本文针对目前的快速压缩膨胀机活塞运动规律不易控制的问题,设计了基于凸轮原理的新型快速压缩膨胀机测试设备,首次采用凸轮机械系统驱动燃烧腔活塞,通过设计凸轮型线和使用大惯量飞轮确保活塞运动规律可控、可变,提高试验重复性和试验效率。该设备的驱动系统以凸轮驱动活塞、飞轮稳定凸轮转速、滚子从动件平移三个要点作为基本工作原理,前两点用于保证活塞尽可能按照给定规律运动,第三点用于保证活塞仅被凸轮驱动一次,保证只完成一次压缩-膨胀过程。本研究通过建立多体动力学模型验证了该方案的可行性,并对系统中的各个零部件进行有限元应力分析。对于燃烧腔部分,以易于组合替换为原则布置传感器、光学视窗、火花塞以及气孔等,从而能搭建出多种试验配置。并通过CFD计算说明缸内流场、速度场基本特征,阐明了缸内涡旋对温度不均匀性的影响,并验证了在活塞上设计环槽结构有效地抑制了上止点前涡旋的产生。使用该测试设备进行了重复性实验、不同等效转速工况实验和不同压缩比工况实验,验证了所研制系统各部分的良好稳定运行,此外还建立了GT-Power模型分析燃烧缸的传热和漏气问题。