CC BY
73
УДК 621.833.6
О. А. Зайкин
Астраханский государственный технический университет
ПРОЕКТИРОВАНИЕ МАЛОГАБАРИТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И КОМПРЕССОРОВ С ТОЧНЫ1М ПОСТУПАТЕЛЬНЫМ ДВИЖЕНИЕМ ПОРШНЕЙ БЕЗ НАПРАВЛЯЮЩЕЙ НА ОСНОВЕ СХЕМ ЗАМКНУТЫ1Х ДИФФЕРЕНЦИАЛОВ
Введение
К главным требованиям международных стандартов, предъявляемым к современным машинам, относятся следующие:
- техническая система (ТС) должна быть экологически безопасной и обладать потенциалом техногенного риска в рамках допустимых норм;
- конструкция элементов ТС должна соответствовать нормам и требованиям правил по безопасной эксплуатации оборудования;
- используемые в ТС технологические процессы и конструктивные решения должны обеспечивать ресурсосбережение природных запасов;
- техническая система должна быть экономически выгодной по производительности, привлекательной по эргономическим и эстетическим решениям.
Недостатки многих машин связаны с использованием в них механизмов традиционных структур, имеющих врождённые пороки, которые принципиально не устранимы. Например, рычажные схемы двигателей внутреннего сгорания (ДВС) полностью не уравновешиваются, громоздки, имеют низкий КПД.
Недостатки классических механизмов менее выражены в так называемых нетрадиционных схемах. Это ротопоршневые двигатели (РПД) внутреннего сгорания Ванкеля; двигатели Стирлинга; разновидности волновых механизмов и т. д.
Например, важнейшими достоинствами РПД Ванкеля, скомпонованного на основе планетарного механизма [1], по сравнению с традиционными поршневыми бензиновыми моторами, считаются: меньшее на 35-40 % число деталей; меньшие в 1,5-2 раза габаритные размеры; высокая удельная мощность; низкий уровень вибрации; полная механическая уравновешенность. Например, многотопливный двигатель модели ЯС 2-60 для привода генератора мощностью 60 кВт фирмы Curtiss-Wright весит вчетверо меньше аналогичного дизеля и занимает объем в полтора раза меньший, чем традиционный бензиновый поршневой.
Основными проблемами РПД оказались качество герметизации камеры сгорания и ресурс элементов уплотнения, недостаточная топливная экономичность, в первую очередь при малых нагрузках, повышенные выбросы углеводородов. В России более 30 лет работают над РПД в АО
«АВТОВАЗ». В результате были решены многие технические проблемы, ограничивающие его применение в автомобилестроении, авиации общего назначения, в силовых установках для маломерных судов, в качестве компрессоров, однако разработанные решения могут обеспечиваться только высокими и дорогими технологиями, что снижает привлекательность проекта и является причиной отсутствия автомобилей с РПД на рынке.
Общеизвестно, что наименьшую массу и габаритные размеры имеют планетарные передачи. Они настолько универсальны, что могут воспроизводить не только вращение из вращения, но и синтезировать прямолинейную траекторию при определённых размерах колёс [2]. Конструктивно они также относятся к роторным схемам, поэтому имеют их достоинства. Зубчатые колёса имеют простую технологию изготовления и высокую надёжность конструкции. Кроме того, планетарные механизмы управляются, так как могут трансформироваться в дифференциал.
Традиционно поступательное движение формируется направляющей. В то же время известны схемы, в которых прямая траектория может быть получена и без направляющей [2]. Особый интерес представляют рычажный бесшатунный механизм в различных конструкциях и планетарный бесшатунный механизм с особым соотношением размеров колёс, применённые С. С. Баландиным в авиационном двигателестроении [3].
Рассмотренные автором научные исследования в разных областях машиностроения позволили выделить свойства, улучшающие машины, использующие возвратно-поступательное движение в рабочем процессе:
1. Роторные машины более компактны по габаритам и массе, уравновешены и виброспокойны.
2. Роторные машины имеют множество конструктивных недостатков на современном этапе развития, поэтому использование поршневых машин на данном этапе развития техники актуально.
3. Множество проблем традиционных рычажных механизмов связано с наличием шатуна и узла шарнирного крепления шатуна к поршню.
4. Наличие реакции между ползуном и направляющей снижает КПД, ресурс работы, вызывает быстрый износ уплотнений и утечку выхлопных газов, которые экологически опасны.
5. Крейцкопфные механизмы более надёжны, чем тронковые, однако более габаритны.
6. Рычажный бесшатунный механизм является крейцкопфным, но не имеет недостатков крейцкопфных схем, построенных на кривошипно-ползунном механизме, и полностью уравновешен.
7. Планетарные схемы имеют совокупность преимуществ роторных механизмов и ротопоршневых.
8. Создание необходимых траекторий по принципу сложения векторов линейных скоростей, заложенному в дифференциалах, является одним из перспективных направлений развития силовых схем приводов. Варьирование скоростями, свойственное им, позволяет создать адаптированный по рабочему движению механизм, отвечающий требованиям современной техники.
Кинематический синтез нетрадиционного ротопоршневого механизма
На основании сделанных выводов была исследована идея о возможности синтеза механизма, преобразующего вращательное движение в поступательное без шатуна, с точным прямолинейным движением поршня без направляющей, с роторной схемой, с возможностью двухстороннего процесса сжатия (как в бесшатунном механизме), с дифференциальным принципом создания траектории рабочего органа, с технологичной для изготовления конфигурацией звеньев. Из множества схем в качестве базовой принята планетарная бесшатунная схема с особым соотношением радиусов Я1 - сателлита, Я2 - неподвижного центрального колеса и эксцентриситета водила - е в соотношении Я2 = 2Я = 2е. Для реализации поставленной задачи выделим условия, обеспечивающие точное прямолинейное движение в планетарной схеме.
Так как планетарный механизм не имеет направляющей, то прямолинейное движение в нем можно получить только кинематическим путем -сложением векторов скоростей. Из плана скоростей, построенному по методу Смирнова, следует, что главным условием синтеза, обеспечивающим точное прямолинейное движение точки на сателлите, расположенной на расстоянии е от оси вращения сателлита, является равенство угловых скоростей водила и сателлита при неподвижном центральном колесе .
Кроме того, мгновенный центр скоростей точек сателлита одновременно является точкой качения сателлита по неподвижному центральному колесу. Следовательно, мгновенный центр скоростей - точка С - всегда должен находиться на расстоянии АС = 2е от оси вращения водила. Примем это условие как второе главное для синтеза.
Известно, что для шатунов рычажных схем мгновенный центр является мнимой точкой, не связанной с геометрией звеньев. Продлим вектор относительной скорости УВБ за точку С (рис. і), увеличив размеры сателлита и центрального колеса. Появляется тчка Л с вектором скорости УЛ. Построение показало, что сохранить генеральную кинематику - УС = 0 можно и при радиусе сателлита Я1 Ф е. Это условие реализуемо, если схема полученного механизма является дифференциальной с подвижным центральным колесом. Таким образом, принципиальное решение вопроса
о синтезе схемы с независимой геометрией звеньев от эксцентриситета водила, но с точным прямолинейным движением точки В на сателлите найдено.
Рис. 1. Исследование возможности расширения планетарной схемы
Продолжим исследование плана линейных скоростей, перемещая точку Л в разные области построения, в результате чего появляются четыре варианта схемы дифференциала (рис. 2).
Схема 1 Схема 2 Схема 3 Схема 4 Рис. 2. Варианты синтеза дифференциальных механизмов
Синтезированные схемы имеют следующие свойства:
1. Схема 1 - внутреннее зацепление сателлита с центральным колесом, точка Л1 выходит за пределы базовой схемы планетарного механизма (на рисунке базовая схема имеет чёрный цвет контура звеньев).
2. Схема 2 - внутреннее зацепление сателлита с центральным колесом, точка Л2 находится внутри базовой схемы (возможна установка нескольких сателлитов).
3. Схема 3 - внешнее зацепление сателлита с центральным колесом, точка Л3 находится внутри базовой схемы (возможна установка нескольких сателлитов).
4. Схема 4 - внутреннее зацепление сателлита с центральным колесом, точка Л4 выходит за пределы базовой схемы (центральное колесо вместе с водилом находится внутри сателлита).
Далее ставится задача о выводе уравнений, описывающих связь геометрии звеньев синтезированных схем с кинематикой, обеспечивающей требуемый эффект прямолинейности. Для этого радиусы колес дифференциалов выражаем через приращение А, а начало отсчёта величины приращения берем от мгновенного центра скоростей - точки С с учётом положительного направления, соответствующего стандартной системе координат Я1 = е + А, Я2 = 2е + А. При этом знак перед А может быть как (+) так и (-). Рассмотрим предварительно крайние случаи:
А = 0 ® Я1 = е, Я2 = 2е - планетарный базовый механизм;
А = - е ® Я1 = 0, Я2 = е - механизм не существует при наличии 0;
А = - 2е ® Я! = - е, Я2 = 0 - механизм не существует;
А = - ¥ ® Яг = Я2 = - ¥ - некорректность исходных данных;
А = + ¥ ® Я1 = Я2 = + ¥ - некорректность исходных данных.
Границы А разделяют все возможные варианты -¥ < А < +¥ на диапазоны в соответствии с номером схем:
Схема 1. 0 < А < + ¥ , отличительные признаки: Я1 < Я2, зацепление внутреннее, сателлит один: е < \Я1\ < ¥, 2е < |Я2| < ¥, Я1 ф е.
Схема 2. -е < А < 0, отличительные признаки: Я1 < Я2, зацепление внутреннее, сателлитов несколько: 0 < |Я1| < е, е < |Я2| < 2е, Я1 ф е.
Схема 3. -2е < А < -е, отличительные признаки: Я1 > Я2, или Я1 < Я2, зацепление внешнее, сателлитов несколько: 0 < |Я1| < е, 0 < |Я2| < е, Я1 ф е.
Схема 4. -¥ < А < -2е, отличительные признаки: Я1 > Я2, зацепление внутреннее, сателлит один: ¥ < |Я1| < е, ¥ < |Я2| < 0, Я1 ф е.
Для исследования используем формулу Виллиса, применяемую для описания кинематики дифференциалов. Вставив в нее главное условие ю1 = -юя, получаем
^2. = 1----(1)
шя и 12 ) . ( )
Для всех синтезированных схем передаточное число обращенного движения было принято по схеме 1, как = Я2 / Я1 .
Может возникнуть возражение в знаке относительно схемы 3, так как общепринято для внешнего зацепления брать отрицательный знак перед передаточным числом внешнего зацепления. Подобный подход был бы оправдан, если бы в расчете радиусов приращение А было бы только положительным. В действительности, при изменении знака А, радиусы также меняют знак относительно выбранной системы координат:
а) при внутреннем зацеплении: +Я1, +Я2 или -Я1, -Я 2;
б) при внешнем зацеплении: -Я1, +Я2 или +Я1, -Я2.
Таким образом, учёт знака в радиусах проявляет себя при подстановке их в выражение (1).
Следовательно, условие (1) является универсальным для всех 4-х схем дифференциалов.
В преобразованном виде с учетом А оно выглядит так:
1
21+1'
А
В дифференциале задать необходимые величины угловых скоростей можно двумя двигателями, что позволило бы, для расширения возможностей схем при соответствующей вариации их величин, влиять на прямолинейность траектории. При этом возможно режимное управление движением. Однако раздельные приводы могут произвольно изменять функциональную связь за счет независимости их механических характеристик, поэтому выгоднее использовать жесткую геометрическую связь через замыкающую ступень в схеме замкнутого дифференциала. Четыре схемы замкнутых дифференциалов представлены соответственно на рис. 3.
ю 2 ю н
Рис. 3. Схемы синтезированных замкнутых дифференциалов: а - схема 1; б - схема 2; в - схема 3; г - схема 4
Для замыкающей ступени дифференциала с передаточным отношение чисел зубьев и23 запишем:
1 . (2)
и 23 ■ (2-+1) А
Направления вращения и величины Ю1 и w однозначно определены главным условием синтеза дифференциалов (1), тогда как w может принимать разные значения своей величины и направления. Значение суммы в скобках (2) также определено условиями синтеза, но величина U23 является независимой как для рядной схемы замыкающей ступени, так и для блочной. Вариантами зацеплений z3' - z4 и z3 - z2 можно добиться как различных значений U23, так и изменения знака Ю3. Таким образом, в зависимости от компоновки замыкающей ступени возможен широкий спектр решений кинематики вала 3, что весьма актуально в ДВС.
Заключение
1. Доказана принципиальная возможность существования дифференциального механизма с независимой геометрией колес от эксцентриситета водила, имеющего на сателлите окружность радиусом е, являющуюся геометрическим местом точек, движущихся точно прямолинейно без направляющей.
2. Синтезированы четыре схемы замкнутого дифференциала, резко отличающиеся конструктивно друг от друга, известные в машиностроении, но имеющие свойства п. 1.
3. Доказана возможность существования многосателлитных вариантов схем со свойствами п. 1.
4. Получена схема с внешним зацеплением сателлита с центральным колесом со свойством п. 1.
5. Синтезированные схемы могут иметь два ведущих вала Н, 2 или 3, каждый из которых может быть приводным или для отбора мощности.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Крайнев А. Ф. Словарь-справочник по механизмам. - 2-е изд., перераб. и доп.
- М.: Машиностроение, 1987.
2. Шнякин В. Многофункциональный РПД: в небе и на суше // Наука и жизнь. -2002. - № 3.- С. 60-63.
3. Баландин С. С. Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания. - Изд. 2-е, доп. - М.: Машиностроение, 1972.
Получено 15.02.05
PROJECTING TINY ENGINES AND COMPRESSORS WITH ACCURATE TRANSLATIONAL MOVEMENT OF PISTONS WITHOUT A GUIDE
O. A. Zaikin
Lever circuits of piston machines have basic drawbacks which cannot be eliminated principally. They are absent in non-traditional circuits - rotor-piston Vankel internal combustion engines, Stirling engines, in which there occur such problems as her-
metic properties of a combustion chamber; small resource of seal elements; insufficient fuel safe, especially at little loading; extensive hydrocarbon pollution; the need in expensive and advanced technologies that bring down the project attractiveness on the market. Minimal mass and dimensions has planetary gear. Especially interesting is a planetary train without a connecting rod used by
S. S. Balandin in aircraft machinery production. According to the test results there were synthesized mechanisms transforming rotating movement into translating movement without a connecting rod with accurate straight-line movement of the piston without a guide, with rotor circuit, possibility of two-side compression process (as in a mechanism without a connecting rod), with differential principal of making trajectory of operating part, with technological tooth configuration of chains.
