正弦型葉片活塞轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)(共22頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上正弦型葉片活塞轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)人 劉 弘前言四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)問世以來,以它的優(yōu)越性能領(lǐng)先于發(fā)動(dòng)機(jī)行列,成為當(dāng)代應(yīng)用最廣的動(dòng)力機(jī)械。但是,由于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)是通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)將往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為園周運(yùn)動(dòng)的，因此在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，必然會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)。為了克服活塞的貫性力需要消耗較大的能量。這對于進(jìn)一步提高它的熱效率，成為不可逾越的障礙。節(jié)約日益短缺的能源，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率，已成為今日世界的當(dāng)務(wù)之急。20世紀(jì)中期，德國發(fā)明了三角活塞轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，隨后日本引入進(jìn)行研究和改進(jìn)。但卻未能取代耗油量較大，熱效率較低的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。這是因?yàn)槿腔钊D(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上還有不完善之處。首先三角活塞在氣

2、缸內(nèi)并非只作單一的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而是一種特殊的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)不能把振動(dòng)減到足夠小的程度，而且同樣要消耗能量去克服較大的貫性力。其次制造這種發(fā)動(dòng)機(jī)，需要極高的精密度和較復(fù)雜的工藝，否則不能解決氣缸的密封問題，必然出現(xiàn)漏氣，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。盡管三角活塞發(fā)動(dòng)機(jī)以經(jīng)沉淪于世，但它的出現(xiàn)代表著新技術(shù)的發(fā)展方向，激勵(lì)人們?nèi)?gòu)思結(jié)構(gòu)更完善，工藝更簡單、體積小、效率高的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)。筆者于20世紀(jì)70年代開始探索轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)，苦心研究20 春秋，耗費(fèi)了不少精力，正弦型葉片活塞轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的趨形終于形成。本文將敘述這種發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理和主要的關(guān)鍵技術(shù)。專心-專注-專業(yè)一、正弦型葉片活塞轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原

3、理正弦型葉片活塞轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)由氣缸環(huán)、氣缸襯、氣缸蓋、轉(zhuǎn)子、花鍵軸、葉片活塞、滾珠軸承和油封等零件所組成。詳見正弦型葉片式轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)原理圖（第二頁）。氣缸環(huán)內(nèi)壁由園柱面和正弦型柱面連成光滑的曲面，整個(gè)內(nèi)壁分為四個(gè)區(qū)域：吸氣區(qū)、壓縮區(qū)、燃燒區(qū)和排氣區(qū)。各區(qū)域所對的園心角均為。氣缸由氣缸環(huán)、氣缸襯和轉(zhuǎn)子聯(lián)合組成，四塊葉片活塞均分布在轉(zhuǎn)子的槽內(nèi)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過離心力使活塞緊貼氣缸環(huán)內(nèi)壁。在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中，任意相鄰兩活塞經(jīng)過吸氣區(qū)時(shí)，吸氣區(qū)形成真空，由進(jìn)氣孔吸入混合可燃?xì)怏w，當(dāng)此二活塞經(jīng)過壓縮區(qū)時(shí)，被吸入的可燃?xì)怏w按照設(shè)計(jì)的壓縮比被壓縮，此二活塞進(jìn)入燃燒區(qū)時(shí)，由燃燒區(qū)內(nèi)的火花塞點(diǎn)火、燃燒的氣體膨脹形成

4、高壓。由于前后二活塞在燃燒區(qū)內(nèi)高度不同，前后二活塞出現(xiàn)較大的壓力差，壓差推動(dòng)轉(zhuǎn)子沿著旋轉(zhuǎn)方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到活塞進(jìn)入排氣區(qū)后，高壓氣體通過排氣孔排出廢氣，如此循環(huán)，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子不停地轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過轉(zhuǎn)軸向外輸出動(dòng)力。二、氣缸環(huán)的結(jié)構(gòu)和內(nèi)壁的設(shè)計(jì)氣缸環(huán)的結(jié)構(gòu)如氣缸環(huán)結(jié)構(gòu)圖所示,圖中為了表明轉(zhuǎn)子與缸環(huán)的關(guān)系,用雙點(diǎn)劃線表示轉(zhuǎn)子的外部輪廓。氣缸環(huán)內(nèi)壁截面為園弧和正弦型曲線連成的光滑曲線。設(shè)轉(zhuǎn)子的半徑為R0，缸環(huán)內(nèi)壁頂部所在的園稱為頂園，頂園與園子的距離為，稱它為壓縮區(qū)高度；設(shè)正弦型曲線的振幅為A，稱它為半壓縮長度。為了得到良好的過渡，保證得到所需的壓縮比，并使氣缸的燃燒區(qū)有合理的工作長度，選取缸環(huán)內(nèi)壁園弧

5、所對的園心角為，正弦型曲線所對的園心角為。設(shè)極軸經(jīng)過園弧與正弦型曲線的連接點(diǎn)，幅角按順時(shí)針方向?yàn)檎?，則正弦型缸內(nèi)壁的極坐標(biāo)方程為：其中：t 為弧度。我們稱半徑等于R的園為缸環(huán)的中園(圖中用點(diǎn)劃線表示)。若將缸環(huán)中園展成直線,相應(yīng)地轉(zhuǎn)子外園,缸環(huán)頂園也展成直線,則正弦型缸環(huán)內(nèi)壁展成了直角坐標(biāo)系下的正弦型曲線.我們以展直了的頂園為直角坐標(biāo)系的橫坐標(biāo),極軸為縱坐標(biāo),則在此坐標(biāo)系下,(見圖1)正弦型缸環(huán)內(nèi)壁方程為:（2）其中:R為中園的半徑為中園上的弧長 A為半壓縮長度。1、壓縮區(qū)高度、半壓縮長度和壓縮比之間的關(guān)系為了計(jì)算壓縮區(qū)高度半壓縮長度和壓縮比之間的關(guān)系，根據(jù)對稱性，對壓縮區(qū)和燃燒區(qū)各取一半進(jìn)行

6、計(jì)算。由圖1可得半壓縮區(qū)的截面面積為：半燃燒區(qū)的截面積為：設(shè)壓縮比為N，則V1N=V2，由此得整理后得特別,當(dāng)N=8時(shí)2、氣缸環(huán)的寬度為了使活塞的平均工作周邊長（活塞與缸環(huán)內(nèi)壁和缸襯的平均接觸長度）與活塞的平均工作面積（活塞伸入氣缸內(nèi)部的平均面積）之比為最小，這樣可以減少由于密封不良而造成的漏氣現(xiàn)象。根據(jù)計(jì)算，當(dāng)b=2(+A)時(shí)，平均工作周邊與面積之比為最小，所以缸環(huán)寬度應(yīng)為：一般可取如圖2所示。三、葉片活塞的結(jié)構(gòu)由于缸環(huán)內(nèi)壁并非都是園柱面，要保證活塞頂部與缸環(huán)內(nèi)壁緊密結(jié)觸，葉片活塞可用若干層薄片疊合而成。在運(yùn)動(dòng)過成中由于離心力的作用，活塞頂部的形狀可隨缸環(huán)內(nèi)壁的形狀而改變，使活塞頂部與缸環(huán)內(nèi)

7、壁緊密接觸。為了保證活塞的兩側(cè)與缸襯緊密接觸，活塞應(yīng)有沿軸向收縮和擴(kuò)張的能力，因此應(yīng)把葉片活塞的每一層，做成由兩塊梯形薄片拼合而成的矩形，并使拼合而成的矩形略寬于缸環(huán)的寬度b。其拼合方式分為甲、乙兩種。如圖3所示。在一塊多層葉片活塞中，除表面兩層用矩形薄片外，中間各層薄片由甲、乙兩種拼合方式相間疊合，這樣疊合成的葉片活塞在離心力的作用下，能夠產(chǎn)生沿軸向的擴(kuò)張能力，它在運(yùn)動(dòng)過程中既能與缸內(nèi)壁緊密結(jié)合，又能與活塞兩側(cè)的缸襯緊密貼合，從而保證了活塞在氣缸內(nèi)的密封性。四、正弦型轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的潤滑與密封問題為了使正弦形轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)有良好的潤滑與密封，保證運(yùn)動(dòng)時(shí)不發(fā)生漏氣及漏油。所采用的方法是將發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)

8、為氣缸和油缸兩個(gè)部分：氣缸由缸環(huán)、缸襯和轉(zhuǎn)子封閉而成；油缸由缸蓋、缸襯、轉(zhuǎn)子、花鍵軸和迷宮式油封封閉而成。轉(zhuǎn)子的園柱面在氣缸內(nèi)旋轉(zhuǎn)，兩個(gè)端面在油缸內(nèi)旋轉(zhuǎn)，活塞靠近頂端的部分在氣缸中運(yùn)動(dòng)，靠近軸的端面在油缸中運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)過程中，油缸內(nèi)充滿了潤滑油，它一方面潤滑運(yùn)動(dòng)的零件，另一方面潤滑油充滿了缸環(huán)、轉(zhuǎn)子與缸襯相結(jié)合處的間隙，對氣缸起到密封的作用。為了保證轉(zhuǎn)子端面與缸襯之間的密封，在轉(zhuǎn)子與缸襯的接觸區(qū)內(nèi)開兩道油溝。葉片活塞在沿徑向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)中，將潤滑油不斷地吸入油缸，又將潤滑油壓入葉片內(nèi)部，既使葉片得到密封又保證了它的潤滑。為了保障油缸內(nèi)部的正常壓強(qiáng)，油缸下部設(shè)有進(jìn)油器，上端設(shè)有調(diào)壓器，通過油缸上部

9、的氣體調(diào)節(jié)油缸內(nèi)的壓強(qiáng)。五、轉(zhuǎn)子的最小直徑轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片活塞是靠離心力的作用與缸環(huán)緊密貼合在一起的。由于離心力的大小等于，在一定轉(zhuǎn)速下，只有R達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，活塞才能與缸環(huán)內(nèi)壁緊密貼合。因此我們首先要算出在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，活塞沿徑向的最大加速度，再根據(jù)最大加速度的值，計(jì)算出R的最小值。1、活塞的徑向加速度和最大徑向加速度活塞沿徑向的運(yùn)動(dòng)方程為見公式（1）上式中：。由此得到從上式可以看出，葉片活塞在運(yùn)動(dòng)過程中，最大的法向加速度為：2、活塞的向心加速度及轉(zhuǎn)子的最小半徑根據(jù)園周運(yùn)動(dòng)的向心加速度公式,我們得到活塞的向心加速度為:，其中：為活塞重心到轉(zhuǎn)軸軸線的距離。當(dāng)時(shí)，活塞在離心力作用下，能夠緊貼缸環(huán)內(nèi)

10、壁運(yùn)動(dòng)。如圖4所示，設(shè)所以最小的轉(zhuǎn)子半徑為六、正弦型葉片活塞轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的其它問題正弦形葉片活塞轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻問題，可采用水冷和氣冷兩種方式進(jìn)行，要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的用途和工作條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、配氣和排氣等系統(tǒng)，均可沿用四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的有關(guān)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。對于火花塞的點(diǎn)火，不存在正時(shí)點(diǎn)火的問題，為了防止活塞在點(diǎn)火口處漏氣火花塞的直徑應(yīng)盡可能小些。七、正弦型葉片活塞轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展前景由于正弦型葉片活塞轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用了獨(dú)特的工作原理，因而使得它的結(jié)構(gòu)極為簡單，除了它的缸環(huán)內(nèi)壁要求較高的精度外，其余的零件都可用常規(guī)工藝進(jìn)行加工。它卻具有體積小，重量輕，微振動(dòng)，高效率，低耗油的優(yōu)越性。按照此原理設(shè)計(jì)試制成功后，可在現(xiàn)有一級單缸的基礎(chǔ)上發(fā)展成多級多缸的正弦型葉片活塞轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)。所謂多級是指在同一缸環(huán)上，分為多個(gè)四部工作區(qū)，因此在一個(gè)缸環(huán)內(nèi)就有多個(gè)燃燒區(qū)。多缸是指一臺(tái)