新概念球形发动机是一种新型的高功率密度发动机,突破了传统活塞式发动机平面运动的特性,结合了旋转活塞发动机和凸轮发动机的特点,巧妙地利用球面凸轮机构传递机构空间运动的特点,将一对活塞单一平面内往复摆动做功的运动形式转换为另一平面内的单一旋转运动,从而输出功率。功率转换装置为球面凸轮,转子嵌套在凸轮内部,所有零部件集成在球壳内,机型紧凑,结构简单,传动件少,功率密度大大提升。本文设计了球形发动机的具体结构组成,围绕发动机转子和活塞的运动学、凸轮啮合运动、转子动力学方面展开研究。(1)结构方案设计。设计了发动机的总体结构组成;选择了结构形状锁合的球面凸轮机构,选取了三角函数运动规律,提出凸轮轮廓面设计方法;分析了发动机的基本工作原理,包括动力分析、自由度分析,选择了发动机重要基本参数。(2)运动学特性分析。建立了球形发动机转子和活塞的运动学模型,计算得到了活塞位移、速度、加速度等基本运动参数的变化规律;通过改变活塞摆动幅值、转子几何参数分析运动学参数的变化情况,进行参数优化设计;根据运动特性分析活塞做功过程、压缩比计算、气缸容积变化、气缸压力变化等,选择合适的发动机主要参数。(3)球面凸轮机构啮合分析。利用包络面理论,通过滚子在空间运动包络形成曲面的方法计算出球面凸轮机构啮合运动时的凸轮轮廓曲面方程、接触线方程、压力角等,利用Matlab软件计算绘制了啮合曲面、压力角变化曲线,分析参数对压力角的影响;分析了凸轮轮廓曲面的曲率和瞬轴面、产形轮等,提出了曲面的一种加工原理。(4)动力学分析。利用相对运动的原理,结合动静法,在已知运动规律的前提下,在非惯性系中建立了球形发动机空间运动的动力学方程,求解了转子在非惯性系中的惯性力和空间运动时产生的科式惯性力,通过转子在空间各轴向受力平衡和力矩平衡方程得到气缸内压力、接触面接触反力等随发动机参数的变化情况,进行参数优化设计;初步建立发动机缸内气体热力学模型。(5)动力学仿真。利用RecurDyn软件,建立了球形发动机虚拟样机模型,进行动力学仿真,得到活塞的运动规律和滚子接触面以及转轴的受力情况,分析对比仿真结果,验证理论分析与计算结果的科学严谨。