汽車(chē)廢氣余能回收利用裝置設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)-畢業(yè)論文

目錄第一章引言 51.1、研究背景及意義 51.1.1、汽車(chē)廢熱利用的空間 51.1.2、汽車(chē)廢熱利用特點(diǎn) 51.2、研究進(jìn)展綜述 61.2.1、渦輪增壓技術(shù) 61.2.2、余熱制冷技術(shù) 61.2.3、余熱發(fā)電 81.2.4、余熱采暖 91.3、小結(jié) 101.4、本文主要工作 10第二章針對(duì)ZH4100柴油機(jī)及排氣系統(tǒng)的渦輪部分設(shè)計(jì) 112.1、ZH4100柴油機(jī)的相關(guān)資料 112.2、排氣系統(tǒng)管路圖 112.3、渦輪設(shè)計(jì) 122．3．1、渦輪型式選擇 122．3．2、渦輪設(shè)計(jì)前需確定的參數(shù) 132．3．3、具體計(jì)算步驟 142．3．4、渦輪損失計(jì)算和渦輪參數(shù)的計(jì)算進(jìn)一步確定 17第三章其他部件的匹配設(shè)計(jì) 193.1、軸設(shè)計(jì) 193.1.1、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 193.1.2、軸的材料選擇 203.1.3、軸的強(qiáng)度校核 203.2、渦殼設(shè)計(jì) 223.3、小端渦蓋設(shè)計(jì) 233.4、大端渦蓋設(shè)計(jì) 233.5、部分圖片預(yù)覽 24第四章感謝 24參考文獻(xiàn) 25附錄1：符號(hào)表附錄=2\*ROMANII：外文文獻(xiàn)翻譯原文及其譯文汽車(chē)廢氣余能回收利用裝置設(shè)計(jì)摘要節(jié)能足汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的三大主題之一。由于能源消耗的加劇，汽車(chē)節(jié)能問(wèn)題備受人們的關(guān)注。有關(guān)研究資料表明，汽車(chē)燃料燃燒所發(fā)出的能量只有三分之一左右被有效利用，其它的能量被排放到大氣中，不僅造成了能源的浪費(fèi)，還帶來(lái)了不良環(huán)境影響。因此，采用有效手段充分利用汽車(chē)排放的廢熱應(yīng)當(dāng)是我們實(shí)現(xiàn)汽車(chē)節(jié)能、降低排放的一個(gè)研究方向。本文對(duì)當(dāng)前提出的各種汽車(chē)余熱利用手段進(jìn)行了分類(lèi)，并做了綜合分析比較，提出汽車(chē)廢氣渦輪發(fā)電可能是比較理想的汽車(chē)余熱利用方式，并進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)。本文首先對(duì)汽車(chē)廢氣能量進(jìn)行了分析，提出應(yīng)當(dāng)用有效能的能量衡算方法分析汽車(chē)廢氣能量，指出了影響廢氣能量的因素并提出了提高廢氣中可用能量的措施。其次，本文分析了不同排氣系統(tǒng)在廢氣能量利用上的差異，提出了能量利用效率較高的排氣系統(tǒng)方案并針對(duì)一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。再次，針對(duì)一臺(tái)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)利用編制的優(yōu)化設(shè)計(jì)程序進(jìn)行了渦輪部分設(shè)計(jì)。本文還針對(duì)一臺(tái)具體的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)了渦輪機(jī)殼，渦輪管道，軸，軸承，對(duì)此部分的設(shè)計(jì)是依照渦輪尺寸來(lái)設(shè)計(jì)的。其部分尺寸由渦輪計(jì)算得出。由于能力有限，知識(shí)限制，再者現(xiàn)在的發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)相當(dāng)成熟，本文不再具體針對(duì)發(fā)電系統(tǒng)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，本裝置只設(shè)計(jì)到軸部分，軸端可以裝萬(wàn)向連接器，也可以與要設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)同軸，需要注意的是本裝置設(shè)計(jì)的軸承一端為懸浮，即只有一端軸向固定，另一端的軸向固定還需要電動(dòng)機(jī)里面的軸承來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文將具體每個(gè)零件三維圖及其cad圖已經(jīng)一一畫(huà)出，并在本文之中附以三維幾部分平面圖片，一邊讀者心中對(duì)設(shè)計(jì)更加清晰！關(guān)鍵詞：汽車(chē)；廢氣；余熱；能量利用；渦輪FromcarexhauststorecyclethedevicedesignAbstractEnergyconservationisoneofthreebigsubjectsinautomobileindustrydevelopment．Becauseenergyconsumptionintensifying，thequestionofautomobileenergyconservationpreparespeople’Sattention．Therelatedresearchmaterialindicated，theenergysendingoatfromautomobilefuelburningonlyhasabout1／3effectivelybeenused，otherenergiesdischargeintotheatmosphere，notonlyhascreatedtheenergywaste，butalsohasbroughtthepoorenvironmentalinfluence．Therefore，adoptingtheeffectivemethodtofullyutilizethewasteheatdischargingfromtheautomobilehastobearesearchdirection．Thisarticlehasclassifiedthemethodofthecurrentfromavarietyoftheuseofaclassificationyuremeans,andcomprehensiveanalysisandcomparison,theturbinegenerationaremorelikelytoexhaustthecar,andyureofthepreliminarydesign.Thefirsttoexhausttheenergywasanalysedandefficiencyofenergyshallbeinarepublicanwayanalysisistoexhausttheenergythathadtoexhausttheenergyfortheproposedincreaseinexhaustcanuseofenergy.second,thisarticleanalyzesthedifferentsystemsintheexhausttheenergyofdifferencesandenergyefficientuseofthehighertheexhaustsystemsolutionsandanengineofthedesign.Thisarticlehasanalyzedthedifferenceintheexhaustgasenergyutilizationofdifferentexhaustsystem，proposedtheexhaustsystemplanwhichcanbringabouthigherefficiencyofenergyutilization，andcarriedonthedesignwhichaimsatadieselengine，Thisarticleforaspecifictheengineexhaustsystemdesign,theturbine,theturbine,bearings,shaft,owingtolimitedability,knowledgeislimited,andfurthermore,thegeneratordesignskillsarequiteripe,andthisisnospecificsystemforelectricitygenerationofdesign.thespecificeachcomponentthreevitouandcadisapictureofagraphand,inthispaperattachedtoafewpartsofthe3dimages,andtheplanewastodesignmoreclear!Keywords：automobile；exhaustgas；wasteheat；energyutilization；turbine第一章引言1.1、研究背景及意義社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展使能源消耗量急劇增加，能源供需矛盾日益突出，并造成了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。由于汽車(chē)保有量越來(lái)越大，汽車(chē)的能源消耗在總能源消耗中所占的比例越來(lái)越高，汽車(chē)節(jié)能問(wèn)題越來(lái)越受到各個(gè)國(guó)家的關(guān)注，成為當(dāng)今世界汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的主題。我國(guó)是一個(gè)石油存儲(chǔ)量相對(duì)欠缺的國(guó)家，目前已成為世界第二大石油進(jìn)口國(guó)，而汽車(chē)消耗的能源主要是石油燃料。隨著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的迅速發(fā)展，提高汽車(chē)燃料有效利用率和減少環(huán)境污染在我國(guó)具有更為重要的戰(zhàn)略意義。調(diào)查研究表明，汽車(chē)燃料燃燒所發(fā)出的能量只有三分之一左右被有效利用，其它的能量被散發(fā)、排放到大氣中，這造成了能源的浪費(fèi)，并帶來(lái)了不良環(huán)境影響。因此有效利用汽車(chē)廢熱是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)節(jié)能，降低汽車(chē)能源消耗的一個(gè)有效途徑。1.1.1、汽車(chē)廢熱利用的空間從目前汽車(chē)所用發(fā)動(dòng)機(jī)的熱平衡來(lái)看，用于動(dòng)力輸出的功率一般只占燃油燃燒總熱量的30％一45％(柴油機(jī))或20％一30％(汽油機(jī))。以廢熱形式排出車(chē)外的能量占燃燒總能量的55％一70％(柴油機(jī))或80S一70S(汽油機(jī))，主要包括循環(huán)冷卻水帶走的熱量和尾氣帶走的熱。熱平衡各分項(xiàng)％汽油機(jī)高速柴油機(jī)中速柴油機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行ЧΦ臒崃?0～3030～4035～45冷卻介質(zhì)帶走的熱量25～3020～2510～20廢氣帶走的熱量40～4535～4030～40其它熱量損失5～105～1010～15表1.1為內(nèi)燃機(jī)的熱平衡從表l中可以看出汽車(chē)廢熱利用有較大的空間，其有效利用自然受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注，不少人致力于此方面研究。1.1.2、汽車(chē)廢熱利用特點(diǎn)由于車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)特殊的使用場(chǎng)合，汽車(chē)廢熱利用具有鮮明的特點(diǎn)和特殊的要求，可將這些特點(diǎn)簡(jiǎn)單歸結(jié)如下：一是汽車(chē)廢熱的品位較低，能量回收較困難；二是廢熱利用裝置要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，效率高：三是廢熱利用裝置要抗震動(dòng)，抗沖擊，適應(yīng)汽車(chē)運(yùn)行環(huán)境：四是要保證汽車(chē)使用中的安全；五是要不影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性，避免降低發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。由于汽車(chē)廢熱利用具有上述特點(diǎn)，使得研究的成果雖多，但投入商業(yè)化生產(chǎn)的不多，只在廢氣渦輪增壓方面取得實(shí)用性進(jìn)展。1.2、研究進(jìn)展綜述目前，國(guó)內(nèi)外汽車(chē)余熱利用的技術(shù)，從熱源來(lái)看，有利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水余熱和利用排氣余熱兩種，從用途上來(lái)看，有廢氣渦輪增壓、制冷空調(diào)、發(fā)電、采暖、改良燃料等方式。在所有一述方法中，只有廢氣渦輪增壓實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，其他方法由于技術(shù)和其他方面原因，仍處于研制或試驗(yàn)階段，尚未投入商業(yè)化生產(chǎn)。以下從用途上分類(lèi)介紹國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的研究狀況。1.2.1、渦輪增壓技術(shù)廢氣渦輪增壓技術(shù)是利用廢氣中的部分能量來(lái)提高內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣壓力進(jìn)而增加充氣量、以改善動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的內(nèi)燃機(jī)性能提高技術(shù)。廢氣渦輪增壓裝置主要由同軸裝配的渦輪和壓氣機(jī)組成，發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣經(jīng)排氣管進(jìn)入渦輪推動(dòng)渦輪運(yùn)轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)壓氣機(jī)壓縮新鮮空氣并通過(guò)進(jìn)氣管送入發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)。廢氣渦輪增壓改善了內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，但這種處理方法的主要目的是借助廢氣中的部分能量來(lái)提高內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣壓力增加充氣量，而不是回收再利用廢氣中的能量；另外，由于內(nèi)燃機(jī)與渦輪增壓裝置聯(lián)合工作時(shí)能量傳遞的特點(diǎn)，使增壓內(nèi)燃機(jī)的加速性能和扭矩特性受到影響，給增壓內(nèi)燃機(jī)的使用增加了一些強(qiáng)制附加條件，造成使用上的不便“”；此外，這種技術(shù)和裝置在汽油機(jī)與小型柴油機(jī)上使用時(shí)效果不明顯，目前多在大型柴油機(jī)上使用，使用面向與范圍受到一定限制。隨著汽油機(jī)電子噴射技術(shù)的廣泛運(yùn)用，汽油機(jī)廢氣渦輪增壓也將得到發(fā)展。但是汽油機(jī)廢氣渦輪增壓還需解決發(fā)動(dòng)機(jī)爆震、熱負(fù)荷增加等問(wèn)題后才能大批量投入使用。1.2.2、余熱制冷技術(shù)目前，在轎車(chē)空調(diào)中，占統(tǒng)治地位的是蒸汽壓縮式空調(diào)系統(tǒng)，采暖則利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水余熱。轎車(chē)空調(diào)一般要消耗8～12％的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力，這一方面增加了油耗，加大了廢氣排放量，加劇了空氣的污染；另一方面易引起水箱過(guò)熱，影響轎車(chē)動(dòng)力性；同時(shí)由于蒸汽壓縮式空調(diào)系統(tǒng)采用的制冷工質(zhì)為氟利昂類(lèi)化合物，導(dǎo)致溫室效應(yīng)加劇。因此解決舒適性與制冷功耗之間的矛盾已成為現(xiàn)代轎車(chē)空調(diào)研制中的難題?；厥蘸屠冒l(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱來(lái)驅(qū)動(dòng)制冷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)轎車(chē)空調(diào)，是理想的節(jié)能方案，也是目前世界各國(guó)都在研究的課題。目前提出的這方面技術(shù)主要有吸收式和吸附式兩種?！裎帐街评湮帐街评湓硎且詿崮転閯?dòng)力來(lái)完成制冷循環(huán)的，有利用汽車(chē)循環(huán)冷卻水余熱和利用排氣余熱兩種途徑。在相關(guān)文獻(xiàn)中，研究最多的是利用循環(huán)冷卻水余熱來(lái)實(shí)現(xiàn)吸收式制冷，由于排氣溫度高于冷卻水溫度，且可利用熱量大于冷卻水，當(dāng)然也可以利用排氣余熱來(lái)實(shí)現(xiàn)吸收式循環(huán)。在吸收式制冷循環(huán)系統(tǒng)中，所采用的工質(zhì)有水一溴化鋰、氨一水、R22-ETEG、R22、R22-DMF等。吸收式制冷系統(tǒng)有較大的COP(相對(duì)于吸附式而言，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、造價(jià)高，而且四器(發(fā)生器、冷凝器、吸收器、蒸發(fā)器)需要自由水平面，不太適用于經(jīng)常處于顛簸、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的汽車(chē)?！裎绞街评湮绞街评涫抢媚承┕腆w物質(zhì)在一定溫度、壓力下能吸附某種氣體或水蒸汽，在另一種溫度、壓力下又能把它釋放出來(lái)的特性。來(lái)實(shí)現(xiàn)制冷。這種吸附與解吸過(guò)程導(dǎo)致壓力變化，從而起到了壓縮機(jī)的作用。該制冷系統(tǒng)由發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器和節(jié)流裝置組成。在余熱回收中可以考慮兩種方式，利用冷卻水中的熱量和利用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的熱量。如果使用從發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水中回收的熱量，由于水與吸附器的換熱效率高于氣體與吸附器的換熱效率，對(duì)熱量回收較為有利；但是熱源溫度相對(duì)較低(低于100℃，與用于冷卻的空氣溫度相差不大，這樣循環(huán)的溫差比較小，使循環(huán)的吸附解吸量較低，對(duì)工作是不利的。如果使用從發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中回收的熱量，氣體與吸附器的換熱效率低，造成回收熱量困難，但由于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的溫度較高(汽油機(jī)500～600℃，遠(yuǎn)高于冷卻水的溫度)，對(duì)熱量回收又是有利的，而且此溫度與冷卻空氣的溫度相差較大，可以使系統(tǒng)循環(huán)溫差較大，從而產(chǎn)生較大的吸附解吸量。吸附式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低，在提高床的傳熱傳質(zhì)能力的情況下，可大大提高系統(tǒng)的性能，是較為理想的系統(tǒng)。但吸附式制冷的COP不高，需要較長(zhǎng)預(yù)備時(shí)間，單位質(zhì)量的吸附劑產(chǎn)生的制冷功率較小，系統(tǒng)笨重，廢熱利用率不高，而汽車(chē)空調(diào)要求體積小、制冷量大、性能可靠、操作方便。這限制了它的應(yīng)用和發(fā)展。要達(dá)到以上要求，必須提高系統(tǒng)COP值及單位質(zhì)量吸附劑制冷功率。目前，在吸附制冷系統(tǒng)中，常用的吸附質(zhì)(制冷劑)有氫氣、水、甲醇、氨氣、RJ34a、R22等?！駠娚涫街评溧崘?ài)平、趙亂成、鐘瓊香等提出了利用以HCFC--123為工質(zhì)的汽車(chē)余熱驅(qū)動(dòng)的噴射式制冷系統(tǒng)。噴射式制冷循環(huán)的主要特點(diǎn)是以噴射器代替壓縮機(jī)，以消耗熱能作為補(bǔ)償來(lái)實(shí)現(xiàn)制冷的。其工作循環(huán)如下：被加熱器加熱的高溫高壓工作蒸汽，通過(guò)噴管進(jìn)行絕熱膨脹，形成一股低壓、高速氣流，將蒸發(fā)器內(nèi)的低壓氣態(tài)制冷劑抽吸到噴射器內(nèi)，并與之混合，在擴(kuò)壓器內(nèi)增壓后進(jìn)入冷凝器，被冷卻介質(zhì)冷凝成液體。然后，一部分凝結(jié)液作為制冷劑通過(guò)節(jié)流閥降壓降溫，在蒸發(fā)器中吸熱氣化變成低溫低壓蒸汽；另一部分則通過(guò)循環(huán)如下：被加熱器加熱的高溫高壓工作蒸汽，通過(guò)噴管進(jìn)行絕熱膨脹，形成一股低壓、高速氣流，將蒸發(fā)器內(nèi)的低壓氣態(tài)制冷劑抽吸到噴射器內(nèi)，并與之混合，在擴(kuò)壓器內(nèi)增壓后進(jìn)入冷凝器，被冷卻介質(zhì)冷凝成液體。然后，一部分凝結(jié)液作為制冷劑通過(guò)節(jié)流閥降壓降溫，在蒸發(fā)器中吸熱氣化變成低溫低壓蒸汽；另一部分則通過(guò)循環(huán)泵被提高壓力后送回加熱器，用作工作蒸汽。噴射式制冷系統(tǒng)除循環(huán)泵外沒(méi)有其它運(yùn)動(dòng)部件，而且系統(tǒng)中的工作蒸汽與制冷劑是同～種物質(zhì)，不需要類(lèi)似吸收式制冷機(jī)中的制冷劑分離設(shè)備，因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耗功量少。再加上可以利用低品位熱能，所以適用于有余熱可以利用的汽車(chē)空調(diào)器。1.2.3、余熱發(fā)電利用廢氣能量發(fā)電的方法基本有三種，分別為利用半導(dǎo)體溫差發(fā)電、氟龍透平發(fā)電和廢氣渦輪發(fā)電。●半導(dǎo)體溫差發(fā)電o隨著半導(dǎo)體材料及其加工技術(shù)的發(fā)展，金屬導(dǎo)體熱電轉(zhuǎn)化效率逐漸提高，利用半導(dǎo)體溫差發(fā)電在動(dòng)力范疇有了應(yīng)用的可能。資料表明：半導(dǎo)體溫差發(fā)電材料的熱電轉(zhuǎn)化效率可達(dá)3．3％，甚至是7％。吉林大學(xué)的董桂田通過(guò)試驗(yàn)證明用汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣廢熱溫差發(fā)電能夠取代傳統(tǒng)的汽車(chē)發(fā)電機(jī)，且溫差發(fā)電吸熱降溫對(duì)汽車(chē)整體性能大有稗益。因?yàn)闇夭畎l(fā)電截流了部分傳入熱楓冷源的熱量使其熱效率有所提高，且溫度降低導(dǎo)致排氣壓力減少也有助于汽車(chē)I噪聲水平下降，這可使汽車(chē)消音器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化緊湊。同時(shí)溫差發(fā)電本身是靜態(tài)下能量轉(zhuǎn)換，沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部件，勿需傳動(dòng)系統(tǒng)。但由于熱電轉(zhuǎn)換效率低，此種方法只利用了發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱的一小部分，有待于進(jìn)一步提高熱電轉(zhuǎn)換效率和尋找具有更高熱電轉(zhuǎn)換效率的材料?！颀埻钙桨l(fā)電日本的一色尚次提出了利用發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱的氟龍透平發(fā)電裝置，浚裝置利用一種在比較低的溫度下能成為高壓氣體的低沸點(diǎn)物質(zhì)(通常為氟利昂)作為工質(zhì)，使其在吸收發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱后由液態(tài)變?yōu)楦邏赫羝麖亩苿?dòng)透平機(jī)發(fā)電。此種裝置在利用低品位熱能方面有優(yōu)勢(shì)，其缺陷是系統(tǒng)較為復(fù)雜笨重?！駨U氣渦輪發(fā)電青島大學(xué)的張鐵柱提出了利用廢氣能量驅(qū)動(dòng)渦輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的設(shè)想，并設(shè)計(jì)了一種新裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，獲得專(zhuān)利一項(xiàng)。日本的吉圉佑也曾作過(guò)此方面的實(shí)驗(yàn)，證明了利用廢氣能量驅(qū)動(dòng)渦輪所發(fā)出的電能足以提供汽車(chē)運(yùn)行所需電能，但未做進(jìn)一步研究。此種裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但有可能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能產(chǎn)生影響。在圖1的發(fā)動(dòng)機(jī)模型中加入渦輪發(fā)電系統(tǒng)模塊，對(duì)系統(tǒng)方案進(jìn)行分析，發(fā)電渦輪模型采用通流模型建立。各種渦輪系統(tǒng)方案如圖1所示。方案A采用朗肯循環(huán)，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管上的換熱器作為朗肯循環(huán)的蒸發(fā)器和過(guò)熱器。方案B采用布雷登循環(huán)，發(fā)電系統(tǒng)與微型燃?xì)廨啓C(jī)類(lèi)似。方案C采用電輔助渦輪增壓器，在增壓器軸上安裝電機(jī)/發(fā)電機(jī)，在排氣能量超過(guò)增壓所需能量時(shí)利用發(fā)電機(jī)回收能量。方案D在排氣系統(tǒng)中加入渦輪發(fā)電機(jī)，與原渦輪增壓器并聯(lián)工作。方案E同樣也是在排氣系統(tǒng)中加入渦輪發(fā)電機(jī)，但與原渦輪增壓器串聯(lián)工作。圖一渦輪發(fā)電系統(tǒng)方案1.2.4、余熱采暖余熱式暖氣裝置利用汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)工作剩余熱量供暖，有兩種型式利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水的熱量，稱(chēng)為水暖式；利用發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的熱量，稱(chēng)為氣暖式。余熱式暖氣裝置的優(yōu)點(diǎn)是既不需要在汽車(chē)上增加熱源，又不增加發(fā)動(dòng)機(jī)本身的熱量消耗，成本較低、經(jīng)濟(jì)性好、使用方便。其缺點(diǎn)是發(fā)熱量的大小受發(fā)動(dòng)機(jī)工況的制約，而且僅在冬季發(fā)揮作用，廢氣能量利用不充分。水暖式暖風(fēng)裝置廣泛應(yīng)用于汽車(chē)采暖系統(tǒng)中，但其發(fā)熱量較小，主要用于非嚴(yán)寒地區(qū)取暖容量較小的貨車(chē)和轎車(chē)。在環(huán)境溫度較低時(shí)，會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)處于過(guò)冷狀態(tài)，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)不必要的機(jī)械磨損，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。氣暖式暖風(fēng)裝置的發(fā)熱量大，采暖效果較好，受環(huán)境溫度影響小，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)：[作影響小，但要注意不要增加排氣背壓，否則將影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能。1.3、小結(jié)從上述介紹中我們可以得出如下結(jié)論：1.3.1、對(duì)廢氣渦輪增壓來(lái)說(shuō)，目前存在的最大問(wèn)題是影響了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能，特別是在低工況下的性能。為解決此問(wèn)題，不得不使用混合形式的增壓系統(tǒng)，即在低工況下利用蓄電池電能驅(qū)動(dòng)渦輪增壓器，其他情況下使用廢氣渦輪增壓，并在贏工況時(shí)采用廢氣旁通來(lái)解決渦輪轉(zhuǎn)速過(guò)高的問(wèn)題。如果將廢氣能量轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)而驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)，這樣一方面可簡(jiǎn)化增壓系統(tǒng)，另一方面高工況時(shí)不必采用旁通方法而充分利用廢氣能量，多余的電能可供給蓄電池和其他用電設(shè)備使用。1.3.2、對(duì)利用廢氣能量實(shí)現(xiàn)制冷空調(diào)來(lái)說(shuō)，無(wú)論是吸收式還是吸附式，由于存在coP值較小(對(duì)壓縮式)，體積過(guò)大，不適應(yīng)汽車(chē)運(yùn)行狀況等致命缺陷，用此科·方法替代現(xiàn)有汽車(chē)空調(diào)是不可能的。如果將廢氣能量轉(zhuǎn)換為電能從而驅(qū)動(dòng)現(xiàn)有的汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)，一‘方面可不必改裝現(xiàn)有的汽車(chē)空調(diào)，另一方面可充分利用廢氣能量，實(shí)現(xiàn)以較小的代價(jià)取得較大的效益。1.3.3、對(duì)利用汽車(chē)廢熱供暖來(lái)說(shuō)，在非嚴(yán)寒地區(qū)，冬季車(chē)內(nèi)供曖利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水的余熱就可滿(mǎn)足而不必改裝現(xiàn)有的供暖系統(tǒng)；在嚴(yán)寒地區(qū)利用廢氣余熱供暖存在著明顯的季節(jié)性，廢氣能量的利廂不充分，如廢氣能量轉(zhuǎn)換為電能的效率足夠高，可考慮利用轉(zhuǎn)換得來(lái)的電能供熱，一方面可充分利用能量而不僅限于冬季，另一方面可減少供暖系統(tǒng)布置的困難。1.3.4、對(duì)半導(dǎo)體溫差發(fā)電來(lái)說(shuō)，由于高效率的熱電轉(zhuǎn)換材料尚未發(fā)現(xiàn)，已知的熱電轉(zhuǎn)換材料效率太低，至少在目前此種方法還不十分可行。1.3.5、對(duì)利用廢熱改良燃料來(lái)說(shuō)，這種方法只利用了余熱的極小部分，經(jīng)濟(jì)性較差，不能作為廢氣能量利用主要方向。因此，筆者認(rèn)為利用廢氣能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能進(jìn)而轉(zhuǎn)換為電能應(yīng)作為廢氣能量利用的主要研究方向。此種方法對(duì)廢氣能量的利用率較高，且通過(guò)轉(zhuǎn)換得來(lái)的電能可靈活方便地使用，更重要的是這種方法不需對(duì)原有汽車(chē)設(shè)備做較大改動(dòng)，易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。但此種方法需解決的主要問(wèn)題有：一是加裝能量回收裝置后會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能產(chǎn)生影響，如何盡量減少甚至消除這種影響是非常重要的；二是能量轉(zhuǎn)換裝置的轉(zhuǎn)換效率能夠達(dá)到多少需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)明確，轉(zhuǎn)換效率決定其實(shí)用性。1.4、本文主要工作1.4.1、工作目標(biāo)為克服現(xiàn)有汽車(chē)廢氣能量回收利用裝置巾存在的能量轉(zhuǎn)換效率不高，實(shí)施過(guò)程困難，用途單一，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大等缺陷，設(shè)計(jì)一種將汽車(chē)廢氣能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的新型裝置，并將其應(yīng)用到所有內(nèi)燃機(jī)，所提供的動(dòng)力可以完全或部分地驅(qū)動(dòng)內(nèi)燃機(jī)沒(méi)有定時(shí)要求的附件，如電動(dòng)機(jī)、蓄電池、水泵、動(dòng)力轉(zhuǎn)向油泵、真空泵甚至空調(diào)等。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本裝置擬通過(guò)動(dòng)力渦輪實(shí)現(xiàn)廢氣能量的回收和向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。為此本文對(duì)當(dāng)前的廢氣利用做了全面的調(diào)查，指出當(dāng)前廢氣的利用發(fā)展形勢(shì)，利用方式，同時(shí)針對(duì)一臺(tái)具體柴油機(jī)ZH-4100DE排氣管廢氣能轉(zhuǎn)化的機(jī)械部分做詳細(xì)設(shè)計(jì)，包括渦輪設(shè)計(jì)計(jì)算，渦殼的匹配設(shè)計(jì)，軸的設(shè)計(jì)等等。第二章針對(duì)ZH4100柴油機(jī)及排氣系統(tǒng)的渦輪部分設(shè)計(jì)2.1、ZH4100柴油機(jī)的相關(guān)資料缸數(shù)缸徑|行程（mm）排量（升）發(fā)火次序進(jìn)氣最大轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩（n.M）（r|min）排溫（攝氏度）4100|153.611-3-4-2自然吸氣220|1500500表2.1柴油機(jī)相關(guān)參數(shù)2.2、排氣系統(tǒng)管路圖圖-2排氣系統(tǒng)管路圖2.3、渦輪設(shè)計(jì)2．3．1、渦輪型式選擇當(dāng)前實(shí)際應(yīng)用中的渦輪主要有三種：軸流式、徑流式和混流式。軸流式渦輪應(yīng)用較早，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但由于其效率低于其他形式渦輪，因而實(shí)際中很少采用。徑流式渦輪效率高、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)方法比較成熟，有較多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，性能預(yù)測(cè)方便，實(shí)際使用較多。但當(dāng)比轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，會(huì)造成葉輪出口排氣損失過(guò)大，葉輪內(nèi)部流動(dòng)狀況不佳，使得渦輪性能惡化?；炝魇綔u輪結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，制造困難，在高比轉(zhuǎn)速時(shí)效率較高，低比轉(zhuǎn)速時(shí)性能與徑流式渦輪相仿。但由于其試驗(yàn)數(shù)據(jù)欠缺，給設(shè)計(jì)和性能預(yù)測(cè)造成不便。通過(guò)綜合考慮，決定在本文研究中采用徑流式渦輪。2．3．2、渦輪設(shè)計(jì)前需確定的參數(shù)1、渦輪入口廢棄流量G(按最大轉(zhuǎn)速1500r|min計(jì)算）經(jīng)查閱文獻(xiàn)[3]表3-4，設(shè)研究海拔為0m，大氣壓為0.98×pa，大氣溫度為15攝氏度，且此種情況下大氣密度為1.225kg|，則計(jì)算公式為：G=進(jìn)氣流量+燃料量據(jù)查閱ZH4100資料，其燃?xì)飧酌看螄娚淙剂蠟?g所以：==0.211kg（2-1）2、入口壓力由于排氣管內(nèi)表面無(wú)明顯阻礙裝置，查文獻(xiàn)得知與大氣壓基本相等，先取壓力為大氣壓1.033Mpa入口絕對(duì)溫度定位入口絕對(duì)速度=86（2-2）渦輪轉(zhuǎn)速參考現(xiàn)有的渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速（60000-200000r|min）并考慮渦輪直徑總體大小取n=80000r|min出口壓力（靜壓）這里將外界環(huán)境簡(jiǎn)化為與大氣壓相同，且為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，==1.033pa7、廢棄絕熱指數(shù)K根據(jù)《氣體工業(yè)手冊(cè)》相關(guān)資料，二氧化碳?xì)怏w絕熱系數(shù)為1.2，氮?dú)饣衔锝^熱系數(shù)為1.4，一氧化碳絕熱系數(shù)1.225。綜合廢棄中個(gè)氣成分含量平均計(jì)算，初步定位K=1.3。氣體常數(shù)查閱《氣體工業(yè)手冊(cè)》得知R=29.3kg|mol|kg2．3．1、具體計(jì)算步驟如下：1、初步假定參數(shù)值：徑向度靜葉氣體流出絕對(duì)角=動(dòng)葉氣流出口相對(duì)角=靜葉速度損失系數(shù)=0.95動(dòng)葉速度損失系數(shù)2、計(jì)算使渦輪達(dá)到最大效率的最優(yōu)參數(shù)=0.31（2-3）=0.37（2-4）=0.8（2-5）3、計(jì)算進(jìn)口速度及其角度（1）、理想絕熱速度：=86m|s（2-6）（2）、渦輪外徑上的圓周速度（2-7）（2-8）注：以上結(jié)果均已經(jīng)圓整，保留至整數(shù)。（3）、靜葉出口理論速度和實(shí)際速度（2-9）（2-10）（4）、工作輪入口相對(duì)速度和相對(duì)速度角=9.7rad|s=10rad|s（2-11）（2-12）4、靜葉進(jìn)口滯止參數(shù)計(jì)算（1)、進(jìn)口氣流音速；（2-13）(2)、當(dāng)?shù)伛R赫數(shù);（2-14）(3)、進(jìn)口滯止壓力;（2-15）（4）、進(jìn)口滯止溫度;（2-16）5、靜葉出口參數(shù)確定（1）、多變指數(shù)；（2-17）（2）、出口壓力；（2-18）（3）、出口溫度；（2-19）6、動(dòng)葉進(jìn)口滯止參數(shù)（1）、當(dāng)?shù)匾羲伲唬?-20）（2）、馬赫數(shù)；（2-21）（3）相對(duì)壓力；（2-22）（4）相對(duì)溫度；（2-23）7、動(dòng)葉出口參數(shù)計(jì)算（1）、多變指數(shù)；（2-24）（2）、出口絕對(duì)溫度；（2-25）8、渦輪基本尺寸（1）、工作輪進(jìn)口直徑；（2-26）（2）、工作輪出口直徑；（2-27）（3）、靜葉出口處葉片高度；（2-28）（4）、工作輪出口處葉片高度；（2-29）2．3．1、渦輪損失計(jì)算和渦輪參數(shù)的計(jì)算進(jìn)一步確定1、導(dǎo)向器中的損失計(jì)算導(dǎo)向器出口葉片半徑；（2-30）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和渦輪外形尺寸限制初步導(dǎo)向器進(jìn)口葉片半徑=60mm求得導(dǎo)向器葉片數(shù)；（2-31）式中b|t為直葉柵稠度，將圓整得Z=18返回求得=60mm圖-3渦輪的三維立體圖其他部件的匹配設(shè)計(jì)3.1、軸設(shè)計(jì)圖-4軸3.1.1、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸上零件的裝配方案由以上設(shè)計(jì)可知，軸上需裝配的零件從右到左有螺母，墊片，渦輪，軸承。軸承從左端裝入，渦輪從右端裝入。則可將渦輪與軸承之間設(shè)計(jì)一軸肩。軸的各段直徑和長(zhǎng)度確定首先確定右端螺紋長(zhǎng)度，初步定為長(zhǎng)10mm，為考慮渦輪裝入方便將螺紋段尺寸定為13mm。螺距為2mm，螺紋高度為2mm，另外將向左延伸至3mm長(zhǎng)度的無(wú)紋區(qū)，作為減載。渦輪輪轂寬度為28mm，則可確定軸此段長(zhǎng)度為28mm，此段軸直徑定為13mm。為考慮渦輪的軸向定位，渦輪左端設(shè)計(jì)一軸肩，肩高為3mm，則此段的直徑為19mm，由于根據(jù)以上渦殼寬度為34mm，為保證渦輪與渦殼壁有足夠的間隙，不致影響正常工作，將渦輪上下端面與渦殼壁間隙設(shè)計(jì)為3mm，由此可將軸此段長(zhǎng)度定為8mm,軸肩的左端裝軸承，根據(jù)選取的軸承的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，將此段軸直徑設(shè)計(jì)為15mm，此段長(zhǎng)度定為59mm。軸上的零件定位由以上渦輪左端軸向定位，采用螺紋螺母緊固定位。渦輪的左端采用軸肩定位，渦輪的周向定為采用圓底平鍵定位，鍵長(zhǎng)設(shè)計(jì)為20mm，如圖所示，鍵高為2mm。3.1.2、軸的材料選擇軸的材料要求為耐高溫，扭矩要求不是很高，而且用于腐蝕條件，經(jīng)查閱文獻(xiàn)，表15-1，將軸的材料定為3Cr13。采用調(diào)制熱處理。軸的補(bǔ)充說(shuō)明：如上圖所示，該軸左端設(shè)計(jì)未完成，有待于進(jìn)一步改善，該軸的左端設(shè)計(jì)有待于設(shè)計(jì)，若將需要轉(zhuǎn)化的扭矩直接傳遞給發(fā)電機(jī)的線(xiàn)圈，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，則可以將此軸與電動(dòng)機(jī)同軸，這里由于電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)當(dāng)今較為成熟，加之本人能力有限，再者電動(dòng)機(jī)的軸承設(shè)計(jì)須依據(jù)電動(dòng)機(jī)本身的尺寸來(lái)配置，這里就不在設(shè)計(jì)。3.1.2、軸的強(qiáng)度校核按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算注：由前面設(shè)計(jì)可知，此軸為傳動(dòng)軸，僅僅承受扭矩，因此按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算。（3-1）式中各參數(shù)的確定：n軸的轉(zhuǎn)速，由前面設(shè)計(jì)確定n=80000r/mind計(jì)算截面處軸的直徑，由上圖可知，校核此軸的扭矩強(qiáng)度的截面取承受最弱面即截面半徑最小的面：圖-5軸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖圖-6軸的載荷分布簡(jiǎn)圖由以上分析確定截面計(jì)算直徑為d=15mm P軸的傳遞功率以下為能量轉(zhuǎn)化路線(xiàn)：廢氣動(dòng)能渦輪角動(dòng)能外部機(jī)械能電能/氣壓能此處軸校核按能量傳遞無(wú)損失計(jì)算，即按軸所能承受的極限扭矩計(jì)算，廢氣在管道的動(dòng)能通過(guò)渦輪裝置后減少量等于渦輪的角動(dòng)能增加量，本文假設(shè)外部負(fù)載無(wú)窮大，既有1S內(nèi)廢氣的所有動(dòng)能減少量即為軸傳遞功率則有：P=（3-2）圖中兩個(gè)質(zhì)量可看做相等，因?yàn)橥ㄟ^(guò)渦輪裝置前后管內(nèi)壓力變化不大，其密度也未變，所以質(zhì)量也不變。（3-3）其中代入（3-3）式計(jì)算得 P=642.635W=0.643KW查文獻(xiàn) 表15-3可知，取[由式（3-1）推得：（3-4）而實(shí)際軸的直徑為15mm，所以軸的強(qiáng)度完全滿(mǎn)足扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度需求。校核完畢！3.2、渦殼設(shè)計(jì)由以上渦輪設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可得渦輪直徑最大為108mm，而渦輪要裝入渦殼，并在內(nèi)工作，為保證裝入方便初步確定渦殼直徑為114mm。渦殼厚度則根據(jù)渦輪厚度來(lái)定，同樣保證裝入的前提條件下，渦輪厚度為28mm，確定渦輪上下端面離渦殼兩壁距離為3mm，則可確定渦殼直徑為114+28+6=148mm。并且為節(jié)約材料將渦殼表面設(shè)計(jì)為圓弧。其三維圖設(shè)計(jì)如下：圖-7渦殼3.3、小端渦蓋設(shè)計(jì)小端渦蓋即與渦殼相連，且同時(shí)為廢氣出口的密封端蓋！由以上渦殼設(shè)計(jì)，采用螺釘連接，渦殼小端直徑為120mm，則與之匹配的小端渦蓋一側(cè)直徑也為120mm，并設(shè)計(jì)為四個(gè)螺孔，螺孔直徑為10mm，為盡量減少空氣阻力，從120mm的端口直徑過(guò)度到40mm的排氣管之間采用圓弧過(guò)度，同樣渦蓋壁厚設(shè)計(jì)為5mm，圖-8小端渦蓋3.4、大端渦蓋設(shè)計(jì)圖-9大端渦蓋設(shè)計(jì)3.5、部分圖片預(yù)覽圖-10裝配圖圖-11三維實(shí)體裝配圖第四章致謝衷心感謝學(xué)校這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)鍛煉機(jī)會(huì)，通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我收獲頗多，知識(shí)面有了很大的提高，綜合運(yùn)用能力得到加強(qiáng)，可以說(shuō)經(jīng)過(guò)這樣一次設(shè)計(jì)，我們才真正達(dá)到了畢業(yè)的要求。首先，我感覺(jué)這次設(shè)計(jì)提高了我們解決實(shí)際問(wèn)題的能力。在一個(gè)實(shí)際題目當(dāng)前，怎樣才能解決問(wèn)題呢？這不是哪本書(shū)上能說(shuō)清楚的。這就要求我們根據(jù)實(shí)際情況，分析實(shí)際問(wèn)題，想出解決方案，這就是一個(gè)能力的問(wèn)題了。平時(shí)我們很少有這樣的機(jī)會(huì)，能把所學(xué)的知識(shí)運(yùn)用于解決實(shí)際問(wèn)題當(dāng)中，但這次設(shè)計(jì)就給予了我們一個(gè)很好的機(jī)會(huì)。其次，這次設(shè)計(jì)考驗(yàn)了我的自學(xué)能力。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，許多知識(shí)都不是我以前所學(xué)過(guò)的，特別是軟件的應(yīng)用方面。因此這讓我意識(shí)到學(xué)習(xí)能力的重要性，活學(xué)活用，才能立于不敗之地。再次，這次設(shè)計(jì)鍛煉了我的綜合運(yùn)用知識(shí)能力。在設(shè)計(jì)時(shí)，我不但要用到機(jī)械方面的知識(shí)，還要用到許多計(jì)算機(jī)方面的知識(shí)。如何把握許多方面的知識(shí)，綜合運(yùn)用這些知識(shí)，這就要求我們掌握重點(diǎn)，靈活運(yùn)用，不然是難以解決設(shè)計(jì)中的問(wèn)題的。最后在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，特別感謝我的指導(dǎo)老師朱石砂教授，是他悉心指導(dǎo)，耐心教育，我才得以解決許多百思不得其解的問(wèn)題，尤其是許多論文的細(xì)節(jié)。所有這些，都讓我內(nèi)心深處感激不盡！參考文獻(xiàn)：【1】、張鐵柱，張洪信．汽車(chē)安全、節(jié)能與環(huán)保[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004．5【2】、鐘瓊香．內(nèi)燃機(jī)廢熱制冷與發(fā)電之探討[J]．肉類(lèi)工業(yè)，1997(3)：4-453、【3】、袁玉和，高光有，車(chē)輛用渦輪增壓器構(gòu)造、原理、使用與維修[M]。國(guó)防工業(yè)出版社，1990年，1-228【4】、楊培毅，程林，汽車(chē)余熱空凋的研究現(xiàn)狀，流體工程，1993．654—59【5】、汽車(chē)用溴化理吸收式制冷裝置[P]．實(shí)用新型專(zhuān)利，ZL99116689．2【6】、北汽車(chē)編輯部．利用汽車(chē)排氣與冷卻水的余熱采暖和制冷的兩項(xiàng)專(zhuān)利技術(shù)[J]。湖托汽車(chē)，2001(1、2)：89—9l【7】、周良德，朱泗芳等編著，現(xiàn)代工程圖學(xué)[M]。湖南科學(xué)技術(shù)出版社,2002.9.2-50.【8】、朱智富，張鐵柱。汽車(chē)廢氣能量回收裝置的研究[J].青島大學(xué)碩士論文，2005.5.1--53【9】、黃衛(wèi)東，廢氣渦輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)PPT，/p-44695529.htm.2010.3【10】、濮良貴，紀(jì)名剛，機(jī)械設(shè)計(jì)第八版[M]，高等教育出版社，2006，5.62-383.【11】、董桂田．汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣廢熱的溫差發(fā)電[J]．北京節(jié)能，1997(4)：7—9附錄1：符號(hào)表A：英文字母：:效率A:流通面積:反動(dòng)度A:喉口寬度:徑向度B:葉片軸向弦長(zhǎng):運(yùn)動(dòng)粘度C:絕對(duì)速度:密度D:直徑:靜葉損失系數(shù)G:流量:葉損失系Hu:輪周功I:沖角K:絕熱指數(shù)L:流道長(zhǎng)度I:葉片高度M:馬赫數(shù)N:功率N:轉(zhuǎn)速:入口壓力:入口滯止壓力:出口壓力(靜壓)R:氣體常數(shù)Re:雷諾數(shù)R:半徑:入口絕對(duì)溫度T:入口滯止絕對(duì)溫度T:柵距U:周向速度W:相對(duì)速度Z:葉片數(shù)希臘字母：:氣流入口或出口絕對(duì)角:氣流入口或出口相對(duì)角:厚度:損失系數(shù)附錄=2\*ROMANII：外文文獻(xiàn)翻譯原文及其譯文Effectsofstructureelasticdeformationsofwheelsetandtrackoncreepforcesofwheel/railinrollingcontactAbstractInthispaperthemechanismofeffectsofstructureelasticdeformationsofbodiesinrollingcontactonrollingcontactperformanceisbrieflyanalyzed.Effectsofstructuredeformationsofwheelsetandtrackonthecreepforcesofwheelandrailareinvestigatedindetail.Generalstructureelasticdeformationsofwheelsetandtrackarepreviouslyanalyzedwithfiniteelementmethod,andtherelations,whichexpressthestructureelasticdeformationsandthecorrespondingloadsintherollingdirectionandthelateraldirectionofwheelset,respectively,areobtained.Usingtherelations,wecalculatetheinfluencecoefficientsoftangentcontactofwheelandrail.Theinfluencecoefficientsstandfortheoccurringofthestructureelasticdeformationsduetothetractionofunitdensityonasmallrectangularareainthecontactareaofwheel/rail.TheyareusedtorevisesomeoftheinfluencecoefficientsobtainedwiththeformulaofBossinesqandCerrutiinKalker’stheoryofthree-dimensionalelasticbodiesinrollingcontactwithnon-Hertzianform.Intheanalysisofthecreepforces,themodifiedtheoryofKalkerisemployed.Thenumericalresultsobtainedshowagreatinfluenceexertedbystructureelasticdeformationsofwheelsetandtrackuponthecreepforces.?2002ElsevierScienceB.V.Allrightsreserved.Keywords:Wheel/rail;Rollingcontact;Creepforce;StructureelasticdeformationIntroductionDuringrunningofatrainontrackthefierceactionbetweenwheelsetandrailscauseslargeelasticdeformationsofstructureofwheelsetandtrack.Thelargestructuredeformationsgreatlyaffectperformancesofwheelsandrailsinrollingcontact,suchascreepforces,corrugation[1–3],adhesion,rollingcontactfatigue,noise[4,5]andderailment[6].Sofarrollingcontacttheorieswidelyusedintheanalysisofcreepforcesofwheel/railarebasedonanassumptionofelastichalfspace[7–12].Inotherwords,therelationsbetweentheelasticdeformationsandthetractioninacontactpatchofwheel/railcanbeexpressedwiththeformulaofBossinesqandCerrutiinthetheories.Inpractice,whenawheelsetismovingontrack,theelasticdeformationsinthecontactpatcharelargerthanthosecalculatedwiththepresenttheoriesofrollingcontact.Itisbecausetheflexibilityofwheelset/railismuchlargerthanthatofelastichalfspace.Structureelasticdeformations(SED)ofwheelset/railcausedbythecorrespondingloadsareshowninFigs.1and2.ThebendingdeformationofwheelsetshowninFig.1aismainlycausedbyverticaldynamicloadsofvehicleandwheelset/rail.ThetorsionaldeformationofwheelsetdescribedinFig.1bisproducedduetotheactionoflongitudinalcreepforcesbetweenwheelsandrails.TheobliquebendingdeformationofwheelsetshowninFig.1candtheturnoverdeformationofrailshowninFig.2aremainlycausedbylateraldynamicloadsofvehicleandwheelset/rail.Thetorsionaldeformationswiththesamedirectionofrotationaroundtheaxleofwheelset(seeFig.1d),availableforlocomotive,aremainlycausedbytractiononthecontactpatchofwheel/railanddrivingtorqueofmotor.UptonowveryfewpublishedpapershavediscussionsontheeffectsoftheSEDoncreepagesandcreepforcesbetweenwheelsetandtrackinrollingcontact.Infact,theSEDofwheelset/railmentionedaboverunslowthenormalandtangentialcontactstiffnessofwheel/rail.Thenormalcontactstiffnessofwheel/railismainlylowedbythesubsidenceoftrack.Thenormalcontactstiffnessloweddoesn’taffectthenormalpressureonthecontactareamuch.Thelowedtangentialcontactstiffnessaffectsthestatusofstick/slipareasandthetractioninthecontactareagreatly.IftheeffectsoftheSEDontherollingcontactaretakenintoaccountinanalysisofrollingcontactofwheel/rail,thetotalslipofapairofcontactingparticlesinacontactareaisdifferentfromthatcalculatedwiththepresentrollingcontacttheories.ThetotalslipofallthecontactingparticlesandthefrictionworkaresmallerthanthoseobtainedunderconditionthattheSEDisignoredintheanalysisofcreepforcesofwheel/rail.Alsotheratioofstick/slipareasinacontactareaislargerthanthatwithoutconsiderationoftheeffectsoftheSED.Inthispaperthemechanismofeffectsofstructureelasticdeformationsofbodiesinrollingcontactonrollingcontactperformanceisbrieflyanalyzed,andKalker’stheoreticalmodelofthree-dimensionalelasticbodiesinrollingcontactwithnon-Hertzianformisemployedtoanalyzethecreepforcesbetweenwheelsetandtrack.Inthenumericalanalysistheselectedwheelsetandrailare,respectively,afreight-carwheelsetofconicalprofile,China“TB”,andsteelrailof60kg/m.FiniteelementmethodisusedtodeterminetheSEDofthem.AccordingtotherelationsoftheSEDandthecorrespondingloadsobtainedwithFEM,theinfluencecoefficientsexpressingelasticdisplacementsofthewheelsetandrailproducedbyunitdensitytractionactingonthecontactareaofwheel/railaredetermined.Theinfluencecoefficientsareusedtoreplacesomeoftheinfluencecoeffi-cientscalculatedwiththeformulaofBossinesqandCerrutiinKalker’stheory.TheeffectofthebendingdeformationofwheelsetshowninFig.1aandthecrossedinfluencesamongthestructureelasticdeformationsofwheelsetandrailareneglectedinthestudy.Thenumericalresultsobtainedshowmarkeddifferencesbetweenthecreepforcesofwheelset/railundertwokindsoftheconditionsthateffectsoftheSEDaretakenintoconsiderationandneglected.2.Mechanismofreducedcontactstiffnessincreasingthestick/slipratioofcontactareaInordertomakebetterunderstandingofeffectsoftheSEDofwheelset/trackonrollingcontactofwheel/railitisnecessarythatwebrieflyexplainthemechanismofreducedcontactstiffnessincreasingtheratioofstick/slipareainacontactareaundertheconditionofunsaturatedcreep-force.Generallythetotalslipbetweenapairofcontactparticlesinacontactareacontainstherigidslip,thelocalelasticdeformationinacontactareaandtheSED.Fig.3adescribesthestatusofapairofthecontactparticles,A1andA2,ofrollingcontactbodiesandwithoutelasticdeformation.Thelines,A1A_1andA2A_2inFig.3a,aremarkedinordertomakeagoodunderstandingofthedescription.Afterthedeformationsofthebodiestakeplace,thepositionsanddeformationsoflines,A1A_1andA2A_2,areshowninFig.3b.Thedisplacementdifference,w1,betweenthetwodashlinesinFig.3biscausedbytherigidmotionsofthebodiesand(rollingorshift).Thelocalelasticdeformationsofpoints,A1andA2,areindicatedbyu11andu21,whicharedeterminedwithsomeofthepresenttheoriesofrollingcontactbasedontheassumptionofelastic-halfspace,theymakethedifferenceofelasticdisplacementbetweenpointA1andpointA2,u1=u11?u21.Iftheeffectsofstructureelasticdeformationsofbodiesandareneglectedthetotalslipbetweenpoints,A1andA2,canreadas:S1=w1?u1=w1?(u11?u21)(1)Thestructureelasticdeformationsofbodiesandaremainlycausedbytraction,pandp_actingonthecontactpatchandtheotherboundaryconditionsofbodiesand,theymakelines,A1A_1andA2A_2generaterigidmotionsindependentofthelocalcoordinates(ox1x3,seeFig.3a)inthecontactarea.Theu10andu20areusedtoexpressthedisplacementsofpointA1andpointA2,respectively,duetothestructureelasticdeformations.Atanyloadingsteptheycanbetreatedasconstantswithrespecttothelocalcoordinatesforprescribedboundaryconditionsandgeometryofbodiesand.ThedisplacementdifferencebetweenpointA1andpointA2,duetou10andu20,shouldbeu0=u10?u20.Soundertheconditionofconsideringthestructuralelasticdeformationsofbodiesand,thetotalslipbetweenpoints,A1andA2,canbewrittenas:S?1=w1?u1?u0(2)ItisobviousthatS1andS?1aredifferent.Thetraction(orcreep-force)betweenapairofcontactparticlesdependsonS1(orS?1)greatly.When|S1|>0(or|S?1|>0)thepairofcontactparticlesisinslipandthetractiongetsintosaturation.Inthesituation,accordingtoCoulomb’sfrictionlawthetractionsoftheabovetwoconditionsaresameifthesamefrictionalcoefficientsandthenormalpressuresareassumed.Sothecontributionofthetractiontou1isalsosameunderthetwoconditions.If|S1|=|S?1|>0,|w1|in(2)hastobelargerthanthatin(1).Namelythepairsofcontactparticleswithouttheeffectofu0getintotheslipsituationfasterthanthatwiththeeffectofu0.Correspondinglythewholecontactareawithouttheeffectofu0getsintotheslipsituationfastthanthatwiththeeffectofu0.Therefore,theratiosofstick/slipareasandthetotaltractiononcontactareasfortwokindsoftheconditionsdiscussedabovearedifferent,theyaresimplydescribedwithFig.4aandb.Fig.4ashowsthesituationofstick/slipareas.SigninFig.4aindicatesthecasewithoutconsideringtheeffectofu0andindicatesthatwiththeeffectofu0.Fig.4bexpressesarelationshiplawbetweenthetotaltangenttractionF1ofacontactareaandthecreepagew1ofthebodies.SignsandinFig.4bhavethesamemeaningasthoseinFig.4a.FromFig.4bitisknownthatthetangenttractionF1reachesitsmaximumF1maxatw1=w_1withoutconsideringtheeffectofu0andF1reachesitsmaximumF1maxatw1=w_1withconsideringtheeffectofu0,andw_1<w__1.u0dependsmainlyontheSEDofthebodiesandthetractiononthecontactarea.ThelargeSEDcauseslargeu0andthesmallcontactstiffnessbetweenthetwobodiesinrollingcontact.Thatiswhythereducedcontactstiffnessincreasestheratioofstick/slipareaofacontactareaanddecreasesthetotaltangenttractionundertheconditionofthecontactareawithoutfull-slip.3.Calculationofstructuredeformationofwheelset/railInordertocalculatetheSEDdescribedinFig.1b–d,andFig.2,discretization