Как выбрать двигатель для аэросаней
ВНИМАНИЕ. Обновите свой браузер! Наш сайт некорректно работает с IE 8 и более старыми версиями.
В итоге 25 кг тяги с винтом диаметром 85-90 см и шагом 22-25 см будет уж точно, а при хорошем винте до 30 кг. Это в безредукторном варианте, причем ступицу можно даже не точить, а взять готовую мотоблочную и просверлить в ней отверстия под болты. С редуктором тяга может быть где-то до 40 кг в идеальном случае (винт 125-135 см). Можно взять с родным цепным редуктором 1:2 в масляной ванне и центробежным сцеплением (это плюс 1500-2000 руб), так как вес на аэросанях не так критичен, как на парамоторе, но говорят на полных оборотах этот редуктор перегревается через 5-10 минут.
Движок хорош тем, что у него все в комплекте: бензобак, зажим под тросик РУДа и т.д. Но тяги маловато! Для полета без редуктора точно мало (по крайней мере без более глубокой форсировки, а с редуктором вопрос пока открыт). Также неизвестно какой будет ресурс на оборотах 4500 об/мин. На 3400 об/мин такие ходят до 2000-4000 часов. Правда сильно зависит от качества конкретного завода-изготовителя, может сломаться и сразу.
Я один такой форсировал по картинговой методике (кроме замены головки, вместо этого убрал прокладку), до 4800 об/мин и винтом 90 см раскручивается без проблем. Но винт самодельный с узкими лопастями, с широкими и толстыми выдавал только около 3600 об/мин, так что еще неизвестно какую реальную мощность удалось снять. На больших оборотах (скорость кончиков винта 220-230 м/с) ширина лопасти (заполнение) оказывает большое влияние, по сравнению с парамоторными скоростями кончиков винта (150-180 м/с). Тяга пока не замерялась, все на стадии экспериментов, но по ощущениям без редуктора думаю выдается около 25 кг, как и предполагалось по теории.
РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АЭРОСАНЕЙ
Проектирование аэросаней следует начинать с расчета основных характеристик, позволяющих судить о ходовых и эксплуатационных качествах. Но для этого необходимо иметь тактико-технические требования (ТТТ) на данную машину. Они и закладываются в основу расчета. Предположим, что ТТТ сводятся к следующему:
1. Аэросани должны обладать хорошей проходимостью при дорожных условиях средней трудности.
2. Желательная нагрузка — 100 кг без водителя.
3. Мы хотим иметь сани закрытого типа, с отапливаемым корпусом, удобным размещением сидений, свободой входа и выхода, тепло- и звукоизоляционной обшивкой.
4. Дальность хода их без дозаправки топливом — не меньше 100 км.
На основании этих данных производим расчеты характеристик.
Степень проходимости аэросаней характеризуется отвлеченным коэффициентом качества — «К». Чем он больше, тем выше проходимость машины. Для серийных аэросаней К = 0,24. Этот коэффициент определяется по формуле:
где Т — тяговое усилие, развиваемое воздушным винтом при работе на месте, C1x — полный ходовой вес.
Из этой же формулы можно найти:
Т = C1x · К или C1x = Т/К
Величину тягового усилия воздушного винта получим по формуле Т = N • 3,5, где N — мощность двигателя в л. с., а 3,5 — величина удельной тяги (тяговое усилие в кг, приходящееся на одну л. с.).
Мощность двигателя. Обычно аэросани делаются под имеющийся двигатель, мощность которого известна. Для одноместных аэросаней (рис. 1) она должна быть не менее 10—12 л. с., для двухместных — не менее 20 л. с.
РИС. 1. ОДНОМЕСТНЫЕ АЭРОСАНИ ПРОСТЕЙШЕГО ТИПА ПОД МОТОР 11-13 Л. С. (ИЖ-49; ИЖ-56 И Т. П.).
Наиболее подходят двигатели М-61, М-62, К-750 — по 28 л. с. Для увеличения ресурса работы расчет ведется на мощность, равную 85% мощности двигателя. Тогда имеем: 0,85 N дв=0,85 · 28=23,78 (округленно— 24 л. с.). По приведенной выше формуле определяем величину тяги: Т = 24 • 3,5 = 84 кг. Зная эти величины, находим полный ходовой вес аэросаней: C1x = Т/К= 84/0,24=350 кг.
Влияние материала подошв лыж на качество. Формула качества не учитывает сопротивления движению, которое снижается при применении новых материалов — пластиков. Они имеют пониженный коэффициент трения о снег по отношению к углеродистой стали, коэффициент которой принимается за исходную величину (см. таблицу 1).
| Материалы | Коэффициент трения о снег |
| Углеродистая сталь | 1,0 |
| Дерево (ясень) | 0,97 |
| Арктилит | 0,935 |
| Нержавеющая сталь | 0,81 |
| Дюралюминий | 0,79 |
| Полиэтилен | 0,735 |
| Фторопласт | 0,73 |
| Латунь | 0,71 |
Таким образом, если вы покроете подошвы лыж полиэтиленом, вес машины — при сохранении величины качества — может быть увеличен.
С1х= 350/0,735= 476 кг.
Вес конструкции обычно составляет 45—50% от ходового веса. Для удобства принимаем его равным 50%. Тогда
C1x = (476х50)/100= 238 кг.
Коммерческая нагрузка согласно ТТТ будет 180 кг (водитель — 80 кг, пассажир — 80 кг и личный груз — 20 кг).
Запас топлива и масла
C1гap. = С1х — (238 + 180) = 476 — 418 = 58 кг.
10% топлива идет как аварийный запас и в расчет не принимается, 5% веса — масло для смазки двигателя.
Тогда расчетный вес горючего будет:
Р = 58х0,85 = 49,3 ≈ 50 кг.
Дальность хода аэросаней подсчитывается, исходя из режимов работы двигателя, которые по времени распределяются:
1) на максимальной мощности—15%,
2) на расчетной эксплуатационной — 80%,
3) на малом газу, на стоянках—5%.
Средний часовой расход топлива по кривым характеристик двигателей:
1) 28х0,320 = 8,95 = (8,9х15)/100 = 1,34 кг/час,
2) 24х0,275 = 6,9 = (6,9х15)/100 = 5,5 кг/час,
3) 10х0,250 = 2,5 =(2,5х15)/100 = 1,25 кг/час.
Числа 0,320; 0,275 и 0,250 — расход топлива в граммах на л. с. в час по указанной мощности.
Тогда Gсум.≈8,0 кг/час.
Запаса топлива хватит для работы двигателя на 6 час. По ТТТ дальность была задана =100 км При этом скорость — V = 100 : 6 = 16,5 км/час.
Практика эксплуатации показывает, что средняя скорость составляет 35—40 км/час. Если принять ее равней 35 км/час, то возможная дальность хода будет: 35х6 = 210 км.
Далее следует решить схему моторной установки. При передаче без редуктора воздушный винт будет работать на 4000—6000 об./мин. По условию ограничения окружной скорости на концах лопастей его диаметр 1,1 — 1,2 м. При передаче через редуктор диаметр можно увеличить, это выгодно, так как возрастет тяговое усилие. Для расчета берем установку трансмиссии с коробкой передач. При этом сохраняется механизм сцепления, позволяющий отключать винт, не останавливая двигатель. Принимаем диаметр винта равным 2 м. Число оборотов 2500 об./мин для винтов с деревянными лопастями и 2800 для винтов с металлическими.
Определение ширины аэросаней. Зная диаметр винта, определяем габаритную ширину машины. Она должна быть больше диаметра на 50—100 мм. Габарит аэросаней по ширине будет 2,050 мм.
Колея аэросаней определяется расстоянием между осями лыж. Она будет 2,050 — 0,16= 1,890 мм.
База аэросаней. Для хорошей устойчивости необходимо обеспечить соотношение размеров колея /база l/b = 1890:0,65 = 2900 мм, или, округляя, 3 м.
Клиренс аэросаней. Это расстояние от низшей точки корпуса до поверхности снега должно быть не менее 300 мм.
Размеры по оси винта. Зная величины клиренса — 300 мм и диаметр воздушного винта, определяем расстояние от земли до оси двигателя: 2000 : 2 + 300 + 50 = 1350 мм, где 50 мм — расстояние от конца лопасти до нижней поверхности корпуса.
Компоновка аэросаней. Получив основные размеры, можно приступить к компоновочному чертежу (рис. 2), при этом необходимо стремиться максимально снизить центр тяжести, располагая все это возможно в нижней части корпуса. Нельзя допускать, чтобы центр тяжести по высоте был больше b/2. Это позволяет сделать угол между линиями, проведенными из центра тяжести (ЦТ) к наружным кромкам лыж, равным 90°. Чем больше этот угол, тем лучше устойчивость аэросаней. Центр тяжести по длине должен располагаться так, чтобы нагрузка на лыжи была равномерной и равной 476:3=159 кг. Центр тяжести будет находиться на 1/3 размера базы или на расстоянии 1000 мм от оси подвески задних лыж.
РИС. 2. КОМПОНОВОЧНАЯ СХЕМА ЦЕНТРОВКИ ДВУХМЕСТНЫХ АЭРОСАНЕЙ С МОТОРОМ МОЩНОСТЬЮ 28 Л. С. (М = 61; М = 62 и пр.). ЗАНУМЕРОВАННЫМИ ТОЧКАМИ ОБОЗНАЧЕНЫ ЦЕНТРЫ ТЯЖЕСТИ ОТДЕЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ И НАГРУЗОК ПО ВЕСОВОЙ ТАБЛИЦЕ 2.
Для поверочной центровки, в соответствии с компоновочным чертежом, и получения весового лимита, необходимого для дальнейшего проектирования, составляем весовую сводку по узлам конструкции и загрузке аэросаней.
точек
На чертеж наносят две расчетные оси: X—X и У—У, и проставляют центры тяжести всех входящих в подсчет деталей и агрегатов. Затем производится центровка по форме, приведенной в таблице 3.
точек
мм
точек
мм
В нее проставляются размеры: в графе X и У расстояния от оси X—X и У—У до занумерованной в таблице точки ЦТ данного агрегата, то есть до точек 1, 2, 3, 4 и т. д.
Когда все размеры определены, заполняются графы С1Х и C1У умножением расстояния от соответствующей оси на вес данной части (узла) машины. Полученные произведения складываются отдельно для X и У, и их суммы делятся на полный ходовой вес С1х. Это и будет расстояние до ЦТ от условной оси X—X и У—У.
Для нашего варианта расчета эти размеры будут:
Далее подсчитывается изменение ЦТ в зависимости от варианта загрузки:
1) полная расчетная загрузка машины;
2) при наличии одного водителя и минимальном запасе топлива.
На основании полученных из расчета величин составляется таблица основных характеристик аэросаней, по которой можно представить будущую машину, ее ходовые и эксплуатационные качества.
Мощность двигателя аэросаней
Для вращения воздушного винта, создающего тяговое усилие, за счет которого движутся аэросани, используются двигатели внутреннего сгорания — мотоциклетные, автомобильные и. авиационные.
В большинстве случаев (это касается любительских аэросаней, т. е. построенных не на крупных предприятиях) на аэросани ставят те двигатели, которыми располагают строители аэросаней. Другими словами, аэросани строят под имеющийся двигатель, а не подбирают двигатель к данному типу аэросаней. Тем не менее основные положения по выбору двигателя не изменяются и требования, предъявляемые к винто-моторной установке, сохраняются.
Аэросани, как правило, эксплуатируются в очень тяжелых дорожных условиях. Практика эксплуатации аэросаней на аэросанных линиях и многочисленные испытательные пробеги показали, что условия работы двигателя на аэросанях значительно тяжелее, чем на автомобиле и самолете.
Достаточно оказать, что при движении аэросаней в оттепель двигатель, как правило, работает продолжительное время на полной мощности. В то же время из-за теплой погоды и малой скорости движения охлаждение его ухудшается, что приводит к перегреву двигателя и даже к выходу его из строя. В холодную погоду, наоборот, сопротивление трения лыж о снежную поверхность уменьшается и аэросани даже три работе двигателя на «малом газу» развивают большую скорость. В этом случае двигатель переохлаждается, за счет чего резко увеличивается износ деталей.
В основу выбора двигателя надо положить следующие требования:
I. Мощность двигателя должна обеспечивать достижение нужного (заданного конструктором) качества аэросаней.
Необходимую мощность двигателя для конкретного случая определяют по формуле: 
где G — полный вес аэросаней;
К — коэффициент качества, задаваемый конструктором;
3 — условное число, принятое для предварительного расчета и показывающее величину силы тяти, развиваемой воздушным винтом, на 1 л. с. мощности двигателя.
Эта формула пригодна для двигателей, у которых скорость вращения коленчатого вала не превышает 2500 об/мин и на которых воздушный винт устанавливают «на прямую», т. е. непосредственно на коленчатый вал.
Если между двигателем и винтом вводится редуктор, т. е. передача, уменьшающая число оборотов воздушного винта по сравнению с числом оборотов коленчатого вала двигателя (это относится к многооборотным двигателям, у которых рабочее число оборотов коленчатого вала доходит до 4500—5000 об/мин), то рекомендуется пользоваться следующей формулой: 
где 1,1—коэффициент, учитывающий значительные потери, возникающие в редукторе, на преодоление которых требуется от 3—5 до 10% мощности двигателя.
— авиационные мощностью от 100 до 300 л. с.
Мотоциклетные и авиационные двигатели, как правило, имеют воздушное охлаждение цилиндров, а автомобильные — водяное.
II. Вес двигателя должен быть небольшим. Судить о весовой отдаче двигателя лучше всего по его удельному весу, т. е. собственному весу двигателя, приходящемуся «а 1 л. с. его мощности.
B табл. 2 указаны примерные весовые данные двигателей, устанавливаемых на аэросани.
| Типы двигателей, мощность или объем камеры сгорания | Удельный вес, кг на 1 л. с. | Фактический вес двигателя, кг |
| Авиационные двигатели мощностью 100—200 л. с. | 0,8—1,2 | 160—250 |
| Мотоциклетные одноцилиндровые двигатели: | ||
| 150 см 3 | 2—2,5 | 12—15 |
| 175 см 3 | 2—2,5 | 15—22 |
| 250 см 3 | 2—2,5 | 20—25 |
| 350 см 3 | 1.5—2,5 | 25—40 |
| 500—600 см 3 | 1,8—3,5 | 35—50 |
| Автомобильные двухцилиндровые: | ||
| 750 см 3 | 1,8—3,5 | 40—55 |
| 1000 см 3 | ||
| Автомобильные необлегченные двигатели мощностью 38—40 л. с. | 4,3—4,5 | 200—240 |
| Автомобильные облегченные форсированные двигатели мощностью 50—60 л. с. | 3,6—4,0 | 185—220 |
Из табл. 2 видно, что наибольшим весом обладают автомобильные двигатели. Следовательно, установить их на аэросани наиболее сложно. В то же время автомобильные двигатели имеют и ряд существенных преимуществ:
— большое распространение, а следовательно, большую обеспеченность запасными частями в местностях, отдаленных от крупных промышленных центров;
— меньшую разборчивость в топливе, что очень существенно для отдаленных районов;
— простоту обслуживания (за исключением системы охлаждения).
Система охлаждения цилиндров автомобильных двигателей водой имеет и преимущества и недостатки, о которых более подробно будет рассказано ниже.
За последнее время большое распространение на аэросанях получили мотоциклетные двигатели самых различных типов и мощности. Повысить мощность и провести форсирование двигателей, как правило, можно за счет повышения степени сжатия и увеличения числа оборотов коленчатого вала. На двигатели устанавливают специальные нагнетатели, позволяющие наполнять цилиндры горючей смесью под повышенным давлением, и применяют специальные более калорийные сорта топлива.
Форсирование двигателей значительно снижает ресурс работы двигателя за счет повышенного износа и значительно увеличивающихся нагрузок на отдельные детали.
Достаточно взглянуть на фотографию, чтобы понять, что проще транспортного средства для снежного бездорожья, чем аэросани, придумать трудно. Это действительно так, но с маленькой оговоркой: нужен лишь подходящий двигатель для воздушного винта. Изготовить лыжи, подвеску и раму аэросаней под силу почти любому самодельщику. А вот сделать хорошую винтомоторную установку могут немногие. Поэтому чаще любители конструируют пневмоколесные или гусеничные снегоходы на базе готового двигателя, которые поедут почти наверняка. Но как? Сравнивать такой снегоход с аэросанями все равно, что сравнивать трактор с самолетом.
Главное преимущество аэросаней перед снегоходами (даже промышленного изготовления) — в скорости. Мчишься на таком «аппарате» по заснеженному пространству — аж дух захватывает! А при наличии кабины (да еще оборудованной отопителем) и хорошей подвески — комфорт в таких аэросанях практически не отличается от условий в легковом автомобиле. Такие ощущения автору этих строк удалось испытать не сразу. Как и любому начинающему самодельщику, мне пришлось поломать голову: какой двигатель установить на свою машину? Ведь специальных моторов для аэросаней промышленность не выпускает.
В результате технического поиска и экспериментов, используя то, что было в наличии в дефицитные 80-е годы XX столетия, был создан 2-цилиндровый оппозит на базе мотоциклетного двигателя «ИЖ-Планета-3» и пускача ПД-10 («Моделист-конструктор» № 3, 1987 г.). Этот двигатель неоднократно модернизировался и в разных исполнениях прослужил мне (да и не только мне) верой и правдой около двадцати лет. Лучшие варианты этого мотора разгоняли мои аэросани до 120 км/ч. С описанием некоторых из них читатели журнала могут ознакомиться в № 8″1989 г.; 1″1993 г.; 1″1998 г. Но время не стоит на месте, и хотя говорят, что «лучшее враг хорошего», все-таки хочется «лучшего», а совершенству нет конца. На этот раз речь пойдет о различных вариантах винтомоторной установки для аэросаней на базе двигателя мотороллера «Тулица» и пускача ПД-8 (от трактора Т-40)
Краткий обзор этих двигателей для аэросаней представлен в № 2 «Моделиста-конструктора» за 2006 г. Начнем с простейшего — Д-15 (мощность 15 л.с). Это «Тулица» в чистом виде без редуктора. Небольшим доработкам подвергался коленвал с целью адаптации его под воздушный винт диаметром 0,8 м и тягой 40 кгс. Мной разработаны два варианта крепления воздушного винта (рис. 1): облегченный (с использованием подшипников 205 и 36205) и усиленный (с подшипниками 305 и 36305). Второй вариант более надежный и долговечный, но сложнее в изготовлении: потребовалось несколько дополнительных деталей и доработка картера коленвала (картер — от ПД-8; при его отсутствии можно использовать и «родной» — от «Тулицы», хотя его доработка будет более трудоемкой). Д-15 служит базовым модулем для 2-цилиндрового Д-30 и одноцилиндровых Д-15ц (с цепным редуктором) и fl-15z (с зубчатым редуктором).
Кроме того, благодаря достаточной тяге (40 кгс) при небольшой массе (20 кг), несмотря на свою относительно низкую мощность, Д-15 может иметь и самостоятельное применение: для облегченных одноместных аэросаней (таких, например, как на фотографии), парапланов, дельтапланов и т.п. Неплохую конкуренцию Д-15 может составить гидровинтовым приводам плавсредств, обеспечивая безопасное плавание по мелководью и заросшим травой водным участкам. Объединив два модуля Д-15 с помощью зубчатого редуктора, получил двигатель Д-30 (мощность 30 л.с, тяга 110 — 120 кгс, масса — 40 кг, диаметр винта — 1,5—1,6 м). Устройство двигателя представлено на рис.2 и фото 1,2.
Картеры левого и правого коленвалов (26 и 42) собраны в единое целое с помощью передней (29) и задней (6) пластин из листовой стали толщиной 3 и 3,5 мм соответственно. На цилиндрические концы коленвалов (25, 41) на сегментных шпонках (18) установлены ведущие шестерни (20). Они подбираются так, чтобы рабочий цикл в цилиндрах происходил точно через 180 градусов (нужны шестерни с соответствующим расположением шпоночных пазов). В данном варианте использованы прямозубые шестерни z = 18 от газораспределительного механизма «КамАЗа», обеспечивающие передаточное отношение i = 2,5. В другом исполнении были применены косозубые шестерни от двигателя Д-240 (трактора МТЗ-80) с i = 2,65. Конструкция Д-30 в целом от этого не изменилась.
Между картерами в центре объединяющих пластин закреплены корпуса подшипниковых опор вала, на котором установлены ведомое зубчатое колесо (z = 45) и воздушный винт. Корпус передней опоры приварен к одноименной пластине, а задний (8) крепится болтами: это дает возможность произвести регулировку зацепления зубчатой передачи. После регулировки задняя пластина жестко крепится к картерам (по два на каждый из них) и фиксируется четырьмя штифтами (43) для предотвращения смещения пластины под воздействием вибраций во время работы двигателя. Редуктор закрыт крышкой (19), а ступица винта (35) и приводной вал (37) уплотнены сальниками. На конусной цапфе левого коленвала установлен 12-вольтовый генератор (32) от «Юпите-ра-5», а на правом коленвале закреплена ступица (4) с облегченным маховиком (5) от ПД 10. с помощью которого осуществляется запуск от стартера 367А (1). Ступицу можно изготовить или доработать от династартера.
Поскольку правый коленвал нагружен несколько больше левого, один из подшипников 205 на задней цапфе заменен на 305 (40). В связи с этим соответственно доработан картер и дополнительно установлен корпус (7) для подшипника 205. При отсутствии в картере канавки под стопорное кольцо осевое смещение коленвала можно предотвратить с помощью стопорного винта (23). Развал цилиндров целесообразно выдержать около 40°: при большем угле появляются вибрации, при меньшем — будет недостаточно места для размещения патрубка карбюратора. И еще несколько пояснений: — размеры картеров по ширине должны быть строго одинаковыми (на чертеже —131 мм); — шпонки необходимо изготовить из прочной закаленной стали (например, можно использовать стержни выхлопных клапанов) — валы воздушных винтов должны быть из улучшенной или легированной стали.
Двигатель Д-15z (см. фото в «Моделисте-конструкторе» № 2 за 2006 г.) — одноцилиндровый, со встроенным зубчатым редуктором (i = 2,5) Чертежи на этот двигатель в рамках данной статьи не приводятся, поскольку он является половиной от Д-30: все основные детали те же самые; различие — в конфигурации задней и передней пластин и крышки редуктора. Применение зубчатого редуктора в двигателе Д-15z обеспечило возможность использования воздушного винта большего диаметра (по сравнению с базовым модулем Д-15) — до 1.45 м, что резко повысило тяговое усилие — с 40 до 65 кгс. И все это при незначительном увеличении массы силового агрегата — всего на 7 кг. В двигателе Д-15ц (рис.3) вместо зубчатого применен цепной редуктор на воздушный винт.
Иными словами, звездочка дополнительно выполняет роль упругой полумуфты. Поэтому нет необходимости в шпоночном или шлицевом соединении звездочки с валом, который, по сути, является вращающейся осью Регулировка натягов в опорных подшипниках (21,26) осуществляется гайкой и контргайкой М22 (27) Радиально-упорный подшипник 36206 (21) должен разбираться при демонтаже вала воздушного винта Посадка ведомой-звездочки на вал должна осуществляться, по возможности, без зазора и натяга. Гашение колебаний в редукторе происходит за счет упругих деформаций амортизационных втулок (они штатные, от «Тулицы») и возможного незначительного проворачивания ведомой звездочки относительно вала воздушного винта.
Если для запуска двигателя используется диностартер, то конусная цапфа коленвала (3) остается без изменений, а если зажигание от «Восхода», «Ижа» и т.п.. то она обтачивается до меньшего конуса. Представленная серия двигателей на базе «Тулицы» и ПД-8 может быть использована для оснащения довольно широкого ряда подвижных средств, в зависимости от требуемых динамических характеристик. Если же мощности окажется недостаточно, то выход есть: можно перейти на 3- или 4-цилиндровый двигатель, над созданием которых автор в настоящее время усиленно работает.
(Автор: В.ЕРМАКОВ, п. Благовещенка, Алтайский край)
