基于CATIA的直蚌线发动机研究

2012-09-03潘忠德杨中伟程晓章

合肥工业大学学报（自然科学版） 2012年6期

潘忠德，杨中伟，程晓章

（1.安徽全柴动力股份有限公司，安徽全椒 239500；2.合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥 230009）

0 引言

传统往复式内燃机作为重要的动力装置，给人们生活带来方便，但也消耗着大量的石油燃料，带来了严重的环境污染与能源危机。目前，要对内燃机进行改进，使其适应环保、节能和低碳生活的需要。蚌线发动机不但继承了往复内燃机的全部优点，还具有转子发动机［1］体积小、质量轻、零件数少、运行平稳和高效节能等特点，被誉为内燃机行业的“革命性”技术。

直蚌线发动机作为一种特种发动机，是在总结传统内燃机、汪克尔转子发动机、蚌线机基础上提出来的。1952年黎正中教授提出多变蚌线发动机设想，1958年提出具体结构构思，1962年发表的“中国号旋转式发动机与设计”论文，被专家评价为“创造性劳动，崭新的理论”。1981年黎正中教授利用蚌线技术研制的轻型摩托发动机、四冲程汽油机试验机被誉为“中国机”、“黎氏机”。1982年10月在中国科学院热物理学术会议上黎正中教授发表了“多变蚌线发动机的理论与实践”论文。1995年在第1项单圆滑块专利的基础上，双圆滑块和多圆滑块获得国家发明专利，现已获得美国、欧盟（含德国、意大利、法国等）、俄罗斯、欧亚联合等发明专利。2004年开发的ZB95H2L85kW汽油机，在上海第5届中国国际发明展览会上获唯一的日内瓦最新发明创造奖。到目前为止，直蚌线发动机技术已获得多项国内外发明专利，成为我国独有知识产权的特种发动机［2］。

本文结合传统往复式内燃机的有关知识，利用CATIA软件［3］对直蚌线发动机的整体结构进行了运动仿真研究。

1 直蚌线发动机的特点与运动力学原理

直蚌线发动机作为一种特种发动机，一般具有以下特点［4－7］：

（1）体积小。对于同样的活塞行程，直蚌线发动机的燃烧室比传统的发动机更靠近中心。

（2）活塞运动轨迹方程［8］简单。活塞位移、速度和加速度方程均为简单正弦曲线。

（3）活塞没有侧压力。有限的侧压力［9］由处于低温区且有压力油膜润滑的活塞导轨承担，而处于高温区的活塞不承受侧压力，活塞不易磨损［10］，活塞使用寿命比较长［11］。

（4）主轴受力小。活塞在上死点时，总的惯性力［12］方向与活塞上的气动力方向是相反的，作用于机构的合力小，其磨擦损失亦小。

（5）平衡性好。惯性力和力矩是常数，且方向唯一，结构上可以用简单的方法进行平衡。

（6）活塞在上止点附近的停留时间长，接近于等容燃烧，燃烧效率高。

（7）全部加工型面只有圆和平面，加工工艺简单。

（8）活塞行程是曲柄长度的4倍，曲柄重叠度为100%，具有足够的强度和刚度。

（9）继承性好。直蚌线发动机也是往复活塞式内燃机，所以对传统内燃机所应用的先进技术也能应用于直蚌线发动机。

活塞的往复运动转变为曲轴旋转运动离不开曲柄－连杆机构，如图1所示，B点绕O点作旋转运动，A点沿X－X 轴作往复直线运动，这是普通的曲柄连杆机构，若AB＝BO，让B点绕O点作顺时针旋转的同时，A点随B点运动并绕B点作逆时针方向的旋转运动，则A沿X－X 轴作往复直线运动，这样也能变活塞的往复直线运动为曲轴的旋转运动。

实现这种运动的方法有2种形式：双曲轴机构，如图2所示；双偏心圆滑块机构，如图3所示。这2种机构的基本原理即为椭圆规原理，如图4所示。当杆端A、A′各沿Y－Y 轴、X－X 轴作直线运动时，杆的中点B作圆周运动。连接OB并使OB为曲柄臂，即达到变活塞A或A′的往复直线运动为曲柄BO的旋转运动。

从上述可知，AB＝BA′＝OB＝R，当曲柄OB旋转180°时，A 或A′的行程为4R，A、B 点各自运动规律（以X－Y轴计）分别为：

由此可知，活塞A或A′无论是位移、速度或加速度均为正弦变化规律，A′滞后A点π／2。

图1 普通曲柄连杆机构图

图2 双曲轴机构图

图3 双偏心圆滑块机构图

图4 椭圆规原理图

2 运动规律与仿真

曲柄连杆机构的活塞运动规律［13］（以无量纲形式计）为：

直蚌线发动机活塞运动规律［14］（从上止点计，无量纲形式）为：

直蚌线发动机活塞的运动曲线如图5所示，由图5可知，与传统内燃机相比，在活塞行程与转速均相同的情况下，直蚌线机构的运动特点有：

（1）直蚌线发动机的活塞最大速度和最大加速度均小于连杆机构。

（2）直蚌线发动机的最大速度正好在活塞行程中点，而传统内燃机由于二阶谐量的影响，使向上止点方向移动，λ愈小偏移量愈大。

（3）在上止点前后各90°范围内，直蚌线发动机的活塞速度小于传统内燃机，而在下止点前后各90°范围内则大于传统内燃机。

图5 直蚌线发动机活塞的运动曲线

CATIA是法国Dassault System公司的CAD／CAE／CAM一体化软件，广泛应用于航空航天、汽车、机械制造等行业。通过CATIA的零件设计工作平台实现了各个零部件的绘制，然后通过装配设计工作台，将所有的零部件装配成一台完整的直蚌线发动机，并使用其特有的DMU机构运动工作台添加合适的运动接合，实现发动机的运动仿真［15］，如图6所示。观察直蚌线发动机的仿真运动，可以得出：

（1）活塞和滑块按简谐规律作往复直线运动，曲轴作匀速旋转，活塞位移、速度和加速度方程均为简单正弦曲线，对置活塞做线性往复运动。

（2）直蚌线发动机与传统发动机有70%以上的通用件，可以继承传统发动机的燃烧系统、涡轮增压技术、排放处理技术等。

（3）滑块机构配重后即可达到旋转惯性力和往复惯性力的完全平衡，无需添加任何其他平衡装置，滑块替代连杆后使轴系运转更加平稳，减小飞轮尺寸。

图6 基于CATIA的直蚌线发动机的运动仿真图

3 结束语

本文采用CATIA软件对直蚌线发动机构件的仿真研究，使人们对直蚌线发动机的运动机构和工作原理有了更深入的认识。随着发动机向高速化、强劲化方向的发展，发动机的增压比和升功率不断提高，发动机各零件的工作条件更加恶化［16］。直蚌线发动机的核心是用曲柄滑块机构代替传统内燃机的曲柄连杆机构，在具有转子发动机结构简单、体积小、运行平稳等优点的同时，在结构上对传统往复活塞式内燃机的技术成熟、工作可靠、燃油经济性高等优点有着最大程度的继承性。直蚌线发动机是往复式内燃机技术和转子发动机技术的结合，在内燃机力学、运动学及动力学等方面有着创造性理论，从而使直蚌线内燃机在其重要性能、制造成本等方面出现质的飞跃，因此直蚌线发动机将推动世界动力的革命性发展，将越来越受到重视。

［1］柴亮.浅析不同构造的汽车发动机性能特点［J］.工业科技，2010，39（1）：53－54.

［2］直蚌线发动机研发历程［EB／OL］.［2011－12－30］.http：／／wenku.baidu.com／view／30060701b52acfc789ebc9c6.html.

［3］单岩，谢龙汉，胡挺.CATIA V5曲面造型应用实例［M］.北京：清华大学出版社，2004：30－105.

［4］尹正兵，马星国，邵威.直蚌线发动机动力学仿真研究［J］.沈阳理工大学学报，2008，25（4）：55－58.

［5］朱仙鼎.特种发动机［M］.北京：机械工业出版社，1992：30－140.

［6］罗季川.直蚌线无连杆车用空压机简介［J］.汽车与配件，1995（10）：23－25.

［7］刘世贤.特种发动机［M］.杭州：浙江大学出版社，1991：20－80.

［8］刘一鸣，张华葆，魏金海，等.无连杆汽油机的研究［J］.小型内燃机，1995，24（4）：6－11.

［9］杜发荣，昊建，卫尧.无连杆发动机活塞侧向力分析［J］.洛阳工学院学报，1996（1）：37－42.

［10］王庆生，刘焜.高速汽油机活塞的热分析［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2008，31（6）：837－842.

［11］张薇.直蚌线发动机活塞疲劳分析［J］.沈阳理工大学学报，2011，30（4）：16－19.

［12］张华葆.无连杆发动机受力分析［J］.安徽工学院学报，1995，14（1）：37－42.