РАЗРАБОТКА И КОНСТРУИРОВАНИЕ РОТОРНО-ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ 3D-ПРИНТЕРА

XXIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

РАЗРАБОТКА И КОНСТРУИРОВАНИЕ РОТОРНО-ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ 3D-ПРИНТЕРА

Кутаев А.М. 1
1МБОУ СОШ №28 г. Пензы имени В.О.Ключевского
Щетинина А.В. 1
1МБОУ СОШ №28 г.Пензы имени В.О.Ключевского
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Актуальность

Роторно‑поршневой двигатель (РПД) конструкции Ванкеля — уникальная альтернатива классическим поршневым ДВС. Несмотря на исторические сложности с ресурсом и экономичностью, его преимущества (компактность, мощность, плавность работы) сохраняют интерес к технологии.

В рамках изучения раздела «Тепловые двигатели» в школьном курсе физики возникает потребность в наглядных пособиях, позволяющих визуализировать сложные кинематические процессы. Двигатель Ванкеля представляет собой оригинальную альтернативу классическим поршневым ДВС и демонстрирует иной принцип реализации четырёхтактного цикла. Создание учебного макета позволит:

  • наглядно показать преобразование энергии в роторном механизме;

  • развить инженерное мышление учащихся через практическую деятельность;

  • повысить мотивацию к изучению физики и технических дисциплин.

Цель: создать функциональный учебный макет двигателя Ванкеля для демонстрации принципа работы на уроках физики и внеурочных занятиях.

Задачи:

  1. Изучить устройство и принцип действия двигателя Ванкеля.

  2. Разработать упрощённую 3D‑модель для школьного применения.

  3. Подобрать доступные материалы и инструменты для изготовления.

  4. Изготовить детали макета с помощью 3D‑печати.

  5. Собрать макет и проверить его работоспособность.

  6. Разработать методические рекомендации для учителей физики .

  7. Провести демонстрацию макета на уроке/мероприятии.

Объект исследования: роторно‑поршневой двигатель (РПД) конструкции Ванкеля

Предмет исследования: 

методика создания функционального учебного макета РПД.

Методы:

  • анализ технической литературы и видео;

  • 3D‑моделирование с упрощением геометрии;

  • 3D‑печать деталей;

  • сборка и тестирование;

Ожидаемые результаты

  • функциональный макет двигателя Ванкеля;

  • комплект чертежей и 3D‑моделей;

  • инструкция по сборке и эксплуатации.

Образовательные:

  • наглядное пособие для уроков физики (темы «Тепловые машины», «Преобразование энергии»);

Глава 1. Теоретический спектр

    1. Устройство двигателя Ванкеля

Двигатель Ванкеля (роторно-поршневой двигатель, РПД) состоит из цилиндра, ротора (поршня), вала и уплотнений. Особенность конструкции — трёхгранный ротор, вращающийся внутри цилиндра особого профиля, и отсутствие возвратно-поступательного движения деталей.

Цилиндр

Цилиндр в двигателе Ванкеля условно овальной формы. Грани ротора, скользя по поверхности цилиндра, образуют отдельные переменные объёмы камер, обеспечивая четырёхтактный цикл в каждой из них: впуск, сжатие, расширение, выпуск (Рис.1.)

Ротор

Трёхгранный ротор (поршень) в двигателе Ванкеля похож на треугольник с закруглёнными наружу сторонами (форма — «треугольник Рёло»). Ротор располагается в аналоге блока цилиндров — корпусе двигателя (статоре) (Рис.2.)

Особенности:

Все три вершины ротора в любой момент его движения находятся в контакте со стенкой камеры, между сторонами ротора и камерой всегда остаются полости, не сообщающиеся друг с другом.

На вершинах (углах) ротора имеются уплотнительные пластинки — аналоги поршневых колец, которые обеспечивают герметичное прилегание к корпусу.

Вал

Эксцентриковый вал — аналог коленвала в поршневых моторах (Рис.3.) Вращательное движение ротора передаётся на вал, установленный на подшипниках и передающий вращающий момент на механизмы трансмиссии.

Особенности:

Передаточное соотношение шестерён ротора и статора — 2:3, поэтому за один полный оборот эксцентрикового вала ротор успевает провернуться на 120 градусов.

За один полный оборот ротора в каждой из трёх образуемых его гранями камер производится полный четырёхтактный цикл.

Уплотнения

Камеры герметизируются уплотнительными пластинами:

  • Радиальными — прижимаются к цилиндру центробежными силами и давлением газа.

  • Торцевыми — прижимаются ленточными пружинами.

Особенности:

Уплотнения выполнены в виде подпружиненных полосок из высоколегированной стали с особо точной обработкой как рабочих поверхностей, так и торцов.

Износ уплотнителей приводит к высоким утечкам между камерами, что влияет на КПД и токсичность выхлопа.

    1. Принцип работы двигателя Ванкеля

Установленный на валу ротор жёстко соединён с зубчатым колесом, которое входит в зацепление с неподвижной шестернёй — статором. Диаметр ротора намного превышает диаметр статора, несмотря на это ротор с зубчатым колесом обкатывается вокруг шестерни. Каждая из вершин трёхгранного ротора совершает движение по эпитрохоидальной поверхности цилиндра и отсекают переменные объёмы камер в цилиндре с помощью трёх радиальных уплотнений (Рис.4.)

Такая конструкция позволяет осуществить любой 4-тактный цикл Дизеля, Стирлинга или Отто без применения специального механизма газораспределения. Герметизация камер обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми к цилиндру центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами. Отсутствие механизма газораспределения делает двигатель значительно проще четырёхтактного поршневого, а отсутствие сопряжения (картерное пространство, коленвал и шатуны) между отдельными рабочими камерами обеспечивают необычайную компактность и высокую удельную мощность. За один оборот эксцентрикового вала двигатель выполняет один рабочий цикл, что эквивалентно работе двухтактного поршневого двигателя. За один оборот ротора эксцентриковый вал выполняет 3 оборота и 3 рабочих хода, что приводит к ошибочным сравнениям роторного двигателя с шестицилиндровым поршневым двигателем.

Смесеобразование, зажигание, смазка, охлаждение, запуск принципиально такие же, как и у обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Практическое применение получили двигатели с трёхгранными роторами, с отношением радиусов шестерни и зубчатого колеса: R:r = 2:3, которые устанавливают на автомобилях, лодках и т. п.

Автомобили с РПД потребляют от 7 до 20 литров топлива на 100 км, в зависимости от режима движения, масла — от 0,4 л до 1 л на 1000 км.

    1. Преимущества и недостатки роторного двигателя Ванкеля по сравнению с традиционными моторами

Преимущества:

  • низкий уровень вибраций: двигатель полностью механически уравновешен, что позволяет повысить комфортность лёгких транспортных средств типа микроавтомобилей, мотокаров и юникаров;

  • высокие динамические характеристики: на низкой передаче возможно без излишней нагрузки на двигатель разогнать машину выше 100 км/ч на более высоких оборотах двигателя (8000 об/мин и более);

  • высокая удельная мощность (л. с./кг) в силу того, что:

  • обычная частота вращения вала примерно в 2 раза выше, чем у поршневого четырёхтактного двигателя.

  • масса движущихся частей в РПД гораздо меньше, чем в аналогичных по мощности поршневых двигателях, так как в его конструкции отсутствуют коленчатый вал и шатуны;

  • однороторный двигатель выдаёт мощность в течение трёх четвертей каждого оборота выходного вала. В отличие от четырёхтактного поршневого двигателя, который выдаёт мощность только в течение одной четверти каждого оборота выходного вала;

  • меньшие в 1,5—2 раза габаритные размеры;

  • меньшее число деталей (два-три десятка вместо нескольких сотен).

За счёт отсутствия преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное двигатель Ванкеля способен выдерживать гораздо большие обороты по сравнению с традиционными двигателями. Роторно-поршневые двигатели обладают более высокой мощностью при небольшом объёме камеры сгорания, сама же конструкция двигателя сравнительно мала и содержит меньше деталей. Небольшие размеры улучшают управляемость, облегчают оптимальное расположение трансмиссии (развесовка) и позволяют сделать автомобиль более просторным для водителя и пассажиров.

Недостатки:

Соединение ротора с выходным валом через эксцентриковый механизм, являясь характерной особенностью РПД, вызывает давление между трущимися поверхностями, что в сочетании с высокой температурой приводит к дополнительному износу и нагреву двигателя. В связи с этим возникает повышенное требование к периодической замене масла. При правильной эксплуатации периодически производится капитальный ремонт, включающий в себя замену уплотнителей. Ресурс при правильной эксплуатации достаточно велик, но не заменённое вовремя масло неизбежно приводит к необратимым последствиям, и двигатель выходит из строя.

Для уменьшения износа радиальных уплотнителей требует подачи масла непосредственно в камеру сгорания. Продукты частично горения масла попадают в выхлопные газы (как и при работе двухтактного поршневого двигателя). Помимо более «грязного» выхлопа, это приводит к повышенному расходу масла — в двигателе 13В автомобиля Mazda RX-8 убыль масла оставляет 1 литр на 1 тыс. км пробега.

Состояние уплотнителей. Площадь пятна контакта очень невелика, а перепад давления очень высокий. Следствием износа уплотнителей являются высокие утечки между камерами и, как следствие, падение КПД и токсичность выхлопа. Проблема быстрого износа уплотнителей на высокой скорости вращения вала была решена применением высоколегированной стали.

Склонность к перегреву. Камера сгорания имеет линзовидную форму, то есть при маленьком объёме у неё относительно большая площадь. При температуре горения рабочей смеси основные потери энергии идут через излучение, интенсивность которого пропорциональна четвёртой степени температуры; с точки зрения снижения удельной поверхности и за счёт этого потерь теплоты идеальная форма камеры сгорания — сферическая. Лучистая энергия не только бесполезно покидает камеру сгорания, но и приводит к перегреву рабочего цилиндра.

Меньшая экономичность на низких оборотах по сравнению с поршневыми ДВС. Устраняется отключением работы каждого n-го поршня, что также влечёт снижение температурной нагрузки.

Высокие требования к геометрической точности изготовления деталей двигателя делают его сложным в производстве — требуется применение высокотехнологичного и высокоточного оборудования: станков, способных перемещать инструмент по сложной траектории эпитрохоидальной поверхности камеры объёмного вытеснения.

    1. Использование 3D-принтера в промышленности и машиностроении

Сфера применения 3D-принтеров еще больше поражает воображение: кажется, что они могут изготавливать все, начиная от еды и одежды, заканчивая автомобилями и зданиями. Кажется, что в скором будущем принтер станет обычным устройством, которое есть в каждом доме (как телевизор или холодильник), а большая часть промышленных изделий будет изготавливаться печатным способом.

Трехмерное моделирование имеет и ряд серьезных недостатков, из-за которых массовое печатное производство становится совершенно невыгодным. Не все принтеры могут соединять различные пластики, работать с разными цветами и температурами. При использовании дорогих станков себестоимость напечатанного изделия будет в десятки и сотни раз превышать себестоимость предмета, сделанного на обычном заводе. 3D-печать целесообразнее применять для производства уникальных вещей или изделий, где важна высокая точность формы (например, в протезировании).

Многие автомобильные детали можно легко напечатать на принтере (Рис.5.) Так, «Формула-1» уже использует печатные компоненты. Американская компания Local Motors выпустила автомобиль, корпус которого полностью выполнен из напечатанных деталей.

В действительности, массовое печатное производство автозапчастей пока ещё обходится слишком дорого. 3D-печать эффективнее применять для создания деталей машин, которые давно были сняты с производства.

Перед изготовлением многих машин и механизмов специалисты вручную создают прототипы этих изделий. Печатать прототипы на принтере намного удобнее и быстрее.

Глава 2. Создание макета двигателя Ванкеля с помощью 3D моделирования и 3D- печати деталей

2.1. Моделирование деталей роторно-поршневого двигателя в трехмерном пространстве (3D моделирование) и его печать на 3D- принтере

Для изготовления деталей двигателя Ванкеля была использована программы трехмерного компьютерного моделирования.

1. Этап 3D-Моделирования (CAD)

  • Выбор ПО:  «Компас-3D», ORCA

  • Создание деталей:

    • Корпус (статор): Сложная эвольвентная форма (ре envolute) с каналами для впуска/выпуска и свечи зажигания (Рис.10.)

  • Корпус (статор) в двигателе Ванкеля - это камера овальной формы, в которой вращается трёхгранный ротор (поршень). Форма камеры – эпитрохоида

    • Ротор: Треугольной формы (треугольник Рейло), с уплотнительными элементами (апикальные уплотнители) (Рис.8.)

  • Ротор с шестернями - элемент роторного двигателя внутреннего сгорания. Ротор в такой конструкции фактически исполняет обязанности поршней вместе с шатунами.

  • Форма ротора - треугольник с закруглёнными наружу сторонами.

  • Ротор располагается в аналоге блока цилиндров — корпусе двигателя (статоре) с камерой овальной формы. Форма рассчитана так, что все три вершины ротора в любой момент его движения находятся в контакте со стенкой камеры.

Эксцентрик и вал: Для передачи вращения (Рис.7.)

  • Эксцентриковый вал — деталь роторно-поршневого двигателя. Это аналог коленчатого вала в поршневых моторах (Рис.6.)

  • Эксцентриковый вал установлен в центре похожего на барабан корпуса на подшипниках.

  • Функция: вращательное движение ротора, который выполняет функцию поршня, передаётся на эксцентриковый вал.

    • Вспомогательные элементы: Пластины поддержки.

  • Контроль: Проверка кинематики в симуляции (сопряжения, движение). 

2. Подготовка к 3D-печати

  • Экспорт: Сохранение моделей в формате STL, OBJ.

  • Слайсинг:

    • Программа: OrcaSlicer,

    • Настройка: Высота слоя (0.2 мм), заполнение (15-30%), температуры.

    • Поддержки: Критически важны для изогнутых поверхностей корпуса и ротора.

    • Ориентация модели: Оптимизация для прочности и качества. 

3. 3D-Печать

Материал:  PETG- (Полиэтилентерефталат-гликоль) — это прочный, гибкий и химически стойкий термопластик, являющийся гибридом PLA и ABS, сочетающий простоту печати с ударостойкостью и долговечностью, часто используется для функциональных изделий благодаря устойчивости к влаге и химикатам, но требует контроля «нитеобразования».  Высокая ударная вязкость, крепкий, не ломается при сильных изгибах. Выдерживает температуры до ~75-80°C. Низкая усадка, что предотвращает деформацию крупных деталей. Стоимость пластика PETG для 3D-принтеров Creality зависит от производителя, типа материала. PETG Hyper series Creality Black, диаметр 1,75 мм, 1 кг – 600-1200 рублей

  • Принтер: FDM-принтер Creality 3D K1 SE

  • Процесс: Печать каждой детали отдельно, контроль качества.

4. Постобработка и сборка

  • Удаление поддержек, подрезка нитей пластика.

  • Сборка ротора, эксцентрика, вала внутри корпуса.

5. Тестирование и демонстрация

  • Проверка вращения ротора вручную

  • Демонстрация работы четырех тактов (впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск).

2.2. Практическое применение учебного макета двигателя Ванкеля

Учебные макеты двигателей Ванкеля (роторных двигателей) применяются для наглядной демонстрации принципов работы, изучения конструкции, выявления и устранения конструктивных проблем на ранних этапах, а также в образовательных целях (школы, кружки), показывая преимущества (компактность, мощность) и недостатки (расход топлива/масла, токсичность выхлопа), что помогает будущим инженерам понимать альтернативные ДВС.

Мною были рассмотрены и проведены следующие этапы демонстрации макета:

Цель демонстрации:

Показать школьникам процесс превращения химической энергии топлива в механическую работу посредством простого и наглядного примера — модели двигателя Ванкеля.

Что демонстрирует макет?

Макет позволяет наблюдать четыре основных цикла работы двигателя внутреннего сгорания:

  1. Впуск: топливно-воздушная смесь поступает в камеру сгорания.

  2. Сжатие: вращение ротора сжимает топливо и воздух.

  3. Расширение: после зажигания смеси расширенные газы толкают ротор вперед, совершая полезную работу.

  4. Выпуск: отработавшие газы удаляются из камеры сгорания.

Последовательность действий демонстрации макета на уроке:

  1. Подготовить макет заранее: убедитесь, что механизм работает исправно, видны движущиеся детали и ясно обозначены фазы рабочего процесса.

  2. Показать сам двигатель Ванкеля, поясняя устройство его ключевых компонентов: корпуса, ротора и камеры сгорания.

  3. Включить макет и последовательно покажите каждую фазу рабочего цикла, комментируя происходящее. Используйте специальные обозначения на экране или планшете, выделяя ключевые моменты.

  4. После завершения демонстрации мы с классом обсудили преимущества и недостатки двигателя Ванкеля относительно традиционных поршневых конструкций, подчеркивая важность изучения новых технологий (рис. 15).

Таким образом, макет позволяет "пощупать" и "увидеть"сложный механизм, который в реальной жизни часто скрыт за корпусом, делая его изучение доступным и интересным.

Заключение

В ходе реализации проекта достигнута поставленная цель — разработан и изготовлен наглядный учебный макет роторно‑поршневого двигателя для демонстрации на уроках физики и во внеурочной деятельности. Изучены устройство и принцип работы двигателя Ванкеля; проанализированы ключевые отличия от поршневого ДВС (отсутствие клапанов, непрерывное вращение ротора, реализация 4‑тактного цикла в трёх камерах); выявлены основные преимущества (компактность, высокая удельная мощность, плавность работы) и недостатки (износ уплотнений, сложность герметизации) РПД. Макет двигателя Ванкеля эффективно решает задачу визуализации сложного кинематического процесса, делая абстрактные понятия («ротор», «статор», «эксцентриковый вал») наглядными.

Проект подтвердил практическую возможность изготовления учебного макета с использованием доступных технологий (3D‑печать) и материалов.

Список использованных источников

Классические учебники (основа теории):

1. Крутов В. И. Двигатели внутреннего сгорания. Теория и конструкторско-исследовательские расчеты. (Общая теория ДВС).

2. Хватов В. И. Поршневые и роторные двигатели. (Базовое описание РПД).

3. Котаев Г. С. Двигатели внутреннего сгорания и силовые установки. (Универсальный учебник).

4. Иванов Н. Н. Тепловые двигатели. (Для общей термодинамики).

Специализированная литература по РПД:

5. Григорьев А. А. Роторно-поршневые двигатели: Теория, конструкция, расчет.

6. Воронов С. Б. Роторные двигатели: Устройство, эксплуатация, перспективы.

7. Журналы: "Двигателестроение", "Автомобильная промышленность" (поиск статей по РПД за 1970-е - 1990-е годы и современные).

8. Книги по истории РПД: Разделы в общих трудах по истории ДВС о работах Ванкеля, Феликса Ванкеля и др.

9. Спец. литература: Работы по уплотнениям (апексные уплотнения), смазке, охлаждению, уплотнению камер.

Современные и зарубежные источники (переводные):

10. Книги: Публикации от Mazda (о сериях Cosmo, RX-7, RX-8), Norton (мотоциклы), NSU (первые авто), Wankel AG.

11. Научные конференции: Материалы конференций (по автомобильным двигателям) по новым решениям.

Рекомендации по поиску:

Электронные ресурсы: ScienceDirect.com, IEEE Xplore

Поисковики: Google Chrome 

Приложение

Рис.1. Цилиндр

Рис.2. Ротор с шестерней

Рис.3. Эксцентриковый вал.

Рис.4. Схема работы РПД

Рис. 5. Автомобильные детали, изготовленные на 3D-принтере

Рис.6. Печать деталей на принтере

Рис.7. Эксцентриковый вал.

Рис.8. Ротор с шестерней

Рис. 9. Ручка (используется только в моем макете)

Рис.10. Корпус (статор)

Рис.11. Детали модели двигателя в программе mini 2

Рис.12. Собранная модель двигателя в программе mini 2

Рис.13. Сборка деталей роторно-поршневого двигателя

Рис.14. Двигатель Вранкеля

Просмотров работы: 6