Сфероидально-шарнирно-диафрагменные двигатели: забытая альтернатива в моторостроении

В 1971 году журнал «Изобретатель и рационализатор» опубликовал материал о революционной разработке воронежского изобретателя Г. А. Соколова – сфероидальном двигателе. Конструкция основана на уникальной способности шарнира Гука (карданного шарнира) трансформироваться в механизм с четырьмя полостями, объем которых циклически изменяется при вращении. Как показано на рисунке 19, преобразование классической крестовины в круглую диафрагму со сферической поверхностью и замена вилок на плоские сегменты, помещенные в сферическую оболочку, создает основу для рабочего двигателя. Для завершения конструкции достаточно оборудовать впускные и выпускные окна в соответствующих секторах оболочки, что позволяет реализовать стандартный цикл ДВС.

Рис. 19. Схема трансформации шарнира Гука в сфероидальный двигатель: 1 — крестовина; 2 — диафрагма; 3 — вилки; 4 — сегменты; 5 — сферическая оболочка

Публикация вызвала значительный резонанс в инженерной среде – в редакцию поступило более 300 писем от профессоров, студентов, директоров предприятий и пенсионеров. Десять заводов выразили готовность к серийному производству, а спортсмены-водномоторники предложили использовать СШДД в качестве лодочного мотора. Многочисленные предложения включали применение двигателя в качестве гидромотора для тепловозов, пневмодвигателя для ручного инструмента и силовой установки для испытательных стендов. Итогом этого интереса стало организованное редакцией заседание «круглого стола» с участием сорока специалистов из институтов, КБ и промышленных предприятий.

На встрече был поднят ключевой парадокс: ВНИИГПЭ отклонил заявку на изобретение, сославшись на «отсутствие полезности» и приведя патенты прошлого века, в то время как инженерное сообщество не было ознакомлено с потенциалом подобных двигателей. Скептики высказывали сомнения относительно работоспособности вилок шарнирного соединения, возможностей эффективной смазки, герметичности камер сгорания и высоких тепловых нагрузок из-за невыгодной формы камеры. Однако демонстрация действующего пневматического макета со сферой диаметром 150 мм, развивавшего 4500 об/мин при давлении 14 кг/см², наглядно доказала жизнеспособность концепции.

Важным доказательством стало представление второго двигателя конструкции А. Г. Заболоцкого, разработанного независимо от Соколова. Его модель со сферой диаметром 102,8 мм проработала в режиме пневмодвигателя около 40 часов, достигая 7000 об/мин без заметного износа или вибраций. Интересно, что чрезмерно малые зазоры между сферой и диафрагмой даже приводили к заклиниванию при «горячих» испытаниях, что свидетельствовало о высокой точности изготовления. Этот опыт подтвердил, что необходимую точность обработки сферических поверхностей можно достичь даже в условиях небольшой мастерской.

В процессе дискуссии о надежности уплотнений было проведено сравнение с двигателем Ванкеля, где скорости скольжения уплотнительных элементов значительно выше. В СШДД эти скорости могут быть ниже, а современные производственные технологии позволяют решить проблему герметичности. Опыт Заболоцкого и успешное изготовление сферы на Средневолжском станкозаводе с помощью внутришлифовального станка подтвердили технологическую доступность обработки сложных поверхностей. Таким образом, производственные сложности не являются непреодолимым барьером для данной конструкции.

Особые опасения вызывал значительный угол между осями шарниров (35–45°), который теоретически должен был создавать огромные знакопеременные инерционные моменты и вибрацию. Однако практические испытания на сжатом воздухе не выявили опасных вибраций – даже винты М3, стягивавшие полусферы в двигателе Соколова, выдержали нагрузки. Профессионал с 15-летним стажем В. И. Кузьмин из Херсона подтвердил телеграммой, что одобряет конструкцию. Объяснением этому феномену может служить демпфирующее действие рабочей среды и тот факт, что нагрузка приложена лишь с одной стороны шарнира.

Участники «круглого стола» единогласно пришли к выводу, что окончательную оценку достоинств и недостатков СШДД могут дать только полноценные испытания. Эту же мысль поддержал профессор кафедры ДВС МВТУ им. Баумана А. С. Орлин, пожелавший автору скорейшего воплощения замыслов в металле. Патентные исследования показали, что идея не нова – первый британский патент датирован 1879 годом, а схема упоминается в классификации Ванкеля. Таким образом, сфероидальным двигателям исторически не повезло – не нашлось энтузиаста, который довел бы их до практического применения.

В настоящее время работу над совершенствованием СШДД ведут несколько центров. В Воронежском политехническом институте Г. Соколов провел уточнение фаз газораспределения, отлил полусферы из антифрикционного сплава Баклана и выполнил многочисленные расчеты. В Херсоне В. И. Кузьмин организовал группу из рабочих, студентов и аспирантов, которая уже изготовила двигатель в металле. В 1974 году стало известно о третьем разработчике – целининградском конструкторе В. А. Когуте, построившем действующую модель (рис. 20) с двухтактным циклом работы.

Рис. 20. Двигатель В. А. Когута. Рабочий объем 1600 см³; диаметр сферы 210 мм; число оборотов 2500 об/мин; мощность 65 л. с.; вес 45—65 кг; наклон осей 30^о: 1 — диафрагма; 2 и 3 — сегменты; 4 и 5 — уплотнительные кольца; 6 - уплотнительные пластины; 7 — пальцы; 8 — дистанционные втулки; 9 — маховик; 10 — перепускной трубопровод; 11 — теплоотводящие стержни

Двигатель В. А. Когута (рис. 20) имел рабочий объем 1600 см³ при диаметре сферы 210 мм и частоте вращения 2500 об/мин. Конструкция включала диафрагму и два сегмента, уплотняемые кольцами и подпружиненными пластинами. Несмотря на отсутствие системы охлаждения, двигатель в сумме проработал более 2 часов до момента перегрева, что стало рекордом для подобных разработок. Смазка и охлаждение правого сегмента и диафрагмы осуществлялись маслом, подаваемым через подшипниковый узел, а левая сторона диафрагмы охлаждалась свежей рабочей смесью. Модернизация узлов в процессе испытаний подтвердила принципиальную работоспособность схемы.

Особый интерес представляет разработка куйбышевского изобретателя В. И. Андреева (соавтора Л. Я. Ушеренко), чертежи для которой выполнялись при участии сотрудников ВАЗа. Двигатель (рис. 21) состоит из двух роторов – наружного и внутреннего, вращающихся в одном направлении с осями, наклоненными относительно друг друга. В центре сферической полости размещена диафрагма-поршень, разделяющая объем на четыре независимые камеры сгорания. Двухтактный цикл работы и оригинальная система наддува центробежным нагнетателем делают эту конструкцию чрезвычайно перспективной.

Рис. 21. Сфероидальный двигатель В. И. Андреева и Л. Я. Ушеренко: 1 — наружный ротор со сферической внутренней поверхностью; 2 — диафрагма; 3 — внутренний ротор, включающий диафрагму и два вала с фигурными фланцами; 4 — нагнетатель; 5 — турбина; 6 — полый вал; 7 — выхлопные окна; 8 — корпус-улитка; сплошная стрелка — рабочая смесь, точечная стрелка — чистый воздух, пунктирная стрелка — выхлопные газы

Расчетные показатели двигателя Андреева-Ушеренко впечатляют: литровая мощность 97 л.с./л при 4000 об/мин, крутящий момент 25 кгм и удельная масса 0,5 кг/л.с. Симметричность конструкции обеспечивает идеальную уравновешенность и минимальную неравномерность хода (2°16′). Механический КПД может достигать 92% благодаря сокращению числа трущихся пар и снижению нагрузок на подшипники. Уникальной особенностью является интеграция функций нагнетателя, турбины, вентилятора охлаждения и глушителя в лопатки внешнего ротора, что позволило вернуть до 5% мощности, обычно теряемой в выхлопной системе.

Холодная обкатка двигателя в течение 6 часов не выявила вибраций или задиров, однако первые «горячие» испытания столкнулись с проблемой неправильного расположения свечей зажигания. Реконструкцию системы зажигания взял на себя механик В. А. Артемьев. Несмотря на технологическую простоту и минимальное количество деталей (все чертежи уместились в тонкой папке), сфероидальные двигатели демонстрируют потенциал, превосходящий традиционные ДВС и роторно-поршневые двигатели Ванкеля. Дальнейшие испытания должны окончательно определить их место в современном моторостроении.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: П. П. Лукин; Г. А. Гаспарян; В. Ф. Родионов; К. Ю. Чириков.

Источник: Конструирование и расчет автомобиля. Необычные двигатели.

Данные публикации будут полезны студентам автомобилестроительных и транспортных специальностей, начинающим инженерам-конструкторам и технологам автопрома, а также всем, кто интересуется глубоким пониманием процессов проектирования и компоновки современных автомобилей.