Проект: Бесшатунные поршневые машины. Миф или реальность

Реферат написан на основании темы-обсуждения http://www.chipmaker.ru/index.php?showtopic=18600

Бесшатунные поршневые машины. Миф или реальность.

Умы изобретателей уже не одно десятилетие будоражит идея создания бесшатунного механизма для поршневой машины. Кривошипно-шатунный механизм, который существует уже не одно столетие, не является идеальным механизмом для поршневой машины, у него слишком много недостатков, основные из них, это:

1. Низкий механический К.П.Д.

2. Неравномерный износ стенок цилиндров из-за возникающих боковых усилий на поршень машины, при её работе.

Наиболее интересными, с технической точки зрения в данном вопросе, являются изобретения С.С. Баландина, Е.И.Льва.

Про изобретение С.С Баландина (А.С. № 118471) написано много, есть информация, что были построены экспериментальные поршневые машины большой мощности, но дальше экспериментов дело видимо не пошло. Как и у любого, технически сложного механического устройства, у машины С.С. Баландина, есть трудно устранимые недостатки:

1. Низкая жёсткость механизма. По существу у механизма три вала: два вала вращения синхронизируются третьим валом.

2. Без направляющих механизм работать не может, а это лишнее передаточное звено, кроме того, это приводит к увеличению габаритов.

Все разговоры о том, что работа над созданием двигателя С.С. Баландина была прекращена потому, что авиация перешла на реактивную тягу и поршневые двигатели стали не нужны, не выдерживает критики. Поршневые машины применяются не только в авиации, а и во многих отраслях промышленности. Вследствие серьёзных недостатков принципиальной схемы механизма, довести двигатель до серийного производства не удалось, кроме того надо учесть, что технологии и станки на обычных заводах не так совершенны, как на авиационных заводах.

Поэтому я думаю, что перспективы создания поршневых машин по схеме С.С. Баландина не много.

Изобретатель Е.И Лев назвал своё изобретение как «Бесшатунный механизм для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное», А.С. № 164756. Про него много писали в журнале « Изобретатель и рационализатор» как об очень перспективном изобретении, но прошло уже 45 лет со дня опубликования описания к авторскому свидетельству, а информации о внедрении данного изобретения до сих пор нет, ни в печати, ни в интернете. По всей вероятности и не будет, т.к. недостатков у этого изобретения больше, более серьёзных, чем у изобретения С.С. Баландина:

1.Жёсткость механизма вообще никуда не годится, возможны перекосы в зацеплении и их поломка, при работе механизма.

2. Механизм, также как и механизм С.С. Баландина, не может работать без направляющих устройств.

3. Механизм абсолютно не пригоден для создания мощных и особо мощных машин.

Изобретение патент РФ №2107204, опубликован в 1998г, решает многие проблемы, которые не могут решить изобретения С.С. Баландина и Е.И.Льва:

1. Жёсткость механизма отличная, позволяющая строить машины большой мощности.

2. Нет необходимости в направляющих устройствах, что уменьшит габариты машины.

3. Мощность передаётся кривошипному валу, через одно передаточное звено, через эксцентрик вала-шестерни.

4. В зацеплении участвует только одна пара шестерён эвольвентного зацепления.

5. Большой ход поршня, равный четырёхкратному эксцентриситету кривошипного вала.

В 2003г. изобретение потеряло статус действующего т.к., вследствие материальных затруднений автор не смог платить за поддержание патента в силе и до сих пор не имеет информации о его применении.

Привожу краткий реферат к данному изобретению.

Название изобретения: « Бесшатунный механизм для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное поршневой машины».

Использование: механизм предназначен для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала двигателей внутреннего сгорания, компрессоров и насосов.

В корпусе-1 находятся две пары оппозитно расположенных цилиндров, оси которых скрещиваются под углом 90 градусов. Внутри цилиндров расположены две пары поршней-5, связанные общим штоком. Середины штоков имеют шарнирное соединение с эксцентриками-3, центры которых находятся на делительной окружности планетарной шестерни. Вал-шестерня-6 расположен на шейке кривошипного вала-2. Эксцентриситет кривошипного вала равен Ѕ диаметра делительной окружности вала-шестерни. Вал-шестерня находится в постоянном зацеплении с венцом солнечной шестерни -4, соотношение диаметров их делительных окружностей 1:2. При синхронной поочерёдной работе поршней сообщается вращение валу-шестерне, который обегая по внутреннему венцу солнечной шестерни, приводит во вращение кривошипный вал.

Автор хотел бы узнать мнение профессионалов по этому механизму?

Одно не вызывает сомнения, его работоспособность, применение механизма в насосах и компрессорах вопросов, по использованию механизма, вопросов не вызывает.

Вопрос: может ли он быть применён в двигателях внутреннего сгорания, есть мнение, что это не возможно, вследствие применения шестерённого зацепления? Будут ломаться зубья из-за возникающего удара во время воспламенения топлива.

Для изготовления механизма нужна серьёзная материально-техническая база, в кустарных условиях изготовить его не возможно. Вопрос другого порядка, кто попытается осуществить эту идею?

Найдутся ли энтузиасты, которые сумеют рассчитать и построить на базе этого изобретения реальную машину.

Ответ участников форума, с всесторонним обсуждением эскиза механизма:

1.(Gideon,desti,Хатуль_Мадан): даже, если удастся его построить, ресурс у него будет очень невелик.

2.qwerd: эскиз механизма, это только идея! Необходимо её развивать. Возможно этот механизм не такой уж и бесперспективный.

3.Magnitus,Toreador, Хатуль_Мадан: почему- то за рубежом не боятся заниматься экзотическими двигателями, а перспективы их не менее туманны!

4.Alex22, Хатуль_Мадан, georgy31, Вжик: обсуждение вопроса трения и К.П.Д. двигателя внутреннего сгорания. Если бы не повышенное трение и повышенный износ стенок цилиндров, не имело бы смысла вообще заниматься бесшатунными поршневыми машинами, кроме того никто не сказал не сказал о вращающем моменте! У бесшатунных он намного выше, чем у классических кривошипно-шатунных, поэтому при меньших габаритах, можно создать двигатели большей мощности.

5.Адепт: нет таких изобретений, у которых не было бы недостатков, законы механики изменить невозможно, выигрывая в чём-то одном, обязательно проиграешь в чём-то другом.

6.Georgy31: Об образованности, именно нашего человека, хотелось бы чтоб мы не потеряли этого достижения, но похоже талантливые инженеры, изобретатели пока не очень нужны.

Вопрос (Kompas): Как, же тогда работает двигатель Феликса Ванкеля, ведь там подобная конструкция, как и в предложенном механизме?

Ответ (Vladimir_V): Двухроторный Ванкель (однороторных не встречал) на выходе имеет неравномерный момент по обороту ротора, но не знакопеременный.

Еще о Ванкеле. Обратите внимание на его рабочий цикл: У него синхронно происходит "сжатие" в предыдущей камере и "рабочий ход" в последующей. Поэтому момент от "рабочего хода" к "сжатию" не передается через выходной вал, а только через тело самого ротора. В этой связи, даже в однороторном Ванкеле не будет возникать знакопеременный момент на зубчатом зацеплении. Будет только импульсный момент. Но рабочая сторона зубьев при обороте ротора остаётся неизменной т.к. нет разрыва потока мощности!

У 4-х тактного мотора с 4 цилиндрами не может не быть разрыва потока мощности. При любой компоновке цилиндров. В лучшем случае - при рядной компоновке есть замирания потока мощности в ноль (при мертвых точках) без его реверса. А при любых других вариантах - есть разрыв с реверсом. В рассматриваемом двигателе в четвертой фазе четверть оборота вала - нету ни одного "рабочего хода", тогда как "сжатие" - есть. В этот момент и будет реверс потока мощности, и зубья поменяют свою рабочую сторону.

Вопрос (Kompas): Vladimir_V Вы правы, но неужели нет выхода из данного положения!. Неужели ничего нельзя сделать?

Ответ (Vladimir_V):Радикальных методов нет.

Есть не радикальные. К примеру, для снижения неравномерности угла поворота в зубчатом зацеплении придумали косозубые шестерни. Все бы ничего, но такое зацепление порождает осевую нагрузку на валы. Это тоже ничего страшного не создает до тех пор, пока мы не получаем знакопеременный момент в зубчатом зацеплении. Он, к сожалению, порождает знакопеременное осевое нагружение валов, что в свою очередь, требует безлюфтовой (а вообще то, с небольшим преднатягом) осевой подвески валов - что тоже неприятно. (типовой пример такого подвеса - в любом легковом автомобиле с передним приводом и поперечной компоновкой мотора коробка дифференциала в подшипниках подвешивается с тарируемым при сборке КПП натягом - это все из-за косозубого зацепления в главной передаче Ведущий вал главной передачи как правило фиксируют в осевом направлении путем применения шарикоподшипника с разрезной внутренней обоймой)

Этот вопрос в передачах с переменой знака момента на одном обороте обычно решают применением шевронного зацепления. Это решает вопрос о разгрузке валов и их осевого подвеса, но сами шестерни шевронные - очень дорогие получаются.

Есть еще один метод - безлюфтовая пара встречно-косозубых шестерен с гидрокомпенсацией тангенциального зазора в зацеплении. Тоже не самый дешевый метод - но применяется.

Вопрос(Адепт):Поскольку количество зубьев ведомого колеса и шестерни отличаются ровно в 2 раза то это будет причиной повышенного износа и прочих неприятных последствий.

Вспомните правило предпочтительности при конструировании зубчатых зацеплений: не делать зацепления с точными кратными коэффициентами передачи, поскольку зацепление одних и тех же зубьев приведет к неравномерному износу, повышению шумности и вибрациям, а так же к увеличению потерь.

Ответ(Kompas):К сожалению, это не устранимый недостаток данного механизма. Надо думать, как устранить этот недостаток, или свести его к минимуму.

Вывод (Kompas): Прочитав и проанализировав, в меру своих знаний и способностей, все сообщения коллективного обсуждения изобретения РФ № 2107204, можно сделать следующиё вывод, по его использованию:

1.Может применяться в насосах и компрессорах, без особых изменений принципиальной схемы механизма.

2.Для двигателей внутреннего сгорания требуется доработка принципиальной схемы механизма, т.к. прямозубое эвольвентное зацепление не выдержит ударов по зубьям зацепления, возникающим через каждые 2 оборота вала, из-за возникающего разрыва потока мощности. Для устранения этого недостатка, необходимо, вместо прямозубого эвольвентного зацепления, применить шевронное.

Автор выражает благодарность всем участникам форума, принявшим участие в обсуждении предложенного механизма:

Desti, Хатуль_мадан,Faust, Vladimir_V, Gideon, Адепт, VShaclein, didye, qwerd, MMS, Вжик,james, georgy31, Червонец, magnitus, Toreador, Alex22, Stepanov, Starii.

Это новация в виде компиляции?

Добавлю тогда еще пару строк: недостатки обычного КШМ не столь велики, как обозначено адептами безшатунных машин. Обратите внимание, высокофорсированные моторы легковушек пробегают до капремонта по 200000-300000 км. К примеру - на моей хонде такой средний ресурс. А дефорсированные по литровой мощности моторы грузовиков и автобусов пробегают до 1 млн. км.

На самом деле - это очень большой ресурс. Настолько большой, что настоятельной потребности его повышать то и нету. Я не беру во внимание жигулевские моторы - тут проблема не конструкции, а технологии.

Низкий КПД обычных ДВС обусловлен не потерями в КШМ, а тепловыми потерями рабочего тела в конструкцию мотора. А этих потерь безшатунные машины не уменьшают.

Низкий КПД обычных ДВС обусловлен не потерями в КШМ, а тепловыми потерями рабочего тела в конструкцию мотора

Не согласен. Посмотрите трение скольжения. Потери на одном подшипнике скольжения до 20% (качения всего около 1-2%). КШМ это сплошь скольжения, включая сам поршень и его сочленения с шатуном (коэфициенты потерь как известно перемножаются). Безшатунная система может уменьшить потери. Увы, предлагаемая автором темы конструкция, не решает практически ничего и не видно переспективы в усовершенствовании. Есть зёрна, которые присутствуют и у других авторов, но " критической массы" для того, чтобы менять отработанную вековой историей конструкцию не наблюдается.

.... до 20 % ??? вы представляете себе о каких цифрах идет речь ?... как вы думаете что произойдет с подшипником скольжения дающим 20% потерь например в двигателе мощностью 150лс. ???? мягко говоря его "спаяет, намотает и тд и тп"...

и вообще откуда такие цифры ? по моему вы плохо себе представляете работу двигателя. в так называемых вами "подшипниках скольжения" на том же шатуне в парах трения металл-металл, присутствует еще и масляный клин. который в корне меняет работу этих самых подшипников скольжения.

и вообще откуда такие цифры ? по моему вы плохо себе представляете

На преодоление сил трения расходуется более 20% полезной работы, получаемой в цилиндрах двигателя. Основными парами трения в ДВС являются: поршневое кольцо - цилиндр; поршень - цилиндр; поршень - поршневой палец (или поршневой палец - подшипник верхней головки шатуна); шатунный подшипник - шатунная шейка коленчатого вала, коренная шейка коленчатого вала, кулачок ГРМ - толкатель (или рычаг) клапана, клапан ГРМ - втулка клапана, вал - подшипники компрессора и газовой турбины. Величина потерь на трение в этих парах распределяется следующим образом: поршневые кольца и поршень - цилиндры - около 67% общих потерь, подшипники коленчатого вала - коленчатый вал - около 25%, ГРМ - около 8%.

Наибольшие потери на трение возникают в деталях цилиндро-поршневой группы (ЦПГ). Они обусловлены особенностями их конструкции и функционирования в ДВС.-http://www.autolub.info/article/article_31.shtml

Уфа, диссертация, 1993 год. Загайко С.А.

Индикаторные показатели – характеризующие процессы в цилиндрах, зависят от многочисленных факторов, включая механические, температуру стенок цилиндров, обороты, режим работы и т.п. Механические показатели это потери.

Потери на трение - значительная часть работы, произведенной ДВС, следовательно экономически оправдано их снижение. (По разным источника по разному. Прим.) Примерно 25 – 30 % индикаторной работы ДВС затрачивается на механические потери.

Не согласен. Посмотрите трение скольжения. Потери на одном подшипнике скольжения до 20% (качения всего около 1-2%).

Тут Вы не правы. Наиболее нагружены в ДВС шейки коленвала - как коренные, так и шатунные. Но они смазываются под давлением. При смазке под давлением подшипник скольжения не уступает по КПД подшипникам качения. При масляном голодании ( к примеру, поломки масляного насоса или загрязнению каналов смазки) действительно становятся 20% потери и вкладыши этих подшипников в считанные секунды задирает и проворачивает.

С учетом количества подвижных сочленений в безшатунных машинах, не думаю, что у них потери на трение будут меньше, чем у обычного КШМ. Да и не в них лежит почти 40% потерь. Так что искать лучше в другом месте.

кулачок ГРМ - толкатель (или рычаг) клапана,

Это на морально устаревших моторах, типа Жигулей. У меня (Хонда-Интегра) там ролики на рокерах по кулачку распредвала катяться.

Это на морально устаревших моторах

Нет, это просто иной конструкторский подход. Они оба имеют право на существование и в настоящее время.

оба имеют право

А имеют ли?

Лампочки тоже бывают накаливания и люминисцентные. Теперь вот лампочки накаливания не имеют права на производство - запретили их. То же и с рокерами скольжения - пора запрещать....

Это на морально устаревших моторах, типа Жигулей.

Роликовые толкатели клапанов применялись задоооолго до появления жигулей. У них свои недостатки.

У них свои недостатки.

Не заметил таковых.

Не заметил таковых.

Все познаётся в сравнении и критерии сравнения многогранны. Великое множество ДВС неплохо и долго работают и без роликов в толкателях.

То же и с рокерами скольжения - пора запрещать....

Вы субъективны, "ИМХО" добавить неплохо было б!

Вот пример реальной машины

безшатунный (свободнопоршневой)компрессор ДК2-3М

Уникальные характеристики у него расход 8 л дизтоплива в час приэтом выдает 250 м3 воздуха сжатого до 300 кг.см2

Один минус очень дорогой

Мне повезло купил у дедушки бывшего подводника из гаража за дешево.

Обычный компрессор или винтовой сожрет раз в 10 больше топлива.

Не заметил таковых.

Конструктора, что головку компоновали, наверняка заметили. Что, впрочем, оффтоп. (шепотом) На жигуль тоже пробовали ставить роликовые толкатели. Кончалось это плохо.

Компрессор свободнопоршневой дело хорошее - осталось научить его преобразовывать химическую энергию топлива в механическую.

Не согласен. Посмотрите трение скольжения. Потери на одном подшипнике скольжения до 20% (качения всего около 1-2%).

 

Тут Вы не правы. Наиболее нагружены в ДВС шейки коленвала - как коренные, так и шатунные.

Наверно я не точно обозначил, что имелись в виду пары трения, а судя по инету до 20% здесь:

Величина потерь на трение в этих парах распределяется следующим образом: поршневые кольца и поршень - цилиндры - около 67% общих потерь,

Кину еще свои три копейки в зубчатую передачу в безшатуннике.

Поскольку количество зубьев ведомого колеса и шестерни отличаются ровно в 2 раза то это будет причиной повышенного износа и прочих неприятных последствий.

Вспомните правило предпочтительности при конструировании зубчатых зацеплений: не делать зацепления с точными кратными коэффициентами передачи, поскольку зацепление одних и тех же зубьев приведет к неравномерному износу, повышению шумности и вибрациям, а так же к увеличению потерь.

Уважаемый, Адепт!. К сожаленью Ваше замечание по бесшатунному механизму имеет место быть.

Это неустранимый недостаток принципиальной схемы механизма. Надо думать как его уменьшить или свести на нет.

С уважением Kompas.

Попадалось ещё (сейчас быстро найти не получается) такая схема:

Колесо диаметром d катится внутри колеса диаметром 2d. При этом любая точка на образующей малого колеса совершает возвратно-поступательные движения.

Свиду всё красиво, но ни одной действующей модели, одни эскизы.

В чём здесь засада?

в реализации механизма передачи вращения от колеса к колесу.

Интересный шаровой, поршневой двигатель.

Вот второй вариант бесшатунного двигателя.

Попытался сделать мультипликацию рассмотренного механизма бесшатунной поршневой машины: http://www.chipmaker...iles/file/7746/