Как сделать кривошип своими руками
SlavaChukreev › Блог › Электромотор Чукреева с кривошипно-шатунным механизмом
На идею натолкнули 2 видео.
Линейные двигатели устроены просто: внутри «ротора» (далее по тексту толкатели) металлической трубы из алюминия, или другого немагнитного материала, запрессованы неодимовые магниты. В «статоре» статичной части линейного двигателя находятся катушки индуктивности, которые включаются и выключаются в определенной последовательности, заставляя двигаться толкатель в нужном направлении. Современные линейные двигатели способны развивать силу порядка 2000 ньютон и высокую скорость возвратно-поступательных движений. На видео выше это видно.
В сравнении с 30 кН усилием, создаваемых поршнем во время детонации, у стандартного ДВС, 2 кН линейного кажутся смешными. Однако, в отличие от поршня ДВС, где работает только один такт из четырех, у линейного двигателя каждый такт рабочий. Следственно, 2 кН умножаются на 4 и в итоге получаем 8 кН без потерь возникающей в процессе работы ДВС (подача топлива, воздуха, удаление отработанных газов и тд.
В процессе аналитической работы над компьютерными моделями стало понятно, что придётся решить ряд вопросов:
1) При движении толкателей с магнитами внутри параллельно друг другу, магнитные поля начинают сильно взаимодействовать. Значит толкатели придётся располагать дальше друг от друга, что увеличит габариты двигателя.
2) Как охлаждать магниты внутри трубки толкателя, которые при сильном нагреве могут потерять магнитные свойства.
3) Как запрессовывать мощные магниты в трубку толкателя, ведь они будут направлены одинаковыми полюсами друг к другу.
4) Возникающие динамические нагрузки сильно ограничивают выбор материалов для трубки толкателя, нужны тонкие стенки из немагнитного материала с хорошим показателем сопротивления сжатию, растяжению и изгибу.
Оставляем магниты в сторону, думаем над реактивной тягой, то есть вместо стержня с магнитами будет металлическая болванка с зубьями — классическая реактивная электрическая машина.
Преимущества:
1) Нет магнитов. Те же тяговые характеристики при сопоставимых размерах.
2) Катушки обернуты электротехнической сталью и магнитные поля во время работы двигателей не мешают друг другу, что увеличивает плотность компонентов и уменьшает габариты.
3) Направляющая труба помогает эффективно работать с боковыми нагрузками, возникающими при толкании и втягивании толкателя.
4) Направляющая труба используется для отвода тепла воздухом либо жидкостью.
Недостатки:
1) Требуется много смазки. Это касается и первого варианта с магнитами.
2) Из-за направляющей трубы возникает потребность в двух шатунах на каждый толкатель.
3) Непонятно как изготавливать статоры из шихтованной стали.
4) Сложно крепить и удерживать обмотки.
Лучшим вариантом оказалось использование одного шатуна на 2 толкателя.
Следующий вариант это инвертированная реактивная машина. С катушками в середине и «ротором» снаружи.
Преимущества:
1) Конструкция двигателя стала меньше, чем предыдущая.
2) Нет проблем с намоткой катушек.
3) Можно эффективно охлаждать статор через трубу, на которую он прикреплен.
Недостатки:
1) В качестве направляющей для толкателя выступает его статор.
2) Смазка.
Вариант с плоскими линейными толкателями кажется наиболее перспективным. Его относительно легко изготовить, катушки располагаются на достаточном расстоянии от движущейся части и можно получить чуть большие показатели по сравнению с цилиндрическими машинами. Однако, есть проблемы с изгибом толкателя при работе.
У двигателей различных конфигураций, выдаваемая мощность была 70-120 кВт при крутящем моменте 500-800 Н/М.
Занимаемся этим двигателем с декабря прошлого года и интерес к нему потихоньку угасает, поэтому появилась потребность в комментариях, советах и конечно в «Вам что делать нечего? Купите асинхронник и не выпендривайтесь!1».
P.S.
Заявка на патент была подана в январе этого года.
Комментарии 16
Есть какие новости по проекту? Очень интересно знать. Работаете над ним или забросили
Вот мне тоже интересен практический смысл.
Основные преимущества электродвигателя перед ДВС для автомобиля.
1. Компактность и меньший вес при равной мощности.
2. Малое количество пар трения (два подшипника на валу не требуют сложной системы смазки)
3. Крутящий момент не зависит от оборотов.
4. Отсутствие систем вентиляции и охлаждения.
Недостатки
1. Большой вес(компенсируется малыми размерами и весом самого двигателя) и изнашиваемость источника питания.
2. Долгий процесс «дозаправки» (зарядки).
3. Требует отдельной системы отопления салона.
Итого — ваш агрегат, имеет все недостатки ДВС (п.3 надо просчитать) и электродвигателя, но лишён преимуществ последнего (за исключением п.3)
Кроме того себестоимость вашего агрегата (по сравнению с аналогичным ДВС) кто-нибудь считал? Судя по количеству цветного металла, она вряд ли будет ниже.
Отвечаю
Плюсы:
1. Вы забыли учесть вес аккумуляторов, электроавтомобили весят существенно больше авто на ДВС
2. Есть несколько идей с «сухой» смазкой
3. Еще как зависит, изучите вопрос лучше
4. В двигателях более 30кВт она обязательно присутствует
Минусы
1. Тут вы опомнились
2. Прогресс в этой области еще не остановился
3. Это скорее плюс
Итого ваши аргументы не состоятельны.
Себестоимость агрегата в первую очередь зависит не от цены металла, это как-раз меньшая из затрат. Куда важнее техпроцесс изготовления он как-раз гораздо проще именно в моем двигателе.
1. Ваш двигатель объёмнее и тяжелее обычного электродвигателя, соответственно компенсировать массу и размер источника питания нечем.
2. Про крутящий момент я утрировал, но его диапазон позволяет отказаться от КПП на обычном электродвигателе.
3. Прогресс в области ускорения зарядки пока что ведёт к снижению количества циклов до смерти батареи.
4. Плюс в дополнительной системе отопления в чём? В том что снижается запас хода? При том что в холодное время ещё и ёмкость батарей снижается?
По вашим описаниям, понятно одно — преимущество вашей конструкции в том, что можно сделать электродвигатель внешне похожий на ДВС. Только вот 90% нынешних автовладельцев абсолютно пофиг как выглядит то, что у них под капотом, большинство туда только зимой заглядывает, чтобы незамерзайку залить.
1. Не факт.
2. В обычном электродвигателе всегда есть понижающий редуктор 10:1 так как номинальные обороты находятся в районе 3000 об/мин при более низких оборотах КПД электродвигателей стремится к нулю.
3. LTO батареи опровергают это утверждение
4. В том что она может быть компактнее и энергоэффективнее, использование тепла от ДВС это всего-лишь попытка использовать тепловые потери во благо. Речи об энергоэффективности тут быть не может.
Я не создал двигатель который решит проблемы всех людей в мире, это утопия. И да возможно вы точно описали мою целевую аудиторию^ которая по вашим подсчетам составляет 10%
1. Ваш двигатель объёмнее и тяжелее обычного электродвигателя, соответственно компенсировать массу и размер источника питания нечем.
2. Про крутящий момент я утрировал, но его диапазон позволяет отказаться от КПП на обычном электродвигателе.
3. Прогресс в области ускорения зарядки пока что ведёт к снижению количества циклов до смерти батареи.
4. Плюс в дополнительной системе отопления в чём? В том что снижается запас хода? При том что в холодное время ещё и ёмкость батарей снижается?
По вашим описаниям, понятно одно — преимущество вашей конструкции в том, что можно сделать электродвигатель внешне похожий на ДВС. Только вот 90% нынешних автовладельцев абсолютно пофиг как выглядит то, что у них под капотом, большинство туда только зимой заглядывает, чтобы незамерзайку залить.
Мотор-колёса работают с 1898 года.
Используют все преимущества элетродвигателей.
Отсутствуют промежуточные системы передачи мощности от силовой установки на колёса, дифференциал и все системы реализуются электронными компонентами не усложняя механику.
Недостаток — увеличение неподрессоренной массы снижается применением новых материалов и оптимизации под конкретные мощности.
Ну аккумуляторы — общее место но и к ним требования снижаются по сравнению с «классической» схемой.
А вообще это всё принципиально уже больше ста лет существует и доработки идут только на уровне рюшечек и полировки, впрочем как и весь автопром.
Почему то никто не пытается уйти от колеса?
возможно тут и антиграв не понадобится;-)
Каков основной недостаток колеса? Это потери энергии на преодоление сил трения. Однако эти же силы обеспечивают и курсовую устойчивость. При отсутствии контакта с поверхностью, возникает проблема стабилизации движения, любой порыв ветра приведёт к уходу с траектории. Пока что есть две реальные модели бесколёсных ТС — это суда на воздушной и поезда на магнитной подушках. Первые сложны в управлении, требуют дополнительной энергии на создание подушки и их применение ограничено рельефом (требуется достаточно ровная поверхность). Вторым, как и любому рельсовому транспорту требуется наличие ответной части движителя — рельса.
Что касается электромобилей. ИМХО существенного прогресса в их использовании можно добиться если применять универсальные сменные АКБ. Это решит основную проблему — запас хода и длительность зарядки. Электромобиль просто заезжает на зарядную станцию и меняет батареи за время сопоставимое с обычной заправкой топливом и едет дальше, а снятый модуль заряжается и используется другим по мере готовности. Но для этого нужно всех производителей привести к единому стандарту и на его основе повсеместно создать собственно инфраструктуру.
Касаемо идеи автора — она имеет право на существование, только помимо технической части надо рассчитать ещё и экономическую. Для успешного внедрения конструкция должна иметь преимущества перед существующими, тогда это имеет смысл.
Хорошо, летать пока подождём.
Можно суперконденсаторы в качестве накопителей использовать, но пока это дорого, а графеновые уже 15 лет обещают(
Потери в данной конструкции намного больше чем в «классических» электродвигателях, как на трение так и на разогрев «катушек»
Да малые обороты и бОльшая тяга плюс, но ценой усложнения конструкции, а значит снижения надёжности и технологичности.
А это удорожание и немалое, так что с точки зрения экономики тут только как «игрушки для богатых по индивидуальному заказу с прозрачными окнами для эстетического наслаждения»
Уже давно опробованы электромагнитые клапана для ДВС, но не прижились, дорого и ненадёжно.
а на сколько процентов выше крутящий по сравнению с обычными?
Красота это хорошо, но интересен практический смысл
Надо строить физическую модель и на стенде проверять, на бумаге все не так однозначно.
Nissan Patrol GR Y61 ۞ (YOZHIK) › Бортжурнал › Разрушители легенд. Двигатель внутреннего сгорания. Часть №6. Кривошипно-шатунный механизм. Часть №1. Шатун.
Вся история существования и развития двигателей внутреннего сгорания(ДВС) непрерывно связана с применением кривошипно-шатунного механизма(КШМ), без которого двигатели в давно и всем известном виде просто непредставимы. Поршень в цилиндре движется прямолинейно-поступательно и преобразовать это движение во вращательное без КШМ не представляется возможным.
Чего наворотили на основе КШМ за последние сто лет можно посмотреть здесь:
При всём кажущемся совершенстве конструкций на основе КШМ попытки создать двигатель без КШМ не прекращаются по сей день. Ничего путнего на горизонте мы пока не наблюдаем, но изобретателей это не останавливает.
Двухсотлетнее стремление избавиться от КШМ давно уже выродилось в самоцель и, похоже, народ давно позабыл(или никогда и не знал?)первопричину этих потуг. Почему же конструкторы всех мастей с маниакальным упорством продолжают опять и опять изобретать велосипед?
Чем так не угодил КШМ создателям ДВС?
Я уже давал ответ на этот вопрос в предыдущих своих статьях, но сегодня хочу остановиться на этом вопросе подробнее. Давайте ещё раз рассмотрим конструкцию КШМ.
Давление газов в цилиндре ДВС равномерно распределено по поверхности «камеры сгорания». Вектор силы этого давления НА ПОРШЕНЬ действует вдоль стенок цилиндра в район оси вращения коленвала. Поршень воздействует на кривошип через шатун, который поворачивается при вращении коленвала на довольно значительный угол — соответственно шатун передаёт на кривошип хоть и бОльшую, но только ЧАСТЬ давления газов. Кривошип в свою очередь преобразует в крутящий момент только ту ЧАСТЬ передаваемого шатуном усилия, которая направлена по КАСАТЕЛЬНОЙ относительно коленвала — таким образом теряя ещё значительную часть передаваемого усилия. Все силы, которые не преобразуются в крутящий момент на коленвалу — деформируют коленвал, шатун, стенки цилиндров, поршень, подшипники и всё прочее типа блока цилиндров — в итоге взаимокомпенсируются через механизмы двигателя и потому полезной работы не совершают. Пропадают зря.
Давайте проследим путь СИЛЫ давления газов на поршень до выходного вала ДВС.
Как видно из рисунка — в каждом КШМ имеется ДВА узла, манипулирующих силами давления газов:
Первый такой узел — это сочленение ПОРШЕНЬ-ШАТУН.
Максимальный коэффициент трансформации силы(далее КТС) давления газов через шатун возникает когда шатун расположен по оси силы давления — соответственно этот момент возникает только в ВМТ и НМТ. По мере отклонения шатуна от вертикали передаваемая на кривошип сила уменьшается по закону Pt=P1*cos(β) от 100% до некоего минимума, возникающего при повороте кривошипа на 90 градусов после ВМТ.
«Наука» теплотехника несколько извращённо трактует взаимодействие сил в этом сочленении.
Третий закон Ньютона пока ещё никто не отменял, но некоторые уже давно и успешно его забыли — сила действия ВСЕГДА равна силе противодействия. Именно поэтому НА САМОМ ДЕЛЕ боковая составляющая вызвана силой ПРОТИВОДАВЛЕНИЯ, действующей в ответ на силу ДАВЛЕНИЯ газов. Поскольку эти силы взаимодействуют под углом — то и «возникает» третья сила, в полном соответствии с законами сложения и разложения сил. В старых учебниках по ДВС ещё можно найти адекватные иллюстрации:
Чем сильнее отклоняется шатун — тем БОЛЬШЕ получается сила(N) давления поршня на стенки цилиндра.
Чем сильнее отклоняется шатун — тем МЕНЬШЕ получается сила(Pt), передаваемая через шатун на кривошип!
Максимальный угол отклонения шатуна напрямую зависит от соотношения ДЛИНЫ ШАТУНА к РАДИУСУ КРИВОШИПА. Чем длиннее шатун — тем меньше возникающий угол. Лучше всего когда шатун длиннее плеча кривошипа в 4 раза и более — максимальный угол отклонения шатуна тогда минимален.
Алхимики от двигателестроения шифруются и потому у них своя система координат — они манипулируют соотношением длины шатуна и рабочего хода поршня — это соотношение у них принято обзывать «R/S». Как часто бывает(или это специально делается?) — общепринятый термин в очередной раз всё путает. Рабочий ход поршня к углу отклонения шатуна никакого отношения, конечно же, не имеет. Но поскольку в силу конструктивных особенностей КШМ рабочий ход поршня ровно в два раза больше радиуса кривошипа — то и такое соотношение можно использовать.
Только зачем?
Я терпеть не могу, когда термин перевирает техническую суть.
Потому я не буду использовать термин R/S в своём рассказе.
При коротком(3R) шатуне угол отклонения шатуна от вертикали достигает 20 градусов и, соответственно, передаваемое на кривошип усилие в сочленении ПОРШЕНЬ-ШАТУН уменьшается процентов на 6-7. Энергия не берётся из ниоткуда и не исчезает в никуда — всё, что недополучит от поршня кривошип, всё это усилие будет впечатывать поршень в стенки цилиндра, что многократно увеличивает трение в цилиндро-поршневой группе(что тоже чревато увеличением потерь мощности) и существенно ускоряет износ.
Т.е. часть сил давления газов замыкается в двигателе накоротко уже на этом этапе.
Чем короче шатун — тем сильнее он отклоняется от вертикали при вращении кривошипа и тем больше «ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ» потери сил в сочленении ПОРШЕНЬ-ШАТУН:
Потому, как ни странно прозвучит — но именно длина шатуна обуславливает МАКСИМАЛЬНУЮ эффективность КШМ в целом! Подавляющее большинство двигателей имеет шатуны длиной 3-3.5R — соответственно за счёт сочленения ПОРШЕНЬ-ШАТУН двигатель с такой геометрией никак не может передать на кривошип больше условных 95% сил, воздействующих на поршень.
Даже 5% потерь уже готового к употреблению момента — это очень дофига. Это просто неприлично много. В потугах хоть как-то отыграть эти потери применяют смещение оси движения поршня(«дезаксиал»\»дезаксаж») — либо сдвигают точку крепления шатуна к поршню, либо сдвигают сами цилиндры в блоке так, чтобы шатун в зоне максимального давления газов был перпендикулярен(ну или хотя бы БОЛЕЕ перпендикулярен) днищу поршня и направлен строго вдоль вектора силы передаваемого через шатун давления:
Как видите — смещение уменьшает угол между шатуном и вектором силы давления газов в самом ответственном положении коленвала. За счёт этого средний момент, предаваемый шатуном на кривошип получается увеличить на 1-2 процента.
Это как бы немного, но не будем забывать, что это чуть ли не ПОЛОВИНА ПОТЕРЬ в сочленении ПОРШЕНЬ-ШАТУН. Соответственно при смещении оси движения поршня значительно снижается давление поршня на стенки цилиндра, уменьшается скорость поршня на рабочем такте, это в свою очередь приводит к уменьшению потерь на трение в цилиндре и к уменьшению износа ЦПГ. Уменьшается шум и нагрузки при перекладке поршня…
Но это всё ПРОИЗВОДНЫЕ от потерь в сочленении ПОРШЕНЬ-ШАТУН при отклонении шатуна от оси движения поршня. Я не буду влезать в дезаксиал глубоко — к сожалению он не решает всех проблем, а некоторые проблемы существенно усугубляет, увы.
Есть ещё одна проблема, которую вообще практически не озвучивают — это ДИНАМИЧЕСКИЕ потери. Дело в том, что шатун при работе двигателя движется по довольно замысловатой траектории. Длинный шатун(5R) перемещает поршень по очень близкой к синусоиде траектории. Так выглядит график ПЕРЕМЕЩЕНИЯ поршня на одинаковом коленвалу при разных шатунах(синяя кривая — при относительно длинном(5R) шатуне, красная при относительно коротком(3R) шатуне):
Как видите — отличия в кинематике поршня минимальны и непонятно о чём беспокоиться.
Но давайте посмотрим на график отклонения шатуна от оси движения поршня:
Как видите — максимальный угол отклонения шатуна отличается почти в два раза.
При длинном шатуне мы максимально теряем около 2% передаваемого момента(КТС=0.98), а при коротком — почти 6%(КТС=0.94). Т.е. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ потери передаваемого момента в сочленении поршень-шатун из-за более сильного отклонения короткого шатуна выше в ТРИ РАЗА!
На самом деле можно взять шатуны и ещё длиннее длинного(тогда потери уменьшаются всё медленнее) и ещё короче короткого(тогда потери нарастают лавинообразно) — но в реальном двигателестроении даже рассмотренные крайности применяются редко, а лезть в галимую теорию я смысла не вижу — меня интересуют чисто практические вещи.
Понятно, что на кону всего-то-навсего 4% от крутящего момента двигателя, но это очень не мало и это всё ещё СТАТИКА, о которой я писал выше.
Давайте смотреть ДИНАМИКУ.
График СКОРОСТИ поршней и шатунов уже начинает вызывать тревогу:
Дело в том, что скорость поршней в цилиндрах сильно влияет на сопротивление и износ.
А оба этих параметра — обратная сторона потерь энергии на трение.
Как видно на графике — скорость движения поршневой группы минимальна вблизи верхней мёртвой точки и вблизи нижней мёртвой точки, а максимальна — посередине хода поршня. Т.е. поршневая группа при каждом обороте коленчатого вала два раза разгоняется максимально и два раза тормозится до нулевой скорости.
Понятно, что каждый разгон и торможение требуют затрат энергии.
При возрастании скорости в два раза — ускорения(а значит и затраты энергии на разгон-торможение) возрастают в четыре раза. А как мы видим на графике — максимальная скорость поршневой группы при коротком шатуне на 3% выше.
Давайте посмотрим на ускорения поршневой при разных шатунах:
Ускорение в ВМТ отличается на 11% и затраты энергии на возвратно-поступательно движение поршневой группы увеличатся пропорционально!
Вблизи НМТ картина ещё более интересная — там ускорение поршневой группы с коротким шатуном имеет сложный характер. На первый взгляд максимальное ускорение ниже, но дело в том, что там выше скорость изменения ускорения — РЫВОК. А рывок — это ещё более энергозатратная(и разрушительная!) штука, чем ускорение.
Кому интересны подробности — читайте например тут.
Вот кривая РЫВКА этих же поршней и шатунов:
Как видно из графика максимальные скорости изменения ускорения при идеально РАВНОМЕРНОМ вращении коленвала находятся в районе 60 градусов ДО ВМТ и в районе 60 градусов ПОСЛЕ ВМТ. При коротком шатуне есть два явно выраженных всплеска в районе 25 градусов ДО НМТ(разгонный рывок) и в районе 25 градусов ПОСЛЕ НМТ(рывок торможения).
В четырёхцилиндровом РЯДНОМ двигателе рывки всех 4 цилиндров накладываются друг на друга — ведь они происходят одновременно в двух цилиндрах — при движении поршня вверх, и одновременно в двух других цилиндрах — при движении поршня вниз. Ещё и воспламенение в одном из цилиндров в районе ВМТ накладывается синфазно каждый такт…
Именно поэтому вибрации четырёхцилиндрового двигателя максимальны по амплитуде и потому именно он считается самым неуравновешенным.
Дезаксиал серьёзно ухудшает эту картину.
Но без него современный КОРОТКОШАТУННЫЙ двигатель немыслим.
В итоге вибрации двигателей получаются настолько высокими, что производителям пришлось изобретать и внедрять балансирные валы:
Эти неуравновешенные валы вращаются с вдвое более высокими оборотами, чем коленчатый вал — таким образом они тоже создают вибрации, но эти вибрации рассчитывают так, чтобы они действовали в противофазе к вибрациям коряво спроектированного КШМ и таким образом гасили их. Вот так производители «успешно» борются с проблемами, которые сами же и породили.
Правая рука не ведает, что вытворяет левая?
В результате внешних проявлений почти нет — трясётся короткошатунный двигатель не сильнее нормального длинношатунного, но внутри такого двигателя бушуют страсти — повышенные ударные нагрузки на коленвал и поршневую, значительные дополнительные вес и инерционные нагрузки, высокие ударные нагрузки на кучу дополнительных узлов — всё это приводит к ускоренному износу и повышенному расходу топлива…
Маниакальная страсть производителей ширпотребовских двигателей снять максимальную мощность с объёма завела индустрию в патовую ситуацию.
Мощность — это обороты.
Производители в погоне за оборотами(читай — за литровой мощностью) пошли по самому лёгкому пути — максимально снизили вес и РАЗМЕРЫ цилиндро-поршневой группы. Ну и получили что получили.
Паспортной МАКСИМАЛЬНОЙ мощности до сих пор приносят в жертву и момент, и экономичность, и ресурс.
При увеличении оборотов в 10 раз — скорости поршневой группы увеличиваются в 10 раз, ускорения увеличиваются в 100 раз, а рывок — в 1000 раз. Соответственно лавинообразно увеличиваются ДИНАМИЧЕСКИЕ потери момента, которые просто обязаны пагубно отражаться на итоговом КПД двигателя в реальной работе. Особенно на высоких оборотах. Но считать их я не буду — это уже высшая математика, а мне бы с арифметикой двигателя разобраться для начала…
На картинках даже в современных учебниках по ДВС нарисованы двигатели в тех пропорциях, какими их представляли себе инженеры начала прошлого века — они-то понимали толк в том, что делали. Но в жизни мы подобные пропорции найдём разве что в судовых и локомотивных двигателях.
Ну и разумеется — в двигателях Формулы-1, которым приходится крутиться с оборотами под 22000, из-за чего в них все эти современные извращения просто недопустимы…
Легковое же двигателестроение уже давно заблудилось в трёх соснах — современные двигатели ВСЕ короткошатунные и короткоходые — и бензинки и дизеля.