一种三角转子发动机组合式气缸型线设计方法

技术领域

本发明设计了一种三角转子发动机组合式气缸型线设计方法，属于转子发动机技术领域。

背景技术

传统三角转子发动机在转子三个顶角安装有径向密封片，径向密封片底部设置有处于预紧状态的弹簧，径向密封片在安装槽中有一定突起高度。当转子处于燃烧上止点附近时，径向密封片顶部在高压气体的作用下，径向密封片会发生上下窜动。径向密封片的上下窜动会影响转子发动机密封性能。转子发动机在进气阶段时，径向密封片顶部受气体作用力较小，在弹簧力的作用下，径向密封片顶部与气缸型面之间存在一定的接触应力，加快径向密封片顶部与气缸型面间的磨损，增加发动机摩擦功率损失。

传统三角转子发动机的气缸理论型线为双弧长短幅外旋轮线，气缸型线在设计过程中将创成半径设置为定值，即未考虑径向密封片在安装槽中的移动。在转子发动机实际工作中，位于转子三个顶角上的径向密封片会上下窜动，径向密封片到转子内齿圆圆心的距离会发生改变。

传统三角转子发动机在转子上安装有燃烧室凹坑，导致实际压缩比小于理论压缩比，在一定范围内提高压缩比可以提高转子发动机的燃烧性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种三角转子发动机组合式气缸型线的设计方法，能控制转子发动机气缸型线形状，改善径向密封片的受力情况，同时在一定程度上提高转子发动机压缩比，改善转子发动机的密封性能和工作性能。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种三角转子发动机组合式气缸型线设计方法，该组合式气缸型线包括组合式气缸理论型线与组合式气缸实际型线。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种三角转子发动机组合式气缸型线设计方法，该设计方法包括：

步骤1，确定转子发动机的偏心距e、创成半径R、弹簧预压缩量f，径向密封片在安装槽中的突起高度c、径向密封片顶部圆弧的半径a、径向密封片顶部圆弧对应的角度

所述的确定径向密封片顶部圆弧边缘在安装槽中的突起高度η的方程如下：

步骤2，以偏心轴外齿圆圆心为原点建立笛卡尔坐标系，利用创成半径R、修改后的创成半径(R-η)、(R+f)在笛卡尔坐标系中建立三个气缸理想型线—双弧长短幅外旋轮线，分别记为型线1、型线1a、型线1b。

建立的型线1方程如下：

建立的型线1a方程如下：

建立的型线1b方程如下：

步骤3，在型线1上选取对应偏心轴转角θ为π/2的点确定为控制点A、在型线1上选取对应偏心轴转角θ为5π/2的点确定为控制点B、在型线1上选取对应偏心轴转角θ为5π的点确定为控制点C；

步骤4，在控制点A，逆时针方向作与型线1a相切的内弧线

步骤5，选取型线1a的上止点段即DF段、型线1b的下止点段GE段、型线1的BC段，与上面所述的弧线

将组合式气缸理论型线向外偏移δ距离，可得气缸实际型线2c，2c为本发明提供的组合式气缸实际型线。

较于现有的气缸型线，本发明提供的组合式气缸型线具有如下增益效果：

本发明提供的组合式气缸型线可以减小转子发动机压缩和燃烧阶段燃烧气体压力对径向密封片的影响，改善径向密封片颤振情况，提高径向密封片与气体型面间的密封性；

本发明提供的组合式气缸型线可以减小转子发动机进气阶段径向密封片底部所受的弹簧弹力，改善径向密封片与气缸型面间的磨损情况；

本发明提供的组合式气缸型线可以提高转子发动机进气容积，减小燃烧上止点处的气室容积，提高发动机压缩比。

附图说明

图1是传统三角转子发动机气缸型线生成示意图；

图1中：初始气缸理论型线1、初始气缸实际型线2、固定小节圆3、偏心轴外齿轮节圆4、转子内齿轮节圆5、节圆4的圆心O、节圆5的圆心O

图2是三角转子发动机气缸与转子示意图；

图2中：初始气缸实际型线2、气缸6、转子7、偏心轴8、径向密封片9、径向密封片弹簧10、排气口11、进气口12，本文所述的偏心轴与转子均逆时针旋转；

图3是转子与气缸的尺寸说明；

图3中：初始气缸理论型线1、初始气缸实际型线2、固定小节圆3、偏心轴外齿轮节圆4、转子内齿轮节圆5、气缸6、转子7、偏心轴8、径向密封片9、径向密封片弹簧10、创成半径R、偏心距e、转子的顶点P、节圆4的圆心O、节圆5的圆心O

图4是径向密封片的尺寸说明；

图4中：初始气缸实际型线2、转子7、径向密封片9、径向密封片弹簧10、R为创成半径、c为径向密封片在安装槽中的突起高度、径向密封片顶部圆弧的半径a、径向密封片顶部圆弧对应的角度

图5.在CATIA V5中建立的理论气缸型线；

图5中：初始气缸理论型线1、创成半径R、偏心距e、转子顶点P、节圆4的圆心O、节圆5的圆心O

图6为在CATIA V5中建立的三个气缸型线；

图6中：初始气缸理论型线1、气缸理论型线1a、气缸理论型线1b。

图7为气缸型线的控制点的位置；

图7中：初始气缸理论型线1，固定小节圆3，偏心轴外齿轮节圆4，转子内齿轮节圆5，转子型线7a，创成半径R，偏心距e，点A、点B、点C为控制点，点A、B、C均位于气缸理论型线1上。

图8为控制点A处的连接弧；

图8中：初始气缸理论型线1、气缸理论型线1a、气缸理论型线1b、点A为控制点、E为在型线1a上的切点、D为型线1b上的切点、创成半径R、偏心距e。

图9为控制点B处的连接弧；

图9中：初始气缸理论型线1、气缸理论型线1a、气缸理论型线1b、点B为控制点、F为在型线1a上的切点、创成半径R、偏心距e。

图10为控制点C处的连接弧；

图10中：初始气缸理论型线1、气缸理论型线1a、气缸理论型线1b、点C为控制点、G为在型线1b上的切点、创成半径R，偏心距e。

图11为本发明的组合式理论气缸型线；

图11中：初始气缸理论型线1，气缸理论型线1a，气缸理论型线1b，本发明的组合式气缸理论型线1c，点A、点B、点C为控制点，E为在型线1a上的切点，D为型线1b上的切点，F为在型线1a上的切点，G为在型线1b上的切点，创成半径R，偏心距e。

图12为本发明的组合式气缸理论型线与初始气缸理论型线的比较；

图12中：初始气缸理论型线1，本发明的组合式气缸理论型线1c，点A、点B、点C为控制点，创成半径R，偏心距e。

图13为本发明的组合式气缸实际型线；

图13中：本发明的组合式气缸理论型线1c、本发明的组合式气缸实际型线2c、δ为偏移距。

图14为根据组合式气缸实际型线设计的转子发动机气缸；

图中：本发明的组合式气缸实际型线2c、由组合式气缸实际型线生成的气缸型面11、转子发动机气缸6c。

图15为上止点时原始气缸实际型线与本发明的组合式气缸实际型线的比较；

图15中：初始气缸实际型线2、本发明的组合式气缸实际型线2c、固定小节圆3、偏心轴外齿轮节圆4、转子内齿轮节圆5、转子7、A和B为控制点、创成半径R、偏心距e、节圆4的圆心O、节圆5的圆心O

图16为下止点时原始气缸实际型线与本发明的组合式气缸实际型线的比较；

图16中：初始气缸实际型线2、本发明的组合式气缸实际型线2c、固定小节圆3、偏心轴外齿轮节圆4、转子内齿轮节圆5、转子7、C为控制点、创成半径R、偏心距e、节圆4的圆心O、节圆5的圆心O

图17为初始气缸实际型线在压缩与燃烧阶段径向密封片的位置情况；

图17中：初始气缸实际型线2、本发明的组合式气缸实际型线2c、偏心轴外齿轮节圆4、转子内齿轮节圆5、转子7、径向密封片9、径向密封片弹簧10、创成半径R、控制点A、径向密封片在安装槽中的突起高度c、弹簧压缩量f。

图18为本发明的组合式气缸实际型线在压缩与燃烧阶段径向密封片的位置情况；

图18中：初始气缸实际型线2、本发明的组合式气缸实际型线2c、偏心轴外齿轮节圆4、转子内齿轮节圆5、转子7、径向密封片9、径向密封片弹簧10、创成半径R、控制点A、径向密封片在安装槽中的突起高度c

图19为初始气缸实际型线在进气阶段径向密封片的位置情况；

图19中：初始气缸实际型线2、本发明的组合式气缸实际型线2c、偏心轴外齿轮节圆4、转子内齿轮节圆5、转子7、径向密封片9、径向密封片弹簧10、偏心距e、创成半径R、控制点C、弹簧压缩量f。

图20为本发明的组合式气缸实际型线在压缩与燃烧阶段径向密封片的位置情况；

图20中：初始气缸实际型线2、本发明的组合式气缸实际型线2c、偏心轴外齿轮节圆4、转子内齿轮节圆5、转子7、径向密封片9、径向密封片弹簧10、偏心距e、创成半径R、控制点A、弹簧压缩量f

具体实施方法

下面结合附图进一步说明本发明具体实施方式：

转子发动机的气缸理论型线在几何上称为双弧长短幅外旋轮线，附图1示出气缸型线的内切创成原理图。当圆心为O

附图2为转子发动机的示意图，本文中所示的转子均随偏心轴逆时针旋转，11为排气口，12为进气口，转子7的三个顶角均安装有径向密封片9，三个径向密封片9的底部均设置有径向密封片弹簧10。图3为转子发动机的尺寸实体图，α为转子转角，θ为偏心轴转角，其中α＝3θ，即节圆5的公转速度是其自转速度的三倍，即偏心轴与转子的速度之比是3:1，转子旋转一圈偏心轴旋转三圈，因此偏心轴取值范围为(0,6π)。

附图4为径向密封片的尺寸说明，径向密封片9安装在转子7顶角的安装槽中时，径向密封片底部的弹簧10会有一定的预压缩量f，f＝2～3mm，同时径向密封片在安装槽中会有一定的突起高度c，c＝1.5～3.5mm。径向密封片顶部圆弧的边缘在安装槽的突起高度η计算式为：

为了方便描述本发明的组合式气缸型线及其设计方法，选择CATIA V5软件进行操作说明。图5为在CATIA中绘制的初始气缸理论型线，选取某一型号的转子发动机的参数，偏心距e＝15mm，创成半径R＝102mm，坐标原点设置在圆心O处，利用创成曲线设计绘制初始气缸理论型线1。

选取弹簧的预压缩量f＝2mm，径向密封片顶部圆弧的边缘在安装槽的突起高度η＝1.5mm，在CATIA中绘制气缸理论型线1a和1b，见附图6所示，其中气缸理论型线1a和气缸理论型线1b的方程分别为：

结合附图7说明三个控制点A、B、C的选取。当转子运行到上止点时，偏心轴转过90°，即偏心轴转角θ＝π/2，此时节圆4的圆心O

结合附图8、附图9、附图10、附图11说明本发明的气缸理论型线的绘制过程。见附图8，在控制点A，沿逆时针方向作与型线1a相切的内弧线

附图12为本发明的组合式气缸理论型线1c与初始气缸理论型线的比较，组合式气缸理论型线1c在AB段比初始气缸型线1更靠向原点O，气缸理论型线1c在AC段比初始气缸型线1更远离原点。

结合附图13说明本发明的组合式气缸实际型线的生成方式，将本发明的组合式气缸理论型线1c向外偏移δ的距离，可得本发明的组合式气缸实际型线2c，本例中δ选取1.5mm。

结合附图14，将组合式气缸实际型线进行拉伸可得由该型线生成的气缸型面，带有该气缸型面的转子发动机气缸见图中6c所示。图14仅示气缸的基本结构，不包含进排气口、火花塞孔等其他结构。

结合附图15和附图16说明本发明的组合式气缸实际型线与初始气缸实际型线在上止点与下止点处的比较。见附图15所示，当转子运行到上止点处时，两个径向密封片正好处于控制点A和B处，此时本发明的气缸实际型线对应的燃烧室容积为V

结合附图17和附图18，可以分析在压缩与燃烧阶段径向密封片的运动情况。初始气缸实际型线对应的转子发动机在压缩与燃烧阶段时，径向密封片在安装槽中突出的高度为c，弹簧的压缩量为f；本发明的组合式气缸实际型线对应的转子发动机径向密封片在安装槽中突出的高度为c

结合附图19和附图20，可以分析在进气阶段径向密封片的运动情况。初始气缸实际型线对应的转子发动机在进气阶段时，径向密封片弹簧的压缩量为f；本发明的气缸实际型线对应的转子发动机径向密封片弹簧的压缩量为f

采用组合式气缸型线可以提高转子发动机的压缩比，改善径向密封片的受力状况，提高压缩与燃烧阶段径向密封片处的密封性能，降低进气阶段径向密封片处的磨损与摩擦损失。本发明的组合式气缸型线能提高转子发动机的经济性与安全性，有利于转子发动机高效运行。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形、变型、修改、替换，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。