馮保東，黃艷松，劉飛亭，謝衛(wèi)紅

（1.海軍駐株洲某軍代表室；2.中航工業(yè)南方公司：湖南株洲 412002）

0 引言

德國工程師菲加士·汪克爾，在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，解決了一些關(guān)鍵技術(shù)問題，于1954年研制成功第1臺轉(zhuǎn)子發(fā)動機。其結(jié)構(gòu)新穎、緊湊輕巧，運轉(zhuǎn)寧靜順暢。經(jīng)過日本、美國、英國、法國、蘇聯(lián)、中國等許多國家50多年的研究發(fā)展,己經(jīng)發(fā)展到實用階段,成功地應(yīng)用在汽車、卡丁車、小型氣墊船和無人駕駛飛機上，并且在許多型號的小型飛機上進行飛行試驗，目前最熱門的應(yīng)用領(lǐng)域是無人飛機（UAV）。三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機的獨特性能可以與無人飛機的性能要求比較完美地貼合，由于小型三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機的故障率高、壽命短，出廠都注明不可用于有人飛行器[1]。

本文以某型三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機為例，采用PROE軟件建立3維模型，通過運動機構(gòu)仿真，研究了產(chǎn)生發(fā)動機運動誤差的原因，并應(yīng)用Imageware軟件分析了發(fā)動機轉(zhuǎn)子實際運動軌跡與缸體型線的偏差，結(jié)合發(fā)動機原理和特點探討了運動誤差對發(fā)動機工作的影響，確定了運動誤差的測量方法及控制措施。

1 工作原理和特點

三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機是米勒循環(huán)發(fā)動機，其運動特點是：三角轉(zhuǎn)子的中心繞輸出軸中心公轉(zhuǎn)的同時，三角轉(zhuǎn)子本身又繞其中心自轉(zhuǎn)。與傳統(tǒng)的活塞往復(fù)式發(fā)動機的直線運動迥然不同，轉(zhuǎn)子發(fā)動機取消了無用的直線運動和曲柄連桿機構(gòu)。在三角轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，以三角轉(zhuǎn)子中心為中心的內(nèi)齒圈與以輸出軸中心為中心的齒輪嚙合，齒輪固定在缸體上不轉(zhuǎn)動，內(nèi)齒圈與齒輪的齒數(shù)之比為3∶2。上述運動關(guān)系使得三角轉(zhuǎn)子頂點的運動軌跡（即汽缸壁的形狀）為旋輪線。三角轉(zhuǎn)子把汽缸分成3個獨立空間，3個空間各自先后完成進氣、壓縮、作功和排氣，三角轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)1周，發(fā)動機點火作功3次。由于以上運動關(guān)系，輸出軸的轉(zhuǎn)速是轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)速度的3倍。采用三角轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)運動來控制壓縮和排放，因而同樣功率的轉(zhuǎn)子發(fā)動機尺寸較小，質(zhì)量較輕，而且振動和噪聲較低[2]。

三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機與4沖程往復(fù)式動力機同樣有4個循環(huán)過程:吸氣（如圖1中1～4所示）→壓縮 （如圖1中5～7所示）→膨脹（如圖1中8～10所示）→排氣（如圖1中11、12所示）。

圖1 三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機4個循環(huán)過程

三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機的特點：（1）極低的排放污染，采用分層燃燒系統(tǒng)的三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機的燃油消耗率指標(biāo)己優(yōu)于活塞式汽油機，排放污染達到歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)；（2）極高的功質(zhì)比，氣缸體即機體，橫截面接圓形，無直線運動部分徑向突出,偏心軸位于發(fā)動機中心；（3）高扭矩，可獲得大加速性能，功率高，每轉(zhuǎn)1圈作功1次，作功頻度相當(dāng)于2沖程發(fā)動機。平均有效壓力大大超過2沖程發(fā)動機，甚至比4沖程活塞發(fā)動機高；（4）振動和噪音低，運動慣性力和力矩都可以平衡，只有比活塞式發(fā)動機低的扭矩波動。為數(shù)不多的活動配合數(shù)目，間隙比較小,沖擊很小。進排氣流連續(xù)性好，壓力波動?。唬?）可靠性高，運動零部件少，沒有氣門、搖臂、凸輪、時規(guī)鏈等易損零部件；（6）磨損少、振動小，零件壽命長；（7）生產(chǎn)費用比活塞式少，價格低廉，整機零部件少，零部形狀比較簡單，尺度較小，加工面少，原材料消耗少。

2 常見故障

從1954年研制成功第1臺三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機到現(xiàn)在,三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機在排除各種各樣的故障的經(jīng)歷中走向成熟。早期的三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機振動大，經(jīng)常失火，工作不平穩(wěn)，冒黑煙，燃油消耗量大，密封件及缸體很容易磨損，局部過熱，缸體、轉(zhuǎn)子、內(nèi)齒輪、密封條經(jīng)常出現(xiàn)裂紋，軸承經(jīng)常失效，偏心軸也經(jīng)常斷裂，由于幾個關(guān)鍵件工作聯(lián)系緊密，大一點的故障一出現(xiàn)幾乎就要整機報廢。現(xiàn)在新設(shè)計的三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機對上述故障也不得不防，在整機系統(tǒng)設(shè)計，零部件結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計，材料選擇，加工工藝等許多方面都要綜合考慮[2]。

隨著三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機技術(shù)走向成熟，壽命延長,容易暴露、容易解決的故障逐漸減少，隨長期作時間累積而產(chǎn)生的頑固性故障逐漸增多。三角轉(zhuǎn)子的徑向密封槽、端面密封槽、密封小柱孔積炭,將密封件卡住，導(dǎo)至漏氣，性能降低。還有徑向密封條漏氣、氣缸振紋、彈簧斷裂、斷火、功率低等故障。

3 運動誤差

三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機最根本的設(shè)計思想：不論三角轉(zhuǎn)子運動到哪個位置，缸體型面都與安裝在三角轉(zhuǎn)子上的徑向密封條的圓柱面相切（如圖2所示），使3個氣室互不相通，各自順序完成吸氣、壓縮、膨脹、排氣4個過程。

圖2 三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機

為了更清楚地顯示徑向密封條的圓柱面與缸體型面相切及一對相位齒輪的嚙合關(guān)系，把圖2的局部放大如圖3所示。

圖3 三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機局部放大

為了便于研究，把偏心軸和三角轉(zhuǎn)子都運動到圖2中的對稱位置定為t0時刻的初始位置，從圖3中的最后1個圖片可見，相位齒輪的齒隙也是兩邊對稱的，而相位齒輪在工作時實際的情況是工作面嚙合（發(fā)動機逆時針轉(zhuǎn)，工作面是右面），齒隙全在非工作面一側(cè)。因此2個相位齒輪至少有1個不能與坐標(biāo)系軸對稱設(shè)計，而應(yīng)旋轉(zhuǎn)1個微小的角度以消除相位齒輪工作面的間隙。缸蓋的加工和齒輪的安裝定位都有誤差，保持1個齒輪相對坐標(biāo)系軸對稱也不可能,因此實際發(fā)動機2個相位齒輪都在t0時刻的初始位置就對坐標(biāo)系軸有微小的轉(zhuǎn)角。2個相位齒輪必須配合好，才能使實際發(fā)動機的三角轉(zhuǎn)子在缸體中按準(zhǔn)確的軌跡運動，如果2個相位齒輪配合不好，三角轉(zhuǎn)子在缸體中的運動情形如圖4所示的各種情況,徑向密封條離開缸體型面或三角轉(zhuǎn)子與缸體干涉。

圖4 三角轉(zhuǎn)子在缸體中的運動情形

當(dāng)然，干涉程度大時三角轉(zhuǎn)子不可能裝入缸體中，三角轉(zhuǎn)子裝入缸體中必須保持與缸體有適當(dāng)?shù)拈g隙，使發(fā)動機熱態(tài)時亦不會發(fā)生三角轉(zhuǎn)子刮擦缸體型面的事件。這種偏心軸和三角轉(zhuǎn)子相對缸體運動的偏差就稱為三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機運動誤差，數(shù)值上以三角轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角（偏心軸轉(zhuǎn)角/3）之差來衡量，正值表示三角轉(zhuǎn)子運動超前，負值表示三角轉(zhuǎn)子運動滯后。

4 運動誤差導(dǎo)致三角轉(zhuǎn)子頂點軌跡偏離缸體

三角轉(zhuǎn)子頂點軌跡相對缸體型面旋轉(zhuǎn)了1.5倍運動誤差角，如圖5所示。三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機有運動誤差時，三角轉(zhuǎn)子頂點軌跡仍然是與缸體型線參數(shù)一致的長短輻旋輪線，但繞偏心軸主軸頸轉(zhuǎn)了1.5倍運動誤差角，由圖中紅色線表示。設(shè)三角轉(zhuǎn)子運動誤差角為α，即偏心軸和缸體在圖2中坐標(biāo)軸重合的對稱位置時，三角轉(zhuǎn)子運動超前α角。設(shè)偏心軸要再轉(zhuǎn)β角才恰好追上三角轉(zhuǎn)子（三角轉(zhuǎn)子坐標(biāo)軸與偏心軸偏心距方向重合），此時的β角方向就是三角轉(zhuǎn)子頂點軌跡的坐標(biāo)系方向，即相對缸體坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)了β角。三角轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速只有偏心軸轉(zhuǎn)速的1/3，因此α+=β，解得 β=1.5α。

圖5 頂點軌跡相對缸體型面旋轉(zhuǎn)了1.5倍運動誤差角

用Imageware軟件分析FSZ1三角轉(zhuǎn)子運動誤差角6′時，三角轉(zhuǎn)子頂點軌跡相對缸體型面偏離如圖6所示，紅色區(qū)偏離最多0.061 mm己超過缸體加工誤差0.03 mm。三角轉(zhuǎn)子運動誤差每1′大約導(dǎo)致偏離0.01mm。

圖6 運動誤差角6′時三角轉(zhuǎn)子頂點軌跡相對缸體型面偏離

5 運動誤差及對工作的影響

三角轉(zhuǎn)子頂點與缸體型面的間隙形成相鄰工作室的漏氣通道，因此三角轉(zhuǎn)子頂點要安裝可伸縮的徑向密封條。徑向密封條由徑向密封簧片彈出，應(yīng)始終貼著缸體型面運動，伸縮運動頻率是2/3偏心軸轉(zhuǎn)速頻率，振輻比三角轉(zhuǎn)子頂點軌跡相對缸體型面最大距離稍大。徑向密封條伸縮運動是工作氣體密封的需要，但對高溫下工作的徑向密封簧片是非常不利的，容易發(fā)生疲勞斷裂。

三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機在運動誤差大、缸體型面壁溫高、油膜薄、轉(zhuǎn)速高時會發(fā)生徑向密封條彈跳現(xiàn)象，導(dǎo)致缸體振紋、彈簧斷裂,徑向密封條不能及時貼緊缸體型面，導(dǎo)致徑向密封條漏氣、斷火、功率低。

三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機運動誤差與三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機徑向密封條漏氣、缸體振紋、彈簧斷裂、斷火、功率低等故障有緊密的聯(lián)系。因此，校準(zhǔn)三角轉(zhuǎn)子運動誤差可減少許多故障，極大提高可靠性和壽命。

6 運動誤差的測量方法

三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機的運動誤差牽涉到的零部件非常多，而且是“運動時的誤差”。直觀的情況是整臺發(fā)動機運轉(zhuǎn)時偏心軸與三角轉(zhuǎn)子從t0時刻到每一時刻相對缸體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動角誤差，其中偏心軸的轉(zhuǎn)角應(yīng)除以3，再與三角轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角相比較。采用3座標(biāo)測量設(shè)備測量三角轉(zhuǎn)子運動誤差。

將帶外齒輪與主軸頸軸承的前蓋組件與缸體組合，裝入帶偏心軸頸軸承的偏心軸組件和未裝密封件及彈簧的三角轉(zhuǎn)子組件，用橡筋纏繞偏心軸主軸頸，另一端拉到螺樁上，對偏心軸施加1個力矩，用橡皮泥卡住三角轉(zhuǎn)子使之不轉(zhuǎn)動，于是相位齒輪工作面嚙合，齒隙全偏于非工作面。測量裝配狀態(tài)如圖7所示，在3座標(biāo)測量機上進行測量。

圖7 測量裝配狀態(tài)

某臺三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機的運動誤差的測量的數(shù)據(jù)如圖8、9所示，虛線轉(zhuǎn)子為無運動誤差位置。

為了解齒隙造成的運動誤差，對偏心軸正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)2種狀態(tài)進行了測量。測量結(jié)果為正轉(zhuǎn)時三角轉(zhuǎn)子滯后 3°78′，反轉(zhuǎn)時三角轉(zhuǎn)子滯后 7°44′，因此齒隙造成三角轉(zhuǎn)子的活動量為11°22′，這臺三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機的運動誤差較小，不容易發(fā)生運動誤差造成的故障。反轉(zhuǎn)運動誤差大，易損壞發(fā)動機。

7 運動誤差的控制方法

三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機的運動誤差的控制是基于相位齒輪補償原理，使工作狀態(tài)下相位齒輪工作面嚙合，齒隙偏在非工作面一側(cè)時，三角轉(zhuǎn)子和偏心軸在缸體坐標(biāo)系中的靜態(tài)位置在誤差范圍內(nèi)。

三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機的轉(zhuǎn)子和偏心軸對氣缸的轉(zhuǎn)角有嚴格的相位要求，依靠固定齒輪與內(nèi)齒輪的工作面嚙合傳動保持正確的相位關(guān)系。應(yīng)此相位齒輪的安裝也有相位要求，當(dāng)相位齒輪都按理論對中位置安裝，轉(zhuǎn)子和偏心軸對氣缸的轉(zhuǎn)角按相位要求擺放，則相位齒輪的齒隙是兩邊均分的,故實際的三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機的相位齒輪要旋轉(zhuǎn)1個補償角,使相位齒輪的齒隙都分布在非工作齒面間而使工作齒面接觸。實際加工件的齒厚有誤差，組合位置也有誤差，因此補償角應(yīng)分組并針對每臺發(fā)動機精確選配。補償角可附著于以下3處：

（1）內(nèi)齒圈相對三角轉(zhuǎn)子。因內(nèi)齒圈與三角轉(zhuǎn)子是銷釘焊接組合，難以加工調(diào)整，且三角轉(zhuǎn)子與偏心軸有動平衡配對要求。因此補償角不應(yīng)附著于此處。

（2）固定外齒輪定位銷（所圖10所示）與前蓋組合。因前蓋是大組合件，不宜選配，因此補償角不應(yīng)附著于此處。

圖10 固定外齒輪和定位銷

（3）固定外齒輪。因固定外齒輪是個易拆卸的單個零件，零件尺寸不大，易于選用并按磨損情況更換，所以是最佳方案。

8 結(jié)束語

精確到分的運動誤差控制是三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機的獨特要求，其運動誤差控制技術(shù)與準(zhǔn)確的缸體型面加工技術(shù)是同等重要的，只有三角轉(zhuǎn)子運動準(zhǔn)確，缸體型面準(zhǔn)確才有意義，而這2個準(zhǔn)確是減少三角轉(zhuǎn)子發(fā)動機許多故障的前提條件。

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