После моего первого двигателя в голове стали роиться мысли о создании масштабной модели транспортного средства с настоящим функциональным мотором внутреннего сгорания. Сначала я не мог определиться, что это будет: грузовик, автобус или легковушка. А может быть, даже танк? Но реальность поставила всё на свои места. Нельзя делать модель бесконечно большой (а то жена выгонит из дому), а значит, что размер её будет определяться минимальным размером двигателя, который я смогу сделать. Для модели примерно метровой длины лучше всего подходил именно легковой автомобиль, и я решился его собрать. По своей традиции — из всякого хлама. Эта статья начнёт рассказ о том, как я себе ретроавтомобиль делал. Пока не доделал, конечно, но верю, что скоро.
С чего начинается проектирование нового автомобиля? Если отбросить ненужную инженеру «шелуху» вроде исследования рынка, то начинать надо с дизайна кузова. Однако для меня этот вопрос уже был решённым. Я всегда любил ретротехнику и, в особенности, машины годов 30–40-х. За основу своей машины я решил взять наш родной ГАЗ М-1. Почему её? Всё равно найти сколько-нибудь подробных чертежей на зарубежную технику я не надеялся, а у нас была практически она одна. И да, я знаю, что это переосмысленный Форд, но не в этом суть. Просто красивая машина. В Севастополе её можно найти в двух местах — в музее 35-й Береговой батареи на мысе Херсонес (не путать с одноимённым древнегреческим полисом, расположенным у нас же, но совсем в другом месте) и в экспозиции музея на Сапун-горе.
❯ Изготовление двигателя
Итак, концепт был выбран и следующими пунктами обычно идут двигатель и трансмиссия. Так было и у меня. Признаться, у меня не сохранилось много фотографий процесса постройки именно мотора, но что-то есть. Начал я с того, что оценил оставшуюся от изготовления первого мотора часть успокоителя ремня, что послужила цилиндром. Она была короче, значит, и объём цилиндра получился меньше, только 7,6 см3. Я решил не заморачиваться с водяным охлаждением, так как первый двигатель не очень сильно грелся и там эта система была избыточной. Поэтому я стал делать воздушное охлаждение и первым делом выбрал подходящую заготовку из нашего мусора, благо было несколько. Далее я начал прикидывать общую конструкцию двигателя, параллельно подбирая нужные заготовки. Я как-то опустил в прошлый раз описание этого этапа, но чертежи (хотя, скорее, правильнее называть это эскизами) я всё-таки делал.
Ведь надо было определить размеры поршня (Ø22×25 мм), его ход (20 мм), длину шатуна (43 мм), место расположения распределительного вала и прочие параметры. Кстати, о распредвале. На первом моторе я делал настраиваемые кулачки отдельно от самого вала, который был гладким. В ходе его эксплуатации я определил наилучшие углы расположения кулачков и теперь для второго двигателя я задумал делать вал цельным. К тому моменту у меня уже была изготовлена самодельная делительная головка. Она, я думаю, заслуживает отдельной истории, но в целом состоит она из цангового патрона, червячного редуктора, шагового двигателя и различных частей основания. Всё, кроме патрона – универовский мусор (!). Так вот, вал было решено изготавливать на этой головке, что было весьма удобно, учитывая её привод.
Также при помощи этого устройства я сделал шестерни привода распределительного вала. Для этого я использовал модульные фрезы М0.5 из соответствующего набора. Набор включает обычно 8 фрез, каждая может нарезать шестерни с определённым диапазоном зубьев. Почему так? Зубья ведь не квадратные и не треугольные, как в мультиках и рекламах рисуют, их профиль отличается в зависимости от количества, поэтому фрез надо много. Хорошо бы иметь по фрезе на каждое количество зубов, но больно жирно, поэтому мы работаем с аппроксимациями. Количество зубьев шестерён 24 для коленвала и 48 для распредвала, что даёт передаточное отношение 1:2.
Коленчатый вал в этом моторе было решено делать не консольным, как раньше, а полноценным. Таким образом, вал выходит из двигателя с двух сторон, на одной из которых можно установить маховик и далее трансмиссию, а на другой закрепить храповую муфту для «кривого» стартера. Ах, «кривой» стартер! Запуск «Волги» в мороз со сдохшей батареей вызывает воспоминания... Даже приятные, как ни странно, но я ушёл куда-то в сторону. В любом случае, этот вид запуска аутентичен для выбранного автомобиля.
Итак, вал задумывался весьма похожим на мотоциклетный — шатун с подшипником качения, две массивные щеки и два выхода вала. Я не сразу определился, как его делать. Сначала я пробовал экспериментировать со сваркой, но вышло плохо (варил, правда, не я, в нашей лаборатории этого делать нельзя). После этой неудачи я решил просто запрессовать все в щеки — и шатунную шейку, и выходные валы. Честно, не помню, штифтовал ли я вал после запрессовки, чтобы гарантированно фиксировать от проворота. Помню, что сомнения у меня на этот счёт были, но думаю, что там далеко не те моменты, чтобы вал действительно провернуло в щеке.
Картер вала разборной, при этом разбирается он на 6 частей, если считать фланцы с подшипниками коленчатого вала. Основная часть сделана из П-образного профиля (дно картера), её закрывает крышка около 12 мм толщиной, к которой крепится цилиндр. По бокам тоже стоят прямоугольные крышечки. Всё это алюминиевое и стянуто винтами М4. Сейчас я уже не считаю, что это хорошая конструкция и скорее всего я переделаю картер.
Также есть вероятность, что я переделаю и коленчатый вал, так как в данный момент там стоит разборной шатун. При этом разбирается он не как на настоящем авто, само тело шатуна состоит из двух частей, одна из которых не снимается с коленвала. Это было обусловлено тем, что по-другому не влазило.
Головка цилиндра тоже имеет оребрение. Конструкция свечи и клапанов принципиально не отличается от первого мотора – свеча из тефлона с центральным стальным электродом, клапана составные из направляющих от DVD привода и напрессованной на них тарелки. Седла клапанов также сделаны из чего-то жёлтого (бронза/латунь) и совмещены с клапанными же втулками. Единственное отличие от предыдущей модели — некоторые элементы сделаны аккуратнее и меньше. Меньшими по размеру сделаны и коромысла, в остальном их конструкция особо не поменялась.
Маховик опять пришлось делать из двух частей, так как в заготовке не было «мяса» под ступицу. В этот раз ступицу делал из алюминия.
Я очень хотел сделать для этого мотора распылительный карбюратор, но с ним меня снова постигла неудача с абсолютно теми же симптомами — после пары вспышек компрессия падала в ноль.
Поэтому для первых тестов я использовал карбюратор от старого мотора.
Должен признать, что хорошо работающий двигатель вызывает истинное удовлетворение! Как можно видеть, я использовал настоящую катушку зажигания и классическую контактную систему, работающую на размыкание. Эта катушка всегда работает великолепно, вне зависимости от напряжения питания (я питал в диапазоне от 4 до 14 вольт, напряжение ниже 4 вольт с хорошим током было просто негде взять).
Потом я изготовил барботажный карбюратор по типу того же от старого движка, но поменьше и целиком из металла. Сперва я планировал использовать для образования пузырьков аквариумный распылитель (тёмносиний «камень» на фото снизу), но он себя не оправдал, и я в итоге сделал просто алюминиевое «сито». Фото окончательного узла у меня, к сожалению нет, но главное, что он оказался вполне работоспособен.
В целом, мотор со всеми экспериментами занял у меня месяца два. Разумеется, занимался я им не каждый день и всего по часу, а то и меньше, но по ощущениям это было довольно долго.
❯ Изготовление трансмиссии
Коробка переключения передач
Мотор прекрасно работал, и я решил сделать следующий шаг — приступить к трансмиссии. У трансмиссии особая миссия — трансформировать обороты движка в крутящий момент колёс, да простят мне столь грубое упрощение! Крутящий момент — это важно! Именно он превозмогает, ведь он создаёт силу на колесе, которая толкает авто вперёд и пересиливает все остальные силы, направленные противоположно, такие как сопротивление качению, и самое главное — аэродинамическое сопротивление.
Для работы по проектированию коробки передач мне опять пригодилась методичка с моей родной кафедры «Автомобильный транспорт», в которой приведены формулы расчёта передаточных чисел коробки. Передаточное число — это по сути значение, указывающее, во сколько раз выходной вал крутится медленнее входного и во сколько раз пропорционально растёт выходной крутящий момент. Однако числа рассчитать было мало, надо было ещё принимать во внимание возможности производства, то есть меня. А именно то, что у меня есть только три набора модульных фрез — М0.5, М0.9 и М1. Небольшое лирическое отступление о фрезах. Модулем по сути определяется размер зуба. Делительная окружность считается по формуле D = M×Z, где M — модуль, а Z — количество зубьев. Сам зуб будет размером 2,25×М. Из них 1,25×М лежит ниже делительной окружности, а 1×М — выше. Это определяет наружный диаметр шестерни и диаметр впадин, который нам тоже важен при фрезеровке.
Зубчатые колёса надо было как-то зацеплять с ведомым валом, а это значит, что их надо было делать не менее определённого диаметра (в данном случае 24 мм — таким я выбрал диаметр втулок, включающих передачу). С ведущим валом было проще — там должны сидеть относительно маленькие шестерни, но и у них должно быть достаточно «мяса», чтобы пропустить через них восьмимиллиметровый вал и посадить штифт. И вот учитывая это всё и надо было подобрать фрезы и рассчитать передаточные числа для определённого межосевого расстояния. Для этого было написано несколько простеньких скриптов на Python. Сначала с их помощью я оценивал размеры и возможные передаточные числа, после чего написал один финальный, который уже просчитывал все необходимые мне данные.
Результат работы скрипта (не очень важно, можно и не смотреть):
The program selects gears for the modules: [0.5]
The minimum diameter was chosen 10 mm, according to the bearing MR128ZZ 8x12x3.5mm
The center distance is 27.0
For module 0.5:
First gear ratio is 3.32 The gears: Z1 = 83, Z2 = 25
Parameters of the FIRST gear pinions
Z1 = 83
Tops: 42.5
Dividing circumference 41.5
Grooves: 40.25
Go deep to 1.125
Parameters of the FIRST gear pinions
Z2 = 25
Tops: 13.5
Dividing circumference 12.5
Grooves: 11.25
Go deep to 1.125
Parameters of the SECOND gear pinions
Z1 = 75
Tops: 38.5
Dividing circumference 37.5
Grooves: 36.25
Go deep to 1.125
Parameters of the SECOND gear pinions
Z2 = 33
Tops: 17.5
Dividing circumference 16.5
Grooves: 15.25
Go deep to 1.125
Second gear ratio: 2.272727272727273 The gears: Z1 = 75, Z2 = 33
Parameters of the THIRD gear pinions
Z1 = 65
Tops: 33.5
Dividing circumference 32.5
Grooves: 31.25
Go deep to 1.125
Parameters of the THIRD gear pinions
Z2 = 43
Tops: 22.5
Dividing circumference 21.5
Grooves: 20.25
Go deep to 1.125
Third gear ratio: 1.5116279069767442 The gears: Z1 = 65, Z2 = 43
Parameters of the FOURTH gear pinions
Z1 = 54
Tops: 28.0
Dividing circumference 27.0
Grooves: 25.75
Go deep to 1.125
Parameters of the FOURTH gear pinions
Z2 = 54
Tops: 28.0
Dividing circumference 27.0
Grooves: 25.75
Go deep to 1.125
Fourth gear ratio: 1.0 The gears: Z1 = 54, Z2 = 54
Desired ratios: R1 = 3.32 R2 = 2.225488677749687 R3 = 1.4918071851783283 R4 = 1
Последняя строчка — это желаемые передаточные числа, рассчитанные по формулам из методички.
Скрипт выдавал уже все параметры, нужные мне для отрисовки чертежа и изготовления самих шестерён и зубчатых колёс («Go deep to 1.125» – это заглубление фрезы в заготовку).
Получилось следующее:
Первая передача: Z1 = 25, Z2 = 83; U = 3.32
Вторая передача: Z1 = 33, Z2 = 75; U = 2.27
Третья передача: Z1 = 43, Z2 = 65; U = 1.51
Четвёртая передача: Z1 = 54, Z2 = 54; U = 1
Задняя: Z1 = 25, Z2 = 83; U = 3.32
Да, коробка должна быть полноценной и иметь, в частности, и заднюю передачу, которую, чтобы особо не мудрствовать, я сделал аналогичной первой. Как видно из результата, передаточные числа, шестерни для которых я реально могу изготовить, близки к желаемым, полученным по формулам из методички (R1 = 3.32, R2 = 2.23, R3 = 1.49, R4 = 1). Также они близки к числам коробки «Волги» ГАЗ 24-10, которую, образно говоря, можно считать правнучкой «Эмки». У неё это: 1-я 3.5, 2-я 2.26, 3-я 1.45, 4-я 1, и задняя 3.54.
Насколько такой расчет адекватен для моей машины? Думаю, что не очень адекватен, т.к. в методичке отталкиваются от наиболее типичных чисел, которые справедливы для настоящих автомобилей, а не для моделей, вроде моей. По-хорошему, надо бы считать исходя из массы машины, мощности двигателя, характеристик колёс и прочих параметров, но… их нет. Поэтому если эта коробка не будет удовлетворять динамическим требованиям конечного варианта машины, я буду играться с передаточным числом главной передачи и увеличением степени сжатия мотора. Как итог, на данный момент я остался доволен результатом.
Коробка по конструкции планировалась двухвальной: один входной, один выходной вал. На входном валу сидят ведущие шестерни, они вращают зубчатые колеса, которые свободно вращаются на подшипниках качения вокруг ведомого вала. Для включения передач предусмотрены скользящие муфты, коих 3 штуки. Порядок включения передач как на «Волге».
Как же я планировал включать передачи, ведь синхронизатор — это довольно сложное в изготовлении устройство? Ну, если это сложно, значит оно нам не нужно? Сделаем без него. Я решил, что просто вырежу пару выступов на каждом зубчатом колесе и такую же пару на каждой подвижной муфте. Когда такая муфта будет сдвинута к колесу, эти выступы войдут в зацепление и передача включится. А потом, уже когда я это сделал, то узнал, что это называется кулачковая коробка передач и используется в автоспорте. Так я изобрёл велосипед. Кстати, в универе нас не знакомили с такой конструкцией, ай-ай-ай, дорогие преподаватели!
Чтобы обеспечить зацепление этих муфт с валом, я использовал шпоночное соединение. Я использовал шпонки толщиной 3 мм, которые для этого вала явно слишком велики, но это лучшее, что у меня тогда было. Пазы во втулках просто фрезеровал той же пальчиковой фрезой, что и пазы на валу. Верх такого паза, разумеется, был полукруглой формы, поэтому, а также в целом во избежании перекосов и прочих проблем я просто прикрутил (изврат!) шпонки к валам при помощи винтиков М2. Головки этих винтиков отлично помещались в полуокружность, оставшуюся от профиля фрезы в пазах втулок.
Как можно понять из расчёта, мне предстояло много монотонной работы в виде нарезки несметного числа зубьев. Делать мне это самому не хотелось, поэтому я спихнул эту тягомотину на свой самодельный станок с ЧПУ и уже упомянутую ранее делительную головку. Объединив их работу простеньким скриптом, я получил вполне работоспособную систему и знатно сэкономил себе время. Правда, были и неудачи, ведь я использую мусор в качестве заготовок и иногда вместо дюраля попадался чистый алюминий, который при обработке ведёт себя как пластилин (фу-фу-фу!). Некоторые шестерни как следствие пришлось переделывать.
Параллельно я делал остальные части коробки — её валы и стенки, втулки и втулочки, устанавливал шпонки и ещё кучу других мелких работ. В результате, коробка начала выглядеть очень даже похоже на приведённый выше эскиз.
По окончании перечисленных работ я сконструировал механизм переключения. Он, в целом, довольно прост и практически целиком копирует аналогичный узел с настоящих авто. Это будет хорошо видно на фото, приведённых чуть ниже.
Немного позже по хронологии, я сделал для коробки днище, ведь её надо защищать от пыли, а окружающее пространство от смазки (которая будет консистентной). Я распечатал пуансон и матрицу из PLA и попробовал выдавить профиль дна. Для этого я зажал между этими деталями лист алюминия толщиной 0.5 мм и сдавил всё это в тисках. Но этого оказалось недостаточно. Видимо, от того, что я, как всегда, пожлобился поставить 100% заполнение, пуансон с матрицей просто пружинили. Это было досадно, но выход был прост — пришлось выколачивать днище на матрице вручную, поэтому получилась такая грубая поверхность.
На фото выше, кстати, весьма неплохо видно и узел сцепления. Ведь закончив с коробкой, я занялся её присоединением к мотору. И для того, чтобы скрестить ежа и ужа, надо было определиться с конструкцией и размерами сцепления. Я не стал копировать устройство этого узла с полноразмерных машин так как не был уверен, что смогу его повторить. Как следствие, появилась эта конструкция.
Суть её работы такова — в маховик вкручены три цилиндрические направляющие, на которых установлена скользящая поджимающая втулка с диском и выжимным подшипником. На этих же направляющих размещены пружины, которые и прижимают втулку к маховику. Между втулкой и маховиком стоит диск сцепления на ступице, которая нужна, чтобы увеличить площадь контакта с валом, на котором он расположен, и шпонкой на этом валу. На диск наклеены фрикционные накладки из резины. Работает эта система наоборот относительно обычного сцепления — здесь вместо нажатия мы тянем — тем самым освобождаем диск. Если честно, я не проверял этот узел в работе, и у меня есть сомнения в его устройстве. Возможно, в финальной версии я изменю его конструкцию. В целом же, для этой машины сцепление необходимо только для трогания с места в силу устройства коробки передач.
Карданный вал и задний мост
После нескольких месяцев возни с коробкой возник вопрос, а что дальше? Правильно — карданный вал и задний мост. В последнем обычно установлены главная передача и дифференциал. Первая дополнительно понижает обороты и увеличивает крутящий момент на колесах, второй же помогает проходить повороты, меньше изнашивая резину, улучшая управляемость и снижая нагрузку на трансмиссию за счёт устранения проскальзывания колёс.
Вот только у меня немного не так. Я сначала думал, что мне придётся изготавливать дифференциал самому и конические шестерни резать тоже и я не был уверен, а хватит ли мне места в заднем мосте под главную передачу с подходящим передаточным отношением. Поэтому её я разместил на выходе из коробки.
Как видно, выходная шестерня имеет достаточно странные «рога». Это должно было стать самодельным карданным шарниром. Однако, мне в голову пришла запоздалая светлая мысль прошерстить АлиЭкспресс и я нашёл там обе вещи: и дифференциал для автомоделей и красивые карданные шарниры. Поэтому решено было просто использовать выходной вал коробки без уже готовой главной передачи. Но тем не менее я её использовал поначалу и в том числе как было задумано — в роли кардана.
Кардан, как и на «взрослых» машинах — полый внутри, т.е. это труба. Она, разумеется, ведёт к заднему мосту, который я сделал разрезным, наподобие того, как он выполнен на оригинальной ГАЗ М-1.
Мост выполнен из довольно большого количества деталей, запрессованных друг в друга, так как литьё на тот момент мне было недоступно. К сожалению, процесс изготовления этих частей я не фиксировал, однако, был один важный момент, который я таки снимал. Дело в том, что на полуосях должны быть закреплены тормозные барабаны-ступицы, к которым, в свою очередь, крепятся колёса. Но как фиксировать барабаны от проворачивания? Напрессовывать на полуоси не хотелось, ведь может понадобиться их снять на доработку. Ставить штифт неудобно — остаётся шпоночное соединение.
Как обычно делают шпонпаз? На заводе это делается при помощи прошивки или протяжки. Оба инструмента — круглые оправки с множеством мелких зубов по ширине шпонки, которые, проходя, вырезают материал заготовки. Отличие между ними в том, тянут инструмент или толкают. Протяжки (их тянут на спец. станках) — более длинные и их в основном используют для массового производства. Прошивки толкают — обычно на прессе, и их использование ограничено мелкими сериями.
Инструмент для каждого диаметра вала — свой, и он довольно дорог. Самодельщики, вроде меня, выбирают универсальность и дешевизну, таков путь. Кроме того, вряд ли существует такой инструмент для вала диаметром 8 мм со шпонкой толщиной 2 мм (хотя... почему нет?).
Поэтому, мне значительно ближе долбление. И нет, я не тот сосед с перфоратором. Долбежный станок осуществляет возвратно-поступательные движения резца, который потихоньку выбирает металл. Постепенно заглубляя резец, можно получить нужный по форме паз и не только шпоночный. Процесс напоминает снятие стружки рубанком и практически аналогичен строганию в «железном» понимании, но делают это разные станки.
В принципе, если токарный станок не жалко, можно строгать и так, ведь станок имеет всю нужную кинематику. Но елозить суппортом туда-сюда прибавляет износа, а зачем нам это? Как следствие, специально для этой операции я сделал долбёжную приспособу (головку) из какой-то дырчатой плиты, куска профиля, мотора от дворников, линейной направляющей и ещё пары деталей. Не скажу, что всё это из мусора, мотор и направляйку пришлось купить, но много денег я не потратил.
Думаю, из видео понятен принцип работы устройства. Резец делал из быстрорежущей стали, кусок которой я впаял в вал, зажимаемый в ползун. Из того же материала, алмазным кругом на дремеле я отрезал шпонки, которые идеально встали в прорезанные пазы. Также в ролике видно, что тормозные барабаны на момент долбления пазов я уже просверлил в шести местах, нарезал там резьбу М6 и посадил на локтайт шпильки для крепления колес. Про сами колеса, я пожалуй, расскажу в следующий раз, чтобы не перегружать статью.
На этом моя эпопея с изготовлением мотора и трансмиссии моего авто завершилась. Впереди меня ждало ещё много интересных вызовов моему инженерному опыту, о которых я расскажу в следующий раз. Надеюсь, вам было интересно.
Новости, обзоры продуктов и конкурсы от команды Timeweb.Cloud — в нашем Telegram-канале ↩
