Бесшатунный двигатель своими руками

Баландин, Сергей Степанович

Сергей Степанович Баландин
Дата рождения 4 июля 1907 ( 1907-07-04 )
Место рождения деревня Заборная, Краснокамский район, Молотовская область, Российская империя
Дата смерти 12 сентября 1992 ( 1992-09-12 ) (85 лет)
Место смерти Москва, Россия
Страна Российская империя , СССР
Научная сфера механика, авиационная техника
Известен как Создатель авиационных двигателей внутреннего сгорания бесшатунной схемы

Серге́й Степа́нович Бала́ндин (4 июля 1907, дер. Заборная Краснокамского района Молотовской области — 12 сентября 1992, Москва) — советский конструктор авиационных двигателей бесшатунной схемы.

Содержание

  • 1 Биография
  • 2 Разработки
  • 3 Награды
  • 4 Библиография
  • 5 Источники

Биография [ править | править код ]

Сергей Степанович Баландин является конструктором поршневых авиационных двигателей необычной бесшатунной схемы, разрабатывавшихся в СССР в 1930—1940-х годах. Генерал-майор авиации. Удачное применение элипсографического принципа вместе с отсутствием шатунов и их антиподов противовесов на коленчатом валу, позволяло создавать достаточно компактные и теоретически идеально сбалансированные двигатели внутреннего сгорания.

Разработки [ править | править код ]

В период с 1937 по 1951 годы были разработаны и опробованы несколько модификаций двигателей — от простого экспериментального четырёхцилиндрового двигателя (ОМБ, 80–140 л. с.) до восьмицилиндрового двигателя двойного действия (ОМ127-РНб 3200 л. с.).

Также были сконструированы двигатели с гораздо большими мощностями (10 000 — 14 000 л. с.), но так и не доведённые до серийного производства в связи с появлением реактивных и турбореактивных двигателей, а также сложностью схемы, предложенной Баландиным.

Интерес к двигателям бесшатунной схемы остаётся и сегодня, и время от времени в прессе появляются заметки о новых решениях, устраняющих недостатки одной из модификаций БСМ, описанных Сергеем Степановичем Баландиным на страницах его книги «Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания», увидевшей свет в двух редакциях, в 1968 и 1972 годах соответственно.

Некоторые [ кто? ] убеждены, что в настоящее время ещё одним препятствием продвижению бесшатунных двигателей на рынок является явное или скрытое сопротивление производителей двигателей традиционной кривошипно-шатунной схемы и деталей к ним.

Награды [ править | править код ]

Правительство СССР высоко оценило трудовые заслуги С. С. Баландина, наградив его орденами и медалями.

Без шатунов

Десятилетиями моторостроители стремились создать конструкцию д.в.с. без возвратно-поступательного движения – вроде роторно-поршневого двигателя Ванкеля. Или же сибирский роторный («Сибирский роторный», «Турбо», 2003, №10), где вместо поршней и вовсе лопасти…

Однако со временем пришло понимание, что дело не в возвратно-поступательном перемещении поршней [На самом деле поршни, возвратно-поступательно движущиеся в цилиндрах, не так уж и плохи: они образуют камеру сгорания довольно приличной конфигурации. Полусферическую, шатровую – с высоким термическим к.п.д. В отличие от никуда не годной серповидной у двигателя Ванкеля, которая и погубила блестящую, на первый взгляд, идею.] , а в недостатках древнего кривошипно-шатунного механизма. Надо каким-то образом избавляться от шатунов: наклоняясь к оси цилиндра, шатун создает мощную силу, прижимающую поршень к зеркалу (см. «Долгий путь к себе», «Турбо», 2002, №9). Немалые потери трения и износ – на ровном, как говорится, месте.

Проекты бесшатунных д.в.с. известны много десятков лет – знаменитый двигатель Баландина и др. К сожалению, ни один не прижился в моторостроении – и не просто так; сложная и малонадежная конструкция всякий раз оказывалась неработоспособной в реальном времени. Что ж, конструкторская мысль не стоит на месте: познакомьтесь с проектом австралийских новаторов – под названием Revetec.

Принципиальная схема двигателя: ролики на штоках раздвигают 3-вершинные кулачки и заставляют их проворачиваться. И наоборот

Новый д.в.с. обходится не только без шатунов, но и без коленчатого вала; урезАть так урезать. Как видно, противолежащие поршни соединены штоком (не шатун, поскольку не качается, не наклоняется), а между ними размещен вал с 3-вершинными кулачками. Вернее, 2 соосных вала, вращающихся навстречу друг другу, – в том-то и прикол. Ролики на штоке работают по кулачкам и заставляют их проворачиваться; у Revetec оригинальный механизм называют Trilobe.

В принципе для работы двигателя достаточно одного-единственного вала, но тогда возникают все те же крайне неприятные боковые силы. А когда кулачков 2 – и они действуют в режиме контрротации, — то боковые силы как раз взаимно нейтрализуются. Чем-то напоминает 2-шатунную конструкцию Р. Бейндла (см. «Дизелек» — «Турбо», 2008, №3), хотя вместо 2-х параллельных коленвалов у Revetec 2 соосных – и без колен.

Читать еще:  Все схемы антигравитационных двигателей
Ранняя конструкция с пространственными штоками, соединяющими противолежащие поршни

Представьте, работает. А поршни скользят в цилиндрах без трения! Австралийцы демонстрируют один агрегат за другим; последняя модель под обозначением X4v2 построена по «крестообразной» схеме. Здесь 4 поршня и 2 штока; ролики взаимодействуют с 4-я кулачками. При диаметре цилиндров и ходе поршней 108 х 65 мм («ультракороткоходная» архитектура) рабочий объем «четверки» равен 2382 миллилитрам. Главная сложность – в синхронизации контрвращения 2-х валов; приходится применять вспомогательные валы с зубчатыми парами. Тут не исключены вибрации и шум; впрочем, известны и другие способы согласования валов.

У X4v2 двойное зажигание (по 2 свечи на цилиндр) и простенький ГРМ со штангами и коромыслами: 2-клапанные головки цилиндров. По сведениям от Revetec, со степенью сжатия 9,5 бесшатунный двигатель развивает на стенде до 94 л.с. при 3600 мин -1 , наибольший крутящий момент – 202 Нм при 3 тыс. оборотов. Неплохо, а с 4-клапанным ГРМ тщательно доведенный двигатель покажет, наверное, гораздо большую отдачу, – скажем, 225 л.с. где-нибудь при 6500 мин -1 .

Продвинутая «крестообразная» конструкция с плоскими штоками

Поскольку кулачки 3-вершинные, то валы делают один оборот на 6 ходов поршней (в одну сторону). Небыстро, и скорость качения роликов по рабочим поверхностям кулачков, по-видимому, не слишком высока. Создатели бесшатунного двигателя подчеркивают его дополнительное преимущество: профиль кулачков задается более или менее свободно, и его нетрудно подобрать так, чтобы на рабочем ходе наивысшее давление газов приходилось на сравнительно круто спадающий участок. То, что специалисты называют leverage – плечо рычага. От плеча опять же зависят потери трения; судя по всему, у Revetec механический к.п.д. в общем и целом выше, чем у обычных поршневых двигателей. Что и требовалось доказать.

Плоские штоки (крестом) гораздо компактней

Вообще-то «крестообразный» X4v2 задуман для легкой авиации; отсюда кое-какие особенности его конструкции. Вместе с тем новаторы настаивают на его полной пригодности для автотранспорта, а для наглядности смонтировали бесшатунный мотор на шасси 3-колки. Якобы гоняет безо всяких, хоть и не аэроплан. Самодел X4v2 тянет на 130+ кг, но по оценкам его создателей, вес промышленного изделия нетрудно сократить килограммов до 105. Его габариты – 740х550х460 мм; вроде компактный агрегат. Принцип Revetec одинаково пригоден для двигателей с искровым зажиганием – и для дизелей. Для 4-тактного цикла – и для 2-тактного. Нет вопросов; интересно, а что скажут автомобилестроители?

Двигатель Баландина

Традиционный кривошипно-шатунный механизм поршневых двигателей внутреннего сгорания при работе создает боковое усилие на стенку цилиндра. Чтобы предупредить связанный с этим повышенный износ поршней, приходится придавать им конусную форму, а их юбкам эллипсность. Кроме того, боковая нагрузка на стенку цилиндра увеличивает потери на трение, то есть приводит к уменьшению механического КПД двигателя. Исключить ее можно, применив такой механизм, в котором шатун двигался бы только возвратно-поступательно, не совершая угловых качаний относительно поршневого пальца.
К реализации этой идеи приступил С. Баландин. Он предложил применить сначала для паровой машины, а затем поршневого авиационного двигателя «точное прямило» — механизм, давно известный в теории механизмов и машин. Каков же его принцип действия?

Рис. 1. Частный случай гипоциклоиды.
при обкатке одной окружности внутри другой, имеющей вдвое больший радиус, точки А и В малой окружности перемещаются по взаимно перпендикулярным прямым.

Если катить без скольжения внутри большой окружности малую, то любая точка последней опишет за один цикл взаимных перемещений звездообразную криволинейную фигуру — гипоциклоиду. При соотношении диаметров окружностей 1 : 2 фигура превращается в две взаимно перпендикулярные прямые линии. Это явление было известно еще Копернику. Приложить созданный на его основе механизм к двигателю внутреннего сгорания пытались в 1908 году Бюрль во Франции и Бухерер в Германии, но неудачно.

Рис. 2. Принцип гипоциклического перемещения точек окружности в приложении к механизму, преобразующему возвратно — поступательное движение поршней во вращательное (обозначения точек те же, что на предыдущем рис.).

Читать еще:  Датчик оборотов двигателя 4д56

Рис. 3. Кинематическая схема бесшатунного двигателя.
Баландин, всесторонне исследовав проблему, нашел свое решение. Оно базировалось на частном принципе гипоциклического движения. Схема взаимного перемещения элементов предложенного им механизма (кинематическая схема) была применена в бесшатунном двигателе.
Инженерное воплощение эти изобретения получили в опытном двигателе ОМБ, где были использованы цилиндры, их головки и поршни от пятицилиндрового авиационного мотора М—НА. По сравнению с ним звездообразный четырехцилиндровый бесшатунный двигатель мощнее на 33% и на 84% меньше в площади поперечного сечения. Но самый главный результат — благодаря сокращению потерь на трение между поршнем и цилиндром механический КПД повысился с 0,86 до 0,95, вырос моторесурс. С применением бесшатунного механизма цилиндро-поршневая группа перестала лимитировать надежность и долговечность мотора.

Рис. 4. Принципиальное устройство бесшатунного двигателя:
1 — поршневой шток
2 — коленчатый вал
3 — подшипник кривошипа
4 — кривошип
5 — вал отбора мощности
6 — поршень
7 — ползун штока
8 — цилиндр

После завершения экспериментов с ОМБ был построен и испытан ряд других опытных двигателей, работавших по принципиально той же схеме. В них функции шатунов выполняют поршневые штоки 1, жестко (а не через поршневые пальцы) связанные с поршнями 6 и, подобно шатунам, охватывающие шейки коленчатого вала 2. На каждом штоке по обеим сторонам подшипника выполнены ползуны (для упрощения на рисунках не показаны), которые скользят по направляющим в картере, полностью разгружая поршень и цилиндр от боковых усилий. В результате поршень превращается просто в обойму для поршневых колец, которые герметизируют стык «поршень — цилиндр». Поэтому допуски на размеры поршня могут быть менее жесткими.
На рисунке показана четырехцилиндровая секция бесшатунного двигателя, но возможны конструкций с восемью цилиндрами, двенадцатью, шестнадцатью и т. д. Угол между цилиндрами 8 из-за особенностей кинематической схемы допустим любой, кроме 0 и 180°, так как невозможно получить конструкции, где цилиндры расположены в один ряд или оппозитно. Во всяком случае, нет препятствий для создания низкого компактного мотора с крестообразным, Х-образным или V-образным расположением цилиндров.
Коленчатый вал 2 бесшатунного двигателя вращается на подшипниках 3, смонтированных в кривошипах 4. Они через зубчатые венцы на их щеках передают крутящий момент на шестерни так называемого синхронизирующего вала 5, который может служить и для съема мощности.

Рис. 5. Компоновка бесшатунного двигателя одинарного действия
1 — поршневой шток
2 — коленчатый вал
3 — подшипник кривошипа
4 — кривошип
5 — вал отбора мощности
6 — поршень
7 — ползун штока
8 — цилиндр

Типичная компоновка четырехцилиндрового бесшатунного двигателя одинарного действия приведена на рис. Здесь можно видеть ползуны 7 штока, выполненные заодно со штоком. 1 поршни 6.

Рис. 6. Компоновка цилиндра бесшатунного двигателя двойного действия

Отсутствие угловых колебаний штока относительно поршня открывает возможность создания двигателя двойного действия. В этом случае рабочий процесс идет по обе стороны поршня, что позволяет снять почти вдвое большую мощность.

Рис. 7. Сравнение поперечного габарита двигателей двойного действия — обычного и бесшатунного (выделен красным), слева при одинаковых диаметре цилиндра и ходе поршня, справа — при одинаковой мощности.

Кстати, для того чтобы создать возможность для двустороннего рабочего процесса, в поршневых паровых машинах и судовых двигателях внутреннего сгорания применяют так называемый крейцкопфный кривошипно-шатунный механизм. Однако при такой конструкции резко увеличиваются габарит и масса двигателя. Сопоставление поперечного габарита V-образных поршневых двигателей внутреннего сгорания двойного действия крейцкопфного и бесшатунного типа показывает значительные преимущества последнего.
Последний из опытных бесшатунных двигателей С. Баландина, восьмицилиндровый ОМ—127РН двойного действия развивал мощность 3500 л. с. (2576 кВт). Он имел систему впрыска топлива и турбонаддув.
Удельные параметры ОМ—127РН: мощность — 146 л. с/л, расход топлива при максимальной мощности — 200 г/л.с. в час, масса — 0,6 кг/л. с.
Суммируя достоинства бесшатунного двигателя, можно отметить, что по сравнению с рядом поршневых двигателей внутреннего сгорания и газовыми турбинами он компактнее, менее металлоемок. Для изготовления многих его деталей пригодны действующие технология и оборудование моторостроительных производств в автомобильной промышленности.
Все эксперименты и исследования по бесшатунным двигателям велись в свое время специалистами авиамоторостроения. Серийно для нужд авиации он, однако, не выпускался, поскольку пригоден только для винтовых машин, время которых прошло. Развитие же идей С. Баландина применительно к автомобильным двигателям представляет интерес. Так, на одном из наших автомобильных заводов группой конструкторов под руководством Р. Розова был разработан проект бесшатунного двигателя с Х-обравным расположением цилиндров. Ближайшее будущее, видимо, покажет, насколько реальны перспективы применения бесшатунного двигателя на автомобиле в условиях массового производства.

Читать еще:  2 тактные двигатели рабочая температура

С. Баландин работал в авиационной промышленности, спроектировал и построил несколько образцов авиамоторов по бесшатунной схеме, и эти работы были долгое время (до конца шестидесятых) засекречены. Информации об этих двигателях немного до сих пор. Некоторые сохранились до наших дней в качестве экспонатов музея авиационной техники, что в подмосковном городе Монино. В свое время эти разработки окружала завеса секретности, и с тех пор немалая часть техдокументации, отчетов об испытаниях, переписки либо уничтожена, либо канула в безвестность. Мало известно и о современных проектах. Впрочем, любые конструкторские бюро очень неохотно делятся информацией о своих экспериментальных разработках, не увидевших производства. Это естественно, и такой подход характерен для всех КБ во всем мире.
Конструкторы ирбитского мотоциклетного завода занимались «бесшатунником». Опытный образец был построен, но до испытаний на стенде дело не дошло, — не удавалось провернуть рабочий вал двигателя.
Баландин в своей книге «Бесшатунные поршневые двигатели внутреннего сгорания» (М., Машиностроение, 1972) приводит разрез бесшатунного автомобильного двигателя. Как удалось узнать, его спроектировала небольшая конструкторская группа одного из автомобильных заводов страны. Это был ее первый мотор, и он так и остался на бумаге. Изучение книги Баландина и разных публикаций, пропагандировавших идею «бесшатунника», наводило на мысль, что ранее подобная схема никем не применялась. Однако в сборнике «Новые конструкции автомобилей и их отдельных механизмов» (М., Гострансиздат, 1931), составленном А. Коростелиным, есть описание сходного по схеме двигателя. О нем говорилось, что разработан он автомобильным институтом в Англии и, самое удивительное, что первая партия этих двигателей только что поступила в опытную эксплуатацию. По-видимому, новое это и в самом деле хорошо забытое старое.

Бесшатунный двигатель с динамически изменяемым минимальным объёмом

2) 2) Площадь поверхностей соприкасающихся с трением очень мала;

3) 3) Форма машины в форме полусферы и сферы позволяет полностью использовать весь объём машины занимая минимум места;

4) 4) Изменение рабочих объёмов и движение деталей механизма гармонично описываются синусоидальной функцией, что обеспечит отсутствие вибраций и критических нагрузок, плавность работы и постоянство мощности двигателя;

5) 5) Простота изготовления деталей их сборки, отсутствие необходимости прецизионной точности, малый вес двигателя;

6) 6) Возможность изменения рабочего объёма двигателя в любой момент его движения, что позволит применять разные виды топлива и регулировать нагрузку двигателя;

7) 7) Все эти преимущества дадут значительную экономию топлива, увеличат мощность и уменьшат количество вредных выбросов;

Так же возможно менять местами вращающуюся и статическую часть двигателя, достигая при этом новых эффектов.

Экспертное заключение по материалам Д. Федорова «Бесшатунный двигатель с динамически изменяемым минимальным объемом»

В представленных материалах описана принципиальная схема сферической объемной машины со сфера-секторами, которые имеют возможность движения с варьированием минимального внутреннего объема.
Для того, чтобы представить работу такой машины в качестве двигателя внутреннего сгорания, недостаточно представленных автором данных по следующим вопросам.
1. Двигатель работает как свободно-поршневой или все-таки как вальный?
2. Сам двигатель и система газораспределения работают по 2-х или 4-х тактному циклам?
3. Каково устройство преобразовательного механизма для передачи крутящего момента в случае вального ДВС?
4. Какова система подачи топлива (дизель или двигатель с искровым зажиганием)?

В принципе сферические устройства находят применение в автостроении, например, как шарниры равных угловых скоростей в автомобилях с передним приводом. Однако, опыт использования сферических пар трения в ДВС (например, в двигателях аксиального типа) не показал достаточно надежной работы таких пар трения в условиях высоких чисел оборотов и нагрузок, характерных для ДВС, в сравнении с классическими цилиндрическими парами трения, со стабильной масляной пленкой при доведенной системе смазки и подобранных высококачественных моторных масел.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector