新型雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)功率傳輸裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性分析

索若淇，郭 靖

（呂梁學(xué)院，山西呂梁 033000）

新型雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)功率傳輸裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性分析

索若淇，郭 靖

（呂梁學(xué)院，山西呂梁 033000）

在長期的社會(huì)發(fā)展過程中，由于進(jìn)一步加深的能源危機(jī)，很多其他的問題也相繼出現(xiàn)，例如空氣污染問題，這就要求未來發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展方向是輕型、高功率、高密度并且高效率的。雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)成為目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。針對(duì)新型雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)功率傳輸裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性進(jìn)行分析，以供參考。

新型雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)；功率傳輸裝置；運(yùn)動(dòng)學(xué)特性

目前，發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了100多年。這100多年里，人們不斷創(chuàng)造各種發(fā)動(dòng)機(jī)，比如說，往復(fù)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)和汪克爾三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)等等，在這其中比較成功的也應(yīng)該是應(yīng)用最廣泛的是傳統(tǒng)往復(fù)式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，雖然這種發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)比較成熟，但是也存在著問題。本文就針對(duì)新型雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)功率傳輸裝置中的關(guān)鍵部件的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性加以分析，來實(shí)現(xiàn)對(duì)新型雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化與完善。

1 新型雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)功率傳輸裝置的基本概述

功率傳輸機(jī)構(gòu)由動(dòng)力缸組件和與其相連的差速驅(qū)動(dòng)組件構(gòu)成，其中，動(dòng)力缸組件又包含了轉(zhuǎn)子1、轉(zhuǎn)子2和上面固定連接的滑軌。在新型雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)功率傳輸裝置中，轉(zhuǎn)子1和2同軸且呈交錯(cuò)狀安裝于缸體內(nèi)。擺盤徑向布它包含了4個(gè)滾子，這些滾子都與凸輪和滑滾相互配合運(yùn)動(dòng)，在Z字軸斜軸段上安設(shè)擺盤，擺盤繞Z字軸轉(zhuǎn)動(dòng)，與擺盤徑相互垂直的有4個(gè)方向，擺盤徑分別向外伸出了滾子軸，有四個(gè)8字形外擺線槽對(duì)稱布置在凸輪上，有兩個(gè)滾子在滾子軸上，凸輪面沿著8字形外擺線線槽滾動(dòng)，而滾子軸末端的滾子則是沿著滑軌直線滾動(dòng)。擺盤上的滾子則為驅(qū)動(dòng)組件的輸入端，Z字軸和凸輪軸則為輸出端。

2 關(guān)鍵部件的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性分析

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立

要建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，首先要知道各個(gè)部件的作用及其之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，建立坐標(biāo)聯(lián)系，求出變換矩陣。我們可以用下列矩陣來表示坐標(biāo)系的變換

此矩陣中，x代表的是慣性坐標(biāo)系中矢量，x’代表的是本體坐標(biāo)系中矢量。A代表的是旋轉(zhuǎn)矩陣，也被稱為變換矩陣，它可以完全描述兩個(gè)坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系，其包含著3個(gè)獨(dú)立的參數(shù)。

圖1 坐標(biāo)變換及參數(shù)示意圖

如圖1所表示，軌跡進(jìn)行3次坐標(biāo)之間變換，應(yīng)該準(zhǔn)確了解擺盤上的點(diǎn)在固定坐標(biāo)系x、y、z上的坐標(biāo)，第一，在擺盤本體坐標(biāo)系x3y3z3位置上的擺盤的點(diǎn)，其坐標(biāo)為已知條件，把這三個(gè)點(diǎn)轉(zhuǎn)換到擺盤轉(zhuǎn)動(dòng)平面坐標(biāo)系x2y2z2的位置，對(duì)二者來說，慣性坐標(biāo)系是擺盤轉(zhuǎn)動(dòng)平面坐標(biāo)系x2y2z2的位置，而本體坐標(biāo)系是擺盤的本體坐標(biāo)系x3y3z3。坐擺盤本體的坐標(biāo)系x3y3z3繞x3軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，從而得到坐標(biāo)系x2y2z2則是兩者之間額關(guān)系。這次的轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)節(jié)是在y3z3的平面上，所以可以把其變換矩陣表示為

同樣的，將平面坐標(biāo)系x2y2z2的位置轉(zhuǎn)換到輸出軸坐標(biāo)系x1y1z1的變換矩陣可以表示為

同理，擺盤上的點(diǎn)在坐標(biāo)系x1y1z1中的位置轉(zhuǎn)換到坐標(biāo)系xyz的變換矩陣可以表示為

推理而來，從坐標(biāo)系x3y3z3到坐標(biāo)系xyz的總體變換矩陣可以表示為

從公式x=Ax’中可以得出它們相反的變換，所以，由坐標(biāo)系x2y2z2向坐標(biāo)系x1y1z1的轉(zhuǎn)換，可以用下面公式表示

變換矩陣是一種正交矩陣，它的逆矩陣也就是它的轉(zhuǎn)置矩陣。

2.2 對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算

根據(jù)上面坐標(biāo)變換的方法，現(xiàn)對(duì)擺盤上點(diǎn)的軌跡進(jìn)行計(jì)算，如圖2所示。

我們可以假設(shè)擺盤上有一點(diǎn)a，點(diǎn)a在本體坐標(biāo)系x3y3z3上方向向量可以用ra/3表示，點(diǎn)a在固定坐標(biāo)系xyz上方向向量可用ra/0來表示，根據(jù)上面的公式，則擺盤上點(diǎn)軌跡可用下列公式來表示

也可以簡化方式，在擺盤坐標(biāo)系x3y3z3上取一點(diǎn)a，點(diǎn)a的方向向量用ra/3=[00r]T來表示，擺盤各點(diǎn)軌跡有個(gè)特點(diǎn)，它們形狀相同，但是相位不同，因此，向量能夠展現(xiàn)出它軌跡的特性，所以把ra/3代入到上面公式ra/0=Ara/3中能夠推出點(diǎn)的軌跡矩陣

圖2 八字?jǐn)[線軌跡向量圖

從上述坐標(biāo)的變換過程看來，將坐標(biāo)系xyz通過原點(diǎn)圍繞x軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，能夠得到坐標(biāo)系x4y4z4。也就是說坐標(biāo)系x4y4z4圍繞x軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)之后得到坐標(biāo)系xyz。這次轉(zhuǎn)動(dòng)是在平面y4z4發(fā)生的，所以變換矩陣可以表示為

如果把坐標(biāo)系xyz中的位置轉(zhuǎn)換到坐標(biāo)系x4y4z4上，從變換矩陣性質(zhì)可推出

從公式ra/0=Ara/3和上面的公式（9），把擺盤上點(diǎn)a的軌跡轉(zhuǎn)換到坐標(biāo)系x4y4z4上，就能得出凸輪球殼上8字外擺線的計(jì)算方程為

這個(gè)軌跡就是8字外擺線中心輪廓線方程。同理可得，上面提到的公式（8）可以簡化方向向量ra/3=[00r]T，得出

通過研究分析得出，滾子軸線夾角越靠近90°，氣缸容積變化幅值越大。擺盤傾角和容積的變化之間是正比關(guān)系，65°對(duì)于四葉片活塞轉(zhuǎn)子而言是擺盤傾角的最大取值。實(shí)際上，滾子軸線夾角最好取90°，擺盤傾角要在留出足夠葉片活塞厚度的前提下盡量取較大的值。

3 結(jié)束語

總而言之，本文介紹的雙轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)功率傳輸裝置是一種基于擺盤和凸輪組合機(jī)構(gòu)的裝置。這種裝置結(jié)構(gòu)非常簡單，而且平衡性好；凸輪曲線是變化多樣的，它能在不同的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)規(guī)律下運(yùn)行。在此裝置的驅(qū)動(dòng)之下，轉(zhuǎn)子的容積變化規(guī)律是，主軸每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，容積可以變化4次，大幅提高了理論功率和密度。

[1] 劉云崗.車用發(fā)動(dòng)機(jī)的市場趨勢及技術(shù)發(fā)展動(dòng)向[J].國外內(nèi)燃機(jī)，2015，（1）：6-13.

礦山特種鉆機(jī)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)要準(zhǔn)確傳達(dá)信息內(nèi)容，首先要理解用戶的實(shí)際需求，并以此為基礎(chǔ)建立溝通平臺(tái)。其主要內(nèi)容是用戶對(duì)產(chǎn)品使用體驗(yàn)，比如操作系統(tǒng)是否適當(dāng)。如果從用戶角度來看，傳達(dá)信息內(nèi)容的語義通信主要從以下方面實(shí)現(xiàn)：一是產(chǎn)品的內(nèi)涵信息應(yīng)該能夠被人類的感官感覺到。因?yàn)?，人們看到東西的第一反應(yīng)往往是從其外部形狀考慮其功能或操作方式。二是信息內(nèi)容的溝通應(yīng)該提供方向意義，給用戶帶來操作上的便利。

3.2 情感訴求的傳達(dá)

設(shè)計(jì)師在進(jìn)行礦山特種鉆機(jī)產(chǎn)品的情感訴求傳達(dá)模型構(gòu)建時(shí)，需要注意以下三個(gè)方面。首先是情感訴求的明確性，也就是礦山特種鉆機(jī)的外觀形狀、顏色要能夠有效傳達(dá)它的功能，用戶可以憑借其快速識(shí)別產(chǎn)品本身，并了解其基本功能和注意的操作事項(xiàng)。其次是情感訴求的適應(yīng)性。同類產(chǎn)品或者不同產(chǎn)品的相似功能一般都有相似的視覺呈現(xiàn)方式，設(shè)計(jì)師要對(duì)之前的類似產(chǎn)品的操控方式以及視覺呈現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)研究，深入了解用戶的實(shí)際需求，并將其通過直接的視覺傳達(dá)展示出來。最后是情感訴求的操作性，一個(gè)成功的礦山特種鉆機(jī)設(shè)計(jì)，必須要滿足使用者通過自己的觀察掌握基本的操作流程。同時(shí)還要滿足用戶的嘗試操作不會(huì)引起產(chǎn)品的損害和對(duì)用戶的傷害。

3.3 審美情趣的傳達(dá)

“少即是多”是設(shè)計(jì)界一直遵循的基本理念。這一理念不僅是崇尚簡約的西方設(shè)計(jì)者崇尚的理念，也充滿了傳統(tǒng)文化的審美情趣。例如在配色方面可以摒棄傳統(tǒng)工程機(jī)械那種清一色的暗淡色調(diào)，不斷進(jìn)行新式配色方案開發(fā)；在造型上不同部位的配置不僅要能傳達(dá)產(chǎn)品特征，還要能帶給客戶舒適感。

4 結(jié)束語

文章從新的視角對(duì)產(chǎn)品語義學(xué)在礦山特種鉆機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的運(yùn)用進(jìn)行了研究，從造型、色彩以及材質(zhì)等方面分析了礦山特種鉆機(jī)設(shè)計(jì)的基本方法以及所傳達(dá)的語言意義。當(dāng)然，這種結(jié)論還較多停留在理論層面，未來還需要具體的設(shè)計(jì)實(shí)踐進(jìn)行驗(yàn)證和改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 葉霞娟，朱昱寧，馮迪.產(chǎn)品語義學(xué)在電動(dòng)托盤叉車造型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].輕工機(jī)械，2014，（4）：114-118.

[2] 王雪潔，程建新，晏群，等.現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的“直覺語義學(xué)”探析[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2015，（11）：116-119.

[3] 于健昕，戴端.工程機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的“形”與“義”[J].設(shè)計(jì)，2013，（11）：17-18.

Kinematic Characteristics Analysis of a New dual Rotor Engine Power Transmission Device

Suo Ruo-qi，Guo Jing

in the long process of social development，due to the further deepening of the energy crisis，many other problems have also come，such as air pollution，which requires the future development direction of the engine is light，high power，high density and high efficiency.Twin rotor engines have become a hot research topic because of the reasons mentioned above.the kinematics characteristics of the new dual rotor engine power transmission device are analyzed in this paper.

new dual rotor engine；power transmission device；kinematic characteristics

TK401

A

1003–6490（2016）09–0131–02

2016–09–16

索若淇（1988—），女，山西呂梁人，主要研究方向?yàn)閯?dòng)力機(jī)械。