Новейшая отечественная разработкаИстория развития бесшатунных поршневых двигателей предложенных С.Баландиным, берет начало в тридцатых-сороковых годах прошлого века, когда в конструкторском бюро, где работал автор, были разработаны и построены несколько типов авиационных двигателей с необычным, отличным от кривошипно-шатунного, силовым механизмом.
Рис. 1
Кинематическая схема обращенного эллипсографа
Рис. 2
Силы, действующие в силовом механизме при одном ползуне
Базой для начала проектирования двигателя послужила известная кинематическая схема обращенного эллипсографа (рис.1), траектория движения точек которого описывается уравнением эллипса:
Где r - радиус начальной окружности, а d - координата произвольной точки m.
Все точки, лежащие на прямой А В, описывают эллипсы, точка С - окружность (как частный случай эллипса), точки же А и В, как лежащие на поверхности Д, совершают возвратно-поступательное движение в пределах 4r. Дуга окружности Д без скольжения обкатывается по дуге Е вдвое большего диаметра. Привязав к точкам, лежащим произвольно на поверхности Д (например к точкам А и В), крейцкопфы со штоками и поршнями, а к точке С - выходной вал, получаем бесшатунный механизм, имеющий одну избыточную кинематическую связь. Т.е. для обеспечения прямолинейности траекторий точек А и В, соединенных между собой и с точкой С кривошипа ОС жестким звеном АСВ, достаточно иметь направляющие только у одной точки А или В (рис.2). Но такая схема неприемлема по условиям распределения действующих в механизме сил. Если установить направляющую только в точке А, то по мере приближения угла φ к 90° и 270° составляющие, приложенные к точке А силы P - боковая сила N= P·tg φ и направленная вдоль оси АС сила S=P/cos φ - неограниченно возрастают, стремясь к бесконечности. Поэтому введение в кинематическую схему второй направляющей отвечает условиям работоспособности механизма.
Высказанное выше обоснование принадлежит самому С. Баландину, оно в конечном итоге и определило всю эволюцию развития бесшатунных двигателей первого поколения. Все построенные образцы (в том числе и автором) основывались на схеме с одной избыточной кинематической связью.
Предложенный С.Баландиным силовой механизм бесшатунного двигателя казалось, быстро потеснит двигатели классической компоновки, и машиностроительные предприятия, используя наработки авиационной промышленности, смогут запустить его в серийное производство без особых проблем. К тому времени авиация прочно освоила газовые турбины, и поршневые двигатели ее перестали интересовать.
Вот тут и выяснилось, что для общего машиностроения слишом дорогой ценой обеспечиваются те технологии, которые доступны авиационной промышленности. Встал вопрос об изменении конструкции двигателя под существующие возможности действующих предприятий. При кажущейся простоте механизм содержал неотработанные кинематические связи, а в применении к тепловым машинам они были слабо изучены и поэтому их возможности плохо прогнозировались. Всего одна избыточная кинематическая связь в таком сложном механизме как ДВС ставила под сомнение всю его дальнейшую работоспособность. Тем более не было понимания того, как от этой связи избавиться, синхронизирующий механизм о котором идет речь, являлся неотъемлемой частью самого двигателя. Сегодня, спустя шестьдесят лет с момента появления первого бесшатунного двигателя можно уверенно сказать (лучше поздно,чем никогда), что эта проблема полностью решена.
Рис. 3
Кинематическая схема бесшатунного двигателя С.Баландина с перекрещивающимися осями:1,2,3,4 -поршни; 5,6 - штоковые подшипники; 7,8-консольный вал; 9,10,11,12 - шестерни синхронизирующего механизма; 13-коленчатый вал; А,В,С,Д- подвижные опоры.
На рис.3 изображена типовая кинематическая схема бесшатунного двигателя С.Баландина. Хорошо видно, что всего один планетарно вращающийся вал заменяет в силовом механизме все шатуны. Вал установлен между двумя консольными вращающимися опорами, которые в свою очередь соединены между собой шестеренчатым механизмом. Это и есть универсальный механизм связи поршней, предложенный С.Баландиным и обеспечивший в построенных образцах: малые габариты и вес, высокую оборотность, рациональный двухсторонний рабочий процесс в цилиндрах, эффективную систему охлаждения поршней и наконец, высокий механический КПД, величина которого на некоторых режимах работы двигателя достигала 94 % (в обычных ДВС около 85%).
С выходом в свет книги С.Баландина “Бесшатунные ДВС” 1968 и 1972 г. изданий многочисленными коллективами инженеров и рядом заводов (таких как “Дагдизель”, СКБ “Серп и Молот” и т.д.) начали предприниматься попытки построить двигатель, скопировав его в первоначальном, или даже в усовершенствованном вариантах. Процесс проектирования и изготовления проводился, как правило, на основе расчетов и методик, предложенных автором. Вопреки ожиданиям, у большинства построенных образцов при первых оборотах вала происходило заклинивание силового механизма в корпусе двигателя в результате задира поршней о зеркало цилиндров. Те, кто сумел спроектировать и построить работоспособный двигатель, обнаруживали в нем интенсивный износ и выкрашивание крейцкопфных направляющих (питтинг). Все попытки бороться с этим явлением не приносили успеха. Живучесть силового механизма определялась несколькими часами работы.
Постоянные неудачи сформировали в научной и конструкторской среде негативное отношение к самой идее создания бесшатунного двигателя этого типа. Выяснилось, что никто кроме самого С.Баландина так и не смог построить работоспособную конструкцию. По признанию же самого автора, каждый четвертый двигатель, вышедший в свое время из стен его КБ, выходил из строя из-за указанных выше неполадок.
Оглядываясь на классический кривошипно-шатунный механизм обычного (тронкового) двигателя, замечаем, что при всех своих недостатках он обладает высокой надежностью. Его длительная работоспособность определяется тем, что каждая, отдельно взятая деталь этого двигателя испытывает симметричное нагружение. Этому способствует и жесткое крепление коленчатого вала в подшипниковых опорах, стоящих по обе стороны от шатунов. Чего не скажешь о двигателе С.Баландина (рис.3), в котором каждый поршень (1-4) через штоковую (шатунную) шейку (5,6) опирается одной стороной на скользящий крейцкопф (А,В или С,Д), а другой стороной на подверженный изгибу консольный вал (7,8). Соответственно 50% нагрузки от газовых сил приходится на крейцкопфную опору (под ней находится остов двигателя), а остальные 50%, воспринимаются “упругим элементом” - какая уж тут надежность.
В сверхмощных двигателях С.Баландина эта проблема была частично решена путем размещения концевых шеек планетарного вала внутри подшипников большого диаметра, при этом окружные скорости сопрягаемых наружных поверхностей подшипников увеличивались втрое.
Следующей нерешенной проблемой оставалась система подачи масла к трущимся поверхностям подшипников бесшатунного двигателя. Так, если концевые подшипники консольных опор А и Д работают в условиях гидродинамической жидкостной смазки, то создать аналогичные условий работы крейцкопфам В и С которые за один оборот вала дважды останавливаются невозможно, такие подшипники могут работать только как гидростатические опоры т.е. на них распространяется совсем другая теория смазки, она не создает гидродинамического масляного клина между сопрягаемыми плоскостями и ей необходимо отслеживать непрерывно изменяются условия поддержания крейцкопфа над опорными поверхностями. Сказанное лишь разъясняет, что для смазки одной детали- вала, используются принципиально разные системы смазки. Что не есть хорошо. И если это препятствие и не удастся обойти, то необходимо подшипники, принадлежащие общему валу и выполняющие одни и те же функции сделать хотя бы однотипными.
Основная же причина того, что применение рассматриваемой кинематической схемы не получило практической реализации, состоит в том, что она сложнее обычного кривошипно-шатунного механизма. В силовом механизме, помимо основных элементов, используются дополнительные синхронизирующие валы, связанные с основным валом шестернями. Большое количество сопрягаемых элементов требует высокого технологического уровня их изготовления. Соединенные последовательно, шестерни синхронизирующего механизма (9-12) образуют длинную размерную цепь. Значение ее суммарного допуска должно быть меньше величины диаметрального зазораодного из крайних подшипников планетарного вала, иначе невозможно обеспечить его правой и левой половине синхронного вращения. Уложиться же в этот допуск технологически сложно (об этом и шла речь в начале статьи).
Следующий раздел посвящен силовым механизмам нового поколения, где на смену «синхронизирующему механизму» приходят «синхронизирующие шейки», позволяющие в бесшатунном двигателе отказаться от избыточной кинематической связи, поставившей фактически крест на этом направлении.
Рис. 4
Новая кинематическая схема двигателя с перекрещивающимися осями и характер воздействия газовых сил на опорные крейцкопфы:
Р - сила давления газов; N - боковая сила; S - сила направленная вдоль оси АСВ; 1,2,3,4 - поршень; 5,6 - рабочий крейцкопф; 7,8 - синхронизирующий крейцкопф; I, II - синхронизирующая шейка; α - расстояние между центрами соседних шеек коленчатого вала; А,В,А’,В’- опоры.
Как видно из рис. 4 в схеме уже отсутствует ставший привычным механизм синхронизации, вместо него у планетарно вращающегося коленчатого вала появились собственные планетарные опоры способные выполнять те же функции, что и обычные подшипники для вращающихся валов. Расположенные по краям вала они способны обеспечить всем его точкам синхронное орбитальное вращение по заданной траектории. Для этого к рассмотренному планетарному валу конструкции С.Баландина надо добавить две дополнительные шейки (I и II, см. рис.4) с одновременным отказом от избыточной кинематической связи в точке С (точки, ранее жестко связанной с выходным валом) и исключением, а не выбрасыванием, ее из силовой схемы бесшатунного механизма. Под дополнительные шейки вала устанавливаются две новые, зеркально расположенные к А и В крейцкопфные направляющие А’ и В’. Теперь каждый рабочий поршень получает по две идентичные подвижные опоры, расположенные от него на равном расстоянии справа и слева. Одна из опор (А, В) может нести на себе смежный рабочий поршень, другая (А’, В’) предотвращает перекосы планетарного вала и обеспечивает его синхронизацию. Такая компоновка позволяет отказаться от механизма синхронизации, состоящего из соединительного вала и набора шестерен т. к. полная синхронизация вала обеспечивается его собственной конструкцией.
Во вновь скомпонованном бесшатунном двигателе планетарно вращающийся вал, объединяющий поршни, как и прежде, содержит рабочие шейки, связанные со штоками поршней, которые всегда движутся прямолинейно. На теле такого вала остаются оси, перемещающиеся по круговой орбите (в первом приближении это окружности) поэтому их легче всего связать с валом отбора мощности, например поводковым механизмом. Если к такому валу, содержащему рабочие шейки и шейки отбора мощности добавить дополнительно две шейки (I, II) назовем их “синхронизирующими”, то каждая рабочая шейка в паре с синхронизирующей образует одну планетарную опору, а две пары опор - полноопорный вал (9) с двумя степенями свободы, вращением вокруг собственной оси и, одновременно, планетарным вращением. Тогда характер нагружения вала становится всегда симметричным, а сам коленчатый вал получает возможность самоустанавливаться в опорах. При этом каждая планетарная опора выполнена с возможностью придания смежным опорным шейкам возвратно-поступательного движения в пересекающихся направлениях. Это и обеспечивает устойчивость планетарного вала в любой точке его орбитального обращения.
В качестве примера на рис.4 также изображена схема силового воздействия газов (Р) на поршни двигателя и характер нагружения подшипниковых опор. Поршни со штоками 1 и 3 в качестве опоры используют крейцкопф 6 от поршней 2 и 4, и синхронизирующий крейцкопф 7. Поршни 2 и 4 для опоры используют крейцкопфы 5 и 8, из них крейцкопф 8 является синхронизирующим. В результате, в момент воспламенения горючей смеси в любом из четырех цилиндров двигателя равноотстоящие от рабочего поршня крейцкопфы 6 и 7 или 5 и 8 нагружаются равными долями. При такой компоновке концевые шейки планетарного вала полностью выводятся из зоны действия газовых сил и передают валу отбора мощности, не входящему в силовую схему механизма, только крутящий момент.
Приведем еще несколько примеров, поясняющих принципы симметрии, в приложении к рассматриваемым бесшатунным силовым механизмам.
Рис. 5
Схема оппозитного бесшатунного двигателя:
1,2,3,4- поршни; 5- коленчатый вал; 6,7- противовесы; 8,9- вал(ы) отбора мощности; 10,11- рабочие крейцкопфы; 12,13,14- синхронизирующие крейцкопфы; I, II, III - синхронизирующие шейки.
Лучший образец - кинематическая схема оппозитного бесшатунного двигателя (рис.5). В отличие от крестообразно скомпонованных четырехцилиндровых двигателей (рис.4) чередование между рабочими тактами здесь происходит равномерно, через 180° по углу поворота коленчатого вала. Конструкция силового механизма включает:четыре рабочих поршня со штоками (1-4), два рабочих крейцкопфа (10,11), три синхронизирующих крейцкопфа (12.13,14). Названные элементы объединены общим коленчатым валом (5) и располагаются на его пяти шейках. Шестая и седьмая шейки вала (5) предназначены для установки противовесов (6,7) и передачи крутящего момента валу отбора мощности (8 или 9). Из рис.5 видно, что у каждого рабочего поршня, по обе стороны и на равных расстояниях, располагаются синхронизирующие крейцкопфы (12,13,14). В оппозитном двигателе они выполняют следующие функции:
- Совместно с рабочими крейцкопфами обеспечивают синхронизацию коленчатого вала.
- Воспринимают на себя основную нагрузку от газовых сил, отделяя крейцкопфы рабочих цилиндров от “ударного” нагружения в момент воспламенения горючих газов в соседних цилиндрах.
- Выполняют функции противовесов для уравновешивания всех масс.
Рассмотренный механизм обладает широкими кинематическими возможностями, он прекрасно уравновешивается. И это единственный тип бесшатунного двигателя, в котором ползуны синхронизирующих крейцкопфов могут быть заменены альтернативными им шатунными группами (рис.6).
Рис. 6
Рычажно-кулисная схема оппозитного бесшатунного двигателя:
1,2,3,4-поршни; 5,6- рабочие крейцкопфы; 7,8,9- шатуны; 10- коленчатый вал; I, II, III -синхронизирующие шейки.
В этом случае достаточным условием для обеспечения синхронизации вала (10) будет полное совмещение дублирующих друг друга кинематических пар при их проецировании на плоскость ХОУ. Здесь, как и в предыдущем примере, рабочие крейцкопфы (5,6), принадлежащие поршням (1-4), движутся прямолинейно. Шатуны же (7,8,9) синхронизирующих шеек (I, II, III) имеют общую ось качания. Доводочные работы по реализации разобранной кинематической схемы могут быть существенно сокращены, в основном за счет максимальной ее унификации с элементной базой тронковых ДВС. В общем же случае, все кинематические схемы подчиняются одному правилу: к любому, наперед заданному количеству рабочих шеек надо добавлять по концам вала, как минимум, две синхронизирующие. В этом правиле есть одно исключение - кинематическая схема, в которой все рабочие шейки одновременно являются и синхронизирующими (рис.7).
Рис. 7
Схема бесшатунного двигателя со спаренными крейцкопфами:
1,2,3,4- поршни; 5- коленчатый вал; 6,7- противовесы; 8,9- вал(ы) отбора мощности; 10,11,12- рабочие синхронизирующие крейцкопфы, 13,14- спарники.
Коленчатый вал (10) составляется всего из пяти шеек. Две крайние шейки вала предназначены для передачи крутящего момента и установки на них противовесов (6,7). Остальные шейки заполнены крейцкопфами (10,11,12). Крейцкопфы 11 и 12 замкнуты между собой спарниками (13,14), на них устанавливаются поршни 1 и 2. Центральная шейка вала с крейцкопфом 10 связана штоками с другой парой поршней (3,4). Траектории комплектов поршней 1,2 и 3,4 пересекаются. На период рабочего хода поршень 3 (или 4) в связке с крейцкопфом 10 опирается на крейцкопфы 11 и 12 которые на этот момент выполняют функции синхронизирующих. При совершении рабочего хода 1 (или 2) поршнем совместно с теперь уже рабочими крейцкопфами 11 и 12 опорный крейцкопф 10 становится синхронизирующим. И так по кругу до бесконечности. Плоскость действия газовых сил в таком механизме будет всегда замыкаться тремя центральными шейками вала.
Такое конструктивное решение позволяет располагать четыре рабочих цилиндра в одной плоскости при минимальной длине и максимальной жесткости коленчатого вала. Общее количество пар трения в двигателе по сравнению с тронковым ДВС снижается в два - три раза !!! Здесь, как и в предыдущих переработанных схемах, коленчатый вал отвечает всем необходимым условиям симметричного нагружения (подробнее см. в отраслевом журнале “Двигателестроение” №3 за 1998г. и №1 за 2000г.).
Изложенное описание претендует лишь на звание краткого путеводителя тому, кто интересуется бесшатунными двигателями, и хотел бы попробовать свои силы в этом направлении. И хотя в нем отсутствуют “различные подробности”, без которых построить работающую машину практически невозможно, приведенный выше анализ поможет избежать явных ошибок, потерянного времени и средств.
И в заключении перечислим основные преимущества, которыми располагают бесшатунные ДВС:
- Компоновка бесшатунного двигателя позволяет значительно сократить объем моторного отсека за счет рационального расположения узлов и деталей двигателя.
- Взаимное сочетание газовых сил и сил инерции приводит к значительному уменьшению результирующих сил, нагружающих кинематические звенья, что позволяет увеличить механический КПД двигателя.
- Двигатель частично или полностью освобождается от вращающегося маховика, т.к. движущиеся массы поршней с крейцкопфами представляют собой единый поступательно движущийся маховик.
- В бесшатунном двигателе, чем больше масса поршней со штоками и крейцкопфами, тем и чем выше обороты двигателя (в известных пределах), тем меньше нагрузка на подшипники, в тронковом двигателе - наоборот.
- Количество функций, возложенных на рабочие поршни уменьшается, (поршни перестают быть парами трения), соответственно надежность их работы увеличивается.
- Допускается возможность организации рабочего процесса в двигателе по обе стороны рабочего поршня или использования подпоршневого пространства для компрессорного наддува.
- Появляется возможность улучшения системы охлаждения поршней - прокачиванием масла через поршневые штоки и поршни для их эффективного охлаждения.
- Становится возможным для прямолинейно движущихся поршней применитьлабиринтный вид уплотнений с полным или частичным отказом от поршневых колец.
К сказанному следует добавить что, как и любая поршневая машина, бесшатунный двигатель обладает целым рядом ограничений, препятствующих росту в нем числа оборотов. Это и газораспределение, с возникающими в нем значительными силами инерции от возвратно - поступательного движения клапанов; и большое сопротивление газовоздушного тракта, ограничивающего наполнение рабочих объемов двигателя горючей смесью; и теплонапряженность, постоянно грозящая двигателю перегревом, а в дизельной комплектации существуют еще и ограничения связанные с топливоподводящей аппаратурой. Зато …
