扇形齿轮齿条机构用于发动机动力传输系统的研究

摘要

自内燃机诞生以来，人们作了长期的努力以寻求内燃机的最佳功率传输机构。对于活塞式内燃机，曲柄连杆机构是将往复直线运动转换成旋转运动的典型代表，被广泛采用。但是，曲柄连杆机构也有本身无法克服的缺点，比如：存在死点，传动效率不高。为此，百余年来，人们提出了各种各样的传动机构方案，试图取代曲柄连杆机构，但均未达到预期的目的。 目前，能源紧张，提高内燃机效率迫在眉睫。梁锡昌教授提出使用扇形齿轮齿条机构作为内燃机功率传输机构，发明了一种新型发动机——扇齿发动机。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％。 论文在理论上证明了扇齿发动机的合理性：首先借鉴成组技术的思想方法，利用历史上提出过的，各种内燃机功率传输机构设计方案之间存在的继承性和相似性，通过相应的分类技术，将它们各自归并成组，然后运用机构学中“机构综合”的方法，概括出每个组的本质，并找出各组之间的联系，最后，在理论上概括了内燃机功率传输机构的可能方案，证明使用齿轮齿条机构作为内燃机功率传输机构是可行的。 在理论证明之后，论文详细介绍了发动机扇齿功率传输机构实验装置。实验装置仅保留了扇形齿轮齿条功率传输机构，省略了发动机中其他机构，重点考察扇形齿轮齿条的啮合过程。在模型中，用步进电机带动滚珠丝杠转动，丝杠螺母推动齿条沿直线导轨移动，使齿条带着扇形齿轮转动。 扇齿功率传输机构实验装置控制系统的设计是论文的另一个重点。控制系统以一片PIC单片机为核心搭建而成，主要完成的控制任务是：步进电机的加减速、齿条的返向、齿条的定区间停机以及故障诊断。其中，对于步进电机加减速和齿条的定区间停机问题，论文提出了独到的解决方法，比较好地解决了这些问题。 另外，论文还阐述了滚珠丝杠、直线导轨和步进电机的选型方法，还就单片机开发过程中会遇到的常见故障提出了解决方法。 在论文最后，介绍了扇形齿轮的加工实验。使用Pro/NC生成了NC程序，完成了扇形齿轮的电火花线切割加工。