斯特林发动机配气活塞与气缸间隙设计及动态仿真

摘要

与传统内燃机相比，斯特林发动机结构简单、运行平稳、维修方便，更不会发生爆震，充分实现了高效率、低噪音、低污染和低运行成本。随着能源危机的加剧和斯特林发动机技术的提高，斯特林发动机在车辆上的应用再次得到人们的关注。配气活塞与气缸间隙的合理设计是自由活塞发动机设计的一个重要课题，间隙过大影响配气效率，间隙过小会产生粘缸和拉缸，本文针对自由活塞发动机的配气活塞和气缸的间隙特征进行研究，主要完成工作如下：
　　（1）对一台4kW自由活塞式斯特林发动机的主要结构尺寸进行了设计，首先确定了循环压力、发动机工作频率、行程、缸径、热交换系统无益容积等参数，进而对发动机换热系统、气缸、活塞等零部件进行了结构和尺寸设计；
　　（2）基于软件ADAMS，对配气活塞进行了动力学分析，分析了活塞运动中柔性弹簧的变形特征、受力、动能和势能、活塞的轴向与侧向频谱特征等力学性能；
　　（3）利用软件ANSYS对配气活塞的关键部件柔性弹簧进行了性能模拟，获得了柔性弹簧厚度、渐开线长度、渐开线封闭半径等结构参数与柔性弹簧的轴向刚度和径向刚度之间的关系，并用软件Workbench对柔性弹簧的最大应力进行了优化，结果显示，通过改变柔性弹簧的部分尺寸可以有效优化柔性弹簧的最大应力，最大应力减少了25％左右，可以有效地提高柔性弹簧的使用寿命；
　　（4）分析了影响配气活塞与气缸工作间隙的各个因素所造成的间隙特征，在此基础上提出了配气活塞与气缸的间隙设计方法，利用该设计方法确定了发动机的配缸间隙，并利用软件ADAMS进行了仿真验证，得到活塞与气缸的最小配缸间隙为0.168mm，稳态振动中活塞与气缸的最小径向间隙为0.0145mm，为该类型发动机设计提供了参考依据。

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注释表

第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2国内外研究现状

1.3本文主要研究内容

第二章 自由活塞斯特林发动机结构设计

2.1斯特林发动机的工作原理及组成

2.2斯特林发电机的关键部件及技术

2.3自由活塞斯特林发动机的设计

2.4特林发动机的总体装配

2.5斯特林特林发动机的功率核算

2.6汽车尾气能量回收模型

2.7本章小结

第三章 配气活塞动力学仿真分析

3.1配气活塞的组成及其结构特点

3.2配气活塞的力学模型

3.3配气活塞动力学仿真

3.4本章小结

第四章 柔性弹簧的建模与仿真

4.1柔性弹簧的参数化建模

4.2 柔性弹簧有限元分析

4.3柔性弹簧的最大应力优化

4.4本章小结

第五章 配气活塞与气缸的动态间隙设计与仿真

5.1配气活塞与气缸间隙的影响因素

5.2配气活塞与气缸的间隙设计方法

5.3影响配气活塞与气缸间隙的主要因素

5.4活塞与气缸的间隙设计

5.5仿真验证

5.6本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文