一種微側(cè)壓力活塞柴油機(jī)運(yùn)動件的新構(gòu)思、設(shè)計與分析

張更云，萬 康

(裝甲兵工程學(xué)院 機(jī)械工程系， 北京 100072)

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【裝備理論與裝備技術(shù)】

一種微側(cè)壓力活塞柴油機(jī)運(yùn)動件的新構(gòu)思、設(shè)計與分析

張更云，萬 康

(裝甲兵工程學(xué)院 機(jī)械工程系， 北京 100072)

為了進(jìn)一步提高目前高機(jī)動性運(yùn)載車輛柴油機(jī)保險期、功重比，減少活塞組摩擦阻力，平衡活塞往復(fù)慣性力，作者構(gòu)思了一種大功率微側(cè)壓力往復(fù)活塞式X型柴油機(jī)，文章闡述了該柴油機(jī)運(yùn)動件的基本工作原理，開展了800 kW功率級柴油機(jī)關(guān)鍵零部件的三維模型設(shè)計與運(yùn)動學(xué)仿真及分析。所構(gòu)思的該型柴油機(jī)與目前裝備的柴油機(jī)相比，可具有保險期長、功重比高、活塞組摩擦阻力小、能完全平衡運(yùn)動件往復(fù)慣性力等特點。

X型柴油機(jī)；運(yùn)動分析；微側(cè)壓力

目前，世界各國絕大多數(shù)的高機(jī)動性運(yùn)載車輛都將柴油機(jī)作為動力來源[1]。傳統(tǒng)柴油機(jī)具有熱效率高、適用范圍廣、結(jié)構(gòu)緊湊、操作維護(hù)簡便等優(yōu)點，但仍有較大改進(jìn)提升的空間。其一，活塞、活塞環(huán)與氣缸壁的磨損與碰撞，直接影響柴油機(jī)的使用壽命，多數(shù)坦克柴油機(jī)保險期只有500小時；其二，活塞運(yùn)動為復(fù)諧運(yùn)動，二階往復(fù)慣性力使得平衡難度增加，部分坦克柴油機(jī)沒有二階慣性力的平衡措施，使柴油機(jī)振動幅度大；其三，功重比和單位體積功率較低。

為了進(jìn)一步提高目前高機(jī)動性運(yùn)載車輛柴油機(jī)的綜合性能，人們曾先后設(shè)計了Nutating圓盤式發(fā)動機(jī)[2-3]、無連桿發(fā)動機(jī)[4-5]和NEVIS發(fā)動機(jī)[6]等。但由于密封性難長久保證、不能實現(xiàn)較大的功率等原因，這些發(fā)動機(jī)沒有得到大規(guī)模使用。本文根據(jù)無連桿發(fā)動機(jī)原理，構(gòu)思了一種微側(cè)壓力往復(fù)活塞式X型柴油機(jī)。

1 X型柴油機(jī)原理介紹

設(shè)在平面xOy內(nèi)，有長度為2r的桿AB，其端點A、B分別沿y、x軸滑動，如圖1。

桿AB的中點為點C，根據(jù)幾何關(guān)系可確定桿在任意位置時C點的坐標(biāo)為：

xC=AC·sinα=r·sinα

yC=BC·cosα=r·cosα

可知C點與原點O的距離恒定，為：

因此，C點的軌跡是以O(shè)點為圓心、r為半徑的圓。

建立桿OC，并將其與桿AB鉸連于C點，如圖2。點A或點B即完成一次往復(fù)運(yùn)動，桿OC每旋轉(zhuǎn)一周。其最大位移均為4r，且點A與點B的運(yùn)動軌跡A′A″、B′B″互相垂直。這與傳統(tǒng)往復(fù)式活塞發(fā)動機(jī)相似，可將往復(fù)直線運(yùn)動轉(zhuǎn)化為圓周運(yùn)動。根據(jù)這一性質(zhì)，構(gòu)思了氣缸軸線夾角為90°的X型柴油機(jī)。

圖1 桿AB及中心運(yùn)動示意圖

圖2 夾角為90°X型柴油機(jī)原理圖

分別繪制兩個圓，一個以點C為圓心、r為半徑；另一個以O(shè)為圓心，2r為半徑，兩圓具有內(nèi)部相切的公共點。此時可將小圓C視為在大圓O上做不滑動的滾動，且桿AB的轉(zhuǎn)動方向與桿OC的轉(zhuǎn)動方向相反。當(dāng)桿AB為非直桿時，在小圓上任取一點D，D不與A或B重合，連接非直桿ACD，夾角∠ACD為γ，其各部分長度為CD=AC=r，如圖3，則點D的運(yùn)動軌跡為線段D′D″。若A、D運(yùn)動軌跡的夾角∠AOD為δ，根據(jù)圖中幾何關(guān)系，可確定γ= 2δ。

圖3 夾角不為90°的X型柴油機(jī)原理

在這種情況下，小圓滾動時，其圓上任意一點的運(yùn)動軌跡，都在通過該點和固定圓圓心O的直徑上。據(jù)此可知，該X型柴油機(jī)相鄰氣缸軸線的夾角δ可以是除了0°和180°的任意角度，而不僅僅局限于對稱性良好的90°。通過選擇不同的δ角，可以使該類柴油機(jī)盡可能地滿足不同的空間限制條件。

選擇δ為90°的X型柴油機(jī)的基本原理研究，得到工作示意圖(如圖4)，其空間結(jié)構(gòu)簡圖(如圖5)。每個曲拐單元上都連接有對置的一對活塞。相鄰兩對活塞及相應(yīng)零部件構(gòu)成一個運(yùn)動單元。通常情況下，X型柴油機(jī)的氣缸數(shù)為4的倍數(shù)。

圖4 X型柴油機(jī)工作示意圖

2 主要運(yùn)動件的設(shè)計

為滿足某型高機(jī)動性運(yùn)載車輛的動力要求，參考現(xiàn)有的某型柴油機(jī)，設(shè)計一款X型柴油機(jī)，額定功率800 kW，額定轉(zhuǎn)速2 000 r/min，8缸4沖程，缸徑150 mm，行程180 mm。需要時可將兩臺這樣的柴油機(jī)“并聯(lián)”，安裝于同一裝甲車輛。平時僅一臺柴油機(jī)工作，800 kW即可滿足動力要求；對動力要求高時，則兩臺柴油機(jī)工作。采用這樣的雙主機(jī)動力系統(tǒng)，可明顯提高裝甲車輛動力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

根據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和要求[7-9]，確定了該柴油機(jī)主要運(yùn)動部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括活塞、連桿、曲軸、齒輪和飛輪等，并建立三維模型，如圖6所示。

圖5 X型柴油機(jī)空間結(jié)構(gòu)簡圖

1.活塞；2.主齒輪；3.偏心飛輪；4.連桿；5.同步傳動齒輪

活塞。由于該柴油機(jī)取消了連桿在空間中的擺動，所以可直接把活塞固定在連桿上，活塞裙部包括上面的銷座孔等都被取消了?；钊敳亢皖^部的結(jié)構(gòu)、尺寸參數(shù)等參考某型柴油機(jī)，頂部采用ω型燃燒室，頭部設(shè)計氣環(huán)兩道，油環(huán)一道?；钊c連桿的固定用螺栓，同時為了不影響燃燒室形狀，故在靠近邊緣處開螺栓孔。

連桿。由于與活塞的連接不再采用銷連接，故連桿小頭就被取消了，使用與活塞直徑相同的圓盤結(jié)構(gòu)，與活塞用螺栓緊固。連桿的主要運(yùn)動為沿軸線往復(fù)運(yùn)動，主要受力為相同方向上的拉壓力，所以采用空心圓桿代替原“工”字形桿身。連桿桿身的長度，是在考慮自身剛度、強(qiáng)度以及運(yùn)動過程中是否發(fā)生干涉等因素后，選擇了盡可能小的尺寸。

連桿大頭與傳統(tǒng)連桿相似，不同之處是要在兩側(cè)加滑塊?；瑝K對活塞、連桿的往復(fù)運(yùn)動起導(dǎo)向作用，并承受運(yùn)動過程中的側(cè)壓力。連桿在往復(fù)直線運(yùn)動過程中，因受側(cè)向力的作用，仍會發(fā)生微小擺動。所以一個連桿軸頸上的兩根連桿并非完全對稱，其中一側(cè)的連桿大頭和桿身通過銷連接。為確保平衡，設(shè)計時要保證連桿質(zhì)心歸中。

曲軸。每個運(yùn)動單元的兩個曲拐單元所成夾角γ，由前文原理中結(jié)論，γ= 2δ=180°。這說明，所有曲拐單元均在一個平面方向上。與大多數(shù)傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)相比，這種結(jié)構(gòu)特點會使曲軸的加工制造相對簡單。此處的曲軸除了繞主軸頸軸線“自轉(zhuǎn)”外，還繞齒輪軸線(即輸出軸軸線)“公轉(zhuǎn)”。其運(yùn)動特點決定了曲軸的主軸頸和連桿軸頸軸線間的距離與齒輪偏心圓孔的偏心距離相同，為活塞行程的四分之一。

齒輪。齒輪對應(yīng)前面簡圖中的桿OC，安裝時會通過軸承固定于機(jī)體上。之所以選用“輪”而不是直接使用桿結(jié)構(gòu)，是因為桿的強(qiáng)度較低難以滿足要求；而“齒”的選擇，是為了傳遞動力以減少曲軸所承受的扭轉(zhuǎn)載荷，使動力的輸出更加穩(wěn)定。其傳遞動力結(jié)構(gòu)的簡圖如圖7，四個連桿驅(qū)動曲軸4旋轉(zhuǎn)，曲軸的旋轉(zhuǎn)包含自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，其公轉(zhuǎn)驅(qū)動5、7、8齒輪旋轉(zhuǎn)，7、8齒輪的動力分別通過同步傳動軸3、10傳遞到齒輪5，最后通過偏心飛輪與動力輸出軸輸出動力。

1、2、9、11.傳動齒輪; 3、10.同步傳動軸; 4.曲軸5、7、8.主齒輪; 11.偏心飛輪與動力輸出軸

綜合考慮齒輪的安裝固定、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和與曲軸的連接等因素，采用組合式齒輪，即“齒”和“輪”分離，用螺栓緊固。為了與曲軸組合安裝，“輪”上有一偏心圓孔，偏心距離為活塞行程的四分之一。因曲軸需從中間齒輪中穿過，將中間“輪”部分分為兩部分，對稱軸穿過偏心孔圓心。

飛輪。飛輪是平衡柴油機(jī)運(yùn)行過程中慣性力的主要部件，需要其他部件之后進(jìn)行設(shè)計。根據(jù)軟件計算結(jié)果，綜合考慮飛輪的尺寸限制等因素，飛輪上加裝密度較大的鎢鐵塊偏心，用螺栓固定，平衡慣性力。

3 運(yùn)動學(xué)及側(cè)壓力分析

X型柴油機(jī)運(yùn)動件與往復(fù)活塞式發(fā)動機(jī)曲柄連桿相對應(yīng)的機(jī)構(gòu)，可稱為“齒輪曲軸機(jī)構(gòu)”。通過對齒輪曲軸機(jī)構(gòu)運(yùn)動規(guī)律的分析，研究柴油機(jī)中主要零部件的受力情況，作為各個零件強(qiáng)度、剛度和磨損等分析時的依據(jù)。

3.1 運(yùn)動學(xué)分析

齒輪曲軸機(jī)構(gòu)的作用與曲柄連桿機(jī)構(gòu)相似，把活塞的往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為齒輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，把活塞上的力轉(zhuǎn)化為齒輪上的轉(zhuǎn)矩。設(shè)齒輪的角速度為ω，根據(jù)幾何關(guān)系(圖4)，活塞質(zhì)心的位移為x：

x=2r(1-cosα)

(1)

其中：α為輸出軸轉(zhuǎn)角，上死點時為0°CA；r為曲軸曲柄半徑。

通過對(1)式求導(dǎo)得到活塞質(zhì)心速度v：

v=2rωsinα

(2)

a=2rω2cosα

(3)

在轉(zhuǎn)速、活塞行程相同的條件下，對該齒輪曲軸機(jī)構(gòu)與曲柄連桿機(jī)構(gòu)中活塞的運(yùn)動進(jìn)行模擬，將活塞的位移、速度和加速度的規(guī)律進(jìn)行比較，如圖8所示。

圖8 傳統(tǒng)型與X型柴油機(jī)活塞運(yùn)動曲線

從表達(dá)式和圖中曲線可以看出，X型柴油機(jī)活塞作簡諧運(yùn)動；活塞速度的最大值略有減小，相同輸出轉(zhuǎn)速時，下降3.5%，最大值出現(xiàn)位置相對均勻；加速度的最大值減少約21.9%，在上下止點時大小相同；活塞只有一階而沒有二階往復(fù)慣性力，平衡手段得到簡化。

發(fā)生上述變化的原因是：傳統(tǒng)柴油機(jī)中活塞的運(yùn)動是曲柄銷與連桿運(yùn)動的疊加，曲柄臂作圓周運(yùn)動，連桿相對曲柄銷作平面擺動，兩者長度不同，運(yùn)動規(guī)律疊加為復(fù)諧運(yùn)動；如果連桿比λ=1，即連桿的長度L與曲柄半徑r相同，則其活塞位移為：x=r(1-cosα)+L(1-cosβ)=2r(1-cosα)，即活塞也為簡諧運(yùn)動，但傳統(tǒng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)存在零部件的干涉，連桿比λ在1/3.5至1/4.5之間[7]。在X型柴油機(jī)中，相當(dāng)于λ=1，運(yùn)動規(guī)律疊加為簡諧運(yùn)動。在速度曲線中，X型柴油機(jī)的活塞在上、下止點的中點達(dá)到最大值；二階諧量的存在使傳統(tǒng)柴油機(jī)活塞的速度在略靠近上止點的位置達(dá)到最大，且略大于前者。在加速度圖像中更加明顯，X型柴油機(jī)的活塞加速度在上、下止點達(dá)到最大，大小相等，方向相反；二階諧量使傳統(tǒng)柴油機(jī)活塞的加速度在上止點時達(dá)到最大值，且大于X型柴油機(jī)的活塞加速度的最大值。

3.2 活塞側(cè)向力分析

該機(jī)構(gòu)的受力情況與曲柄連桿機(jī)構(gòu)類似。但活塞側(cè)壓力幾乎完全由連桿大頭側(cè)面承受。

盡管連桿與活塞做直線往復(fù)運(yùn)動，但實際運(yùn)行中仍可能發(fā)生微小偏移。假設(shè)活塞頂部偏移量i為0.1 mm，已知連桿銷孔中心到活塞頂部距離為256 mm，則連桿偏移角度α為

設(shè)活塞受到的沿氣缸軸線方向的合力最大值為F，則活塞所受側(cè)壓力FN最大值為

FN=F·tanα=0.000 4F

相比傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)，活塞的側(cè)壓力明顯降低，幾乎可以忽略。但整個運(yùn)動機(jī)構(gòu)的側(cè)壓力仍然存在，其主要承受部位變?yōu)檫B桿上的滑塊，因為微側(cè)壓力是作用于活塞的。

側(cè)壓力的轉(zhuǎn)移，將使活塞與缸套之間只承擔(dān)密封與導(dǎo)向功能，幾乎不承擔(dān)側(cè)壓力，工作條件發(fā)生很大改善，不會出現(xiàn)“拉缸”等故障；燃燒室密封性將加強(qiáng)，摩擦面的潤滑要求大為降低。

4 X型柴油機(jī)的優(yōu)勢分析

4.1 高機(jī)動性運(yùn)載車輛柴油機(jī)預(yù)期壽命增加

導(dǎo)致現(xiàn)有高機(jī)動性運(yùn)載車輛柴油機(jī)保險期短的主要原因是惡劣的路況加劇活塞、活塞環(huán)與氣缸壁的摩擦磨損，最終使缸內(nèi)壓縮終了的壓力與溫度不能保證柴油可燃混合氣在使用條件下可靠著火，必須及時大修。而X型柴油機(jī)中主要運(yùn)動部件運(yùn)動規(guī)律的改善，加之連桿結(jié)構(gòu)將活塞所受側(cè)壓力轉(zhuǎn)移到連桿大頭附近，使得活塞與氣缸壁接觸幾乎不產(chǎn)生壓力，活塞組摩擦阻力幾乎消除，摩擦由易于潤滑的連桿承擔(dān)，機(jī)械負(fù)荷大幅減??；同時活塞、活塞環(huán)與氣缸壁在壓縮行程上死點不發(fā)生碰撞，所受壓力相對均勻；活塞在上死點的最大加速度減少達(dá)21.9%，導(dǎo)致壓縮終了缸壓下降的缸套磨損最大量預(yù)計也將相應(yīng)減少。所以，活塞與活塞環(huán)的預(yù)期壽命將增加，使保險期能夠超過現(xiàn)有指標(biāo)。

4.2 功重比、單位體積功率提高

相比傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)，X型柴油機(jī)擁有更大的功重比、單位體積功率。相對于原型機(jī)，設(shè)計的X型柴油機(jī)功重比提高約40%。在一個氣缸間隔內(nèi)可以布置4個氣缸，共用了部分空間。同時，X型柴油機(jī)相鄰兩氣缸軸線夾角δ可以根據(jù)使用條件合理改變，如圖9所示。理論上只要不發(fā)生零部件干涉，這個夾角δ可以是除了0°和180°的任意角度，實際上δ不宜過大或過小。另外，考慮到活塞與連桿相對靜止，如果在每個活塞的底部也增加一個燃燒室，在體積變化不大的情況下8缸變?yōu)?6缸，將會使柴油機(jī)的功重比、單位體積功率進(jìn)一步提高。

圖9 δ ≠ 90°時的X型柴油機(jī)布局

4.3 運(yùn)動件的運(yùn)動規(guī)律改善使振動減少

傳統(tǒng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)中，連桿作偏擺運(yùn)動，活塞的往復(fù)直線運(yùn)動為復(fù)諧運(yùn)動；而在X型柴油機(jī)中，連桿和活塞都是作沿氣缸軸線的往復(fù)直線運(yùn)動，且為簡諧運(yùn)動，沒有二階慣性力，平衡措施大大簡化，通過平衡塊與飛輪的設(shè)計，可以使所有運(yùn)動件的質(zhì)心在柴油機(jī)工作過程中始終與輸出軸中心重合。這樣的改變，必然使柴油機(jī)振動大為減少，同時避免了活塞與氣缸壁的頻繁碰撞，也會減少柴油機(jī)的振動，避免活塞與氣缸壁碰撞中的磨損。

5 結(jié)論

相比于現(xiàn)有的傳統(tǒng)往復(fù)式活塞柴油機(jī)，研究認(rèn)為X型柴油機(jī)作為高機(jī)動性運(yùn)載車輛發(fā)動機(jī)具有以下明顯優(yōu)勢：柴油機(jī)保險期長、壽命增加；柴油機(jī)功重比提高明顯；振動明顯減少。當(dāng)然，該型柴油機(jī)也有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、部分零件加工相對困難等不足，目前研究尚不夠深入。作為一種高機(jī)動性運(yùn)載車輛發(fā)動機(jī)有著較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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(責(zé)任編輯 周江川)

Design and Analysis of the Moving Parts on the Engine with Micro Side Pressure Piston

ZHANG Geng-yun, WAN Kang

(Department of Mechanic Engineering, the Academy of Armored Force Engineering Institute, Beijing 100072, China)

For further improving the insurance period and the power-weight ratio, reducing the frictional resistance of the piston group and balancing the reciprocating inertia force of the piston of the diesel engine on the transport vehicle with high mobility at present, a concept of the high power X-type reciprocating piston engine with micro-side pressure is presented. In this paper, the basic operation principle of the moving parts on this type diesel engine is stated, and the design of the three dimensional model and the kinematical simulation and analysis of the key parts on this type diesel engine is put forward. By investigation, it is considered that this type diesel engine, as compared with the diesel engine equipped at present, possesses the features of long insurance period, high power-weight ratio, nearly free frictional resistance of the piston group and its reciprocating inertia force of the moving parts can be balanced wholly.

X-type diesel engine; kinematic analysis; micro side pressure

2017-02-20；

2017-03-20

張更云(1966—)，男，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事車輛動力系統(tǒng)研究。

萬康(1992—)，男，碩士碩士生，主要從事車輛動力系統(tǒng)研究；E-mail:taki0912@163.com。

10.11809/scbgxb2017.06.004

format:ZHANG Geng-yun, WAN Kang.Design and Analysis of the Moving Parts on the Engine with Micro Side Pressure Piston[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(6):19-23.

TJ811

A

2096-2304(2017)06-0019-05

本文引用格式：張更云，萬康.一種微側(cè)壓力活塞柴油機(jī)運(yùn)動件的新構(gòu)思、設(shè)計與分析[J].兵器裝備工程學(xué)報，2017(6):19-23.