Роторно-лопастной двигатель. Начало.

[Bиктор]

Мой товарищ с Украины писал мне по поводу РЛД:

"Прохоров в одном из своих интервью в январе сказал, что
их образец показал нормы Евро-5 по выхлопу, и показал более высокий эффективный КПД - на уровне 42-45%, что и требовалось доказать!"

У тепловозных дизелей, для сравнения, эта величина при оптимальной нагрузке дизеля тоже достигает 39% ... 43%.

Так что РЛД, испытываемый у Прохорова, не будучи дизелем показал очень хорошую эффективность (малость собственных механических потерь)!

 

[Bиктор]

Нарисовался приблизительный эскиз-компоновка (вид сбоку) "РЛД с шариками".
Не строго соблюдал признаки видимости линий - для начала "налепил" почти все, как бы для пометки.

Как уже упоминал, размерный базис принят, исходя из размера распространенных колец от мотора ВАЗ (диам. 76,4мм)

Зависимые размеры будут уточняться много позже, после проверки прочности. Пока габариты составляют примерно 300мм по диаметру ребер и 400мм по длине корпуса, без выступов концов полого вала (длину вала так и так надо будет уточнять).
Если будут уже вопросы или пожелания, - пожалуйста.
Приветствую предложения по улучшению чего-нибудь 🙂
Аналогично, если есть свои альтернативные варианты, - ветка открыта для позитива!

 

[Bиктор]

Геометрия "лба лопасти", к которой привязывался. Все размеры в миллиметрах.
Такой формы лопасть принял для варианта с 4-мя лопастями (цикл Миллера, или Отто)

 

[Bиктор]

И с рекомендациями ко внедрению в серию...

Только вот в серии почему-то так ни одного движка так и не появилось, вот ведь странно... 

Александр, а как думаете, поставить ходатайство о рассекречивании чертежно-конструкторской документации "в виду истечения сроков секретности", - резонно?

Например, от имени нашей ассоциации - АОПА...

 

[Alex_520]

А у они УЖЕ рассекречены давно. Только не нужны НИКОМУ.
У нас в СССР был такой нюанс как 25 лет без права публикации - вспомните появление книги Баландина в 79 году. То же самое было и у Полякова, и у Манжелевского, и у Сидура (из Нижнего Тагила)...

 

[ingener]

Нарисовался приблизительный эскиз-компоновка (вид сбоку) "РЛД с шариками".

Наверное очень приблизительный.
Не совсем понятно, как эллиптические канавки на валу будут способствовать изменению угловой скорости втулок с продольными канавками.
Имхо шарики заклинит и они вообще никуда не будут двигаться. В крайнем случае шарики будут просто проскальзывать, не обеспечивая никакой согласованности между обоими втулками.

Двигатель, собираемый на анимационном ролике, работать конечно будет. Но у меня есть сомнения насчет чудесных свойств применяемого в шестернях зацепления. Если это зацепление Новикова, то его преимущества сказываются в основном для зубьев с низкой твердостью, то есть для передач, выполненных из хренового металла. Если применять высокопрочные металлы, то преимущества никакого нет, а есть только более низкий КПД и соответственно более высокий износ. Все-таки эвольвентное зацепление - единственное с отсутствием трения скольжения.

Повысить рессурс шестерен обсуждаемого РЛД можно если применять не два, а только один коленвал. Тогда инерционные нагрузки и усилия газов, разжимающие лопатки, будут замыкаться на шатунной шейке этого коленвала и не передаваться на шестерню. Она тогда будет воспринимать только полезный крутящий момент (правда со всеми пиками его). Но при этом потребуется введение балансирного вала и все равно балансировка не будет совершенной.

Можно и просто пойти по пути увеличения габаритов шестерен (в том числе и не увеличивая общие габариты механизма), а для снижения потерь на трение использовать изменение длины зубьев в соответствии с изменением нагрузок в данном месте шестерни.

 

[Bиктор]

А у они УЖЕ рассекречены давно. Только не нужны НИКОМУ.
У нас в СССР был такой нюанс как 25 лет без права публикации - вспомните появление книги Баландина в 79 году. То же самое было и у Полякова, и у Манжелевского, и у Сидура (из Нижнего Тагила)... 

Александр, а может быть хоть опубликовать, для заинтересованных?  Главное - найти и получить доступ к месту хранения документации (или ее остатков)...  Вы там, в Перьми огляделись, вероятно?

 

[Alex_520]

Что-то в запасниках пермского краеведческого музея валяется (по движкам В.В.Полякова), что-то (в бумагах и отчётах по движкам Манжелевского и Полякова) в заводском музее на "Пермских моторах" (доступ туда только своим, к коим я не отношусь). Что-то просто на помойку ушло. А движки в металле и их зааготовки (поляковских звёзд) ушли в металлолом - ЦВЕТМЕТ таки. В заводе штук шесть движков Манжелевского БМ было когда-то, но где их сейчас искать - не скажу. Завод за последние 20 лет пять или шесть хозяев поменять успел. И никому эти артефакты не нужны были.

Так что не стоит надеяться на чудо...

 

[Bиктор]

Цитата:
Нарисовался приблизительный эскиз-компоновка (вид сбоку) "РЛД с шариками".

Наверное очень приблизительный.

Спасибо, Вам тезка, простимулировали немножко упорядочить эскиз.  Я ввел еще три различных цвета:  для различения блоков полуоси и лопасти, - деление на "красных и синих".

Синхронизирующий вал равномерной скорости, которому соосны полуоси, - остался черного цвета. Он взаимодействует посредством промежуточных шариков с обеими полуосями.

Канавки под шарики на внешней цилиндрической поверхности вала и канавки с внутренней цилиндрической поверхности коаксиальных полуосей выполнены разными, как по кривизне, так и по поперечному профилю-сечению канавки.

Вал имеет две системы канавок, сдвинутые вдоль оси, а каждая полуось, - только одну систему канавок.
Система - громко сказано.
Это просто некоторое количество параллельных и идентичных канавок в каждом случае. Их назначение - увеличить суммарную площадь силового контакта шариков и канавок.

В данном эскизе показана возможность симметричного размещения 4-х шариков, "обслуживающих" одну полуось лопастей.
Для различения шариков, функционально привязанных к полуоси определенного цвета, шарикам придан тот же самый цвет, что и у "обслуживаемой" полуоси.
Но цвет канавок-дорожек под шарики левой и правой полуоси принят разным, так как они имеют определенные фазовые различия.
Различия затрагивают как особенности изменения кривизны канавок, так и особенности сечения-профиля канавки на разных ее участках.

Ну и желтого цвета - неподвижный "сепаратор" шариков. Он имеет прорезь, ориентированную вдоль образующих цилиндрических поверхностей.
Резюм: шарики НЕ вращаются на орбите, - они движутся только по линии. То слева направо, то справа налево. Инерция у них не большая, но лишний вес тут и не нужен.
Шарики, некогда от природы имевшие много свобод движения, ограничены только линейным перемещением и всякого рода вращениями вокруг собственного ЦТ.

Зажатые между канавками-дорожками коаксиальных цилиндров, они задают единственное в каждый момент времени решение (системы) о перемещении связанных с ними кинематических звеньев.  Свобод у них стало очень мало!

 

[JohnDoe]

@ Bиктор
Гляньте в "личку" и на "мыло" также обратите внимание.

 

[Bиктор]

Не совсем понятно, как эллиптические канавки на валу будут способствовать изменению угловой скорости втулок с продольными канавками.
Имхо шарики заклинит и они вообще никуда не будут двигаться. В крайнем случае шарики будут просто проскальзывать, не обеспечивая никакой согласованности между обоими втулками.

Для пояснения принципа действия, - в том виде, как его вообразил себе я (можно объяснять, видимо, и иначе), мне пришлось прибегнуть к моделированию не на коаксиальных взаимодействиях канавок разной кривизны и шариков (ограниченных сепаратором и принужденных почти только к линейным перемещениям их ЦТ), а на канваках двух параллельных цилиндрических барабанов.
Если эта аналогия "не покатит", подскажите как можно еще проиллюстрировать механизм, пока не изготовленный даже в макете!
Взглянув на упрощенную пространственную модель взаимодействия канавок (на параллельных барабанах), сепаратора и шарика, можно видеть, что шарик в общем случае замыкает на себе силовое взаимодействие двух "винтов", находясь между ними, и частично в каждом из них, а также имея свободу только вдоль образующих барабанов ("сепаратор виден ниже шарика, между барабанами", "раздвинутыми" сепаратором без соприкосновения с ними).
В общем случае, угол тангенты канавки слева от шарика к образующей, отличается от угла тангенты другой канавки (барабана справа).

Мы знаем, что силы приложенные к лопастям газами, всегда равны по величине и противоположны по направлению.

ЕСЛИ выполнять некие условия по НЕЗАКЛИНИВАНИЮ шарика в каждой из канавок по обе стороны от сепаратора, - то шарик будет ВЕДОМЫМ ТОй из двух канавок, которая имеет в это мгновение бОльший угол тангенты к образующей барабана.

Это означает, что проигрывая в кривом ПУТИ, такая канавка - выигрывает в СИЛЕ.
Итак, имеем, что при равных силах на лопастях, одна из втулок-полуосей будет ВЕДУЩей, а другая - ВЕДОМой. (при равном плече-радиусе параллельных барабанов)
А шарик - только промежуточное тело (качения/скольжения).

На фоторисунке показано, что в это мгновение ВЕДЕТ правый барабан, - его более длинная (синяя) стрелка, показывает его преобладание в силе воздействия на шарик из-за бОльшего угла...

 

[Bиктор]

Но это не отменяет наличие кривошипно-шатунного преобразования 

Зачем ???
Поясните еще, пожалуйста!

 

[ingener]

Зажатые между канавками-дорожками коаксиальных цилиндров, они задают единственное в каждый момент времени решение (системы) о перемещении связанных с ними кинематических звеньев.  Свобод у них стало очень мало!

Шарикам, чтобы катиться, а не скользить, очень требуется, чтобы силы к ним были приложены в двух строго противоположных точках. Конечно, можно приложить и в трех точках одной плоскости, перпендикулярной пути шарика, но тогда как минимум в двух точках будет иметь место трение скольжения при вращении в пятне контакта. Это уже плохо. Но у вас точки контакта не лежат в этой плоскости. Поэтому шарик будет больше скользить, чем крутиться. Поломается сразу.
Нет, если потихоньку руками прокручивать, то возможно работать будет.  🙂

 

[Bиктор]

Все-таки эвольвентное зацепление - единственное с отсутствием трения скольжения.

Не спорю.
Приведенный "шариковый" механизм, как редукторный, так и в данном случае "синхроизирующий", - не могут работать на части режимах без скольжения. К сожалению!
Контрмеры применяются, возможны, но они не идеальны:  на участках, где шарик вынужден катиться по канавкам разной длины/кривизны, делают "точки опоры" шарика (в сечении-профиле канавки) разного радиуса проекций.
То есть, как в известном опыте "качения шара в гору", когда опоры у него переходят из под "ног" в "подмышки", а ЦТ при качении тем не менее снижается.
Спецпрофилирование канавок на разных участках - необходимо, когда механический КПД "шарикового механизма" надо держать высоко, как у подшипника.
Любителей РЛД, однако, мог бы устроить уже КПД лучший, чем у двухтатника-поршневика (выше 80%).

От профиля канавки КПД зависит очень сильно!
К сожалению, трение в канавках сильно возрастает вместе с сильно возрастающей несущей способности контакта шарика с такой канавкой, которая только на 5-7% больше диаметра шарика.
Просто проектант должен найти устраивающий заказчика КОМПРОМИСС между компактностью синхронизатора (с малым числом параллельно работающих шариков) и снижением механического КПД. Либо высокая несущая способность шариков с их повышенным износом, либо наоборот (больше КПД и больше параллельных канавок и габарит РЛД)!

 

[Bиктор]

Повысить рессурс шестерен обсуждаемого РЛД можно если применять не два, а только один коленвал. Тогда инерционные нагрузки и усилия газов, разжимающие лопатки, будут замыкаться на шатунной шейке этого коленвала и не передаваться на шестерню. Она тогда будет воспринимать только полезный крутящий момент (правда со всеми пиками его).

Конечно, эта тема (с шестернями) как бы однажды в этой ветке уже осуждена...
Но понять Вашу мысль хочется.
Могли бы Вы пояснить смысл утверждения - как замыкаются в этом случае силы (минуя зубья) ?

 

[Bиктор]

Можно и просто пойти по пути увеличения габаритов шестерен (в том числе и не увеличивая общие габариты механизма), а для снижения потерь на трение использовать изменение длины зубьев в соответствии с изменением нагрузок в данном месте шестерни

Это тоже звучит пока загадочно 🙂
Разного радиуса зубья при неизменном межосевом расстоянии?
Нарисовать можете?

 

[Bиктор]

Иллюстрация для коаксиальных "барабанов" должно казаться уже меньшей абстракцией после примера с аналогом - параллельными барабанами.

Разница только в том, что коаксиальные барабаны вращаются не в разные стороны, а в одну и ту же.
Но принцип - тот же:  силы газов, приложенные к лопастям, равны, и противоположны.
Решать приходится двум парам шариков с идентичной функцией  - что будет в каждый момент времени ведущим, а что ведомым.
На шарики действуют две полуоси - в противоположном смысле. Выигрывает когда нужно - та полуось/лопасть, которая проигрывая в длине пути (более кривой канавки), - выигрывает в силе.  Каждый раз, более быстрая из двух полуосей, - будет работать "мясорубкой, двигая фарш" только в осмысленном направлении...
Задача конструктора - подобрать только кривизны канавок (и их соотношение в нужный момент).
Приятное свойство у выходного вала, - он всегда является как бы средним звеном в понижающей передаче: его ведет одна из "быстрых лопастей", разменивающая свою скорость на силу воздействия на шарики.
Посредническая роль выходного вала - позволяет возводить в квадрат, тот "коэффициент редукции", который он имеет в одной только паре (а он завязан в две ступени редукции).
Это свойство обнадеживает в задаче достижения нужной "степени сжатия" между осями лопастей.
Эта степень возрастает при применении "длинных поршней/лопастей" без изменения разницы угловых скоростей между левой и правой полуосей.

На рисунках - желтые оси, - оси сепаратора, - неподвижны.
ЧЕрного цвета оси - мгновенное положение оси повернутой вместе с валом (как бы метка его смещения).
Синяя и красная оси - показывают в общем виде скоростную РЕАКЦИЮ полуосей/лопастей на "интриги" шариков и выходного вала.  Длина дуги разного цвета стрелок проворота иллюстрирует мгновенную скорость полуосей в разных позициях выходного вала.  А ширина этих цветных стрелок - показывает как бы "величину крутящего момента"...
Шарики движутся вдоль оси Z, выходя из плоскости эскиза.

 

[ingener]

Спецпрофилирование канавок на разных участках - необходимо, когда механический КПД "шарикового механизма" надо держать высоко, как у подшипника.

Это принципиално невозможно в вашем механизме. Три точки давления на шарик, для того чтобы он крутился, а не скользил, должны быть расположены в плоскости, перпендикулярной перемещению шарика. У вас это возможно при вырождении вашего механизма в в абсолютно параллельные канавки на валу, втулке и в сепараторе в параллельные прямые или кривые. Но тогда он вообще не будет работать.

Просто проектант должен найти устраивающий заказчика КОМПРОМИСС между компактностью синхронизатора (с малым числом параллельно работающих шариков) и снижением механического КПД. Либо высокая несущая способность шариков с их повышенным износом, либо наоборот (больше КПД и больше параллельных канавок и габарит РЛД)!

Компромисс окажется заведомо хуже других предлагаемых механизмов.

Конечно, эта тема (с шестернями) как бы однажды в этой ветке уже осуждена...

Осуждена-то она вполне справедливо, но, я думаю, не окончательно.
Дело в том, что если в механизме не разрушаясь работают роликовые подшинники, то в нем же могут работать и зубчатые колеса. Потому что напряжения в линиях контакта у них почти одинаковые, у зубчатых колес как правило даже существенно меньше. Правда из-за имеющегося в зубчатом зацеплении зазора и появления динамических нагрузок существенно ухудшаются условия работы и подшипников и зубчатых колес. Но это преодолимо за счет увеличения габаритов и тех и других с пропорциональным ухудшением КПД механизма. Правда увеличение габаритов ведет к увеличению зазоров и масс и естественно к дополнительному увеличению нагрузок, но в принципе необходимого запаса рессурса можно достичь.

Можно и просто пойти по пути увеличения габаритов шестерен (в том числе и не увеличивая общие габариты механизма), а для снижения потерь на трение использовать изменение длины зубьев в соответствии с изменением нагрузок в данном месте шестерни

Это тоже звучит пока загадочно
Разного радиуса зубья при неизменном межосевом расстоянии?

Я не говорил о зубьях разного радиуса. Я говорил о зубьях разной длины. Или другими словами об изменении ширины зубчатых колес в зависимости от нагрузки в этом месте зубчатого колеса.
А увеличение габаритов зубчатых колес при сохранении габаритов редуктора достигается широко известным способом - применением зубчатого колеса с внутренним зацеплением. У такого зацепления кстати и нагрузочная способность гораздо выше.

Нарисовать можете?

Так и так все понятно. Во всяком случае тому, кто делать такой двигатель хотя бы теоретически собирается.

 

[Bиктор]

Цитата:
Спецпрофилирование канавок на разных участках - необходимо, когда механический КПД "шарикового механизма" надо держать высоко, как у подшипника.

Это принципиално невозможно в вашем механизме. Три точки давления на шарик, для того чтобы он крутился, а не скользил, должны быть расположены в плоскости, перпендикулярной перемещению шарика

Хотелось бы убедиться, что мы пользуемся терминами с одинаково интерпретируемым содержанием. 🙂

Профилированием канавки я назвал форму сечения канавки, которая подбирается на разных участках канавочных траекторий именно с тем, чтобы "выровнять пути", проходимые одним и тем же шариком в сопрягаемых им канавках.

Посмотрите, пожалуйста, на прилагаемый рисунок.(из интересного источника, см. мой пост 434 или тут www.redbear.ru/file/spo.pdf )
Шарик будет преимущественно катиться, имея три точки контакта с канавками, лежащими почти в плоскости, перпендикулярной направлению движения шарика (по оси Z).
Есть, правда, и четвертая точка контакта - со стороны сепаратора, она - скользящая, но в районе мгновенной оси вращения катящегося шарика, - с малыми скоростями скольжения "оси вращения шарика".

Кроме того, необходимость извилистости канавок, определяет нестационарность сил давления на точку контакта. Будет ли контакт скользящим или катящимся зависит, кроме направления действия сил, еще и от смазки/коэффициента трения. Нестационарность - сложность поведения отдельного шарика, - должна бы удерживать от чисто умозрительных заключений 🙂

Даже в обычном радально-упорном подшипнике, бывают видимо, режимы, когда чистое качение дополняется частичным скольжением.
К трагедиям это не приводит - только к сокращению ресурса.
Если не ставить целью идеальную машину, то тема "решабельна", не так ли?

Опыт "шариковых волновых редукторов" действительно показывает по СРАВНЕНИЮ с ПОДШИПНИКАМИ пониженный ресурс:  там тоже шарики проходят по траекториям канавок разной длины, значит есть и моментами режим скольжения, наряду с режимом качения шариков.
КПД их ниже, но с такими передачами не сравниваются никакие эвольвентные зубчатые передачи - по весовой и объемной отдаче, при очень высоких передаточных отношениях в одной ступени.

 

[Bиктор]

Потому что напряжения в линиях контакта у них почти одинаковые, у зубчатых колес как правило даже существенно меньше. Правда из-за имеющегося в зубчатом зацеплении зазора и появления динамических нагрузок существенно ухудшаются условия работы и подшипников и зубчатых колес. Но это преодолимо за счет увеличения габаритов и тех и других с пропорциональным ухудшением КПД механизма. Правда увеличение габаритов ведет к увеличению зазоров и масс и естественно к дополнительному увеличению нагрузок

Здесь не упомянут, важный на мой взгляд фактор, - не только увеличение размеров, массы и инерционых сил, но и увеличение числа тяжелых кинематических звеньев, связанных ПОСЛЕДОВАТЕЛьно.  Кроме тех факторов, упомянутых Вами, которые снижают КПД "зубчатого синхронизатора" накладывается еще и перемножение КПД (бОльшего числа потерь) в каждом из последовательных звеньев.

Такое решение для меня не привлекательно... трудности растут "взрывообразно" вместе с числом кинематических звеньев ( кроме множественности зубчатых контактов, - еще и водило-шатун, шатун-коленвал, коленвал-подшипник...).

Ссылаясь на Янгулова В.С.: - взглянув (рис. выше) еще раз на бОльшую площадь контакта "шарика внутреннего зацепления" качения - согласитесь, что несущая способность шарика в округлой канавке может быть в РАЗЫ выше, чем у зубьев ?  Правда, за это надо платить снижением КПД... Но это - подвластно воле компромисса.

Но зато, в "шариковом синхронизаторе" мало последовательных кинематических звеньев. Больше - параллельных (потери складываются арифметически, а не перемножаются). Или я не прав?