Можно ли считать колесо новым принципом? С одной стороны, появилось оно несколько раньше, чем ДВС. С другой стороны, применение трения качения там, где до этого исторически применялось исключительно трение скольжения — явный шаг вперёд. На фоне технологии «тащим моржа за клыки волоком» изобретение колеса — настоящий прорыв!
История эта началась, как и сверхгибкий велосипед, со случайно увиденного видеофрагмента: в незапамятные времена кто‑то из машиностроителей решил поразить публику своим уровнем технологий, позволяющим сделать вот это вот.
Тогда это ещё не было мейнстримом и владельцы 3D‑принтеров не развлекались ещё массовым изготовлением таких декоративных передач. Работа упоротого зацепления была ярким свидетельством точного расчёта и безупречной работы ЧПУ, то есть наличия современного (в наше время, правда, уже скорее минималистичного) комплекса ПО и станочного парка. Точно установить происхождение отрывка уже, наверное, возможно только случайно — он сменил столько разных «non‑circular gear compilation», что первоисточник затерялся во мраке. Вероятно, это съёмка на тогдашний мобильник (типа «извините за качество, снимал на тапочек») какой‑то выставки, во всяком случае, окружающая обстановка подозрительно напоминает выставочный стенд (на гифке, правда, всё лишнее я обкорнал, а трясущийся в руках видеотапочек попытался стабилизировать софтово).
Моя ассоциативная цепочка сработала мгновенно и безжалостно. Увидев, насколько меняется площадь контура, ограниченного с четырёх сторон шестернями — парой соседних сателлитов, солнечной и коронной — я радостно подпрыгнул: это же почти готовый роторный двигатель! Двигатель, в котором ротор не трётся о цилиндр, а вместо этого спокойно перекатывается по сателлитам, когда они перекатываются по цилиндру! Никакого трения, никаких уплотнителей, никакого масложора и износа стенок! Да и сам макет выглядит так, как будто что‑то такое там подразумевалось — гайки стоят ровно там, где должны стоять свечи зажигания, в точке максимального сжатия.
Присмотревшись поближе, я убедился, что ключевое слово всё‑таки «почти». Контур напоминает в профиле гантель (распространение горения, мягко говоря, не самое удобное), геометрическая степень сжатия тоже оставляет желать сильно лучшего... Но нельзя ли, поставив целью именно ДВС, чуть подрихтовать форму? Может быть, можно как‑то сделать ротор менее массивным, а геометрическое сжатие при этом повысить?
За окном стремительно росли деревья и резвились слоупоки, а я не спеша изучал примеры экзотических планетарок в подобном стиле. Увы, как ни странно, ни одна из них вообще не демонстрировала сколько‑либо заметного изменения объёма, ограниченного сателлитами. Выпуклости солнечной и коронной шестерни проходят рядом, едва не цепляясь, сателлиты мечутся по безумной траектории, но такой эффект это почему‑то больше ни у кого не даёт. Неужели это просто случайность, которую авторы этого стенда не заметили? Или вот‑вот прогремит великий патент на великий двигатель?
Деревья изрядно подросли. Если бы кто‑то что‑то делал, он бы уже давно это сделал, а нагуглить ничего подобного не удавалось. Соблазн построить математическую модель и врубить оптимизацию формы был велик, но останавливало одно обстоятельство: сферических коней в вакууме не бывает. Я изрядно наигрался с юных лет с разными двухтактниками и не могу назвать трение абсолютным злом. В любом двигателе, хоть 2Т, хоть 4Т, в любом случае будет образовываться больше или меньше нагара. Даже будь он хоть водородным — всё равно маслосъёмное кольцо не идеально, что‑то будет гореть в любом случае. И если с трущихся поверхностей он будет счищаться, то шестерни, увы, будут «втаптывать» его и трамбовать до каменного состояния, пока всё это не переклинит (ну, или не расплавится от чудовищного тепловыделения от работы с жутким натягом вместо штатного зазора). А математическая модель, которая не нажрётся ошибок округления и не построит мне что‑то типа «невозможного треугольника», где после завершения всех кривых замкнутый контур не замыкается — вещь небыстрая и трудоёмкая. Нужно, чтобы поверхности не «почти точно» катились друг по другу, нужно, чтобы они катились абсолютно точно, и чтобы можно было их разбить на целое число эвольвентных зубьев. Нужно, чтобы оптимизация ничего ни во что не впихнула так, что оно в реальности зацепится. Короче, думать нужно. А думать сложно — есть много других вещей, над которыми тоже нужно думать.
Поковырявшись с прогой Gearify, которая в бесплатной версии мне рисовала что‑то колышущееся и не подлежащее сохранению, я всё более и более убеждался в уникальности того макета. Нет, ограничения бесплатной версии мне не мешали — они бы помешали в худшем случае фрезеровке, а мне никак не удавалось даже построить что‑то, достойное не то что фрезеровки — хотя бы презрительного плевка. Надо было всерьёз браться за математическую модель, и я обратился к самому хардкорному мастеру нашей мото‑эндуро‑тусовки, который уже не в первый раз комментировал мои идеи и вообще проявил себя как человек, представляющий работу техники на уровне хорошего R&D какой‑нибудь хондоямахи, дабы он развеял мои сомнения. Их я не стал даже озвучивать, просто показал видео с ротором и описал идею, чтобы посмотреть, что он скажет в ответ.
Ответ был краток.
Двоим сразу никогда не кажется. Нельзя сказать, что мы мгновенно скисли или, наоборот, загорелись попробовать вопреки всему, вдруг что получится. Но в целом, на фоне новых жизненных обстоятельств, включающих мои новые болячки и резко просевшую работоспособность, мы довольно быстро утратили остатки энтузиазма и, кроме вялых переписок «ну, надо всё‑таки перетереть эту тему», не сдвинулись в итоге никуда.
Вот так мы и не изобрели роторный двигатель на новых принципах. И заветную формулу «Роторный двигатель внутреннего сгорания, отличающийся тем, что его ротор и цилиндр выполнены в виде солнечной и коронной шестерён планетарной передачи соответственно, а уплотнители выполнены в виде шестерён‑сателлитов, образуя вместе функционирующую планетарную передачу без водила, с шестернями в общем случае необязательно круглой формы» уже никто никогда не подаст в Роспатент. А настоящим изобретателем станет кто‑то другой, кто напишет «Роторно‑планетарный двигатель внутреннего сгорания, отличающийся тем, что для снятия нагара с шестерён...» и дальше что‑то такое, что мы придумать не смогли. Это, конечно, не считая оптимизации формы, чтобы добиться лучшей геометрической степени сжатия — если, разумеется, неумолимый «матан» вообще такое позволит. Ну, или тот, кто раздует хайп и соберёт кучу денег с инвесторов, заранее зная, что ничего в итоге не получится, хотя это уже не совсем изобретательство (формальный патент, однако, вполне может быть).
А, да, предложение насчёт рамы того велосипеда всё ещё в силе: если некий смельчак, которому есть у кого одолжить три мотор‑колеса, возьмётся поиграть с колёсной формулой 3×3, я меняю эту раму на честное хабровское слово выложить потом об этом статью, плюс видео с грязеиспытаний. В некоторые города раму могу привезти, ну, а возвращать её уж точно не надо.
Комментарии (49)
ABRogov
24.12.2023 00:31У Liquid Piston идея более рациональная, как мне кажется. Там они как бы инвертировали ванкель, и овальный ротор ходит по трем полостям.
TimID
24.12.2023 00:31LP уже черт знает сколько лет (20) пытается довести свой "перевернутый Ванкель" до ума, но пока всё ещё находится на стадии опытных образцов и получения военных контрактов "на разработку" двигателя. Явно всё не так просто.
NickDoom Автор
24.12.2023 00:31У них довольно скромные рабочие объёмы, как на этой анигифке примерно. Но «перетекающий поршень» крут, он был одной из причин, по которым я решил «слиться» (при примерно той же сложности изготовления он явно ближе к идеалу подобрался).
Вообще сейчас тренд скорее в сторону КПД, чем удельной мощности, поэтому не только Мазда и династия Школьников не при делах вместе со мной. Будущее за таким вот дизельком, без охлаждающей рубашки, с водяными форсунками (глаза фанатов паровых машин сейчас зажглись надеждой), вот только из какого такого
павлина-мавлинатитана делать ЦПГ, чтобы она пережила работу на малом газу, когда пар плюс оксиды азота (типичная проблема дизелей) образуют целую пачку кислот? Причём там даже можно решить главную проблему цикла Аткинсона — плохую работу на малой мощности, когда нечему расширяться в дополнительное пространство. Ставим широкий клапан и на малой мощности просто «открываем его настежь», чтобы цикл превратился в цикл Отто. Хотя если учесть расширение пара, возможно, это даже не потребуется, потому что эта проблема может сама уйти через пять минут прогрева движка.
HiMem-74
24.12.2023 00:31Не нужно режимов ХХ, если ДВС будет работать в паре с генератором, а колёса крутить электромотор.
Необходимо реализовать режим включено/выключено и перед электромотором небольшая, легкая и недорогая буферная батарейка километров на 10.
aakumykov
24.12.2023 00:31Знакомое чувство: загораешься идеей, кажется реализуемой, но детали, которых не знаешь в начале, её убивают.
konst90
24.12.2023 00:31В проблему уплотнений и обычный Ванкель влип, а у вас что-то ещё более экзотическое.
strvv
24.12.2023 00:31А до Ванкеля Баландин и куча других изобретателей, с теми же вращающимися заслонками вместо клапанов.
Хотя если использовать для паровых двигателей или других насосных систем, где не происходит высокотемпературного химического преобразования - вполне рабочие системы, с другой стороны у них термический КПД мал.
ilriv
24.12.2023 00:31Да, компрессор - это "ДВС наоборот". Надо сначала опробовать идею, сделав компрессор.
ilriv
24.12.2023 00:31Чтобы не клинило от нагара, можно использовать два таких механизма на одной оси: один с шестернями (для преобразования движения), а другой - точно такой же, но с роликами вместо шестерёнок (рабочий).
fizikdaos
24.12.2023 00:31Тоже про это подумал. Только не ролики, а подвижные перегородки с маслосьемниками.
ilriv
24.12.2023 00:31С перегородками будет проблема, как добиться чтобы они всё время были перпендикулярны направлению движения.
Хотя, можно этого добиться. Надо соединить эти мини-поршни (подвижные перегородки) друг с другом "паровозиком" через направляющее кольцо. И тогда второй механизм (с шестернями) уже не будет нужен.
Мини-поршни должны контактировать с криволинейной поверхностью не через обычные маслосъемники, а через ролики, чтобы было качение, а не скольжение.
Чтобы уменьшить нагар - такие моторы должны работать на метане. А для смазки можно поискать какую-нибудь высокотемпературную негорючую смазку (типа силиконового масла, но с более высокой рабочей температурой).
dragonnur
24.12.2023 00:31Силиконовое масло превратится в песочек и протрёт мотор до дыр. Метан тоже даёт не только оксиды углерода, но и сажу, хоть и немного.
strvv
24.12.2023 00:31более того, любой процесс сгорания далеко не так линеен, как пишется по максимально энергоэффективной формуле. там ещё куча радикалов и как они между собой, маслом, железом, алюминием, кучей газов в воздухе и углеродом и другими присадками в сплавах взаимодействуют - никто спрогнозировать не в состоянии.
ElVibrio
24.12.2023 00:31Единственный крупносерийный ротор был у Мазда, и тоже сложили крылья.
Иногда некоторые технологии могут быть тупиковыми.
accurate_random
24.12.2023 00:31Идея ТС красивая и интересная, но тут минус очевиден сразу - трение по торцам, причём скорость скольжения на радиусе вращения разная. Именно этот факт заставил меня отказаться вообще от попыткой размышления над любыми роторниками. Если будет время как-то, или найду, то попробую создать безроторный генератор, решение техническое для этого циклоида у меня есть - движение поступательное, без смены направления по линии на обратное ("безвозвратно" поступательное), но циклоил требует небольших опытов и возможно я их скоро проведу (на новогодних праздниках, у меня для этого есть всё, кроме времени)
https://rutube.ru/video/b7c5980775479639b3fffb1240988e56/
От ротора думаю избавится, поменяв ролями магнит с металлическими шариками, получится безроторный генератор, если трубку обмотать катушкой и обеспечить цикличность
. Статью ТС лайкнул.
NickDoom Автор
24.12.2023 00:31трение по торцам, причём скорость скольжения на радиусе вращения разная
О, кстати. Действительно, если у ванкеля можно просто тоненький треугольник-рамочку сделать и подпружинить изнутри, чтобы работала по типу поршневого кольца, то тут вообще ничего не сделать — сателлиты быстро прогрызут себе хитровыкрученные мышиные ходы %)
SamaRazor
24.12.2023 00:31А вот хрен сложили!
Недавно вышла mx-30 (я хрен знает почему такое название для такого автомобиля), погуглите. И да, там ротор! (Но есть нюанс)
strvv
24.12.2023 00:31благодаря смазке они даже Евро-4 не в состоянии. т.е. на данный мотор будет своё экосвидетельство, как на военную, самоходную (трактора и прочее) и экспериментальную технику. т.е. массовости не будет.
murkin-kot
24.12.2023 00:31Подскажите, плиз, кто знает. Как быстро копится нагар? Сколько моточасов? Насколько дорого заехать на ТО и почистить? Ванкель и прочие как часто чистят? Насколько истираются шестерни при чистке, до чистки (от нагара)?
И упоминание про водород - если в таком случае нагар будет следствием подгорания прокладок и окисления масла (которое можно уничтожить?), то очевидно, что промежутки между ТО будут очень большими, чего, собственно, нам всем доктор и прописал.
Ну и вспомним войну. Беспилотники. Одноразовые. Им ресурс не нужен. 10 моточасов - за глаза.
Или вариант попроще - максимально дешёвый двигатель. То есть либо весь выкидывается, либо какие-то части. Суть то же ТО, но без дорогой обработки. Хотя опять же - нужно знать цену обработки. Если выкидывать только сателлиты, то вообще копеечный вариант. Сателлиты, разумеется, номерные - размер меняется с номером ТО.
Коротко говоря - ниша есть однозначно. Вопрос лишь в умении к ней приспособиться, в первую очередь, продав идею буржуям с толстыми мешками денег. На этом этапе подавляющее большинство изобретателей сдувается в ноль. Так что вопрос не в мозгах, вопрос в деньгах. Хотя мозги тоже не будут лишними.
zatim
24.12.2023 00:31Насколько дорого заехать на ТО и почистить?
Неприемлимо дорого, как мне кажется. Требуется полна разборка агрегата. Химией не получится.
Ванкель и прочие как часто чистят?
Там апексы скоблят по поверхности, соскобленное улетает в выхлоп.
Насколько истираются шестерни
Тут, как мне кажется, шестерни будут наоборот, увеличивать свой диаметр, вплоть до заклинивания. Нагар будет наклепываться и уплотняться на поверхностях катания.
Ну и вспомним войну. Беспилотники. Одноразовые. Им ресурс не нужен. 10 моточасов - за глаза.
Для этого да, вероятно, сгодится. Можно движок вообще пластиковый делать. Делали же раньше кустарные деревянные поршни для мотоинструмента.
murkin-kot
24.12.2023 00:31Неприемлимо дорого, как мне кажется. Требуется полна разборка агрегата
Если вся арматура висит на стенках цилиндра, то остаётся лишь снять боковые крышки. 4 болта на крышку. Вынул сердцевину, сунул новую. Доступность для ТО при конструировании двигательного отсека обеспечить. Минут 15 возни.
шестерни будут наоборот, увеличивать свой диаметр
Можно небольшое трение к качению зубов друг по другу добавить - неидеальная эвольвента позволит стирать дополнительный нагар, при этом было бы неплохо подобрать режим стирания так, что бы в среднем стирался только нагар. Выявить набор режимов образования нагара, заставить контроллер следить и запоминать время работы на каждом режиме, при достижении критического уровня нагара включать двигатель на профилактический режим с максимальным трением для очистки зубьев. Да, нетривиально, но в идеале получится самовосстанавливающаяся поверхность.
Хотя конечно, в сравнении с минимальными умственными усилиями на привычных двигателях всё это выглядит каким-то нездоровым увлечением.
D7ILeucoH
24.12.2023 00:31Идея с трением мне нравится, но я не понимаю как такой двигатель можно обслуживать. Малые Шестерёнки вроде никак не синхронизируются между собой, а при обычном расположении двигателя они выпадут при вытаскивании ротора. Как их потом правильно поставить - совсем не понятно. Если на ГБЦ есть одна конкретная метка с которой сложно ошибиться, то тут аж 8 факторов.
strvv
24.12.2023 00:31иногда нагар жёстче материала, из которого шестерни сделаны. те же корунды или молибдены с смазки.
strvv
24.12.2023 00:31и не только. на ремзаводе, когда его в начале 2010х разносили, старый мастер рассказывал что очень большая часть из стоявших в резервах бензиновых газонов во многих частях имели отсутствующую половину поршневой (поршни с гильзами и шатунами), вместо них старательно вырезанные чурбачки с прорезями под шатуны коленвалов.
с дизелем такое не прокатывало. а когда 21 семейство моторов заменили родственниками 420 семейством (начало 2000х), то и сошло на нет.
Squoworode
24.12.2023 00:31во многих частях
Не войсковых ли частях? Если да, то, вангую, причина очевидна: на рабочих надо ехать (а запчастей нет), а резервные надо один раз завести, чтобы показать, что живой.
vvbob
24.12.2023 00:31Меня в свое время неслабо торкнуло от термоаккустического двигателя Стирлинга. Это ведь если в сочетании с линейным генератором - идеальный двигатель получается - минимум движущихся частей, высокий КПД.. Но подозреваю что там тоже все не так хорошо как кажется, если судить по красивым картинкам.
ilriv
24.12.2023 00:31Там вопрос - как снимать энергию этих микроколебаний. Амплитуда небольшая, частота большая.
vvbob
24.12.2023 00:31Обмотка + магниты?
ilriv
24.12.2023 00:31Речь идёт об акустических колебаниях. Как превращать энергию акустических колебаний (звука) в электричество? Фактически требуется микрофон. Но как снимать киловатты мощности с микрофона? Ведь подвижная часть микрофона принимает лишь малую часть мощности звука. Если сделать её тяжелой, звук просто не сдвинет её с места. Нетривиальная инженерная задача однако.
У меня есть мысли как решить эту задачу, но надо проверить на практике.
DimErm
24.12.2023 00:31Но уже сделали китайцы, не так давно ходила инфа. Порядка 100квт на агрегат 2 метра высотой
ilriv
24.12.2023 00:31К ним есть вопросы: они указывают мощность вырабатываемого тока (эффективную мощность) или акустическую мощность (потенциальную)? Можно ли наладить массовое производство их агрегата или это только proof of concept?
Captain_in_the_Green_Hat
24.12.2023 00:31Это не планетарный механизм, так как нет водила. И вряд-ли предвидится.
В данном исполнении это набор паразитных шестерен в контакте со внешним и внутренним зацеплением.
Мало того, что такая конструкция очень требовательна к точности изготовления и монтажа, которая плывёт при нагреве и нагрузках, так есть еще одна, не озвученная проблема.
Внутреннее "колесо" имеет штук 80 зубьев, шестерня - 12. Передаточное число приблизительно 7.
Если "ротор" будет вращаться с обычной автомобильной скоростью в 1500 об\мин, то паразитки выйдут на 10000 оборотов в минуту и всё это разлетится к едрене фене.
Красиво крутящаяся штука, не более. В технике таких необычных вещей хватает, кажется что-то в этом есть, на самом деле обманкаzatim
24.12.2023 00:31У обычного двигателя 1 вспышка на 2 оборота, а у ванкеля 3 вспышки на оборот. Поэтому частота вращения 1500 обычного мотора будет соответствовать частоте 250 ванкеля (если сравнивать по частоте вспышек горючей смеси).
Шестерням ничего не мешает вращаться на 10000 и более, в турбинах они же крутятся и ничего. Тем более, это паразитки и разлетаться им некуда и нечему, подшипников в них нет. Единственное только, выть будут как в турбинах, что для современных комфортных авто может быть неприемлимым.
Captain_in_the_Green_Hat
24.12.2023 00:31Турбины бывают разные, факт. Из этой штуки ванкель не выйдет, потому, что ванкель из самого ванкеля не выходит :-). Страшное это дело - контакт по линии.
Про 10000, ну я бы поостерегся. Случаи разные бывают, материалы, надежность, циклы нагружения и подшипники. С такими частотами вращения это будет аццкий механизм, гироскопы с плавающей осью, которые разлетятся как шрапнель, выпиливая всё вокруг.
А вот как миксер.... что-то в этом есть.Вжиу-вжиу.... и все масло из картера пеной повылетало
Р.S. Поглядел в интернетах. Пишут, фишка ванкеля в высоких частотах."Двигатель Ванкеля заметно мощнее, так как его рабочие частоты вращения несколько выше – до 10-12 тыс. оборотов"
Astroscope
24.12.2023 00:31Двигатель Ванкеля заметно мощнее, так как его рабочие частоты вращения несколько выше – до 10-12 тыс. оборотов
У китайской бензопилы с примитивнейшим двухтактным поршневым двигателем - где-то столько же. У четырехтактных мотоциклов - тоже бывает где-то так же. У многоцилиндровых двигателей гоночных автомобилей и гоночных мотоциклов - еще в полтора раза выше. В общем, идея понятна, для увеличения мощности нужно либо наращивать момент, либо обороты. Ну а лучше одновременно. Сейчас в автомобильном транспорте популярен способ наращивания момента за счет наддува, что позволяет получать высокую литровую мощность при умеренных оборотах, при которых нормально работают отработанные конструкции механизмов газораспределения, а также лишь умеренно растет нормальный износ. Для мотоциклов этот способ не прижился, хотя принципиальных ограничений его применению нет. Ну а гоночные двигатели имеют то отличие, что их ресурс - одна из наименее значимых характеристик, как впрочем и стоимость изготовления.
shadrap
24.12.2023 00:31Вот вот, лет 30 прошло когда я последний раз сдал ТММ и забыл) ,но что-то мне подсказывает ,что достичь скорости доступной для скольжения в зубчатой передаче практически не возможно...)
При учёте идеальной подгонки на холодной, должен быть зазор для температурного расширения,а его можно достичь либо за счёт цилиндрового сателлита либо за счёт изначального зазора в зацеплении. Хотя с ТММ у меня было на 4-))
Exlt8
24.12.2023 00:31То, что советуют коллеги про компрессор, хорошая бизнес идея. В РФ отсутствует внутреннее предложение рынка малого компрессоростроения как класс, есть только перекупы из Китая под собственными брендами. В отличии от рынка ДВС. Порядок цены около 700$ за 1 м3/ч для ориентира на винтовых компрессорах, если делать бизнес-модель. И проблемы с нагаром нет.
Cherryandru
24.12.2023 00:31Какой смысл в этих шестеренках? Ротор и статор зафиксированы друг по отношению к другу. Да и мне кажется что шестерёнки это какая то смесь качения и трения.
200sx_Pilot
Не получится ДВС - соберите компрессор или насос.
Jury_78
Что то похожее есть - пластинчатый (шиберный) насос.
konst90
Ещё ближе - шестеренчатый насос. Намного более простой по конструкции.
ilriv
Шестеренчатый насос не получится превратить в ДВС т.к. нет цикла сжатия.
tlv
газогенератор из реактивного двигателся перед ним поставить
NickDoom Автор
Да в принципе из двух соосных ШН, чуть отличающихся по размеру, можно всякие занятные движки городить, если заставить между ними как-то расширяться газ (впрыснуть туда топливо и сжечь, нагреть извне, пропустить через горящий уголь…)