Матеріал з Енциклопедія журналу "За кермом"
Традиційний кривошипно-шатунний механізм поршневих двигунів внутрішнього згоряння при роботі створює бічне зусилля на стінку циліндра. Щоб попередити пов'язаний з цим підвищений знос поршнів, доводиться надавати їм конусну форму, а їх спідницям елліпсность. Крім того, бічна навантаження на стінку циліндра збільшує втрати на тертя, тобто призводить до зменшення механічного ККД двигуна. Виключити її можна, застосувавши такий механізм, в якому шатун рухався б тільки поступально, не здійснюючи кутових хитань щодо поршневого пальця.
До реалізації цієї ідеї приступив С. Баландін. Він запропонував застосувати спочатку для парової машини, а потім поршневого авіаційного двигуна «точне прямо» - механізм, давно відомий в теорії механізмів і машин. Який же його принцип дії?
Мал. 1. Окремий випадок гіпоціклоіди.
при обкатці одному колі всередині інформаційних ресурсів, що вдвічі більший радіус, точки А і В малої окружності переміщаються по взаємно перпендикулярним прямим.
Якщо котити без ковзання всередині великого кола малу, то будь-яка точка останньої опише за один цикл взаємних переміщень звездообразную криволинейную фігуру - гіпоциклоїда. При співвідношенні діаметрів кіл 1: 2 фігура перетворюється в дві взаємно перпендикулярні прямі лінії. Це явище було відомо ще Копернику. Докласти створений на його основі механізм до двигуна внутрішнього згоряння намагалися в 1908 році Бюрле у Франції і Бухерер в Німеччині, але невдало.
Мал. 2. Принцип гіпоцікліческого переміщення точок кола в додатку до механізму, перетворюючого зворотно - поступальний рух поршнів в обертальний (позначення точок ті ж, що на попередньому рис.).
Мал. 3. Кінематична схема безшатунного двигуна.
Баландін, всебічно дослідивши проблему, знайшов своє рішення. Воно базувалося на приватному принципі гіпоцікліческого руху. Схема взаємного переміщення елементів запропонованого ним механізму (кінематична схема) була застосована в безшатунного двигуні.
Інженерне втілення ці винаходи отримали в дослідному двигуні ОМБ, де були використані циліндри, їх головки і поршні від пятицилиндрового авіаційного мотора М-НУ. У порівнянні з ним зіркоподібний чотирициліндровий безшатунного двигун могутніше на 33% і на 84% менше в площі поперечного перерізу. Але найголовніший результат - завдяки скороченню втрат на тертя між поршнем і циліндром механічний ККД підвищився з 0,86 до 0,95, виріс моторесурс. Із застосуванням безшатунного механізму циліндро-поршнева група перестала лімітувати надійність і довговічність мотора.
Мал. 4. Принципова пристрій безшатунного двигуна:
1 - поршневий шток
2 - колінчастий вал
3 - підшипник кривошипа
4 - кривошип
5 - вал відбору потужності
6 - поршень
7 - повзун штока
8 - циліндр
Після завершення експериментів з ОМБ був побудований і випробуваний ряд інших досвідчених двигунів, які працювали по принципово тією ж схемою. У них функції шатунів виконують поршневі штоки 1, жорстко (а не через поршневі пальці) пов'язані з поршнями 6 і, подібно шатунам, що охоплюють шийки колінчастого вала 2. На кожному штоку по обидва боки підшипника виконані повзуни (для спрощення на малюнках не показані), які ковзають по напрямних в картері, повністю розвантажуючи поршень і циліндр від бічних зусиль. В результаті поршень перетворюється просто в обойму для поршневих кілець, які герметизують стик «поршень - циліндр». Тому допуски на розміри поршня можуть бути менш жорсткими.
На малюнку показана чотирициліндрова секція безшатунного двигуна, але можливі конструкцій з вісьмома циліндрами, дванадцятьма, шістнадцятьма і т. Д. Кут між циліндрами 8 через особливості кінематичної схеми допустимо будь-який, крім 0 і 180 °, так як неможливо отримати конструкції, де циліндри розташовані в один ряд або опозитно. У всякому разі, немає перешкод для створення низького компактного мотора з хрестоподібним, Х-образним або V-подібним розташуванням циліндрів.
Колінчастий вал 2 безшатунного двигуна обертається на підшипниках 3, змонтованих в кривошипа 4. Вони через зубчасті вінці на їхніх щоках передають крутний момент на шестірні так званого синхронізуючого вала 5, який може служити і для знімання потужності.
Мал. 5. Компонування безшатунного двигуна одинарної дії
1 - поршневий шток
2 - колінчастий вал
3 - підшипник кривошипа
4 - кривошип
5 - вал відбору потужності
6 - поршень
7 - повзун штока
8 - циліндр
Типова компоновка чотирициліндрового безшатунного двигуна одинарної дії приведена на рис. Тут можна бачити повзуни 7 штока, виконані заодно зі штоком. 1 поршні 6.
Мал. 6. Компонування циліндра безшатунного двигуна подвійної дії
Відсутність кутових коливань штока щодо поршня відкриває можливість створення двигуна подвійної дії. В цьому випадку робочий процес йде по обидві сторони поршня, що дозволяє зняти майже вдвічі більшу потужність.
Мал. 7. Порівняння поперечного габариту двигунів подвійної дії - звичайного і безшатунного (виділено червоним), ліворуч при однакових діаметрі циліндра і хід поршня, праворуч - при однаковій потужності.
До речі, для того щоб створити можливість для двостороннього робочого процесу, в поршневих парових машинах і суднових двигунах внутрішнього згоряння застосовують так званий крейцкопфний кривошипно-шатунний механізм. Однак при такій конструкції різко збільшуються габарит і маса двигуна. Зіставлення поперечного габариту V-образних поршневих двигунів внутрішнього згоряння подвійної дії крейцкопфний і безшатунного типу показує значні переваги останнього.
Останній з досвідчених безшатунного двигунів С. Баландіна, восьмициліндровий ОМ-127РН подвійної дії розвивав потужність 3500 л. с. (2576 кВт). Він мав систему уприскування палива і турбонаддув.
Питомі параметри ОМ-127РН: потужність - 146 л. с / л, витрата палива при максимальній потужності - 200 г / к.с. в годину, маса - 0,6 кг / л. с.
Підсумовуючи гідності безшатунного двигуна, можна відзначити, що в порівнянні з рядом поршневих двигунів внутрішнього згоряння та газовими турбінами він компактніше, менше металлоемок. Для виготовлення багатьох його деталей придатні діючі технологія і устаткування моторобудівних виробництв в автомобільній промисловості.
Всі експерименти і дослідження по безшатунного двигунів велися свого часу фахівцями авіамоторобудування. Серійно для потреб авіації він, однак, не випускався, оскільки придатний тільки для гвинтових машин, час яких минув. Розвиток же ідей С. Баландіна стосовно до автомобільних двигунів становить інтерес. Так, на одному з наших автомобільних заводів групою конструкторів під керівництвом Р. Розова був розроблений проект безшатунного двигуна з Х-обравним розташуванням циліндрів. Найближче майбутнє, мабуть, покаже, наскільки реальними є перспективи застосування безшатунного двигуна на автомобілі в умовах масового виробництва.
С. Баландін працював в авіаційній промисловості, спроектував і побудував кілька зразків авіамоторів по безшатунного схемою, і ці роботи були довгий час (до кінця шістдесятих) засекречені. Інформації про ці двигуни трохи досі. Деякі збереглися до наших днів в якості експонатів музею авіаційної техніки, що в підмосковному місті Моніно. Свого часу ці розробки оточувала завіса секретності, і з тих пір чимала частина техдокументації, звітів про випробування, листування або знищена, або канула в безвість. Мало відомо і про сучасних проектах. Втім, будь-які конструкторські бюро дуже неохоче діляться інформацією про своїх експериментальних розробках, які не побачили виробництва. Це природно, і такий підхід характерний для всіх КБ в усьому світі.
Конструктори Ірбітський мотоциклетний завод займалися «бесшатунніком». Дослідний зразок був побудований, але до випробувань на стенді справа не дійшла, - не вдавалося провернути робочий вал двигуна.
Баландін у своїй книзі «безшатунного поршневі двигуни внутрішнього згоряння» (М. Машинобудування, 1972) наводить розріз безшатунного автомобільного двигуна. Як вдалося дізнатися, його спроектувала невелика конструкторська група одного з автомобільних заводів країни. Це був її перший мотор, і він так і залишився на папері. Вивчення книги Баландіна і різних публікацій, які пропагували ідею «бесшатунніка», наводило на думку, що раніше подібна схема ніким не застосовувалася. Однак в збірнику «Нові конструкції автомобілів та їх окремих механізмів» (М. Гострансіздат, 1931), складеному А. Коростеліна, є опис східного по схемі двигуна. Про нього говорилося, що розроблений він автомобільним інститутом в Англії і, найдивніше, що перша партія цих двигунів щойно надійшла в дослідну експлуатацію. Мабуть, нове це і справді добре забуте старе.