扇齿发动机动力传输系统的研究

论文摘要

当今,内燃机使用广泛而且能源日益紧张,提高内燃机效率迫在眉睫。传统内燃机以曲柄连杆机构作为动力转换装置,机械效率不高。为此梁锡昌教授在现有发动机结构的基础上提出了一种新型结构的发动机——扇齿发动机(专利号ZL02133601)。该发动机采用齿轮齿条机构进行动力转换,由于齿轮齿条机构传动效率高达97%,比曲柄连杆机构的传动效率高10%,扇齿发动机的总效率比传统发动机高4%。扇形齿轮齿条转换机构是扇齿发动机的创新点,本文主要对该机构做了理论的研究,设计出了扇齿发动机的动力转换装置的模型样机,还基于ADAMS的动力学仿真、基于ANASYS的静力学有限元分析和实验研究等方面对样机进行了比较系统的分析和研究。本文研究的主要内容可以概括如下:①介绍现有的各种发动机的动力传输系统,详尽的分析了各种动力传输发动机的特点,效率,以及国内外在这些传动系统的研究和研制状况及趋势,提出了本文的研究内容。②介绍了扇齿发动机的结构和传动原理,对扇齿发动机传动结构的设计过程、结构上的创新进行了描述,并对齿轮齿条的传动效率进行了分析,总结出了扇齿发动机的特点。对扇齿发动机的运动过程进行了分析,发现运动中换向时候存在不可靠之处。结合凸轮机构的特点,设计出了相应的凸轮机构,理论上解决了换向时候存在的问题。③利用三维设计软件Proe建立了扇齿发动机主要传输机构部件实体模型并对所建的实体模型进行装配。将装配模型转换到ADAMS软件中,通过定义各种转动副、约束副和定义碰撞,建立起扇齿发动机动力转换机构的虚拟样机模型,对虚拟样机定义运动和施加载荷进行运动仿真,得出各零部件随时间的运动关系图、受力图、啮合力时域和频域曲线图。通过动力学仿真验证出扇齿发动机动力传输结构的合理性。④对ANSYS软件及其新一代产品ANSYS Workbench进行了介绍,应用ANSYS Workbench对扇齿发动机动力传输机构模型中的关键部件(扇形齿轮、齿条)进行静力有限元分析,得出各部件的最大应变、应力及位移等值线图。根据圣维南定理对扇齿发动机进模型行简化、添加固定约束建立起有限元模态分析模型,对模型的前20阶固有频率和振型进行计算。⑤对扇齿发动机模型样机进行试验。用电动机带动扇齿发动机模型中的齿条运动,模拟运动的情况,通过PIC单片机对电机的控制,模拟活塞点火时候齿条的运动,观察齿轮齿条的啮合情况,最终可以发现在一定条件下齿轮齿条可以正确啮合,完成需要的运动。⑥总结本文取得的主要研究成果并对后续需要进行的研究工作进行了展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题来源及意义
• 1.3 国内外新型发动机的发展现状及其趋势
• 1.3.1 其它动力传输系统发动机的研究
• 1.3.2 特种材料发动机的研究
• 1.3.3 非常规燃料发动机的研究
• 1.3.4 发动机非常规机构的研究
• 1.4 发动机动力转换装置国内外现状及发展趋势
• 1.4.1 曲柄连杆发动机
• 1.4.2 三角转子发动机
• 1.4.3 液压自由活塞发动机（hydraulic free piston engine, HF-PE）
• 1.4.4 摆动活塞发动机
• 1.4.5 其它动力传输机构的发动机
• 1.5 本文的主要研究内容
• 2 扇齿发动机动力传输系统工作原理
• 2.1 前言
• 2.2 扇齿发动机的动力传输系统工作过程
• 2.2.1 工作原理
• 2.2.2 工作过程分析
• 2.3 曲柄连杆机构与扇形齿轮齿条机构的效率比较
• 2.3.1 曲柄连杆机构的机械损失
• 2.3.2 扇形齿轮齿条机构的机械损失
• 2.4 曲柄连杆机构与扇齿齿条机构的运动学比较分析
• 2.4.1 曲柄连杆机构的运动分析
• 2.4.2 扇形齿轮齿条机构的运动分析
• 2.5 扇形齿轮齿条机构的不足及其改进
• 2.5.1 扇形齿轮齿条机构存在的不足
• 2.5.2 换向机构的设计
• 2.6 本章小结
• 3 扇齿发动机的虚拟样机建模及运动仿真
• 3.1 前言
• 3.2 扇齿发动机的实体造型及虚拟装配
• 3.2.1 扇齿发动机动力传输系统零部件实体建模
• 3.2.2 扇齿发动机动力传输系统虚拟装配
• 3.3 基于ADAMS 的扇齿发动机动力传输系统的动力学仿真
• 3.3.1 扇齿发动机动力传输系统虚拟样机制作
• 3.3.2 扇齿发动机动力传输系统仿真结果分析
• 3.4 本章小结
• 4 基于ANSYS 的扇齿发动机的静力有限元分析
• 4.1 前言
• 4.2 扇齿发动机动力传输系统的的有限元分析
• 4.2.1 扇齿发动机传动部件计算模型
• 4.2.2 扇齿发动机传动部件静力有限元分析结果
• 4.3 扇齿发动机动力传输系统的模态分析
• 4.3.1 固有特性的求解
• 4.3.2 动力学模型
• 4.3.3 数值模态计算结果
• 4.4 本章小结
• 5 扇齿发动机动力传输系统的实验模型及其控制
• 5.1 前言
• 5.2 扇齿发动机动力传动装置实验模型
• 5.2.1 制作实验模型目的
• 5.2.2 动力传动装置实验模型的简介
• 5.3 模型的控制系统
• 5.3.1 单片机及其应用选型
• 5.3.2 要解决的问题和解决方案
• 5.3.3 控制系统硬件设计
• 5.3.4 控制系统软件设计
• 5.4 本章小结
• 6 结论及展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 后续研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文