的冶炼技术，提高原始人的生活水平；近代煤炭、石油等资源的发现与开采，迅速加快了人类社会的发展进程；随着人类勇于探索新的科学技术，电力资源进入人类的生活当中，极大的改善了人类的生活质量，等等都极大的推进人类文明的发展，但是科学技术也是双面刃，急机遇与挑战并存，以能源问题为代表的一系列社会性的问题都成为了人类不可忽视的一部分。能源的储量极其有限，如果无法在新的能源问题上寻求到解决办法，人类社会的发展将无法和谐的持续，人类种族也不可能继续繁衍，石油危机、煤炭危机越来越多的给人类敲响了警钟。能源危机使我们看到了节约使用能源以及寻求新型能源的迫切性，在前文绪论中，我们也已经提到新能源是指是指除传统能源之外的各种形式的能源，最具代表性的就是太阳能、风能、生物质能、潮汐能、地热能、氢能和核能等，这些能源在一定程度上都已得到人类的认识与应用，但是对新型能源的利用尚处于初级阶段，受到诸多的限制因素，例如自然环境、地理因素等，这些新能源中的大部分都未能得到较大规模的使用。空气是我们容易忽视的一种物质，空气无处不在，取之不尽用之不竭，从这一点来看，如果能够有效的利用空气作为一种能源，人类社会的就能持续不断的发展。尽管以压缩空气作为动力的汽车以及其他一些设备已经问世，并且在一些国家得到了较好的发展，但是对于空气利用率的问题以及使用压缩空气能否真正的节约能源的问题上，专家学者对此还是颇有争议。有专家学者指出空气的压缩过程需要消耗大量的能量，这一过程将白白耗费大量的热能，而且排气做功时气体膨胀又要吸收大量的热能，从能量守恒定律上来说，能量转换的环节越多，能量的利用率就越低。因此，压缩空气做动力还需要解决大量的问题。本文在所设计的压缩空气动力系统，是在传统汽车动力系统的基础进行的改装，仅仅是作者的一种设想，在实际运动过程中必定有大量的问题需要解决，比如整车的结构、车型以及用途等等。作为刚刚兴起的一种能源类型，空气动力还需要更长久的发展研究，现在所做的是要不断完善这一过程，踏踏实实解决每一个出现的问题以及潜在的问题。即便如此，空气因为其取之不尽用之不竭的特性，还是引起了光大科学爱好者的兴趣，有的专家学者也就此提出了自己的建议，鉴于目前压缩空气是散热，存在能量损失，效率低的现状，是否可以考虑把混合动力同时运用，用电动代替压缩空气用于驱动，将电瓶换成气瓶，利用压缩空气辅助发电。通过专家学者的不限努力，压缩空气必将得到长足的应用和发展。致谢本课题是在山东大学机械工程学院CAD/CAM研究所徐志刚教授，也就是我的导师，悉心指导下完成的。从一开始论文的选题到开题、写作直至论文的完成，徐老师多次询问研究进展，并为我解答课题进程中遇到的问题，帮助我开拓拓展思维，在我的学习过程中给了莫大的帮助。而且徐老师在我们的壳体制作过程中特地为我们开设了triz创新理论的课程，不但增长了我们的知识，在课题进展的过程中也实际解决了大量的问题，在此我深深的感谢徐老师为我们所做的一切。畏怯徐老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，徐老师教我们尊师重道、孝敬父母，这是多年很多老师没有再叮嘱过的，让我与徐老师产生了共鸣。在此，再次感谢