轴向活塞发动机万向铰链摆盘式功率传输机构特性研究

Exploring novel arrangement of piston and configuration of power transmission mechanism are the effective ways to overcome the difficulties in improving the power density and power transmission efficiency of current piston engine, which also lays the technical foundation of heat engine applied on novel mobile platforms in the future. A new kind of of swashplate mechanism based on universal joint used in axial piston engine is proposed in this project to increase the efficiency and power density of heat engine. Several theory researches related to the key technologies of novel swashplate mechanism are carried out, including the mechanism configuration synthesize, linear driving motion, characteristics of mechanics and power transmission, and mechanism balance under heavy load in high frequency, et al..The linear motion of power transmission mechanism alleviates the lateral force between piston and cylinder and promotes the sealing of cylinder at the same time. Meanwhile hinging linker and swashplate using sliding universal joint is the key of transmitting motion reliably and improving power density effectively. The mathematical models of studying mechanics and dynamic behavior of mechanism under impulsive load in high frequency provide the theory references of structure optimization. This research also lays the theory foundation of designing novel axial piston engine, and provides a valuable reference to the manufacture of durable prototype.

探索新的活塞布局方式和创新功率传输机构设计，是克服现有活塞式发动机及其功率传输机构在功率密度和传动效率方面技术瓶颈的重要途径，也是满足未来各种新型移动装备对热动力系统需求的技术储备。本项目针对轴向活塞发动机，提出一种万向铰链摆盘式新型功率传输机构，以提高发动机能量转换效率和功率密度。围绕万向铰链摆盘机构若干关键技术开展理论研究，包括机构型综合及直线驱动原理、力学行为及功率传输特性、高频冲击载荷下的平衡特性等内容。.本项目提出的功率传输机构直线驱动原理，是减小活塞侧向力并改善气缸密封状态的重要举措；采用滑动式万向节铰接连杆系与摆盘轴结构，是实现可靠传动和提升功率密度的关键；构建的理论分析模型是揭示高频冲击载荷作用下机构传力特性、动力学行为的有效工具，为后续结构优化提供理论指导。研究工作将为新型轴向活塞发动机的设计提供理论依据，对研制实用、可靠的原理样机系统具有工程参考价值。

传统往复活塞式发动机采用曲柄连杆机构，其功率密度和能量转化效率已经接近极限，难以有效提升。为进一步提高发动机功率密度，提升其集成性及能量转化效率，满足未来高机动和高续航移动装备的动力需求，迫切需要提出一种全新的功率传输机构。这种背景下，项目提出了万向铰链摆盘式功率传输机构，实现了活塞的轴向直线驱动和气缸的周向对置式布置，有望实现功率密度的大幅提升。项目开展了功率传输机构驱动机理及关键技术攻关，深入分析了机构特性，主要研究内容如下：1、完成了万向铰链摆盘式功率传输机构构型综合设计及直线驱动机理研究，优化设计了机构构型，分析了机构直线驱动原理及特性；2、建立了机构力学建模，分析机构动力传输特性，设计了柔性杆系结构提升了机构适应性，构建了功率传输数学模型，分析了传动过程中的功率损耗；3、建立了爆炸力冲击作用下机构平衡特性数学模型，研究了高转速条件下机构的平衡特性，分析了构件加工误差对于机构平衡性影响；4、完成了物理样机研制及实验台搭建，进行了自启动、电机拖动和气动实验研究，采集了实验数据，通过与仿真数据对比，验证了模型的正确性。.研究表明：铰链摆盘式功率传输机构特殊的驱动机理，实现了活塞轴向直线驱动，提高活塞密封效果，降低了摩擦损耗；四对气缸周向分布、对置布置的构型设计，在极为紧凑的空间内布置了八个气缸，大幅提高了机构集成性，实现了较高的功率密度；机构构型对称设计，运动构件等速反向，有效提升了机构的平衡性和稳定性。基于实验数据校准仿真模型参数，通过仿真模型计算出机构平均效率约为76.2%，其中滑动副摩擦损耗占比最大。.项目聚焦于探究一种具备直线驱动能力的新型功率传输机构驱动机理及动力特性，为新型轴向活塞式热动力系统设计提供了理论依据和技术支撑，项目的理论及实验研究成果丰富了发动机机构构型设计理论，夯实原理样机研制的技术基础。