新型齿轮齿条式发动机的设计制造与研究

作品名称：新型齿轮齿条式发动机的设计制造与研究大类：科技发明制作A类小类：机械与控制简介：一种新型齿轮齿条式发动机，其动力传输结构采用部分齿齿轮与双侧齿条啮合，实现缸体活塞直线运动和输出轴回转运动的转换，齿条限位机构避免齿条换向时轮齿间的相向冲击，并保证啮合位置的准确性，直线导轨结构保证齿条往复运动过程中不偏离移动导路，润滑缓冲装置利用齿条脱离啮合后的动能，挤压油箱润滑油向齿轮齿条啮合处和直线导轨等处喷油润滑，在完成润滑同时，润滑缓冲装置还对齿轮装置脱离啮合后的运动起一定缓冲作用。详细介绍：1项目背景及研究现状1.1项目背景发动机是一种将其它形式能量转换成机械能的动力机械。人类最早在18世纪开始应用蒸汽机（外燃机）作为动力机械，后来出现了发动机，特别是在1876年德国人奥托（Otto）发明四冲程往复式曲轴连杆汽油机之后，在当时由于其较高的效率和较好的稳定性而得到大幅推广。时至今日主流发动机仍然采用往复曲轴连杆结构。其主要工作原理是利用曲轴连杆机构，将燃料燃烧做功推动活塞的往复运动转换成曲轴连续的回转运动。其结构简单，承受载荷较高，这些特点使曲轴连杆式发动机具有顽强的生命力，经受住了百余年的竞择筛选。但随着科技的不断发展，人们已经发现曲轴连杆式发动机也存在一些不可避免的缺点：（1）曲轴连杆动力传输机构在运动过程中存在死点区，死点区传动效率较低，会影响整个过程平均效率，另外曲轴连杆机构接触副均为面接触，摩擦损失较多也会引起机械效率的损失[1]。而如今能源危机日益严重，发动机的效率性能尤为重要。（2）曲轴连杆机构运动时，活塞组件会对缸体内壁产生侧向的压力，发动机在实际使用过程中，经常出现因侧向压力过大导致活塞组件与缸体摩擦较大，机械效率降低，活塞、活塞环丧失密封性以及拉缸等情况[2-4]。人们曾尝试过多种结构替代曲轴连杆式发动机，其中最著名、最成功的为上个世纪德国人汪克尔（Wankel）提出的转子发动机，其高输出、结构紧凑、噪音低的特点，让很多业内人士认为其可能会代替传统活塞式发动机，但最终由于其存在磨损严重、高油耗的缺点，转子发动机退出了历史舞台。国内外一些学者曾提出在发动机中应用齿轮齿条机构实现直线运动和旋转运动的转换（详见1.2节）。一方面，齿轮齿条机构本身传动效率较高，且结构简单、紧凑，制造容易；另一方面，其传动方式有效避免了曲轴连杆机构对缸体内壁产生侧向的压力。基于上述两点，齿轮齿条式发动机的实现将会对传统的曲轴连杆式发动机地位形成挑战。1.2研究现状目前齿轮齿条式发动机还没有成熟的产品，但国内外专家学者对齿轮齿条式发动机做了许多设想、设计与研究，近年来，齿轮齿条传动形式不断丰富和发展，其应用于发动机功率传输机构的技术瓶颈也逐步有了一些解决措施。1920年，由美国A.L.POWELL.POWER[5]公司设计的INTERNALCOMBUSTIONENGINE（内燃机）是可以查到的较早的部分采用齿轮齿条为传动方式的发动机，如图1-1。图1-1内燃机1997年，韩国起亚集团（KiaMotorsCorporation）[6]一位研究人员提出了ENGINEWITHRACKGEAR-TYPEPISTONROD（齿条活塞杆式发动机），它是一种以齿轮齿条为传动方式，通过超越离合器实现传动的发动机，但是其结构相对复杂，而且依赖于多缸协同工作，如图1-2。图1-2齿条活塞杆式发动机2000年，RichardD.Rucker[7]在其论文中提出了一种依靠齿轮传动实现的内摆线两冲程发动机，其发动机连杆始终保持直线运动，在动平衡方面较传统曲轴连杆发动机有较大提高，但其设计对加工精度要求高，难以实现。图1-3内摆线两冲程发动机2008年，扬州大学的崔云峰等人[8-9]，也进行了非常相近的齿轮齿条式发动机的研究，基于超越离合器提出了几种构型，如图1-4，这种构型从根本上解决了齿轮齿条机构的换向冲击的问题，但其结构是基于多缸协同工作，体积过大。图1-4立式四扇形齿轮齿条发动机2010年，法国公司EtudesConstructionsMetalliquesEtMecqniques(E.C.M.M.)提出一种基于单向轴承的齿轮齿条传动机构[10]，依靠一个齿条和两个有单向轴承的全齿轮完成传动，但这种传动机构只能适用于两冲程发动机，而且齿条运动的不确定性可能影响燃烧。（1）结构方案复杂，设计大多过于理想化，难以实现制造加工，工程可行性低。（2）齿轮齿条式动力传输机构运行过程中存在冲击现象，大多数发明设计对此考虑较少，少数设计为改善冲击问题引入了复杂的结构方案。2研究目标与方法2.1研究目标本项目旨在设计、研制出一种结构简单，工程可行性高的新型齿轮齿条式发动机，应用齿轮齿条动力传输机构实现活塞往复直线运动到输出轴旋转运动的转换，以提高传统曲轴连杆式发动机的机械效率，改善其缸壁侧压力问题。同时避免已有齿轮齿条式发动机发明设计存在的结构复杂，冲击严重等问题。2.2研究方法（1）研究方法与手段项目采用文献检索、理论分析与计算、数值模拟、实证研究、探索性研究等方法和手段开展齿轮齿条式发动机研制。（2）技术路线图2-1技术路线3齿轮齿条式发动机主要结构设计3.1主要结构方案设计结构方案的设计主要包括齿轮齿条动力传输机构结构方案设计、润滑缓冲装置结构方案设计和整机总体结构方案设计。3.1.1齿轮齿条动力传输机构结构方案齿轮齿条动力传输机构结构方案如图3-1所示，在发动机原有缸体上设计，齿条装置通过销轴与缸体内的活塞连接，齿条装置由两侧齿条组合而成，齿轮采用部分齿的结构，齿轮的有齿部分可分别与两侧齿条啮合，齿轮齿条均采用人字齿，一方面人字齿的斜齿承载能力高、传动平稳，冲击振动小，另一方面人字齿轮轴向力对称抵消，可防止齿条装置的轴向移动。当气缸内膨胀做功，活塞推动齿条装置下行，左侧齿条与齿轮有齿部分啮合，齿轮转动带动输出轴转动，齿条与齿轮啮合结束时，齿轮由于飞轮（见图3-2）惯性继续转动，齿轮有齿部分与右侧齿条啮合，带动齿条装置上行，实现排气过程，齿条与齿轮啮合结束，齿轮有齿部分再与左侧齿条啮合，带动齿条装置下行，实现进气过程，随后再与右侧齿条啮合实现压缩过程，从而完成一次四冲程的循环，实现活塞直线运动到输出轴回转运动的转换。图3-1齿轮齿条动力传输机构3.1.2齿条限位装置结构方案齿轮齿条每次脱离啮合，齿条由于惯性会继续运动，当齿轮与另一侧齿条再次啮合，齿轮和齿条会发生相向冲击，同时啮合位置易发生窜动，为此设计齿条限位装置如图3-2所示，齿条装置两侧设置限位盘，限位盘通过键连接安装于输出轴，限位盘同时起到飞轮的作用，限位盘上开设限位滑道，齿条装置设有上下限位轴。当齿条装置上行或下行与齿轮脱离啮合时，限位盘上的滑道通过限制进入滑道内的限位轴来控制齿条装置运动，使其逐渐停止，避免再次啮合时齿轮齿条的相向冲击，同时保证了每次啮合位置的准确性。图3-2齿条限位装置3.1.3润滑缓冲装置结构方案发动机在运行时，齿轮齿条啮合处、直线导轨等多处均需要进行润滑，本方案设置如图3-3所示的润滑缓冲装置，在完成润滑作用的同时，还可对齿轮装置脱离啮合后的运动实现一定缓冲作用，以辅助齿条限位装置。润滑缓冲装置的结构如图3-3所示，润滑缓冲装置主要由活塞组件、油箱、圆柱筒体、出油口、油管组成，其中活塞组件的活塞杆和齿条装置下侧销连接，当齿条向下运动推动活塞时，随着活塞继续下降，活塞挤压筒体内润滑油从底部出油口进入油管，最终喷射到齿轮齿条啮合和直线导轨处，实现润滑功能，润滑结束后，润滑油可流淌至油箱，此时活塞离开圆柱筒，润滑油自然流入圆柱筒内实现循环。该套装置对齿条装置实现一定缓冲作用，兼顾了润滑和缓冲功能，提高了能量利用率。图3-3缓冲润滑装置结构3.1.4整机总体主要结构方案图3-4为齿轮齿条式发动机总体主要结构，总体结构主要由配气机构，缸体部分，齿轮齿条动力传输装置，直线导轨，润滑装置组成，直线导轨对齿条装置的下上运动起导向作用，齿条装置下行压缩润滑装置中的润滑油，通过油管向上喷油实现齿轮齿条动力传输机构的润滑。3-4齿轮齿条式发动机总体主要结构3.2主要结构参数设计在GY6-150发动机缸体的基础上进行设计，GY6-150发动机缸体行程57.8，缸径57.4，排量150，压缩比9.2。设定齿轮齿条式发动机输出功率1.0，输出转速初定300。3.2.1齿轮齿条参数设计及校核4齿轮齿条动力传输机构动力学分析4.1齿轮齿条动力传输机构冲击仿真分析齿轮齿条动力传输机构运行时，齿轮齿条的啮合过程以及齿条限位装置的工作过程中都存在冲击现象，应用ABAQUS软件对其运动进行模拟仿真分析，验证其结构的可靠性。（1）缸内最大爆破压瞬间冲击仿真分析应用ABQUES对齿轮齿条啮合过程进行运动仿真，可知啮合过程中，在缸内最大爆破压瞬间齿轮齿条的轮齿承受较大冲击，图4-3给出缸内最大爆破压瞬间齿轮齿条的应力分布云图，此时轮齿承受最大应力，轮齿在最大应力点位置如图所示。图4-3缸内最大爆破压瞬间齿轮齿条应力分布云图齿轮齿条啮合过程中，轮齿的冲击均是循环往复作用的，失效形式将为疲劳破坏，因此需要对危险工况其进行疲劳强度的验证。在缸内最大爆破压瞬间、工况下，轮齿承受着脉动循环应力，对轮齿进行零件脉动循环应力下疲劳强度的验证[22]。可见轮齿受到最大爆破压瞬间循环冲击的作用，其结构满足疲劳强度要求。（2）齿条换向时瞬间冲击仿真分析应用ABQUES对齿轮齿条啮合过程进行运动仿真，可知啮合过程中，在齿条换向瞬间齿轮齿条的轮齿承受较大冲击，图4-4给出齿条换向瞬间齿轮齿条的应力分布云图，此时轮齿承受最大应力，轮齿在最大应力点位置如图4-4所示。图4-4齿条换向瞬间齿轮齿条应力分布云图同样的，在齿条换向瞬间，轮齿曾受着脉动循环应力，对轮齿进行零件脉动循环应力下疲劳强度的验证。可见轮齿受到齿条换向瞬间循环冲击的作用，其结构满足疲劳强度要求。（3）齿条限位装置运动过程冲击仿真分析对齿条限位装置的工作过程仿真，可得限位装置工作过程最大应力点如图4-5所示，最大应力分布在限位轴上，。同样的，限位装置运动的过程中，限位轴受到的冲击均是循环往复作用的，失效形式将为疲劳破坏，因此需要对危险工况其进行疲劳强度的验证。限位轴、限位滑道均曾受着脉动循环应力，对限位轴进行零件脉动循环应力下疲劳强度的验证。式中：为材料对称循环应力下材料疲劳极限，取517；为零件寿命系数，取1.57；为有效应力集中系数，取1.0；为绝对尺寸系数，取0.83；为表面应力状态系数，取0.85；为平均应力折合应力幅等效系数，取0.3；为零件许用疲劳安全系数，取1.5[22]。可见限位轴在限位装置运动过程受到循环冲击作用，其结构满足疲劳强度要求。5齿轮齿条与曲轴连杆动力传输机构性能对比式中：——机械摩擦损失功率，占的65%~75%，占的10%~15%，包括活塞、活塞环与气缸间的摩擦损失功率和连杆、曲柄与轴承间的摩擦损失功率。曲轴连杆机构和齿轮齿条机构的机械传动效率分别为：两机构输入的指示功率=，可见机械传动效率低的机构，其较大，而在整个发动机机械损失功率的很大比例，最终将导致在整个发动机机械效率较小。因此对曲轴连杆机构和齿轮齿条机构的机械传动效率进行对比分析。5.1.1曲轴连杆动力传输机构传动效率曲轴连杆动力传输机构简图如图5-1所示。根据文献[23]，在一行程中曲轴连杆机构机械传动效率如公式5-6所示。式（5-6）、（5-7）中：为曲轴连杆机构输入功率；为机构活塞与缸体移动副①处的摩擦损失功率；为机构连杆与活塞转动副②处的摩擦损失功率；为机构曲轴与连杆转动副③处的摩处的摩擦损失功率；为曲轴输出回转副④处的摩擦损失功率；为连杆长度；为曲轴长度；转动副②摩擦圆半径；转动副③摩擦圆半径；回转副④摩擦圆半径；为连杆与水平面夹角。GY6-150发动机曲轴连杆机构相关参数：,,,，根据结果应用Matlab绘制得到曲轴连杆动力传输机构传动效率曲线（图5-2），计算得出平均传动效率：。5.1.2齿轮齿条动力传输机构传动效率分析齿轮齿条动力传输机构简图如图5-3所示，下面分别推导①~④处运动副摩擦损失功，计算机构传动效率。5-3齿轮齿条动力传输机构简图在一行程中，齿轮转动180°，根据运动仿真分析可知：齿条齿轮啮合过程齿轮共转过160°，图5-3（a）为齿轮齿条啮合起点，图5-3（b）为齿轮齿条啮合终点，齿轮齿条啮合过程前后，齿轮均靠惯性转动10°，在齿条齿轮啮合过程中，啮合起点和啮合终点区域均为非正常啮合过程，各持续5°的过程。（a）起点（b）终点图5-3齿轮齿条啮合起点及终点（1）齿轮齿条动力传输机构活塞与缸体移动副①处的摩擦损失功：式中：为齿轮分度圆半径；为啮合点曲率半径，随啮合点变化；为平均啮合点曲率半径；为基圆半径；为螺旋角；为活塞移动副摩擦系数。（2）齿轮齿条啮合移动副②处摩擦损失功：式中：为齿轮齿条移动副摩擦角；为齿轮切向速度，为齿轮齿条啮合移动副摩擦系数；为齿轮角速度。（3）导轨移动副③处的摩擦损失功：式中：为导轨移动副的摩擦系数。（4）齿轮轴回转副④处的摩擦损失功：式中：为齿轮回转副摩擦系数；为齿轮回转副半径。（5）机构输入功：综上整理推导得到齿轮齿条机械传动效率如公式（5-13）所示。图5-4齿轮齿条动力传输机构传动效率曲线齿轮齿条动力传输机构机械传动效率比曲轴连杆动力传输机构机械传动效率高：。5.2两机构缸壁侧压力对比分析5.2.1曲轴连杆机构缸壁侧压力发动机中的曲轴连杆动力传输机构运动时，活塞组件会对缸体侧壁产生侧向的压力，发动机在实际使用过程中，经常出现因侧向压力过大导致活塞组件与缸体摩擦较大，机械效率降低，活塞组件和缸体磨损及拉缸等情况。因此有必要分析齿轮齿条机构和曲轴连杆机构对缸壁侧的压力，对比二者性能。如图5-1，活塞组件所受的合外力[25-26]：当缸内膨胀做功行程，混合燃料爆炸瞬间达到最大爆破压时，活塞受到的压力最大，合力达到最大，侧压力取到最大。当GY6-150曲轴连杆式发动机与GY6-150缸体基础上的齿轮齿条式发动机同样的转速（300r/min）和输出功率（1）时，经计算，缸内最大爆破压约为1，则：（5-16）则最终得到最大侧压力：5.2.2齿轮齿条机构缸壁侧压力齿轮齿条机构缸壁侧压力和曲轴连杆机构缸壁侧压力相比降低：6样机制作与实验6.1样机制作杆机构在改造过程中，主要工作有：（1） 购买GY6-150发动机进行拆装实验，对这种型号的发动机的各部分机构进行了解与学习，为设计齿轮齿条发动机做准备。图6-3GY6-150整体发动机图6-4GY6-150曲轴箱（2） 对GY6-150发动机缸体进行精确测测绘，并以此作为齿轮齿条参数设计的依据。图6-5齿轮零件图图6-6齿条装置零件图（3） 将曲轴全部拆除，精确测绘曲轴链轮尺寸，设计新输出轴。图6-7输出轴零件图（4） 根据齿条结构，合理设计油箱中缓冲润滑装置。图6-8缓冲润滑零件图（5） 根据齿轮齿条机构尺寸与缓冲润滑装置尺寸，考虑到各个位置的尺寸安装问题，合理的设计箱体结构及尺寸。图6-9齿轮齿条箱体部件图（6） 设计限位装置。图6-10限位盘零件图图6-11齿轮齿条发动机轴系部件图图6-12齿轮齿条发动机装配图（9）根据齿轮齿条发动机的零件图与装配图对齿轮齿条发动机的关键零部件进行加工。图6-13齿轮齿条发动机飞轮加工图6-14齿轮齿条发动机轴零件加工图6-15齿轮齿条机构安装图（10）根据齿轮齿条发动机的设计方案，将设计加工出的零件根据零件图进行装配，最终完成样机的制作。图6-16齿轮齿条发动机样机6.2样机测试实验6.2.1样机输出功率测试实验（1）输出扭矩测试根据齿轮齿条发动机与曲轴摇杆发动机样机的运动规律，选择合适量程的扭矩传感器，传感器的参数表如下所示传感器与传感器放大器如下所示。图6-17扭矩传感器图6-18扭矩传感器放大器扭矩传感器检测安装流程图、扭矩程序调试图如下所示。图6-19扭矩传感器检测安装流程图图6-20扭矩程序调试图齿轮齿条发动机与曲轴连杆发动机扭矩试验布置方案如图6-21所示。图6-21扭矩传感器布置方案图6-22齿轮齿条发动机扭矩显示图6-23曲轴连杆发动机扭矩显示表6-2齿轮齿条式发动机输出扭矩表次数 转矩（N·m） 平均转矩（N·m）齿轮齿条式发动机输出扭矩平均值23.64N·m，曲轴连杆式发动机输出扭矩平均值为21.28N·m，齿轮齿条发动机的平均扭矩比曲轴连杆高11.1%。（2）输出转速测试针对齿轮齿条发动机的转速规律，选择霍尔元件作为转速检测的传感器，分别对两种结构的发动机进行检测。霍尔元件的图片如下所示。图6-27霍尔元件设计传感器的安装与检测流程，检测流程与发动机转速检测图如下所示。图6-28转速传感器检测流程图图6-29齿轮齿条发动机转速显示器图6-30曲轴连杆发动机转速显示器表6-4齿轮齿条式发动机输出转速表次数 转速（r/min） 平均转速(r/min)根据上述两表可得，齿轮齿条发动机的转速平均值224.8，曲轴连杆发动机的平均转速为208，齿轮齿条转速比曲轴连杆转速高8.1%。（3）输出功率计算齿轮齿条发动机样机的输出功率：曲轴连杆发动机样机的输出功率：因此，可知在输入端各条件均相同的情况下，齿轮齿条发动机样机比曲轴连杆式发动机样机的输出功率高，即齿轮齿条发动机样机的机械效率高于曲轴连杆式发动机样机。6.2.2样机缸壁磨损量实验样机的缸壁磨损量选择坐标齿轮综合测量仪，实验方案布置图如下所示。图6-31测量仪器整体图图6-32齿轮齿条式缸壁磨损量图6-33曲柄连杆式缸壁磨损量沿缸体轴线方向上测试位置分布如表6-6和图6-34所示。表6-6沿缸体轴线方向上测试位置分布位置 第一层 第二层 第三层轴坐标 -5mm -25mm -35mm图6-34沿缸体轴线方向上测试位置分布示意图使用前后两机构缸径如表6-7所示，使用前后两机构缸径圆度如表6-8所示。表6-7使用前后两机构缸径（mm）第一层直径 第二层直径 第三层直径使用前57.4030 57.4018 57.4035磨损后（齿轮齿条式） 57.4139 57.4137 57.4150磨损后（曲轴连杆式） 57.4180 57.4196 57.4159表6-8使用前后两机构缸径圆度（mm）第一层圆度 第二层圆度第三层圆度使用前 0.0146 0.0129 0.0134磨损后（齿轮齿条式） 0.0221 0.0189 0.0192磨损后（曲柄连杆式） 0.0341 0.0486 0.0425表6-9给出齿轮齿条和曲轴连杆使用后缸径变化和缸径圆度变化的对比情况。表6-9两机构使用后缸径磨损量和缸径圆度变化的对比位置 1 2 3齿轮齿条式 缸径磨损值0.0109 0.0119 0.0115圆度变化 0.0075 0.0060 0.0058曲柄连杆式 缸径磨损值0.0150 0.0178 0.0124圆度变化 0.0195 0.0357 0.0291由表6-9可看出，经过300小时的运转试验后，齿轮齿条缸径的磨损量和圆度变化在各位置处均小于曲柄连杆机构，说明齿轮齿条缸径侧压力小于曲轴连杆缸径侧压力，与理论分析结论相符。7项目推广7.1项目特点（1）科学性齿轮齿条式发动机动力传输结构简单、工程可行性高；润滑装置兼顾一定缓冲作用，提高了能量利用率；应用有限元动力学分析软件对缸内最大爆破压瞬间、齿条换向瞬间和限位装置工作过程三种危险工况进行冲击仿真分析，验证了结构的安全可靠；通过理论对比分析验证了相同条件下齿轮齿条机构与曲轴连杆机构的机械传动效率和缸壁侧压力的优越性。制作样机、进行试验证明方案可行性；通过相同条件下齿轮齿条式发动机样机和曲轴连杆式发动机样机输出转速、扭矩、缸壁磨损量的测试实验验证齿轮齿条式发动机的优越性。（2）创新性①新型齿轮齿条式发动机相比曲轴连杆式发动机，动力传输机构机械效率提高，缸体侧壁压力显著减小；②新型齿轮齿条式发动机结构简单，工程可行性高，限