偏心轴的校核

偏心轴的设计要点
引言
从1954年汪克尔提出的转子基础方案算起,转子发动机在短短五十多年的发展时间里,相继攻克了缸体波状磨损、缸体局部过热、密封弹簧失效、机油密封和附件不适应等关键技术[1]结构设计从结构上看,偏心轴的两端有前后主轴颈,前后轴端分别安装有齿轮驱动机油泵和点火机构等。

前后主轴颈与前后主轴承相配,承受着燃气压力的作用,由前后端盖支承;偏心轴颈与偏心轴承相配,承受着作用于转子的燃气压力和转子的离心惯性力的作用
[2]凭借其优越的高速性能,在生产和生活的许多领域得到了相对广泛的应用,呈现出良好的发展前景。

偏心轴(即主轴)是转子发动机的主要运动零件之一,它的作用相当于往复式发动机的曲轴,以扭矩的形式输出机械功。

偏心轴上安装转子发动机的主要旋转零部件,如转子、飞轮及平衡块等,这些旋转零件施加在它上面的交变载荷使之成为整个转子发动机中受到载荷最大同时也是最复杂的零件。

因此,设计具有足够强度的偏心轴是提高转子发动机工作可靠性和耐久性的关键。

转子发动机在运转过程中,由于周期性变化的气体压力的作用,偏心轴产生周期性变化的弯曲力矩;由于转子和偏心盘旋转质量及前后平衡块的离心惯性力的作用
而产生弯曲力矩;并且受被驱动装置和辅助装置(如水泵、机油泵、燃油泵、发电机等)的扭转阻力矩的作用而产生扭转力矩。

另外,由于转子发动机燃烧室的面容比较大,致使偏心轴所受的气体爆发压力的总压力较大;而且主轴颈必须穿过中空的相位内齿轮,致使主轴颈直径因受到相位内齿轮齿圈内径的限制而显得细小。

因此,偏心轴受力大而情况复杂、尺寸受到一定限制。

[3]为了保证转子发动机在较高的动力性能指标下也能可靠和耐久地工作,主要应从材料的选择、结构设计和热处理工艺等几个方面做工作。

其中,从结构方面提高偏心轴的疲劳强度,是设计偏心轴的关键。

为了合理设计偏心轴,可以从下列几个方面来考虑: [4]对自主设计的转子发动机的偏心轴进行了受力分析,并分析了三种极限受力位置(高速全负荷最高爆发压力位置、低速全负荷最高爆发压力位置、高速无负荷最高爆发压力位置)偏心轴所受到的弯曲力矩和最大扭转力矩。

[5] 1)缩短两个主轴承的轴向距离可以有效地提高偏心轴的强度,增大主轴颈的直径可以提高偏心轴的疲劳强度。

由于主轴颈要穿过相位内齿轮的中孔,增大主轴颈直径,必须计算偏心距e是否满足要求。

所以转子发动机的偏心距e取值不易过小。

2)轴类零件上的轴肩是最容易产生应力集中的位置,因此应尽可能减少偏心轴上轴肩的数量。

如果轴肩的存在不可避免,就应该
在轴肩的位置尽量采用较大的过渡圆角,并采用适当的加工方法,减小过渡圆角处的表面粗糙度。

在工艺上,可以采用毛坯锻造和表面渗碳等方法加工偏心轴,并滚压圆角,以提高其疲劳强度。

3)平衡块的离心惯性力会对偏心轴产生破坏性的弯曲力矩,为了减小其影响应该尽量减轻缸内的旋转质量。

一般采取在偏心盘的不平衡部分去除材料的方法来达到这一目的。

4)在偏心轴上钻孔作为冷却介质的通道,用润滑油和空气的混合物对偏心轴进行冷却。

并在偏心盘上设计润滑油道,使润滑油在离心力的作用下流向偏心轴承,降低偏心轴的热负荷。

5)使偏心轴两端的平衡块尽量靠近主轴承,并对其轴向定位,以减小离心惯性力对偏心轴所产生的弯曲力矩。

[6]在低速全负荷最高爆发压力位置,转子发动机的燃烧室单位转子工作面积的最大法向力Nmax达到最大值,其值近似等于最高爆发压力,其余工作室的气体压力以及偏心轴上的旋转质量所产生的离心惯性力较小,可以忽略不计。

此时后轴段的截面除受到与前轴段相同的最大弯曲力矩的作用外,还受到最大扭转力矩的作用。

故危险截面位于后轴段的B1-B1或B2-B2处。

[7]在高速无负荷最高爆发压力位置,气体压力对偏心轴的作用较小,可以忽略,这时两侧的平衡块对偏心轴的离心惯性力达到最大值,即偏心轴的主要应力是由旋转质量的离心惯性力所产生的。

因为后轴段的平衡块与偏心盘之间的距离较远,所以此时的危险截面应在后轴段的截面B1-B1、B2-B2、B3-B3处。

[8]在高速全负荷最高爆发压力位置,燃烧室单位转子工作面积的最大法向力Nmax达到最大值,其值近似等于最高爆发压力pz。

偏心轴旋转质量所产生的离心惯性力也达到最大值,两者的作用方向相反,起到相互平衡的作用。

截面B3-B3处由于还受到最大扭转力矩的作用而成为危险截面。