潘忠德， 楊中偉， 程曉章

（1.安徽全柴動(dòng)力股份有限公司，安徽 全椒 239500；2.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

傳統(tǒng)往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)作為重要的動(dòng)力裝置，給人們生活帶來(lái)方便，但也消耗著大量的石油燃料，帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染與能源危機(jī)。目前，要對(duì)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，使其適應(yīng)環(huán)保、節(jié)能和低碳生活的需要。蚌線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)不但繼承了往復(fù)內(nèi)燃機(jī)的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，還具有轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)［1］體積小、質(zhì)量輕、零件數(shù)少、運(yùn)行平穩(wěn)和高效節(jié)能等特點(diǎn)，被譽(yù)為內(nèi)燃機(jī)行業(yè)的“革命性”技術(shù)。

直蚌線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)作為一種特種發(fā)動(dòng)機(jī)，是在總結(jié)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)、汪克爾轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)、蚌線(xiàn)機(jī)基礎(chǔ)上提出來(lái)的。1952年黎正中教授提出多變蚌線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)想，1958年提出具體結(jié)構(gòu)構(gòu)思，1962年發(fā)表的“中國(guó)號(hào)旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)與設(shè)計(jì)”論文，被專(zhuān)家評(píng)價(jià)為“創(chuàng)造性勞動(dòng)，嶄新的理論”。1981年黎正中教授利用蚌線(xiàn)技術(shù)研制的輕型摩托發(fā)動(dòng)機(jī)、四沖程汽油機(jī)試驗(yàn)機(jī)被譽(yù)為“中國(guó)機(jī)”、“黎氏機(jī)”。1982年10月在中國(guó)科學(xué)院熱物理學(xué)術(shù)會(huì)議上黎正中教授發(fā)表了“多變蚌線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的理論與實(shí)踐”論文。1995年在第1項(xiàng)單圓滑塊專(zhuān)利的基礎(chǔ)上，雙圓滑塊和多圓滑塊獲得國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利，現(xiàn)已獲得美國(guó)、歐盟（含德國(guó)、意大利、法國(guó)等）、俄羅斯、歐亞聯(lián)合等發(fā)明專(zhuān)利。2004年開(kāi)發(fā)的ZB95H2L85kW汽油機(jī)，在上海第5屆中國(guó)國(guó)際發(fā)明展覽會(huì)上獲唯一的日內(nèi)瓦最新發(fā)明創(chuàng)造獎(jiǎng)。到目前為止，直蚌線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)已獲得多項(xiàng)國(guó)內(nèi)外發(fā)明專(zhuān)利，成為我國(guó)獨(dú)有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的特種發(fā)動(dòng)機(jī)［2］。

本文結(jié)合傳統(tǒng)往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)的有關(guān)知識(shí)，利用CATIA軟件［3］對(duì)直蚌線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真研究。

1 直蚌線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)力學(xué)原理

直蚌線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)作為一種特種發(fā)動(dòng)機(jī)，一般具有以下特點(diǎn)［4－7］：

（1）體積小。對(duì)于同樣的活塞行程，直蚌線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室比傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)更靠近中心。

（2）活塞運(yùn)動(dòng)軌跡方程［8］簡(jiǎn)單。活塞位移、速度和加速度方程均為簡(jiǎn)單正弦曲線(xiàn)。

（3）活塞沒(méi)有側(cè)壓力。有限的側(cè)壓力［9］由處于低溫區(qū)且有壓力油膜潤(rùn)滑的活塞導(dǎo)軌承擔(dān)，而處于高溫區(qū)的活塞不承受側(cè)壓力，活塞不易磨損［10］，活塞使用壽命比較長(zhǎng)［11］。

（4）主軸受力小。活塞在上死點(diǎn)時(shí)，總的慣性力［12］方向與活塞上的氣動(dòng)力方向是相反的，作用于機(jī)構(gòu)的合力小，其磨擦損失亦小。

（5）平衡性好。慣性力和力矩是常數(shù)，且方向唯一，結(jié)構(gòu)上可以用簡(jiǎn)單的方法進(jìn)行平衡。

（6）活塞在上止點(diǎn)附近的停留時(shí)間長(zhǎng)，接近于等容燃燒，燃燒效率高。

（7）全部加工型面只有圓和平面，加工工藝簡(jiǎn)單。

（8）活塞行程是曲柄長(zhǎng)度的4倍，曲柄重疊度為100%，具有足夠的強(qiáng)度和剛度。

（9）繼承性好。直蚌線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)也是往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)，所以對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)所應(yīng)用的先進(jìn)技術(shù)也能應(yīng)用于直蚌線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)。

活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)離不開(kāi)曲柄－連桿機(jī)構(gòu)，如圖1所示，B點(diǎn)繞O點(diǎn)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，A點(diǎn)沿X－X 軸作往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，這是普通的曲柄連桿機(jī)構(gòu)，若AB＝BO，讓B點(diǎn)繞O點(diǎn)作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，A點(diǎn)隨B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)并繞B點(diǎn)作逆時(shí)針?lè)较虻男D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，則A沿X－X 軸作往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，這樣也能變活塞的往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)為曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

實(shí)現(xiàn)這種運(yùn)動(dòng)的方法有2種形式：雙曲軸機(jī)構(gòu)，如圖2所示；雙偏心圓滑塊機(jī)構(gòu)，如圖3所示。這2種機(jī)構(gòu)的基本原理即為橢圓規(guī)原理，如圖4所示。當(dāng)桿端A、A′各沿Y－Y 軸、X－X 軸作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，桿的中點(diǎn)B作圓周運(yùn)動(dòng)。連接OB并使OB為曲柄臂，即達(dá)到變活塞A或A′的往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)為曲柄BO的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

從上述可知，AB＝BA′＝OB＝R，當(dāng)曲柄OB旋轉(zhuǎn)180°時(shí)，A 或A′的行程為4R，A、B 點(diǎn)各自運(yùn)動(dòng)規(guī)律（以X－Y軸計(jì)）分別為：

由此可知，活塞A或A′無(wú)論是位移、速度或加速度均為正弦變化規(guī)律，A′滯后A點(diǎn)π／2。

圖1 普通曲柄連桿機(jī)構(gòu)圖

圖2 雙曲軸機(jī)構(gòu)圖

圖3 雙偏心圓滑塊機(jī)構(gòu)圖

圖4 橢圓規(guī)原理圖

2 運(yùn)動(dòng)規(guī)律與仿真

曲柄連桿機(jī)構(gòu)的活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律［13］（以無(wú)量綱形式計(jì)）為：

直蚌線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律［14］（從上止點(diǎn)計(jì)，無(wú)量綱形式）為：

直蚌線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)如圖5所示，由圖5可知，與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)相比，在活塞行程與轉(zhuǎn)速均相同的情況下，直蚌線(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)有：

（1）直蚌線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞最大速度和最大加速度均小于連桿機(jī)構(gòu)。

（2）直蚌線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的最大速度正好在活塞行程中點(diǎn)，而傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)由于二階諧量的影響，使向上止點(diǎn)方向移動(dòng)，λ愈小偏移量愈大。

（3）在上止點(diǎn)前后各90°范圍內(nèi)，直蚌線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞速度小于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，而在下止點(diǎn)前后各90°范圍內(nèi)則大于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)。

圖5 直蚌線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)

CATIA是法國(guó)Dassault System公司的CAD／CAE／CAM一體化軟件，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、機(jī)械制造等行業(yè)。通過(guò)CATIA的零件設(shè)計(jì)工作平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了各個(gè)零部件的繪制，然后通過(guò)裝配設(shè)計(jì)工作臺(tái)，將所有的零部件裝配成一臺(tái)完整的直蚌線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)，并使用其特有的DMU機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)添加合適的運(yùn)動(dòng)接合，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真［15］，如圖6所示。觀察直蚌線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真運(yùn)動(dòng)，可以得出：

（1）活塞和滑塊按簡(jiǎn)諧規(guī)律作往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，曲軸作勻速旋轉(zhuǎn)，活塞位移、速度和加速度方程均為簡(jiǎn)單正弦曲線(xiàn)，對(duì)置活塞做線(xiàn)性往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

（2）直蚌線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)有70%以上的通用件，可以繼承傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒系統(tǒng)、渦輪增壓技術(shù)、排放處理技術(shù)等。

（3）滑塊機(jī)構(gòu)配重后即可達(dá)到旋轉(zhuǎn)慣性力和往復(fù)慣性力的完全平衡，無(wú)需添加任何其他平衡裝置，滑塊替代連桿后使軸系運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)，減小飛輪尺寸。

圖6 基于CATIA的直蚌線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文采用CATIA軟件對(duì)直蚌線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件的仿真研究，使人們對(duì)直蚌線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和工作原理有了更深入的認(rèn)識(shí)。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)向高速化、強(qiáng)勁化方向的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)的增壓比和升功率不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)各零件的工作條件更加惡化［16］。直蚌線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的核心是用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)，在具有轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，在結(jié)構(gòu)上對(duì)傳統(tǒng)往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)的技術(shù)成熟、工作可靠、燃油經(jīng)濟(jì)性高等優(yōu)點(diǎn)有著最大程度的繼承性。直蚌線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)是往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)技術(shù)和轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的結(jié)合，在內(nèi)燃機(jī)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)等方面有著創(chuàng)造性理論，從而使直蚌線(xiàn)內(nèi)燃機(jī)在其重要性能、制造成本等方面出現(xiàn)質(zhì)的飛躍，因此直蚌線(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)將推動(dòng)世界動(dòng)力的革命性發(fā)展，將越來(lái)越受到重視。

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