新型双转子发动机功率传输装置的运动学特性分析

索若淇，郭 靖

（吕梁学院，山西吕梁 033000）

新型双转子发动机功率传输装置的运动学特性分析

索若淇，郭 靖

（吕梁学院，山西吕梁 033000）

在长期的社会发展过程中，由于进一步加深的能源危机，很多其他的问题也相继出现，例如空气污染问题，这就要求未来发动机的发展方向是轻型、高功率、高密度并且高效率的。双转子发动机已经成为目前研究的一个热点。针对新型双转子发动机功率传输装置的运动学特性进行分析，以供参考。

新型双转子发动机；功率传输装置；运动学特性

目前，发动机的发展经历了100多年。这100多年里，人们不断创造各种发动机，比如说，往复活塞发动机和汪克尔三角转子发动机等等，在这其中比较成功的也应该是应用最广泛的是传统往复式活塞发动机，虽然这种发动机的技术比较成熟，但是也存在着问题。本文就针对新型双转子发动机功率传输装置中的关键部件的运动学特性加以分析，来实现对新型双转子发动机的优化与完善。

1 新型双转子发动机功率传输装置的基本概述

功率传输机构由动力缸组件和与其相连的差速驱动组件构成，其中，动力缸组件又包含了转子1、转子2和上面固定连接的滑轨。在新型双转子发动机功率传输装置中，转子1和2同轴且呈交错状安装于缸体内。摆盘径向布它包含了4个滚子，这些滚子都与凸轮和滑滚相互配合运动，在Z字轴斜轴段上安设摆盘，摆盘绕Z字轴转动，与摆盘径相互垂直的有4个方向，摆盘径分别向外伸出了滚子轴，有四个8字形外摆线槽对称布置在凸轮上，有两个滚子在滚子轴上，凸轮面沿着8字形外摆线线槽滚动，而滚子轴末端的滚子则是沿着滑轨直线滚动。摆盘上的滚子则为驱动组件的输入端，Z字轴和凸轮轴则为输出端。

2 关键部件的运动学特性分析

2.1 运动学模型的建立

要建立运动学模型，首先要知道各个部件的作用及其之间的运动关系，建立坐标联系，求出变换矩阵。我们可以用下列矩阵来表示坐标系的变换

此矩阵中，x代表的是惯性坐标系中矢量，x’代表的是本体坐标系中矢量。A代表的是旋转矩阵，也被称为变换矩阵，它可以完全描述两个坐标系之间的变换关系，其包含着3个独立的参数。

图1 坐标变换及参数示意图

如图1所表示，轨迹进行3次坐标之间变换，应该准确了解摆盘上的点在固定坐标系x、y、z上的坐标，第一，在摆盘本体坐标系x3y3z3位置上的摆盘的点，其坐标为已知条件，把这三个点转换到摆盘转动平面坐标系x2y2z2的位置，对二者来说，惯性坐标系是摆盘转动平面坐标系x2y2z2的位置，而本体坐标系是摆盘的本体坐标系x3y3z3。坐摆盘本体的坐标系x3y3z3绕x3轴逆时针旋转，从而得到坐标系x2y2z2则是两者之间额关系。这次的转动环节是在y3z3的平面上，所以可以把其变换矩阵表示为

同样的，将平面坐标系x2y2z2的位置转换到输出轴坐标系x1y1z1的变换矩阵可以表示为

同理，摆盘上的点在坐标系x1y1z1中的位置转换到坐标系xyz的变换矩阵可以表示为

推理而来，从坐标系x3y3z3到坐标系xyz的总体变换矩阵可以表示为

从公式x=Ax’中可以得出它们相反的变换，所以，由坐标系x2y2z2向坐标系x1y1z1的转换，可以用下面公式表示

变换矩阵是一种正交矩阵，它的逆矩阵也就是它的转置矩阵。

2.2 对运动轨迹的计算

根据上面坐标变换的方法，现对摆盘上点的轨迹进行计算，如图2所示。

我们可以假设摆盘上有一点a，点a在本体坐标系x3y3z3上方向向量可以用ra/3表示，点a在固定坐标系xyz上方向向量可用ra/0来表示，根据上面的公式，则摆盘上点轨迹可用下列公式来表示

也可以简化方式，在摆盘坐标系x3y3z3上取一点a，点a的方向向量用ra/3=[00r]T来表示，摆盘各点轨迹有个特点，它们形状相同，但是相位不同，因此，向量能够展现出它轨迹的特性，所以把ra/3代入到上面公式ra/0=Ara/3中能够推出点的轨迹矩阵

图2 八字摆线轨迹向量图

从上述坐标的变换过程看来，将坐标系xyz通过原点围绕x轴顺时针旋转，能够得到坐标系x4y4z4。也就是说坐标系x4y4z4围绕x轴逆时针旋转之后得到坐标系xyz。这次转动是在平面y4z4发生的，所以变换矩阵可以表示为

如果把坐标系xyz中的位置转换到坐标系x4y4z4上，从变换矩阵性质可推出

从公式ra/0=Ara/3和上面的公式（9），把摆盘上点a的轨迹转换到坐标系x4y4z4上，就能得出凸轮球壳上8字外摆线的计算方程为

这个轨迹就是8字外摆线中心轮廓线方程。同理可得，上面提到的公式（8）可以简化方向向量ra/3=[00r]T，得出

通过研究分析得出，滚子轴线夹角越靠近90°，气缸容积变化幅值越大。摆盘倾角和容积的变化之间是正比关系，65°对于四叶片活塞转子而言是摆盘倾角的最大取值。实际上，滚子轴线夹角最好取90°，摆盘倾角要在留出足够叶片活塞厚度的前提下尽量取较大的值。

3 结束语

总而言之，本文介绍的双转子发动机功率传输装置是一种基于摆盘和凸轮组合机构的装置。这种装置结构非常简单，而且平衡性好；凸轮曲线是变化多样的，它能在不同的转子运动规律下运行。在此装置的驱动之下，转子的容积变化规律是，主轴每转动一周，容积可以变化4次，大幅提高了理论功率和密度。

[1] 刘云岗.车用发动机的市场趋势及技术发展动向[J].国外内燃机，2015，（1）：6-13.

矿山特种钻机的产品设计要准确传达信息内容，首先要理解用户的实际需求，并以此为基础建立沟通平台。其主要内容是用户对产品使用体验，比如操作系统是否适当。如果从用户角度来看，传达信息内容的语义通信主要从以下方面实现：一是产品的内涵信息应该能够被人类的感官感觉到。因为，人们看到东西的第一反应往往是从其外部形状考虑其功能或操作方式。二是信息内容的沟通应该提供方向意义，给用户带来操作上的便利。

3.2 情感诉求的传达

设计师在进行矿山特种钻机产品的情感诉求传达模型构建时，需要注意以下三个方面。首先是情感诉求的明确性，也就是矿山特种钻机的外观形状、颜色要能够有效传达它的功能，用户可以凭借其快速识别产品本身，并了解其基本功能和注意的操作事项。其次是情感诉求的适应性。同类产品或者不同产品的相似功能一般都有相似的视觉呈现方式，设计师要对之前的类似产品的操控方式以及视觉呈现进行详细研究，深入了解用户的实际需求，并将其通过直接的视觉传达展示出来。最后是情感诉求的操作性，一个成功的矿山特种钻机设计，必须要满足使用者通过自己的观察掌握基本的操作流程。同时还要满足用户的尝试操作不会引起产品的损害和对用户的伤害。

3.3 审美情趣的传达

“少即是多”是设计界一直遵循的基本理念。这一理念不仅是崇尚简约的西方设计者崇尚的理念，也充满了传统文化的审美情趣。例如在配色方面可以摒弃传统工程机械那种清一色的暗淡色调，不断进行新式配色方案开发；在造型上不同部位的配置不仅要能传达产品特征，还要能带给客户舒适感。

4 结束语

文章从新的视角对产品语义学在矿山特种钻机设计领域的运用进行了研究，从造型、色彩以及材质等方面分析了矿山特种钻机设计的基本方法以及所传达的语言意义。当然，这种结论还较多停留在理论层面，未来还需要具体的设计实践进行验证和改进。

参考文献

[1] 叶霞娟，朱昱宁，冯迪.产品语义学在电动托盘叉车造型设计中的应用[J].轻工机械，2014，（4）：114-118.

[2] 王雪洁，程建新，晏群，等.现代机械产品设计中的“直觉语义学”探析[J].重庆科技学院学报（社会科学版），2015，（11）：116-119.

[3] 于健昕，戴端.工程机械产品设计中的“形”与“义”[J].设计，2013，（11）：17-18.

Kinematic Characteristics Analysis of a New dual Rotor Engine Power Transmission Device

Suo Ruo-qi，Guo Jing

in the long process of social development，due to the further deepening of the energy crisis，many other problems have also come，such as air pollution，which requires the future development direction of the engine is light，high power，high density and high efficiency.Twin rotor engines have become a hot research topic because of the reasons mentioned above.the kinematics characteristics of the new dual rotor engine power transmission device are analyzed in this paper.

new dual rotor engine；power transmission device；kinematic characteristics

TK401

A

1003–6490（2016）09–0131–02

2016–09–16

索若淇（1988—），女，山西吕梁人，主要研究方向为动力机械。