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热气机中传动机构的研究 |
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作者：西安电子科技大学 李团结 曹惟庆 褚金奎 |
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摘要：将齿轮连杆机构应用到热气机的动力传 动系统中，提出几种新的热气机传动机构，使热气机中活塞运动最大程度地接近理想 运动。
关键词：热气机；传动机构；齿轮连杆机构；同性异形机构
热气机又名斯特林机（Stirling Engines），是一种外燃闭式回热循环发动机，它具有高效 率、低噪声、低污染以及多能源适应性等 特点。由于世界石油资源日趋短缺，对环境保护的要求日益强烈，各国都十分重视对热气机 的开发研究。
热气机的研究已有150年的历史，但仍不能应用于大功率输出的场合。往 复部件的连续运动（而活塞的理想运动为不连续运动，见图1）、非等温的压缩和膨胀过程 、冷却器和加热器换热的有限性、排气损失、附加容积的增加以及气体流动损失等，都是 导致大多数热气机失败的主要原因。这里我们主要 讨论热气机中传动机构的设计问题。
理想的和简谐的运动规律
图1 斯特林循环
1 从热力学循环角度对传动机构的要求
热气机斯特林循环的特征是存在2个等温过程和2个等容过程，并且等容过程中工质的 吸热或放热是借助于回热器而实现的。
热气机的动力传动系统，就是保证热气机的活塞按近似斯特林循环的规律来运动的一套 机械传动机构。实际的活塞运动机构目前还达不到可以使活塞运动不连续、工作可靠和适应 各种负荷和转速要求。目前只能用接近于正弦运动规律的机构来代替。这样 正好符合施密特（Schmidt）循环理论，因为该理论规定往复件作简谐运动。同时，通过活 塞与传动机构将工质的能量转变为机械功，用以驱动负载。
目前V形机中的传动机构［1］为简单的曲柄连杆机构，虽然结构简单，但有较大的 活塞侧推 力，导致摩擦面上的磨损增大，引起工质泄漏。菲利浦公司的热气机中使用的菱形传动机构 比较紧凑，并消除了作用在活塞壁上的侧推力。然而，2个活塞的运动为简谐运动，无停 歇周期，因此，菱形传动机构不能满足有限停歇要求，P-V图的面积比理想的大大减少 ， 即热气机的热效率降低。将具有停歇特性的连杆机构应用于热气机的传动机构［2］ ，其活塞 运动接近于理想的运动规律，结果P-V图的面积增加，热效率提高，但主要缺点是杆 数 较多。笔者将齿轮连杆机构应用于热气机的动力传动系统中，给出了一些新的热气机传动机 构：①改进的曲柄滑块机构；②活塞侧推力比较小或无活塞侧推 力的新机构；③带停歇运动的新机构。
2 平动齿轮传动机构
平动齿轮机构是指在一对互相啮合的齿轮传动机构中，一个齿轮作平动，而另一个齿轮 作定轴转动。齿轮的平行移动一般是通过平行四边形来实现的，如三环减速器中的平动齿轮 。除此之外，还有其它类型。图2a所示机构为一正弦机构。正弦机构的滑块运动为平动， 如将该滑块与齿轮固接，则可得到图2b所示的同性异形机构。图2c是由正弦机构提供 平动的机构作为热气机的传动机构。图3为其曲柄转角－位移图（这里的位移为无量纲 位移，即活塞的真实位移与其冲程之比，下同）。可以看出，该机构比较紧凑,且活塞的运动为简谐运动。
图2 正弦机构作为辅助平动机构
图3 平动机构的运动规律
3 卡当机构及其同性异形机构
图4a中，O1AB为曲柄与连杆等长的正置曲柄滑块机构，当曲柄O1A转至铅直位置附近 ，即B点在O1点附近时，压力角很大，影响机构的正常工作。这可用与该曲柄滑块机构 运动特性等价的瞬心线机构(即卡当机构)及齿轮机构来代替。图4a中，行星架1（原 曲柄O1A）、行星齿轮2′ 和固定中心内齿轮O′组成行星齿轮机构（行星轮系）。当行星架1绕轴O1转动时，行 星轮2′节圆π2上B点沿O1B作直线运动。以该机构作为热气机的传动机构，可以 完全消除活塞侧推力，且结构简单 。该机构中，因行星轮2′较大，中心内齿轮O′更大，在某些机器中安装该机构有具体困难 ，可求 得该机构的同性异形机构，以解决此问题。图4b中，将原来的一对内啮合齿轮改为 两 对外啮合齿轮，取行星轮2′与中心轮O′的齿数比z2∶z0=1∶2,则该机构为图4a卡当机构的同性异形机 构,两机构中行星轮2′的运动相同，轮2′上B点的运动也相同，当然要保持AB=O1A的条 件。对应的曲柄转角－位移图见图5。
图4 卡当机构及其同性异形机构
图5 卡当机构的运动规律
4 近似带停歇运动的摆线齿轮连杆机构
上面所给出的热气机传动机构中，活塞的运动为简谐运动，无停歇周期，现在我们从能 获得有限停歇的角度出发来设计热气机的传动机构。
在摆线齿轮连杆机构中，行星轮在围绕固定的中心轮周转运动的过程中，它上面每一点 都画出属于摆线类的轨迹。利用这些摆线中有许多段近似于圆弧或直线的特点，与其它杆件 相组合后可以构成作往复运动，且具有单侧或双侧长期近似停歇的间歇运动机构。摆线齿轮 连 杆机构的型式有外啮合和内啮合2种［4］,由于内啮合更为紧凑，更为常用，这里只 讨论内啮合摆线齿轮连杆机构用作热气机传动机构的情况。
图6中，行星轮上A点的轨迹为内摆线。摆线方程，即A点的坐标(x,y)为
式中,k=R/r;φ0和θ0分别为曲柄R和行星轮m的初位角；φ为曲柄的转角。
图6 内摆线曲柄-滑块机构
从动件，活塞p1和活塞p2的位移方程s1和s2分别为
为使活塞p1能实现停歇，则应使一支摆线的中点落在X轴的正向上，且连杆长度l取为该支 摆线中点处的曲率半径，则
设,e=m/R,λ=R/l，则式(3)成为
当k=2和λ=0.2时，图7给出了当相对偏心距e变化时，机构中活塞p1的运动规律。可见当e =0时，该机构成为简单的曲柄滑块机构。活塞p1的运动规律见图8。可见 ，当e=0.4时，该机构中活塞的运动接近于热气机理想的运动规律，并且比较紧凑，这是 该机构的主要优点。
图7 活塞的运动规律
图8 活塞的运动规律
5 结论
将齿轮连杆机构应用于热气机的动力传动系统中，给出了一些新的热气机传动机构，这些机 构可以分为①改进的曲柄滑块机构；②活塞侧推力比较小或无活塞侧推力的新机构；③带 停歇运动的新机构。 目的是使活塞的运动尽量接近于理想的运动规律。
(end)
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(6/17/2004) |
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