三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)誤差研究

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(guó)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(wèn)題，于1954年研制成功第1臺(tái)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)。其結(jié)構(gòu)新穎、緊湊輕巧，運(yùn)轉(zhuǎn)寧?kù)o順暢。經(jīng)過(guò)日本、美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、蘇聯(lián)、中國(guó)等許多國(guó)家50多年的研究發(fā)展,己經(jīng)發(fā)展到實(shí)用階段,成功地應(yīng)用在汽車(chē)、卡丁車(chē)、小型氣墊船和無(wú)人駕駛飛機(jī)上，并且在許多型號(hào)的小型飛機(jī)上進(jìn)行飛行試驗(yàn)，目前最熱門(mén)的應(yīng)用領(lǐng)域是無(wú)人飛機(jī)（UAV）。三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的獨(dú)特性能可以與無(wú)人飛機(jī)的性能要求比較完美地貼合，由于小型三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)為例，采用PROE軟件建立3維模型，通過(guò)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真，研究了產(chǎn)生發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)誤差的原因，并應(yīng)用Imageware軟件分析了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡與缸體型線的偏差，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)原理和特點(diǎn)探討了運(yùn)動(dòng)誤差對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作的影響，確定了運(yùn)動(dòng)誤差的測(cè)量方法及控制措施。

1 工作原理和特點(diǎn)

三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)是米勒循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是：三角轉(zhuǎn)子的中心繞輸出軸中心公轉(zhuǎn)的同時(shí)，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(dòng)機(jī)的直線運(yùn)動(dòng)迥然不同，轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)取消了無(wú)用的直線運(yùn)動(dòng)和曲柄連桿機(jī)構(gòu)。在三角轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(dòng)，內(nèi)齒圈與齒輪的齒數(shù)之比為3∶2。上述運(yùn)動(dòng)關(guān)系使得三角轉(zhuǎn)子頂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)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(gè)獨(dú)立空間，3個(gè)空間各自先后完成進(jìn)氣、壓縮、作功和排氣，三角轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)1周，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火作功3次。由于以上運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)來(lái)控制壓縮和排放，因而同樣功率的轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸較小，質(zhì)量較輕，而且振動(dòng)和噪聲較低[2]。

三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)與4沖程往復(fù)式動(dòng)力機(jī)同樣有4個(gè)循環(huán)過(guò)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(dòng)機(jī)4個(gè)循環(huán)過(guò)程

三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)：（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(dòng)機(jī)的燃油消耗率指標(biāo)己優(yōu)于活塞式汽油機(jī)，排放污染達(dá)到歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)；（2）極高的功質(zhì)比，氣缸體即機(jī)體，橫截面接圓形，無(wú)直線運(yùn)動(dòng)部分徑向突出,偏心軸位于發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)。平均有效壓力大大超過(guò)2沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，甚至比4沖程活塞發(fā)動(dòng)機(jī)高；（4）振動(dòng)和噪音低，運(yùn)動(dòng)慣性力和力矩都可以平衡，只有比活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)低的扭矩波動(dòng)。為數(shù)不多的活動(dòng)配合數(shù)目，間隙比較小,沖擊很小。進(jìn)排氣流連續(xù)性好，壓力波動(dòng)小；（5）可靠性高，運(yùn)動(dòng)零部件少，沒(méi)有氣門(mén)、搖臂、凸輪、時(shí)規(guī)鏈等易損零部件；（6）磨損少、振動(dòng)小，零件壽命長(zhǎng)；（7）生產(chǎn)費(fèi)用比活塞式少，價(jià)格低廉，整機(jī)零部件少，零部形狀比較簡(jiǎn)單，尺度較小，加工面少，原材料消耗少。

2 常見(jiàn)故障

從1954年研制成功第1臺(tái)三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)到現(xiàn)在,三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)振動(dòng)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(guò)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(gè)關(guān)鍵件工作聯(lián)系緊密，大一點(diǎn)的故障一出現(xiàn)幾乎就要整機(jī)報(bào)廢。現(xiàn)在新設(shè)計(jì)的三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)上述故障也不得不防，在整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，零部件結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)，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(dòng)機(jī)技術(shù)走向成熟，壽命延長(zhǎng),容易暴露、容易解決的故障逐漸減少，隨長(zhǎng)期作時(shí)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(yùn)動(dòng)誤差

三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)最根本的設(shè)計(jì)思想：不論三角轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)到哪個(gè)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(gè)氣室互不相通，各自順序完成吸氣、壓縮、膨脹、排氣4個(gè)過(guò)程。

圖2 三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)

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(duì)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(dòng)機(jī)局部放大

為了便于研究，把偏心軸和三角轉(zhuǎn)子都運(yùn)動(dòng)到圖2中的對(duì)稱(chēng)位置定為t0時(shí)刻的初始位置，從圖3中的最后1個(gè)圖片可見(jiàn)，相位齒輪的齒隙也是兩邊對(duì)稱(chēng)的，而相位齒輪在工作時(shí)實(shí)際的情況是工作面嚙合（發(fā)動(dòng)機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)，工作面是右面），齒隙全在非工作面一側(cè)。因此2個(gè)相位齒輪至少有1個(gè)不能與坐標(biāo)系軸對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，而應(yīng)旋轉(zhuǎn)1個(gè)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(gè)齒輪相對(duì)坐標(biāo)系軸對(duì)稱(chēng)也不可能,因此實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)2個(gè)相位齒輪都在t0時(shí)刻的初始位置就對(duì)坐標(biāo)系軸有微小的轉(zhuǎn)角。2個(gè)相位齒輪必須配合好，才能使實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的三角轉(zhuǎn)子在缸體中按準(zhǔn)確的軌跡運(yùn)動(dòng)，如果2個(gè)相位齒輪配合不好，三角轉(zhuǎn)子在缸體中的運(yùn)動(dòng)情形如圖4所示的各種情況,徑向密封條離開(kāi)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(yùn)動(dòng)情形

當(dāng)然，干涉程度大時(shí)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(dòng)機(jī)熱態(tài)時(shí)亦不會(huì)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(duì)缸體運(yùn)動(dòng)的偏差就稱(chēng)為三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)誤差，數(shù)值上以三角轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角（偏心軸轉(zhuǎn)角/3）之差來(lái)衡量，正值表示三角轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)超前，負(fù)值表示三角轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)滯后。

4 運(yùn)動(dòng)誤差導(dǎo)致三角轉(zhuǎn)子頂點(diǎn)軌跡偏離缸體

三角轉(zhuǎn)子頂點(diǎn)軌跡相對(duì)缸體型面旋轉(zhuǎn)了1.5倍運(yùn)動(dòng)誤差角，如圖5所示。三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)有運(yùn)動(dòng)誤差時(shí)，三角轉(zhuǎn)子頂點(diǎn)軌跡仍然是與缸體型線參數(shù)一致的長(zhǎng)短輻旋輪線，但繞偏心軸主軸頸轉(zhuǎn)了1.5倍運(yùn)動(dòng)誤差角，由圖中紅色線表示。設(shè)三角轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)誤差角為α，即偏心軸和缸體在圖2中坐標(biāo)軸重合的對(duì)稱(chēng)位置時(shí)，三角轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)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(shí)的β角方向就是三角轉(zhuǎn)子頂點(diǎn)軌跡的坐標(biāo)系方向，即相對(duì)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(diǎn)軌跡相對(duì)缸體型面旋轉(zhuǎn)了1.5倍運(yùn)動(dòng)誤差角

用Imageware軟件分析FSZ1三角轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)誤差角6′時(shí)，三角轉(zhuǎn)子頂點(diǎn)軌跡相對(duì)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(guò)缸體加工誤差0.03 mm。三角轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)誤差每1′大約導(dǎo)致偏離0.01mm。

圖6 運(yùn)動(dòng)誤差角6′時(shí)三角轉(zhuǎn)子頂點(diǎn)軌跡相對(duì)缸體型面偏離

5 運(yùn)動(dòng)誤差及對(duì)工作的影響

三角轉(zhuǎn)子頂點(diǎn)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(diǎn)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(yùn)動(dòng)，伸縮運(yùn)動(dòng)頻率是2/3偏心軸轉(zhuǎn)速頻率，振輻比三角轉(zhuǎn)子頂點(diǎn)軌跡相對(duì)缸體型面最大距離稍大。徑向密封條伸縮運(yùn)動(dòng)是工作氣體密封的需要，但對(duì)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(dòng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)誤差大、缸體型面壁溫高、油膜薄、轉(zhuǎn)速高時(shí)會(huì)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(shí)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(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)誤差與三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)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(yùn)動(dòng)誤差可減少許多故障，極大提高可靠性和壽命。

6 運(yùn)動(dòng)誤差的測(cè)量方法

三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)誤差牽涉到的零部件非常多，而且是“運(yùn)動(dòng)時(shí)的誤差”。直觀的情況是整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)偏心軸與三角轉(zhuǎn)子從t0時(shí)刻到每一時(shí)刻相對(duì)缸體坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動(dòng)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(cè)量設(shè)備測(cè)量三角轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)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(duì)偏心軸施加1個(gè)力矩，用橡皮泥卡住三角轉(zhuǎn)子使之不轉(zhuǎn)動(dòng)，于是相位齒輪工作面嚙合，齒隙全偏于非工作面。測(cè)量裝配狀態(tài)如圖7所示，在3座標(biāo)測(cè)量機(jī)上進(jìn)行測(cè)量。

圖7 測(cè)量裝配狀態(tài)

某臺(tái)三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)誤差的測(cè)量的數(shù)據(jù)如圖8、9所示，虛線轉(zhuǎn)子為無(wú)運(yùn)動(dòng)誤差位置。

為了解齒隙造成的運(yùn)動(dòng)誤差，對(duì)偏心軸正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)2種狀態(tài)進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)量結(jié)果為正轉(zhuǎn)時(shí)三角轉(zhuǎn)子滯后 3°78′，反轉(zhuǎn)時(shí)三角轉(zhuǎn)子滯后 7°44′，因此齒隙造成三角轉(zhuǎn)子的活動(dòng)量為11°22′，這臺(tái)三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)誤差較小，不容易發(fā)生運(yùn)動(dòng)誤差造成的故障。反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)誤差大，易損壞發(fā)動(dòng)機(jī)。

7 運(yùn)動(dòng)誤差的控制方法

三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)誤差的控制是基于相位齒輪補(bǔ)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(shí)，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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子和偏心軸對(duì)氣缸的轉(zhuǎn)角有嚴(yán)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(dòng)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(duì)中位置安裝，轉(zhuǎn)子和偏心軸對(duì)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(shí)際的三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的相位齒輪要旋轉(zhuǎn)1個(gè)補(bǔ)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(shí)際加工件的齒厚有誤差，組合位置也有誤差，因此補(bǔ)償角應(yīng)分組并針對(duì)每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)精確選配。補(bǔ)償角可附著于以下3處：

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

（2）固定外齒輪定位銷(xiāo)（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(bǔ)償角不應(yīng)附著于此處。

圖10 固定外齒輪和定位銷(xiāo)

（3）固定外齒輪。因固定外齒輪是個(gè)易拆卸的單個(gè)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(yǔ)

精確到分的運(yùn)動(dòng)誤差控制是三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的獨(dú)特要求，其運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確，缸體型面準(zhǔn)確才有意義，而這2個(gè)準(zhǔn)確是減少三角轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)許多故障的前提條件。

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