Бесшатунные двигатели - 2

[А.Г.К]

сразу задает труднопреодолимые ограничения.

Мишенко и его коллеги применили данную схему с целью получения двигателя имеющего минимальный уровень виброускорений на органах управления. "Больное место" всего механизированного инструмента именно повышенная вибрация при работе. Кому приходилось часами работать с бензопилами на лесных делянках прекрасно знают как "отрывают руки" практически все виды бензопил. В СССР была сделана бензопила "Тайга" которая частично решала проблему снижения виброускорений за счёт балансиров. Если применить в полном объёме существующие российские сан. нормы на ручной механизированный инструмент то продажу всех импортных бензопил, триммеров и прочей ручной техники можно просто запретить. Западные фирмы оплачивают временное разрешение на продажу своей техники и продают её. Нам про это ещё в 1994 году сказали представители "Хускварны" побывавшие на нашем заводе. При сертификации наших моторов от нас требовали соблюдения сан. норм без применнения защитных средств в виде вибро перчаток, наушников, очков и т.д. Российское производство "благополучно" угробили, зато заполонили всё импортом. Вот поэтому дончане изобретали всевозможные экзотические схемы.

 

[Varan]

БЕСШАТУННЫЙ МЕХАНИЗМ С СИЛОВЫМИ СЕРЬГАМИ  (как я его вижу)

Возможно я уже надоел, особенно Владимиру Александровичу,  со своими приставаниями о перекосах, но попробую еще раз, может быть получится донести свою мысль до автора.
У меня сложилось впечатление, что Владимир Александрович, несмотря на заявления о подробном и тщательном исследовании предложенного механизма, не проводил полностью вывод формул по расчету сил и моментов, действующих на звенья механизма, а  также не рассматривал  как будут вести себя зазоры в подшипниках при работе механизма. Причем решение предлагаемого механизма следует производить для всех трех измерений,  а не только рассматривая плоскую кинематическую схему. Почему это так  позже станет ясно.
Так что попробую рассказать, как я вижу предлагаемый механизм, если в чем-то буду не прав - просьба указать и поправить.

Возьмем один из рисунков как то приведенный  Владимиром Александровичем. И рассмотрим его в том положении, которое нарисовано. Для простоты рассуждений будем считать, что на шейке 1 имеется только ползун, а на шейке 2 поршни с ползуном.

Хотелось бы обратить ваше внимание, что при заблокированных кривошипах планетарный вал может перемещаться параллельно самому себе за счет поворота силовых серьг. Подобному перемещению препятствуют  ползуны. Причем  при таком перемещении ось планетарного вала  смещается от своего номинального положения, так как межосевое расстояние серьг не равно четверти хода.
Если у Баландина ось планетарного вала  всегда находится там, где ей положено, а взаимодействие вала с направляющими через ползуны заставляет его вращаться, то в БСМ взаимодействие вала с направляющими заставляет    ось планетарного вала находиться там, где ей положено быть. Однако ползуны (см рисунок) расположены несимметрично, и правый конец вала имеет большую свободу в перемещении, чем левый, к которому ползун шейки 1 ближе.

На шейку 2 действует сила от поршней F, которая  вызывает поворот планетарного вала   вокруг своей оси, и через серьги приводит в движение левый кривошип преодолевая момент сопротивления нагрузки.

Но кроме момента на валу сила F вызывает и реакции опор, на левой шейке это будет реакция R от направляющих ползунов. Из рисунка, для всеобщего счастья, напрашивается наличие силы на щеке 3, которая уравновесит механизм, но вот только ее там нет, ну неоткуда ей там взяться, серьги расположены вертикально и работают на растяжение-сжатие, да и правый кривошип от поворота ничто не удерживает. То есть возникает момент от реакции R и силы F, который будет перекашивать планетарный вал и  вызывать смещение правого кривошипа относительно левого.
Вал перекосится  в направляющих  ползуна 1 и заклинит.

Даже ввод соединительного вала между кривошипами полностью не устраняет возможность перекоса планетарного вала, так как серьги позволяют концам вала смещаться параллельно своему положению и смещение концов вала может быть противоположным ( при этом пальцы серьг по отношению к отверстиям серьг стоят наискось и конечно заклинивают, так как подшипники скольжения так не работают)

Двигатель, который Владимир Александрович изготавливает в металле,  отличается от этой схемы, там есть удвоение  механизма на рисунке и добавление центральной опоры с балансиром.
Но и в нем возможен перекос вала в центральной опоре и смещение концов вала в противоположные стороны с заклиниванием.

Конечно это всего лишь я так вижу, а как есть на самом деле - пусть считает и проверяет тот кто этим занимается.

 

[Владимир Александрович]

Возможно я уже надоел, особенно Владимиру Александровичу,со своими приставаниями о перекосах, но попробую еще раз, может быть получится донести свою мысль до автора.

   Я готов разобрать вопрос еще раз, хотя повторения неизбежны.

не рассматривал как будут вести себя зазоры в подшипниках при работе механизма.

   Напомню, что перекос механизма это не заклинивание - это его полная остановка или быстрый износ. Ни того, ни другого в серьговом БСМ нет (почему - далее). Тем не менее уточню еще раз по подшипникам скольжения. При доводке двигателей С.С.Баландина был отработан искривленный профиль несущей поверхности подшипников скольжения (стр.124, Рис.116) как раз для обеспечения работоспособности при перекосах вала. Однако исследования последующих лет показали, что делать этого не нужно. Подшипники нормально работают и при небольших угловых деформациях осей валов. В этом случае происходит процесс перераспределения удельного давления на несущей поверхности. Об этом я уже писал. Если подвижное сопряжение не изношено, все будет в порядке.

Но кроме момента на валу сила F вызывает и реакции опор, на левой шейке это будет реакция R от направляющих ползунов. Из рисунка, для всеобщего счастья, напрашивается наличие силы на щеке 3, которая уравновесит механизм, но вот только ее там нет, ну неоткуда ей там взяться, серьги расположены вертикально и работают на растяжение-сжатие, да и правый кривошип от поворота ничто не удерживает.

  Теперь по рисунку.
  При виде спереди на поперечной плоскости мы видим одинаковые силы F и R, образующие относительно центральной оси КВ пару сил на плече 2R, которые создают момент вращения. Как известно из теоретической механики пара сил не дает боковой силы - они взаимно уравновешиваются. Следовательно, в поперечной плоскости перекашивающей силы нет.
   При виде сбоку и при виде сверху эти же силы создают момент, который, как Вы утверждаете ничем не уравновешивается "напрашивается наличие силы на щеке 3, которая уравновесит механизм, но вот только ее там нет, ну неоткуда ей там взяться". А оказывается реактивная пара сил есть и там. Нагляднее всего это видно при виде сверху. Обе щеки 3, стремясь развернутся в горизонтальной плоскости вместе с осью планетарного КВ, встречают сопротивление разнесенных торцевых поверхностей контакта серьг со щеками планетарного и выходных валов и сопротивление кручения самих серьг от реакции в их подшипниках скольжения от углового смещения.
     Кроме того сила F действует ниже центра вращения планетарного КВ, стремясь повернуть верхние серьги в обратном направлении.
     Это значит, что при нормальных рабочих зазорах вся система сил, действующих в серьговом БСМ полностью уравновешена при любых угловых положениях.

Даже ввод соединительного вала между кривошипами полностью не устраняет возможность перекоса планетарного вала, так как серьги позволяют концам вала смещаться параллельно своему положению и смещение концов вала может быть противоположным ( при этом пальцы серьг по отношению к отверстиям серьг стоят наискось и конечно заклинивают, так как подшипники скольжения так не работают)

     Про подшипники я уже уточнил выше. Соединительный вал серьговому БСМ не нужен вообще. Разве что в сверхмощном двигателе из двух или трех модулей, где надо собрать мощность от каждого модуля. Параллельное смещение серьг возможно только в свободном состоянии механизма без ползунов. Это будет переносное (плоскопараллельное) движение. Привязка к ползунам с их направляющими вводит относительное движение (вращение КВ вокруг свое оси).
    Любое смещение механизма превышающее остаточный зазор в парах трения немедленно приведет к его повороту на пропорциональный угол.

    Учет всех сил и реакций все ставит на свои места.
    Анимации работы стежневых муфт, приведенных Владимиром Илларионовичем выше, видели?
    Система не симметрична. Там передаются огромные крутящие моменты и не только три, но и 6 стержней ставят с промежуточным диском. И никто почему-то не боится перекосов и заклинивания. По Вашей логике они там непременно должны быть, а их нет. Подшипники скольжения тоже работают исправно, с большим ресурсом и не боятся перекосов.
    Практические результаты работы серийных стержневых муфт опровергают все опасения.


 

 

[Jbiplane]

Для развлечения несколько механизмов

http://www.d3dhemmer.com/ASTREMOproject
http://www.youtube.com/watch?v=oSDknde2bzM
http://www.youtube.com/watch?v=DMCXBrTZSjk
http://www.youtube.com/watch?v=jizcZyksZWo

http://www.google.com/patents/US8371210

 

[Varan]

Владимир Александрович, насчет муфт не совсем корректный пример, во первых центральный диск муфты намного тоньше чем длина вашего планетарного вала, а во вторых и главных муфта не преобразует возвратно поступательное движение во вращательное и силу действующую на штоковую шейку в выходной момент, в ней нет силы которая стремится развернуть муфту вокруг оси перпендикулярной оси вращения

Про моменты, на мой взгляд правильнее будет сказать так-   сила от штока поршня вызывает реакцию в направляющих ползуна.  И эти 2 силы создают момент косой такой, часть этого момента создает крутящий момент на выходном валу, а другая часть вызывает перекос вала, если смотреть сверху на механизм против часовой стрелки.

Вы утверждаете что этот момент уравновешивается реактивной парой сил, мне это не совсем понятно, не поясните поподробнее откуда они там возьмутся, если по вашему же утверждению серьги работают на растяжение-сжатие а на рисунке серьги как раз в вертикальном положении, если не трудно хотелось бы с рисунком

 

[Владимир Александрович]

насчет муфт не совсем корректный пример, во первых центральный диск муфты намного тоньше чем длина вашего планетарного вала

   Но ведь перекосы в подшипниках скольжения стержневых муфт, о которых Вы беспокоились, все равно есть, потому что все пальцы консольные.

Вы утверждаете что этот момент уравновешивается реактивной парой сил, мне это не совсем понятно, не поясните поподробнее откуда они там возьмутся, если по вашему же утверждению серьги работают на растяжение-сжатие а на рисунке серьги как раз в вертикальном положении, если не трудно хотелось бы с рисунком

   С рисунком пока пояснить не могу. Домашний компьютер у меня Макинтошевский и на нем нет программы рисования. Смогу сделать только на работе 12 января.
  Мне казалось словами я понятно выразил свои мысли.
  На растяжение-сжатие серьги работают при создании рабочих крутящих моментов и так оно и есть.
  Закрутке они могут подвергаться при противодействии перекосам вместе с торцевыми реакциями соприкасающихся план-шайб, в которые запрессованы пальцы.
12-го января нарисую и покажу.
 

 

 

[Varan]

Ну вот собственно говоря об этом и речь.

На том рисунке что нарисовал я никаких моментов противодействующих моменту вызывающего перекос вала нет и быть не может, как нет никакой закрутки серьг, как и положено в теоретической механике.

А вот закрутка серьг и момент от этой закрутки, противодействующий моменту перекоса, появляется при перекосе вала и смещении кривошипов относительно друг друга о чем я и твержу.

И более того пальцы в закрученных серьгах действуют на подшипники серьг так как действует лом на кисть руки когда его держат за один конец.

ТО есть ваш механизм спроектирован так, что вал в нем перекошен и кривошипы отстают один от другого, так бы и сказали что так задумано.

Правда я как то привык считать, что подобные режимы работы для механизмов как то не особо показаны, и подшипники с перекошенных в них валом не слишком долго работают, но если вы так и задумали тогда конечно другое дело- автору виднее.

 

[Андрей Миллер]

На том рисунке что нарисовал я никаких моментов противодействующих моменту вызывающего перекос вала нет и быть не может, как нет никакой закрутки серьг, как и положено в теоретической механике.

А вот закрутка серьг и момент от этой закрутки, противодействующий моменту перекоса, появляется при перекосе вала и смещении кривошипов относительно друг друга о чем я и твержу.

Все правильно для схемы Баландина - там где две пары направляющих.
В симметричной схеме (три пары направляющих) все иначе и там серьги имеют шанс на нормальную работу.
При симметрии  продольный неуравновешенный момент "прорывается" только в одной точке оборота вала - строго на 90 градусах.
Однако при некоторых конкретных конструкциях и при симметричных же РП и этого не происходит... ;D

 

[Владимир Александрович]

А вот закрутка серьг и момент от этой закрутки, противодействующий моменту перекоса, появляется при перекосе вала и смещении кривошипов относительно друг друга о чем я и твержу.

   Только читающей публике не следует воспринимать написанное как нечто недопустимое. В пределах рабочих зазоров между несущими поверхностями с масляным слоем противодействующие реакции возникают уже при небольших смещениях и это нормальный режим работы. Ни о каком заклинивании серьгового БСМ не может быть и речи. Идеально соосные поверхности, конечно, дают больший ресурс подвижного сопряжения, но все равно, любой КВ имеет конечную длину, а значит, как минимум, две консольные шейки. Поэтому на практике идеальных условий работы подшипников скольжения все равно достигнуть нельзя. Можно к ним стремиться, улучшать, подтягивать и т.д.

 

[Varan]

Владимир Александрович, мы опять вернулись к позиции я так вижу, реакции при малых смещениях, или при больших перекосах, оценка же требуется не качественная а количественная, то есть конкретный расчет смещений моментов, сил, этого сегодня нет.
Просто вы считаете что все это будет работать и на такие мелочи внимания не обращаете, а я например склоняюсь к тому что все это весьма критично для работоспособности механизма и пока не решен этот вопрос заниматься подбором колец, охлаждением , системой смазки смысла особого нет.

ТО есть я всего лишь высказал свое мнение а решать конечно вам что делать сначала что потом.

 

[Владимир Александрович]

ТО есть я всего лишь высказал свое мнение а решать конечно вам что делать сначала что потом. 

     Спасибо за Ваше развернутое мнение и желание докопаться до существа дела. Свои сомнения по данному вопросу я снял уже очень давно и поэтому в планах у меня ничего не меняется. В завершение уточню только, что напряжения кручения в поперечном сечении серьг на угле 90[sup]0[/sup] поворота вала примерно в 8 раз меньше максимальных напряжений сжатия-растяжения.
 

 

[Сосед Николаич]

Всем добрый вечер.
Уважаемые Андрей Миллер, Владимир Илларионович, Владимир Александрович и другие, кто пользует этот форум по бесшатунным механизмам. Я призываю вас не рубить с плеча сразу и отрицать нижеследующий текст, а аргументированно, со схемами, с «карандашом», объяснить, как и почему именно так.
Владимир Александрович, вопрос к Вам. В своей статье Вы пишите, что в сх.1 снимаете момент с планетарного коленвала (ПКВ). Но. Если посмотрим на разложение сил и моментов в БШМ у Баландина, там этого момента НЕТ. Образуется коллизия — Вы передаёте на входной вал момент, которого нет. Или расклад сил в БШМ неправильный, или момента на выходном валу нет.
Мой ответ Вам известен — рассклад сил на поршне некорректный, момент на ПКВ есть и он передаётся с помощью разных схем на выходной вал. Если использовать серьговую муфту для этого, то боковой силы N не образуется.

 

[Сосед Николаич]

Кстати, сх.1 и сх.2 очень разные — в схеме 2 боковая сила [highlight]ЕСТЬ[/highlight].

 

[Владимир Александрович]

В своей статье Вы пишите, что в сх.1 снимаете момент с планетарного коленвала (ПКВ). Но. Если посмотрим на разложение сил и моментов в БШМ у Баландина, там этого момента НЕТ. 

      Игорь Николаевич, у С.С.Баландина в книге рассмотрены три схемы БСМ. Между ними есть принципиальная разница. Это уже несколько раз разъяснялось здесь на ветке темы. В схемах Рис.11а и Рис.11в планетарный КВ и эксцентрики не передают крутящий момент двигателя, а работают как балки, которые давят на кривошипы полувалов (Рис.11а) или центральный КВ (Рис.11в) и уже на них создают выходной крутящий момент.
В схеме Рис.11б планетарный КВ наоборот генерирует весь крутящий момент двигателя и передает его на кривошипы полувалов, опираясь на силу реакции в силовом контакте планетарных зубчатых пар.
В серьговом БСМ планетарный КВ тоже генерирует весь крутящий момент двигателя, передавая его через серьги на выходной вал, но реактивные силы и моменты образуются на тех же самых ползунах, что и в схемах Рис.11а,в.

Кстати, сх.1 и сх.2 очень разные — в схеме 2 боковая сила ЕСТЬ.

   Боковые силы, передаваемые на корпус есть во всех схемах БСМ. Только в одних схемах они передаются через ползуны, в других через контакт в зубчатых зацеплениях, а иногда через все те же боковые поверхности противоположных поршней, если Вы по какой-то причине захотите отказаться от ползунов. Иначе и быть не может. В любом вальном двигателе, создающем полезный момент на валу всегда есть реактивный момент на корпусе той же величины, но обратный по знаку. Есть даже такая методика проверки правильности расчетов - алгебраически суммируются все моменты до выходного сечения вала и алгебраически суммируются все моменты идущие на корпус. В итоге они должны совпасть по величине, но отличаться знаком, что подтверждает правильность проделанной расчетной работы.

Приведенный в посте Рис.7 объясняет другую важную мысль - почему нельзя применять КШМ с одинаковым размером шатуна и радиуса кривошипа КВ и почему в БСМ необходим второй поршень, имеющий линию движения отличную от линии движения первого поршня. Отличие чаще всего задается углом 90[sup]0[/sup]. 

   

 

[Сосед Николаич]

   На самом деле так называемый "выстой" поршня в ВМТ зависит от отношения длины шатуна к радиусу кривошипа КВ. Чем выше значение этого отношения тем больше по времени "выстой". Это легко доказать тригонометрически. В БСМ названное отношение равно 1. Поэтому и "выстой" поршня в БСМ на самом деле меньше, а не больше. 
из другого поста: "Владимир, Вы согласны с тем, что два сравниваемых типа двигателей с [highlight]одинаковым радиусом кривошипа КВ[/highlight] и одинаковой угловой скоростью вращения повернутся на угол 200 за одно и то же время? Данный момент базовый, т.к. и [highlight]ход поршня у сравниваемых двигателей будет одинаковым."

[/highlight]
Владимир Але ксандрович, нашёл в старых постах - на самом деле БШМ является  идеальным КШМ - у него "бесконечный" шатун (что равно отсутствию шатуна)
И про соотношние 1 говорить нельзя - в БШМ другая схема, там нет шатуна, есть ПКВ, и радиус кривошипа равен в КШМ 1/2 хода, в БШМ - 1/4 при одинаковом ходе поршня, поэтому "зависание" в В.М.Т. у БШМ значительное по сравнению с КШМ, и видное даже на глаз  Андрея Миллера.
Ничего личного - только геометрия. Можете проверить тригонометрией.

 

[Сосед Николаич]

В серьговом БСМ планетарный КВ тоже генерирует весь крутящий момент двигателя, передавая его через серьги на выходной вал, но реактивные силы и моменты образуются на тех же самых ползунах, что и в схемах Рис.11а,в.

Если момент с ПКВ снят с помощью муфты, то на ЦОЭ нет никакого момента, и, следовательно, нет боковой силы, которая возникает только при передаче момента с ПКВ на ЦОЭ.

 

[Сосед Николаич]

Приведенный в посте Рис.7 объясняет другую важную мысль - почему нельзя применять КШМ с одинаковым размером шатуна и радиуса кривошипа КВ и почему в БСМ необходим второй поршень, имеющий линию движения отличную от линии движения первого поршня. Отличие чаще всего задается углом 900. 

Я этот рисунок привёл для того, чтобы показать - при классическом разложении сил на поршне (как в учебнике по ДВС с КШМ) нет никакого момента на шатуне/ПКВ - соответственно, нет и того момента - так уж получается - который Вы передаёте с ПКВ на выход. Налицо противоречие.

 

[Владимир Александрович]

На самом деле так называемый "выстой" поршня в ВМТ зависит от отношения длины шатуна к радиусу кривошипа КВ. Чем выше значение этого отношения тем больше по времени "выстой". Это легко доказать тригонометрически. В БСМ названное отношение равно 1. Поэтому и "выстой" поршня в БСМ на самом деле меньше, а не больше. 

Первые два предложения  целиком характеризуют КШМ.   Последнее предложение в сравнении данного примера привязывает продольный габарит БСМ к равенству с границами крайних точек КШМ. Сделав это мы получаем почти в два раза больший рабочий ход БСМ. В такой интерпретации выстой у БСМ окажется меньше, чем у КШМ. Согласен, что выбор граничных условий в том посте надо было озвучить. Признаю как свою недоработку.
   При выборе для сравнения граничных условий, соответствующих равенству рабочих ходов КШМ и БСМ, результат меняется на противоположный. Выстой поршня в ВМТ будет заметно больше у БСМ, в сравнении с КШМ.

на самом деле БШМ является идеальным КШМ - у него "бесконечный" шатун (что равно отсутствию шатуна)

Можно конечно объявить шток поршней БСМ "застывшей" копией бесконечного шатуна, который будучи деталью КШМ практически отклоняется на бесконечно малый угол при вращении КВ, но для практики в этом мало пользы.

"зависание" в В.М.Т. у БШМ значительное по сравнению с КШМ, и видное даже на глаз Андрея Миллера.

Больше - да и "даже на глаз Андрея Миллера", но не "значительно". Точнее будет слово "заметно".

 

[Владимир Александрович]

Если момент с ПКВ снят с помощью муфты, то на ЦОЭ нет никакого момента,

   Совершенно верно. На ЦОЭ крутящих моментов нет - только радиальные силы. Потому он и называется ЦОЭ - центральный опорный эксцентрик.  Радиальная опорная сила и ответная радиальная сила реакции корпуса вращаются вместе с ЦОЭ. Крутящий момент идет мимо ЦОЭ через серьги на выходной вал.

 

[Владимир Александрович]

при классическом разложении сил на поршне (как в учебнике по ДВС с КШМ) нет никакого момента на шатуне - соответственно, нет и того момента - так уж получается - который Вы передаёте с ПКВ на выход. Налицо противоречие. 

  Зачем с одной стороны утверждать, что БСМ - это совсем другой механизм, а для доказательства своих утверждений по БСМ ссылаться на рисунок КШМ? На шатуне КШМ, действительно нет крутящего момента, но ведь совсем недавно разъяснялась принципиальная разница в работе ПКВ разных схем БСМ. В схемах Рис.11а),в) крутящий момент на ПКВ не образуется, на схеме Рис.11б) и в серьговом БСМ образуется. Каким образом? - тоже разъяснялось. И нет здесь никаких противоречий. Все прозрачно и хорошо согласуется с теорией механики.