摘要：本文说明了往复式发动机和三角活塞式转子发动机缺点，介绍了扇形转子发动机的结构特点以及工作过程，论述了非圆型齿轮的节线和齿形以及跟随非圆型齿轮转动的凹、凸形拨轮机构。在此基础上论述了研发这种发动机的可行性，并评价了发动机的社会及经济效益。
关键词：扇形转子发动机；正弦齿轮机构；非圆型齿轮；凹；凸形拨轮机构
前言
一般发动机是往复式发动机，是由于活塞在汽缸中做往复直线运动而得名。发动机工作时，活塞在气缸里做往复直线运动，并用曲柄连杆机构把活塞的直线运动转化为旋转运动以输出动力。往复式发动机活塞和曲柄连杆的运动需用占具一定的空间，这需要一个较大的机体、缸盖、油底壳等箱体零件将这些运动机件容纳，使得整个发动机结构复杂、体积庞大。发动机曲轴需要设置平衡重或平衡轴。由曲柄连杆机构产生的振动难以彻底消除。发动机需要配气机构与其配合，这部分机件运动产生的振动和噪声无法消除。为了进一步提高进气效率，又出现了可变气门正时和可变气门行程等技术，使发动机机构更加复杂，使得发动机造价更加昂贵。往复式发动机的活塞与缸壁之间存在滑动磨擦，连杆与曲轴、曲轴与机体之间使用滑动轴承，所以机械效率不高。现代的往复式发动机更加合理，制作材料更加耐磨损、耐高温，而且燃料加注方式也开始智能化。发动机的多个工作步骤得以实现计算机精确化控制，从而提高了效率，充分地利用了宝贵的燃料，减少了排污。但由于其工作原理已经定型，在效率上难有重大突破。
1954年，菲加士·汪克尔与德国NSU公司合作研制成功第一台三角活塞式转子发动机。1964年，COMOBIL公司首次把三角活塞式转子发动机装在轿车上成为正式产品。1967年，日本东洋工业公司也将三角活塞式转子发动机装在马自达轿车上开始成批生产。
三角活塞式转子发动机不需要复杂的配气机构，具有高功率容积比的优点，体现出发动机结构简单、重量轻的优势。三角活塞的转速也只是发动机曲轴转速的三分之一，它不需要精密的曲轴平衡就能达到较高的运转转速，并且运行更加安静，噪音更小，有着更高的可靠性和耐久性，没有往复式发动机中的摇臂和连杆等那些高转速运动部件[1]。
三角活塞式转子发动机也有它自身的缺点。由于这种发动机没有往复式发动机的高压缩比，燃烧不能够很充分，造成发动机油耗高，污染重。这种发动机三角转子的相邻容腔间只有一个径向密封片，径向密封片与缸体始终是线接触，径向密封片磨损快、寿命短。
往复式发动机在功率、重量、排放、能耗等方面都比过去有了显著提高，各大企业对往复式发动机技术成熟。三角活塞转子发动机从生产装配到维护修理都与传统的往复式发动机大不一样，开发成本大，所以三角活塞式转子发动机没有显出明显的优势，欧、美、日等国开发这种发动机已有数十年，至今还没能大面积使用。
1.扇形转子发动机
本文所介绍的扇形转子发动机（专利名称是：瞬时变容角差式转子发动机）是有待于开发的一种转子发动机。此发动机是属于转子发动机类型，是以汽油、氢、石油气、天然气等为燃料的发动机。这种转子发动机同样具有机件少、机构平衡的特点，又克服了三角活塞式转子发动机密封差的缺点。它是利用一对完全相同的扇形转子，相互交叉地装入圆形汽缸中，与圆形汽缸形成四个容积可变的工作腔，再经过一种专门设计的速度变换机构，使两个扇形转子在转动时发生角度差，从而造成工作腔容积的变化，以完成进气、压缩、工作、排气等工作过程以输出动力。其结构简图可见图1所示。
图1 扇形转子发动机结构示意图
1、飞轮 2、转轴 3、非圆形齿轮 4、凹形拨轮 5、凸形拨轮 6、心轴 7、非圆形齿轮
8、机壳后端盖 9、密封水套（后） 10、机体 11、扇形转子 12、扇形转子
13、密封水套（前） 14、机壳前端盖 15、凸形拨轮 16、非圆形齿轮 17、风扇总成
18、风扇皮带轮 19、皮带 20、皮带轮 21、凹形拨轮 22、非圆形齿轮
扇形转子11（见图2）、扇形转子12与机体10、密封水套（前）13、密封水套（后）9形成四个工作腔。扇形转子12与非圆形齿轮16、凸形拨轮15以花键联接，并一起用轴承支承在心轴6上，围绕心轴6作正弦函数运动规律的转动。同样扇形转子11与非圆形齿轮7、凸形拨轮5也以花键联接，也是一起用轴承支承在心轴6上，围绕心轴6作正弦函数运动规律的转动。心轴6 固联在机壳前端盖14和机壳后端盖8上。前端盖14和机壳后端盖8用螺栓与机体10相联。心轴6中间加工有润滑油道，用以润滑和冷却轴承和两个扇形转子。非圆形齿轮16与非圆形齿轮22相啮合、凸形拨轮15与凹形拨轮21相作用，它们共同形成一个正弦传动机构。非圆形齿轮7与非圆形齿轮3相啮合、凹形拨轮5与凸形拨轮4相作用，它们也共同形成一个正弦传动机构。转轴2用滚动轴承支撑在机壳前端盖14和机壳后端盖8上。非圆形齿轮22、非圆形齿轮3、凹形拨轮21、凸形拨轮4都是以花键与转轴2相联，转轴2联接着皮带轮20和飞轮1。当扇形转子12和扇形转子11都按正弦函数运动规律作变速运转时，带动非圆形齿轮16、非圆形齿轮7、凸形拨轮15、凸形拨轮5运转，将动力传递到非圆形齿轮22、非圆形齿轮3及凸形拨轮15、凸形拨轮5上，一起带动转轴2匀速转动，通过飞轮1输出动力。
图2 扇形转子示意图
2.工作过程
非圆形齿轮16与非圆形齿轮22相啮合，其传动比i为：
（1）
这是一个正弦函数，其中a为参数（0﹤a﹤1），由设计确定。ω16为非圆形齿轮16的角速度，ω22为非圆形齿轮22和转轴2的角速度，ω22为匀速转动。
（2）
非圆形齿轮7的角速度与非圆形齿轮16都做正弦函数的转动，具有相同的运动规律，由于安装关系，其相位差为 。
由非圆形齿轮机构的正弦函数运动规律可知，扇形转子11和扇形转子12在水平位置时，都具有最小的转速，在竖直位置时都具有最大的转速。这时I腔正在进气，II腔正在压缩，III腔正在工作，IV腔正在排气。当扇形转子11和扇形转子12共同转动一周，发动机共有四个工作过程，相当于一个八缸的四行程曲柄连杆机构的发动机。扇形转子发动机的工作过程见图3所示，
图3 扇形转子发动机的工作过程
（a）工作中 （b）工作终了
11、扇形转子 12、扇形转子
3.正弦运动机构
发动机的两个扇形转子转动都是按照正弦函数运动规律转动，这一机构是由非圆形齿轮16与其相啮合非圆形齿轮22、非圆形齿轮7与其相啮合非圆形齿轮3组成，见图4所示。下面以非圆形齿轮16与其相啮合非圆形齿轮22为例说明。
非圆形齿轮22的节线为：
（3）
式中0≤θ22≤2π，A为非圆形齿轮16与非圆形齿轮22的中心距，也就是心轴6与转轴2的中心距。
非圆形齿轮16的节线为：
（4）
（5）
式中0≤θ22≤2π，非圆形齿轮7的节线与非圆形齿轮16的节线相同，同样非圆形齿轮3的节线与非圆形齿轮22的节线相同。非圆形齿轮16以正弦函数的运动规律转动带动非圆形齿轮22同转轴2一起作匀速转动[2]。非圆形齿轮7与非圆形齿轮3的工作情况如同非圆形齿轮16与非圆形齿轮22工作情况，只是非圆形齿轮22与非圆形齿轮3安装时长轴方向互相垂直。
图4 非圆形齿轮节线示意图
2、转轴 6、心轴 16、非圆形齿轮 22、非圆形齿轮
为了使非圆形齿轮机构能可靠地工作，本发动机特意地增设了凹、凸形拨轮机构，见图5所示。这种凹、凸形拨轮机构其实是一种转动的凸轮机构，跟随非圆型齿轮一同工作，它们只工作在某一区段，在这一区段凹、凸形拨轮轮廓也具有正弦函数变化规律的共轭曲线。当非圆形齿轮机构运转到图5位置时，非圆形齿轮16、带动非圆形齿轮22转动可能会因齿轮压力角过大发生啮合困难，因而特设凹、凸形拨轮机构来改善接触情况。
图5 凹、凸形拨轮机构示意图
2、转轴 6、心轴 15、凸形拨轮 16、非圆形齿轮
21、凹形拨轮 22、非圆形齿轮
4.扇形转子发动机的特点
这种转子发动机的特点是：
4.1.密封性能好 两个扇形转子外表面与圆形汽缸的圆形面都是稳定的圆形面，这有利于安装密封刮片，所形成的密封性能好，克服了三角活塞式转子发动机密封性差的缺点。
4.2.平衡性好能 发动机的两个扇形转子及转子上的机件都是以正弦函数变化的运动规律转动，两个扇形转子产生的角加速度始终是大小相等、方向相反，又由于两个扇形转子以及联在扇形转子上的机件前后对称，转动惯量相等，所产生的转动惯性力矩正好相互抵消从而达到平衡，不需要任何平衡重，所以此发动机运动件少、结构轻巧。
4.3.机械效率高 发动机两个扇形转子用心轴支承，即可以使用滑动轴承，也可用滚针轴承。两个扇形转子的外表面与圆形缸壁不接触，能保持一定间隙，避免了两个扇形转子与圆形汽缸壁的摩擦和磨损，减少了功率损失，仅有密封条与圆形汽缸壁的少量摩擦，提高了机件的寿命，与三角活塞式转子发动机和往复运动式发动机相比，有着更高的机械效率。
4.4.无配气机构 与三角活塞式转子发动机一样，这种发动机同样也不需要复杂的配气机构，只需要进气口和排气口，发动机结构简单，没有四冲程发机配气机构产生的振动，同时也省去了驱动配气机构的驱动功。
5.研发的可行性
该发动机研发能否成功，首先取决于非圆形齿轮的设计、材料和制造方法上。再者是扇形转子的材料及制作问题。
5.1.非圆型齿轮问题
发动机两个扇形转子在转动时发生角度差，造成工作腔容积的变化，其核心问题就是非圆形齿轮机构。非圆型齿轮的齿形要打破常规，不再采用模数制的渐开线齿轮，因为这类齿轮在齿轮节线曲率最大、曲率半径量小的区段上存在一个最少齿数问题。如果少于最少齿数，在这一区段上的齿轮齿廓容易发生根切问题，并且这种齿轮的齿根疲劳强度也不是很高。本发动机所使用的非圆型齿轮的齿廓可以采用诸如摆线或是其它共轭齿廓，以避免产生类似渐开线齿轮的根切问题[3]。
对于转轴2上的匀速转动的非圆型齿轮的材料可以采用高强度的渗碳钢材，对于与扇形转子一起转动的非圆形齿轮和拨轮可以采用高强度的碳纤维增强的复合材料来制作，这样可以减小转动惯量，有利于高速转动。
对于非圆形齿轮的加工制作方法，完全可以通过计算机控制的机床加工或是电蚀方法加工制作。
5.2.凹、凸形拨轮机构问题
凹、凸形拨轮机构其实就是一种转动的凸轮机构，如果非圆形齿轮设计的非常圆满，完全可以无需此机构。当然，使用一组这样的转动凸轮机构也能代替非圆形齿轮机构，实现正弦函数变化的运动规律运动，这为正弦函数传动机构的研发开辟了新的途径。凹、凸形拨轮机构的制造类似一般的凸轮机构制造，没有很大的制造难度。随扇形转子一起转动的凸形拨轮可采用轻质的高强度复合材料制造。随着转轴2速转动的凹形拨轮可用渗碳钢制造。
5.3.扇形转子问题
扇形转子的结构可采用中间套管组合式结构（图中未标出），中间套管插入机体内的一端联接扇形转子，伸出机体外的另一端联接非圆形齿轮和拨轮，中间套管采用优质钢材加工制作。扇形转子则采用高强度的耐热合金或是耐高温的非金属材料制作（如碳化硅纤维强化金属复合材料，或是耐高温的C/C复合材料），这类材料在高温中，它仍可保持优良的机械性能，扇形转子采用中空结构以减小转动惯量。
5.4.密封问题
扇形转子与圆形汽缸密封问题要比三角活塞式转子发动机好解决的多，可在扇形转子的外圆圆面和端面上可用加工出密封槽，安装密封条就能实现可靠地密封。这种密封方法技术上可行，生产工艺简单，密封材料要求不是很苛刻，有着比三角活塞式转子发动机更好的密封效果。
5.5.润滑与冷却问题
扇形转子在工作时，因受热于高温燃气，并不断地将热量传向轴承等，可将心轴中部加工出中心润滑油道，在扇形转子上也加工出冷却油道，以便于润滑和冷却轴承和扇形转子。
6.结论
本发动机的主要特点是体积小、功率大，结构简单。可以采用滚动轴承以机减少件的磨擦、磨损，提高发动机的机械效率和机件的使用寿命。本机型若开发成功，它可代替目前的小型汽油机，在小型汽油机领域里面有着广阔的市场。它可以作为农林植保机械、小型农机具、园林机械、发电机组、建筑机械、舷外机械等的配套动力。只要有关部门重视、多部门协作，研发成功本发动机应是没有多大问题，在当代科技发达的今天，在现有的工业技术条件下完全可以研发成功。总之，本发动机研发成功的可能性比较大，它具有很高的社会、经济价值。
参考文献
[1]朱仙鼎.特种发动机原理与结构[M].上海：上海科学技术出版社，1998：171.
[2]机械设计手册 中册 第2版[M].北京：化学工业出版社，1985：79-88.
[3]Ф. Л.李特文.齿轮啮合原理 第2版[M].上海：上海科学技术出版社， 1984：210-220.
作者简介： 白雪峰（1963-）男，汉族，籍贯是山东省济南市。1985年本科毕业于山东农业大学，现在泰安市高级技工学校高级讲师，主要从事机械学科的教学和研究工作，2006年在兰州理工大学获工程硕士学位。近年来已发表学术论文8篇，编写出版教材7部，获国家一项发明专利，两项实用新型专利。