内蒙古工业大学本科毕业设计说明书
fS?FS270??19.7mm （3—22） F13.73.2.5膜片的设计计算
由于膜片及膜盒对压力反映灵敏，因此其原作用是在不大的几何尺寸下，可获得显著的较高的自振频率和输出力，用作气体或液体压力测量装置的敏感元件。膜片可分为平面膜片和波纹膜片两种。平面膜片一般用于中心位移小、特性稳定度要求不严格、压力与中心位移大致呈抛物线关系的测量装置中。波纹膜片是一个带有环状同心波纹的薄圆片，按波纹的类型可分为正弦影、梯形、锯齿形、圆形和弧形等。
波纹膜片与平面膜片比较有以下优点；
1)中心位移大。即材料一定时，不产生塑性变形的中心扰度较大； 2)压力位移特性可以呈线性关系或非线性关系； 3)特性稳定，边缘固定时，可能产生的扭曲较小：
4)由于波纹的形状不同，压力与中心位移的关系可以是多种多样的。
因此，有可能按需要的特性曲线来设计膜片，以满足不同的测量要求。膜片的计算主要包括膜片材料的选择和膜片的设计计算。影响膜片的性质主要有以下几项：波纹深度、波纹形状、波纹数、边缘波纹的影响，以及膜片的厚度和直径。对于膜盒的选择决定采用单片膜盒，原因是结构简单，材料选择暂不定，要等到温度试验做了之庸，厂家根据温度而定。
波纹膜片的特性曲线主要决定于膜片的截面形状，从实验结果来看，主要 有以下几个影响方面。
1)波纹深度的影响 在其它因素不变的情况下随着波纹深度的加大，特性曲线逐渐平直。波纹深度较大时可以得到线形的特性曲线。
2)波纹形状的影响 波纹形状对特性曲线的影响较小。在一定压力的作用下，正弦形膜片具有较大的扰度，锯齿形波纹膜片扰度最小，但后者的特性曲线比较接近直线，梯形波纹膜片的特性介乎两者之间。
3)波纹数的影响 在波纹深度不变的情况下，改变波纹数目对特性随线影响很小。 4)边缘波纹的影响 边缘波纹对膜片的特性影响甚大。有边缘波纹的膜片中心点位移要比无边缘波纹的大几倍，实验结果表明，略为增减边缘波纹的半径时，将显著改变膜片的特性，因为这种膜片的位移主要是由边缘波纹所决定，中部波纹所起的作
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用较小。
5)膜片厚度的影响 膜片厚度对其特性影响较大，增加膜片厚度，将使刚度增大。 6)膜片直径的影响 增大蛊径，将使灵敏度增加。
从以上的说明可知，改变膜片的几何参数，可使膜片具有各种不同的特性。但是用改变波纹形状及其它参数来对膜片特性作实验研究，以获得所需的特性，实际上是困难的。因此，设计时多数从已有实际膜片形状中选择合适的或稍作修改。多种式样的标准膜片，有对压力为线形的，有对空速为线形的，有对高度为线考选用。
选取工作直径2R=48mm，硬心直径2r=30mm，膜片厚度h=0.10mm，波纹深度H=0．3mm，波纹的斜角?0?300 (用的比较多)，波纹数n=4，泊松数u=0.3，
弹性模量为E=1.35×105MPa，截面形状为锯齿形。
H0.3??3 （3—23） h0.1锯齿形波纹膜片的系数a和b，可由弹簧手册的图所列的曲线求得，对于正弦形波纹，这些系数由深度比H／h和H／t决定；对于锯齿形波纹，则由H／h和波纹斜角?0决定。
按图(见弹簧手册20-13)越线a=a(H／h)和b=b(H／h)，根据波纹斜角?0?300的锯齿形波纹和已知的比值H／h查得系数a和b为：
a=19．5 b=O．40 根据公式：
p?Eh(ah2f0?bf03) （3—24） 4R1.35?105?0.123p?(19.5?0.1?f?0.27?f)004 24?0.008f0?0.01f03给出若干个fo的值，求出对应于这些位移fo的压力 ；
表3-1位移与压力的关系
1 2 4 5 6 f0/mm 8 5.184 10 10.08 p?103MPa 0.018 0.096 0.627 1.29 2.208 27
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从以上数据可知，膜片的灵敏度不大，也就是要使阀门打开还要克服膜片 本身的反作用力。
膜片的外径和膜片硬心直径是膜片设计时极为重要的参数。在膜片的厚度、外径一定时，d越大，耐压力虽然增大，但位移量变小，并且弯曲性能也变坏。对于硬心直径的选择是否恰当，还需要试验的进一步确定。
膜片有效面积不是常数，它随膜片的位移和压力与位移的特性而变。当膜片特性为线形融，可以认为有效面积是一个常数，可由下式近似的求得：
A?F?常数 (3—25) p式中 P—作用在膜片上的压力差
F—作用到膜片中心上的力，并能将在P作用下的位移f0恢复至起始位置。 在实际计算中，由于有效面积在工作范围内的变化相对来说是不大的，对于这个微小的变化可忽略不计，近似地认为它是个常数，其计算为：
11A??(R2?Rr?r2)??(242?24?15?152)?1215.2mm2 (3—26)
33式中 R—膜片工作半径 r—硬心直径
3.2.6 EGR 管路出入口位置的确定
EGR 是降低NOx排放的有效措施, 但若将未经过滤的柴油机排气直接引入进气中, 排气中的微粒物会造成进气系统侵蚀、润滑油污染及发动机运动件磨损等, 因此, 要使用微粒过滤器过滤掉微粒以后的干净废气作为再循环废气。为此, 再循环废气要从微粒过滤器出口处引出。由于微粒过滤器的阻力作用, 微粒过滤出口处的静压力很低, 接近于大气压力, 这对推动废气的再循环极为不利。为了使废气的再循环顺利进行, 并使再循环废气能够达到预期的流量, 必须采取相应的措施, 使排气压力高于进气压力。最简单的措施是采用进气节流阀或排气节流阀增加排气管和进气管间的压力差, 从而增加EGR率, 但会增加泵气功损失, 恶化柴油机性能。在进气管中增设一个文丘里管是在进气管内生成低压区域的有效方法, 将废气循环到低压区域可增加EGR 率, 但文丘里管的制造加工费用较高。在废气再循环管路中加装一个EGR 泵可增加EGR 率和提高EGR 系统的瞬态响应能力, 但增加了系统的复杂程度和功率消耗。综合分析各种方案后, 本文采用皮托管方案。微粒过滤器出口处的静压力虽然很低, 但流速较高,
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具有较大的动能。将再循环废气管路的入口设计成皮托管, 将排气的动能转换为压力能。该方案泵气功损失小、结构简单、对排气背压的影响小, 适合于和微粒过滤器一同工作。再循环废气管路出口的位置有两种选择, 一是位于空气滤清器后, 一是位于其前。再循环废气从空气滤清器后面导入进气管, 其主要优点是能充分利用空气滤清器后面产生的低压区, 加大了排气管和进气管间的压力差, 有利于提高EGR 率。再循环废气从空气滤清器前面导入进气管, 则空气滤清器就给柴油机提供第二级保护, 防止在微粒过滤器破损时未经过滤的废气直接进入进气管, 并且加长了循环废气与新鲜空气的混合时间, 有利于充分混合。本文采用第一种方案。
3.2.7排气管直径
对于脉冲排气系统，当排气管长度一定，减小排气管容积有利于增强排气压力波。排气管截面积过大，容易产生排气旋涡，造成压力能量的损失。排气管截面积过小，会引起管道内气流速度过高，流动损失增加，同时还会使涡轮机超速运转，降低使用寿命，因此排气管截面积的选取应该兼顾这两方面进行优化。取标定工况作为模拟分析的基础点，排气管直径的变化范围选择为30mm-45mm, 设定发动机功率、排气温度、空气流量作为输出的结果，其计算结果见图3-8从计算结果看出排气总管直径在36mm-40mm之间，发动机功率和空气流量均较大，同时排温上升幅度不是很明显，因此排气管直径应该选择在这个区域范围内，原机排气管直径为40mm, 基本上是合理的。
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图3—8标定工况下不同排气管直径的计算结果
3．3进气管结构参数
进气管结构主要对充气效率有很重要的影响，影响因素有进气口方向、进气口截面积、稳压腔容积、进气支管长度和截面积等，其中进气支管长度影响进气动态效应，稳压腔容积影响谐振效应。稳压腔内压力环境相对比较稳定，可以消除各缸进气干扰，为进气动态效应提供良好条件，同时也可以改善各缸进气均匀性。发生进气谐振的发动机转速主要与进气支管长度和稳压腔容积有关，因此有必要选择进气支管长度和稳压腔容积作为重点的优化对象。
3．4冲转换器喉口收缩比的优化
脉冲转换器喉口收缩比为喉口处的截面积比上排气歧管的截面积，它对发动机的性能影响很大，若收缩比太小，排气阻力增加，节流损失增加，对发动机空气流量影响也较大：若收缩比太大，则会降低引射作用，对脉冲能量的利用不利。模拟中分别对收缩比从0．5到1．0进行计算。脉冲转换器喉口收缩比对柴油机的功率影响不大，收缩比的变化主要影响柴油机的进气流量和排气温度，且随着收缩比的增加而增加，
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