内燃机新型功率传输机构的设计与研究

论文摘要

内燃机是世界上使用范围最宽,数量最多的热能动力装置,具有功率覆盖面大,转速范围宽,经济性好等特点。内燃机的功率传输机构通常由活塞、连杆、曲轴组成,这种结构导致内燃机效率低,并带来振动、噪声等一系列问题。本文基于提高功率传输机构能量转化效率的设计思路,研究了齿条-超越离合器传动和柔性体-超越离合器传动两种新型功率传输机构,这两种机构的共同点是机构传动效率高、侧压力小、无死点,并且可以设计较长的气缸来增大活塞的行程。围绕这两种机构及其在新型内燃机上的应用,本文开展了以下研究。（1）对各类功率传输机构的特点进行分析,提出一种新型功率传输机构的研制思路,即通过在输出轴与活塞间添加超越离合器而取消两者间的刚性运动连接,并且在活塞受到压力较大时,保证能以最大的有效推力产生扭矩和较大的行程输出能量,从而提高能量转化效率;（2）对采用齿条-超越离合器功率传输机构的新型内燃机（简称齿条超越式内燃机）结构进行探索研究,包括研究齿条超越式内燃机的多种空间布局方案,建立八缸方案主要传动部分的三维装配模型,对其进行运动学分析及仿真,通过在活塞和配气凸轮轴间添加连杆机构设计新的配气系统等。研究表明:齿条超越式内燃机由对置活塞齿条传动式内燃机单元组成,单元数目和空间布局可根据应用领域进行配置;活塞的运动速度接近于正弦曲线,运动平稳;（3）对柔性体-超越离合器功率传输机构进行设计以及动力学分析仿真,包括研究活塞与超越离合器外环间的传动规律、柔性体的横向振动状况、张力状况以及弹性滑动现象,寻找抑制横向振动,减少磨损和提高疲劳寿命的途径。研究表明:往复直线运动的活塞通过柔性体带动超越离合器外环往复摆动,外环的运动频率与活塞一致,但速度曲线上有轻微的振荡;柔性体材料弹性模量越大,线密度越小对降低传动过程中的横向振动越有利;预紧载荷在工作载荷附近选取可以避免传动过程中柔性体张力的大幅度变化,有效提高其疲劳寿命,适当增大预紧载荷可以提高柔性体的传动能力,降低柔性体的横向振动;（4）对钢丝绳-超越离合器功率传输机构中的关键部件进行设计以及受力分析;利用有限元方法对差速式卷筒的设计进行优化和校核;设计钢丝绳-超越离合器功率传输机构的试验装置,并利用它对动力学仿真结果进行试验验证,进一步探讨该机构应用于内燃机上的可行性。

论文目录

• 表目录
• 图目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 内燃机功率传输机构的研究概况
• 1.2.1 往复活塞式功率传输机构发展综述
• 1.2.2 旋转活塞式功率传输机构发展综述
• 1.2.3 其他功率传输机构发展综述
• 1.3 论文的总体结构
• 第二章 新型功率传输机构的方案设计
• 2.1 新型功率传输机构的研制思路
• 2.1.1 曲柄连杆式功率传输机构的固有缺陷
• 2.1.2 各类功率传输机构的特点及分析
• 2.1.3 新型功率传输机构的研制思路
• 2.2 两种新型功率传输机构
• 2.2.1 超越离合器在新型功率传输机构研制中的应用
• 2.2.2 齿条式功率传输机构
• 2.2.3 柔性体式功率传输机构
• 2.2.4 功率传输机构设计的基本要求
• 2.2.5 采用新型功率传输机构的内燃机需要解决的问题
• 2.3 新型内燃机的主要设计目标及需采用的新技术介绍
• 2.3.1 新型内燃机的主要设计目标
• 2.3.2 提高新型内燃机热效率的其他途径
• 2.3.3 新型内燃机需采用的新技术
• 2.4 本章小结
• 第三章 齿条超越式内燃机的探索研究
• 3.1 齿条超越式内燃机的基本结构
• 3.2 齿条超越式内燃机的工作原理及特点
• 3.2.1 ND单元工作原理
• 3.2.2 齿条超越式八缸内燃机工作原理
• 3.2.3 齿条超越式八缸内燃机的特点
• 3.3 齿条超越式八缸内燃机建模及装配
• 3.3.1 零部件建模
• 3.3.2 装配
• 3.4 齿条超越式八缸内燃机主要传动部分的仿真研究
• 3.4.1 各部件的运动学关系
• 3.4.2 运动学仿真结果及分析
• 3.4.3 配气连杆的稳定性分析
• 3.4.4 超越离合器传动性能仿真
• 3.4.5 齿条齿轮啮合力
• 3.4.6 整机仿真途径
• 3.5 齿条超越式内燃机的其他布局形式
• 3.5.1 ND组合方案
• 3.5.2 直列四缸方案
• 3.5.3 六缸方案
• 3.6 齿条超越式内燃机设计中的关键技术研究
• 3.6.1 齿条传动的相关问题及解决措施
• 3.6.2 锥齿轮传动的相关问题及解决措施
• 3.6.3 活塞运动限位及回位装置的设计
• 3.6.4 配气、起动系统的设计
• 3.7 本章小结
• 第四章 柔性体式功率传输机构的设计及其动力学仿真
• 4.1 各类柔性体式功率传输机构的设计
• 4.1.1 柔性体式功率传输机构的基本结构
• 4.1.2 采用金属带的功率传输机构
• 4.1.3 采用同步齿形带的功率传输机构
• 4.1.4 采用柔性绳的功率传输机构
• 4.2 柔性体式功率传输机构的动力学分析
• 4.2.1 横向振动及固有频率计算
• 4.2.2 柔性体的预紧受力分析
• 4.2.3 柔性体运行过程中的受力分析
• 4.2.4 柔性体的应力分析
• 4.2.5 柔性体的弹性滑动
• 4.3 柔性体式功率传输机构的动力学仿真模型及参数设计
• 4.3.1 柔性体仿真常用方法
• 4.3.2 柔性体式功率传输机构的仿真思路
• 4.3.3 柔性体传输机构仿真模型的建模过程
• 4.3.4 仿真参数的定义
• 4.3.5 平带和钢丝绳传动的横向共振固有频率
• 4.3.6 驱动定义及仿真试验设置
• 4.4 预紧力稳定仿真
• 4.5 平带式功率传输机构的传动仿真
• 4.5.1 活塞与卷筒间的运动关系
• 4.5.2 平带单元张力的变化情况
• 4.5.3 平带单元与卷筒间的接触力
• 4.5.4 平带单元的振动情况
• 4.5.5 距离，滑移及张力传感器测量结果
• 4.6 钢丝绳式功率传输机构的传动仿真
• 4.7 柔性体式功率传输机构的横向共振仿真
• 4.8 钢丝绳式功率传输机构的瞬间冲击仿真
• 4.9 可作为下一步设计参考的动力学结论
• 4.10 本章小结
• 第五章 钢丝绳式功率传输机构的关键部件及其试验装置设计
• 5.1 钢丝绳式功率传输机构的卷筒设计与分析
• 5.1.1 常见卷筒类型
• 5.1.2 差速式卷筒
• 5.1.3 卷筒的受力及符号约定
• 5.1.4 卷筒外半径的最小值
• 5.1.5 卷筒壁厚的等效设计方法
• 5.1.6 差速式卷筒筒壳的应力计算
• 5.1.7 差速式卷筒筒壳的有限元优化设计
• 5.2 钢丝绳的结构及受力特点
• 5.2.1 钢丝绳的结构特点
• 5.2.2 钢丝绳的受力特点
• 5.2.3 钢丝绳的力学模型
• 5.3 钢丝绳端部与活塞的连接方法
• 5.4 钢丝绳端部在卷筒上的固定方法
• 5.5 钢丝绳的预紧方法
• 5.6 钢丝绳式功率传输机构试验装置设计
• 5.6.1 试验目的
• 5.6.2 试验装置方案
• 5.6.3 单缸柴油机及电机的选型
• 5.6.4 超越离合器的选型
• 5.6.5 加载装置的选型
• 5.7 本章小结
• 第六章 结束语
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果