微小型对置式发动机功率传输机构设计与特性分析

摘要

微小型热动力电源技术成熟，可靠性好，动态响应特性好，且实现较为容易，是一种理想的电源。微小型对置式发动机是一种应用于微小型热动力电源的新型凸轮式活塞发动机，利用空间凸轮机构将活塞的往复运动转换为凸轮的连续转动并输出功率。论文设计的微小型发动机新型功率传输机构，突破传统功率传输机构的设计思路，将汽缸沿空间凸轮周向对置，缩小发动机的体积和质量；通过控制凸轮工作面的形状，增加工作面的起伏次数，提高活塞的做功频率，从而大大提升发动机的功率密度。论文的主要工作包括：
　　（1）新型功率传输机构设计。设计了一种基于圆锥滚子直动从动件和带弹性滚子座的几何形状锁合空间凸轮机构的微小型发动机新型功率传输机构，分析了发动机的组成及其工作原理，根据热动力电源设计参数制定了发动机的设计指标。采用几何形状锁合空间凸轮机构进行功率传输，对圆锥滚子和空间凸轮的轮廓进行了计算和分析，并设计了发动机的缸体，计算了散热片的面积。
　　（2）功率传输机构动力学建模与分析。依据凸轮从动件系统动力学建模方法，将弹性滚子座等效为弹簧，建立了功率传输机构的带补偿弹簧的单自由度模型，设计了补偿弹簧的刚度，借助状态空间的表达形式对模型进行了求解，得到了空间凸轮的角位移和角速度响应以及活塞的位移误差。分析发现，补偿弹簧的刚度对机构的动态性能有较大的影响，提高补偿弹簧的刚度可以有效降低活塞的位移误差。
　　（3）空间凸轮接触问题分析。研究了凸轮在循环应力场作用下发生疲劳失效的机理，分析了功率传输机构中各部分的受力情况，计算出凸轮工作面上的最大接触应力，计算结果表明，凸轮和滚子的最大接触应力小于材料的许用应力，满足使用要求；进行了空间凸轮接触参数的研究，为功率传输机构动力学仿真研究的参数设置提供了理论依据。
　　（4）运动及动力学特性仿真研究。利用ADAMS搭建了发动机功率传输机构的虚拟样机模型，从运动学角度验证了理论模型和凸轮工作面方程的正确性；基于该模型对弹性滚子座的刚度进行了优化，动力学仿真结果表明凸轮的驱动力（发动机的扭矩）能够达到设计指标。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 选题依据与研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文的研究工作概述

第二章 对置式活塞发动机功率传输机构设计

2.1 对置式活塞发动机构成与工作原理

2.2 发动机设计指标

2.3 功率传输机构设计

2.4 活塞及缸体的设计计算

2.5 本章小结

第三章 功率传输机构的动力学建模与分析

3.1 凸轮从动件系统动力学建模方法

3.2 功率传输机构的动力学模型

3.3 模型求解与分析

3.4 本章小结

第四章 空间凸轮接触问题分析

4.1 Hertz接触理论

4.2 接触疲劳强度校核

4.3 接触参数研究

4.4 本章小结

第五章 功率传输机构运动及动力学特性仿真研究

5.1 虚拟样机建模过程

5.2 弹性滚子座刚度分析与优化

5.3 运动学仿真与分析

5.4 动力学仿真与分析

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文工作总结

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

附录A 凸轮工作面计算程序