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今天，周站长带领大家看一个基于SolidWorks设计算例的例子，柴油机飞轮平衡孔的位置及深度的设计。
如图1所示，为一款单缸柴油机的实物外形。其中，柴油机的重要零部件之一---飞轮具有什么作用呢？从外观上看，就是一块笨重的圆盘，一般地，农业机械用，考虑到制造和成本等方面的原因，铸铁件居多。
图1
我国早在2002年就颁布了相关标准，由中华人民共和国农业部发布的《单缸柴油机（NY/T 511-2002）》,标准规定了单缸柴油机的技术要求，检验方法，检验规则和标志、包装、储运与贮存，适用于气缸直径小于或等于150mm的单缸柴油机飞轮。
柴油机飞轮的作用是什么呢？1. 协助启动。柴油机不同于汽油机，汽油机是点燃式，而柴油机是压燃式。在农村成长过的各位老铁应该在农忙时经常见到各种农业机械：手扶拖拉机，农用三轮，四轮拖拉机等等。启动时，首先必须快速转动飞轮，打开减压阀，等到转速达到启动转速时，迅速关闭减压阀，此时气缸在飞轮的作用下并不能立刻停止，由于转动惯性，飞轮帮助活塞越过压缩上止点，从而达到启动目的。启动后，使得曲轴连杆机构越过不做功的进气、压缩和排气辅助行程。2. 使得机械转速相对均匀。加大油门时，由于内燃机燃烧室突然得到了比上一个状态更大的进油量，此时，若没有外力干涉，活塞运动的速率变化必然很大，而飞轮，由于具有一定的质量，在惯性的作用下，可以贮存能量，这使得机构提速不是那么的猛烈，避免了突然的高速运转。同理，当减小油门时，飞轮释放能量，避免了猛然降速导致的停车。3. 方便校准供油提前角。供油提前角过小，供油时刻推迟，会造成燃烧不完全，启动困难，排烟管冒黑烟等症状；若供油提前角过大，提前供油，会导致启动困难或反转。据测算，供油提前角对柴油机的经济性和动力有很大的影响，供油角每改变6度，发动机功率下降7.33%，耗油率增加25.79%。4. 方便调整气门间隙。
一、建模
柴油机飞轮的建模并不是很难，总体上来说是一个回转体，如图2所示。建模步骤省略。
图2 柴油机飞轮建模
二、实际制造前已述及，一般地，飞轮是一个铸铁件，飞轮在高速旋转时，各个位置材料的角速度相同，但是随着半径的增加，越是距离回转轴距离越远的材料线速度越大，在物理学中我们知道，向心力的大小跟半径有关，即飞轮边缘材料承受的应力肯定大于内侧材料承受的应力，因此，飞轮的设计，往往是中间薄，边缘厚。再考虑铸造的简易性，于是飞轮的形状就变成了现在的这个样子。话是没错，由于各个制造单位铸造工艺层次不齐，再加上飞轮局部的突起等，难免会存在一些铸造缺陷，比如铁液在凝固时，位于壁厚变化剧烈的局部区域，往往存在“热节”。但也不是说，铸出来的就是个废铁盘……只要成分，理化力学性能达到国家标准规定的值，还是可以使用。理论上讲，整个飞轮的重心位于回转轴上，但是由于铸造成分不均匀，模具偏移等原因，使得飞轮的重心偏移了理想回转轴。如果偏心严重，在高速旋转的情况下，这对于轴或者轴承都是很不利的，使得轴或者轴承的服役年限大大降低。于是，在世界范围内，考虑技术的先进性和经济上的合理性，1940年，由国家标准化组织ISO颁布了世界公认的ISO1940平衡等级，它将转子平衡等级分为11个级别，每个级别间以2.5倍为增量，从要求最高的G0.4到要求最低的G4000标准。
显然，对于普通农业机械来说，平衡精度等级是较为“粗糙”的，要求并不高。实际上，每一个柴油机飞轮在装配前，都要逐一进行回转轴动平衡试验。尽管单缸柴油机转速并不是很高（一般普通农业机械用单缸柴油机额定转速不超过3000转/分）。
其实，细心观察的话会发现，位于飞轮边缘的局部会有一排小孔，这些小孔并不会影响飞轮本身的强度，那么这些小孔的作用是什么呢？毫无疑问，这些小孔是来平衡飞轮的，换句话来说，让飞轮的重心尽可能靠近理想回转轴。
三、设计算例
如图3所示，在建模时，应该有意识的让整个模型关于各个基准面对称，由图3知，整个模型的重心坐标为（0.09，0.，0），由于正面铸造了带轮安装螺钉孔的位置，故整个模型重心从X轴偏移，但因为Y和Z都是0，所以理论上，飞轮并不会承受弯矩。
图3 飞轮的重心位置
下面通过修改模型模拟飞轮的铸造不平衡或加工导致的偏心问题。
图4 飞轮的偏心模型
如图4所示，我们给飞轮的边缘做一个不规则特征，此时飞轮的重心坐标变成（0.22，0.84，1.46），忽略X坐标，我们的目的是通过作平衡孔的目的使得Y和Z坐标值均不大于0.1（这里注意，可能实际情况下，即使重心坐标是（0.22，0.84，1.46），但还是满足转子平衡等级要求的，所以这里我们假定，只有当Y和Z均不大于0.1才是符合国家标准的）。事实上，对于转子来说，想让重心完全位于理想回转轴是不现实的。
平衡原则：哪一侧重，减哪一侧；平衡孔一般为圆形孔，这是为了考虑加工的简易性；平衡孔个数3~10个，尽可能分布于与轮廓边线同心的圆弧上，平衡孔的圆心距尽可能相等（这主要是为了考虑流水线加工和数控编程的简易性）；孔的深度最好不要超过轮缘总厚度的一半（孔越深，钻头排铁屑越困难）。
拟平衡措施：在偏重一侧，放置8个圆孔。
图5 平衡措施
前面交代了这么多内容，都是为给后面做铺垫，废话不多说，我们的目的是：找到一个最佳的孔深度，即这一排孔加工多深，就能满足飞轮重心坐标Y和Z均不大于0.1。
操作：【评估】---【设计算例】---【参数】。如图6所示，点击“参数”后，弹出“参数”对话框。键入“参数名称”，如“孔深度”，激活此窗口后，模型尺寸会自动显示，此时直接在绘图窗口中点击需要设计的尺寸，这里当然就是平衡孔的深度尺寸了；“数值”和“单位”自动填写。
图6 “参数”对话框
参数设置完毕后，点击“设计算例”，在模型下方自动增加“设计算例1”标签。通过上面的步骤，我们建立了参数，可是光有参数还不行。如图7所示，1. 右键单击模型树中的“传感器”，编辑“传感器”，得到两个传感器值：“质量中心Y1”和“质量中心Z1”，事实上，这两个值就是飞轮此时的重心坐标值。2. 在下方选择参数“孔深度”。3. 计算类型选择“带步长范围”。4. “最小”和“最大”分别给定计算区间。6. “步骤”给定每一次自变量的增加幅度。7. 选择“目标值”：“质量中心Y1”和“质量中心Z1”。8. 计算结果选择“恰好”，即最经济的孔加工深度。9. 分别输入“质量中心Y1”和“质量中心Z1”的目标值。10. 点击“运行”。
注意：实际上，整个计算区间的值的选择以及计算步长的输入都是“极限”思想，即通过列举函数中每一个自变量和因变量的值，选择一个最佳值，对于复杂计算，这个过程往往要迭代很多次，才能求得一个精确解。一般地，为了使等待时间不是那么长，计算步骤控制在100步以内为宜。
图7 “设计算例”窗口填写
如图8所示，计算完毕之后，在“结果视图”中查看目标值，我们发现，当孔的深度为33.8时，Z坐标已经很接近0.1了，但孔的深度为34.8时，Y和Z均小于0.1，最后考虑孔的尺寸标注，我们将最佳经济加工深度可以定位35mm。
图8 计算结果
到此，“设计算例”模拟完毕。
评价：在此例中，我们用一个额外的特征模拟飞轮的铸造或加工不平衡因素，在计算过程中，小编发现，当孔的个数为5时，不论如何，均达不到目标误差，这说明飞轮偏心太严重了。这个例子告诉我们，对于柴油机生产厂家来说，要想降低成本，“在飞轮 上少钻几个孔，钻浅一些”，那么在铸造时，就应该控制好铸造工艺。
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END
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