高平顺性微小型球形动力源功率传输机构研究及其工作特性分析

With the "Industrial 4.0" and "Made in China 2025" continuous development, the intelligent era requires the small power sources with better performance. This project presents a Spherical Power Source which is simple, compact, high power density, mechanical energy and electrical energy dual output, and smooth operation. The Spherical Power Source integrates a spherical engine and a built-in generator. Its power transmission mechanism is a space spherical conjugate cam mechanism. This project starts from the analysis of the thermodynamic characteristics of the spherical engine, and designs and selects the best spherical cam profile based on the idea of "mechanism to adapt to combustion". Based on the Pseudo-rigid-body model, the power transmission mechanism will be designed. By analyzing the dynamic characteristics of the Rigid-flexible coupling model, the power transmission mechanism will be optimized and modified to correct the influence of the flexible deformation on the engine combustion process. The electro-mechanical coupling characteristics of the thermodynamic system and the power generation system of the Spherical Power Source will be analyzed. The mechanical parameters and electromagnetic parameters which affect the running performance of the power source will be analyzed. It provides theoretical support for the smooth operation of the Spherical Power Source and the proportional output of the mechanical energy and the electrical energy. The research results of this project will provide the theoretical basis of thermodynamic design, rigid-flexible coupling design and electro-mechanical coupling design for the high power density Spherical Power Source with high ride comfort and high integration.

随着“工业4.0”和“中国制造2025”持续推进，智能化时代对微小型动力源整体性能提出了越来越高的要求。本项目提出了一种结构简单、紧凑，功率密度高，机械能与电能双重输出，运转平稳的球形动力源。球形动力源集成了球形发动机和内置发电机，其功率传输机构为空间球面共轭凸轮机构。本项目从分析球形发动机热力学特性入手，基于“机构适应燃烧”思想设计并选出最佳球面凸轮型线；基于伪刚体模型对功率传输机构进行柔性化设计，通过分析刚柔耦合模型的动态特性，对功率传输机构进行优化改进，修正其因柔性变形而对发动机燃烧过程产生的影响；分析球形动力源的热动力系统与发电系统的机电耦合特性，分析影响动力源运转性能的机械参数和电磁参数，为球形动力源平顺地运转以及机械能与电能按比例双重输出提供理论支持。本项目研究成果将为高平顺性高集成度高功率密度球形动力源的研制提供热力学设计、刚柔耦合设计、机电耦合设计的理论依据，意义重大。

球形动力源是一款新型的高功率密度动力源，本项目拟对其功率传输机构进行柔性化设计，以实现动力源高平顺性运转的目的。.本项目首先进行了球形动力源总体性的工程化方案设计，同时提出了活塞固定转轴（转子）的柔性化设计可行性方案；然后完成了空间导向凸轮的分析，以及最佳凸轮型线的选择；进而建立球形发动机工作过程计算的数学模型，运用MATLAB/Simulink对其热力学过程进行计算；利用RecurDyn建立球形动力源功率转换部分的多体动力学模型，分别计算其纯刚体模型、刚柔耦合模型、以及对转子柔性化设计后的刚柔耦合模型等多类型模型的系统动力学特性，从而在理论上验证对转子进行柔性化设计，可以有效降低功率转换系统的冲击，零部件的受力和所受力矩都更加平顺了；最后试制了球形动力源原理样机及其测试台架，样机可以按本项目预期运动规律正常运转，进而测试了对转子件进行柔性化设计前、后系统的振动特性，在柔性化设计后系统振动特性得到明显改善，其中最大值与标准差的降幅十分显著，最大值最高降幅达到30.6%，标准差最大降幅达到26.1%，通过实测分析验证了球形动力源改进设计后，可以克服因空间导向凸轮、转子、滚子等零件的加工误差带来的较大冲击，从而实现高平顺的运转。. 理论计算及样机试验都充分证明了对转子件进行柔性化设计后，球形动力源完全可以有效降低冲击、从而实现高平顺地运转。本项目基本完成了预期的研究目标，为球形动力源下一步的工程化设计及应用奠定了一定的理论基础。