АЭРОЦИКЛ

Идея создания этого транспортного средства зародилась у меня давно, после просмотра сюжета в программе «Это вы можете» о лыжниках с ранцевыми аэродвижителями. Было видно, что ноги моторизованных спортсменов сильно напряжены, а тяжелое оборудование за плечами раскачивало их по ходу движения. Чтобы упростить и облегчить этот процесс я задумал поначалу приделать к двигателю раму. Но затем решил, что затененный спиной пилота винт диаметром около 0,8 метра — это как-то несерьезно и неэффективно. Хотелось получить нечто похожее на вертолетный винт, только работающий в другой плоскости. В итоге получилось наземное транспортное средство, с присущей только ему спецификой работы в узком диапазоне скоростей, а именно от 0 до 40 км/ч. Допускаю, что данная конструкция вызовет много сомнений и споров, как и представленный несколько нестандартный подход в ее реализации. Но, как говорится — не ошибается только тот, кто ничего не делает.

Проектирование

Итак, ставлю себе задачу: создать универсальное транспортное средство, способное двигаться по снегу, земле и воде. Плавучесть, понятно, обеспечивают поплавки вместо колес летом или лыж зимой. Несомненно, что аэроцикл, как я назвал свое детище, должен быть разборным. Обязательное требование к аппарату — удобство его хранения и перевозки, ведь большую часть времени он будет лежать разобранным где-то в уголке гаража. Также аэроцикл должен иметь возможность кратковременно перемещаться по дорогам общего пользования и не подлежать регистрации в надзорных органах, поэтому двигатель будет, естественно, объемом до 50 см3. При этом хотелось получить машину компактную, не обремененную каким-либо кузовом, предельно простую и легкую. Это обуславливало ограничение, что она должна быть только одноместной.

Важный момент — используя маломощный двигатель, необходимо получить хорошую тягу за счет винта большого диаметра. Винт не должен бояться мелких камней, поднимаемых с земли во время движения, то есть быть металлическим и иметь наибольший КПД. Такой винт я видел узким и тонким, при этом было ясно, что его эффективность проявится лишь в узком диапазоне скоростей вращения. Расширить этот диапазон позволило бы применение винта с изменяемым шагом (ВИШ). Также преимущества такого винта — возможность создания реверсной тяги для торможения, изменение оборотов двигателя и развиваемой тяги в зависимости от угла установки лопастей.

Создание легкого одноместного аппарата на аэротяге подразумевает установку винта на оси двигателя — это позволяет сделать его легче на 20-25%. Но при этом толкающий винт диаметром 0,7-0,8 метра будет находиться полностью в аэродинамической тени, что явно снизит его эффективность. Оптимальным для подобного транспортного средства считаю винт диаметром 1,4 метра, что повлечет, правда, увеличение веса приблизительно на 15 кг.

Исходя из компоновочных соображений, для привода винта имеет смысл использовать клиноременную передачу, обеспечивающую понижение оборотов винта по отношению к двигателю в 2,7 раза. А двухручьевой шкив винта дает возможность в дальнейшем заменить мотор на более мощный (до 10-15 л.с.). Предполагаемая тяга винта — 30 кг.

Теоретически для нормальной работы ТС необходимое качество, определяемое как отношение тяги аэродвижителя к ходовому весу конструкции, в диапазоне 0,3-0,4. К сожалению, на практике эти результаты оказываются ниже — где-то в пределах 0,2-0,3. Поэтому, возможно, именно водный вариант аэроцикла станет наиболее выигрышным.

Двигатель

За основу взят легкий и компактный, имеющий центробежное сцепление, двухтактный двигатель от бензопилы «Урал» мощностью около 5 л.с. Конструкция его уже давно устарела, и я с большим бы удовольствием использовал четырехкиловаттный электродвигатель с соответствующей аккумуляторной батареей. Жаль, но это удовольствие пока еще дорогое, будем использовать то, что есть под руками.

Двигатель крепится к узлу приводного шкива хомутом, состоящим из двух половин, стянутых болтами М6. Хомут изготавливается из трубки диаметром 12 мм. С одной стороны металл снимается полностью с помощью заточного станка, затем ножовочным полотном через равные промежутки делались надрезы на половину толщины. Полученная заготовка загибалась по необходимому радиусу, а надрезы затем проваривались.

Узел приводного шкива

Он состоит из вала, покоящегося на двух подшипниках № 203. С одной стороны вала находится барабан автоматического сцепления, а на другую сторону устанавливается приводной шкив. Узел приводного шкива имеет четыре ушка для закрепления на подмоторной раме. Он вместе с двигателем может перемещаться по полудюймовым трубам, обеспечивая необходимое натяжение приводного ремня. Первоначально использовался шкив наружным диаметром 88 мм, однако двигатель оказался недогруженным, поэтому был установлен шкив диаметром 100 мм.

Лопасти винта

Для наземного транспорта деревянный винт крайне нежелателен из-за быстрого износа. Поднимающиеся с земли во время работы двигателя небольшие камни быстро разрушают его, поэтому металлический винт -единственный вариант создания работоспособной конструкции.

Лопасти изготавливались из листа дюралюминиевого сплава толщиной 4 мм. Вырезал их по шаблону, и также по шаблону делал изгибы. Края стачивал напильником «до нуля». После небольшой крутки лопасти шлифовались и полировались.

Каждая лопасть вставляется в паз вворачиваемого во втулку винта комля лопасти. В пазу лопасть зажимается четырьмя болтами М10, М8, Мб и М5. К нижнему болту крепится поводок управления лопастью, соединенный с траверсой управления лопастями регулируемой тягой.

Втулка винта

Важная особенность данной конструкции — использование винта изменяемого шага. Основная концепция взята из устройства хвостового винта вертолета Василия Артемчука (см. «М-К» № 11-1997). А именно — комли лопастей заворачиваются на резьбе М30х2 во втулку винта. Отверстие на 14 мм для пальца, обеспечивающее крепление винта на ступице, обработано с помощью развертки. При работе винта втулка может покачиваться на небольшой угол для устранения возникающих моментов из-за погрешности изготовления или установки лопастей.

Ступица винта, соединяющая ведомый шкив с втулкой винта, — сварная. Сварка проводилась в кондукторе большим током с последующей обработкой на токарном станке.

Узел ведомого шкива

Состоит из оси, крепящейся гайкой М16 и шестью болтами к подмоторной раме. На оси, на подшипниках № 207 и № 206, вращается шкив диаметром 220 мм, изготовленный из текстолита. На оси он зафиксирован гайкой и контргайкой. Ось имеет по центру сквозное отверстие диаметром 10 мм, через которое проходит шток управления шагом винта. Шток также проходит через палец крепления втулки винта на ступице и закреплен гайками в траверсе управления шагом лопастей. На другом конце штока установлен подшипник в обойме, через который усилие рычага управления шагом передается на траверсу, которая посредством тяг поворачивает лопасти. Ступица крепится к шкиву шестью сквозными шпильками М8.

Подмоторная рама

Она состоит из двух полудюймовых труб, соединенных приваренной к ним пластиной толщиной 3 мм и служащей кронштейном для оси винта. Также к этой пластине крепятся средняя поперечная трубка ограждения винта и верхние наконечники стоек шасси задних колес. Сверху к торцам рамы болтами М8 фиксируется верхний кронштейн ограждения винта. К трубкам рамы приварены кронштейны для установки топливного бака от мотовелосипеда. В нижней части рамы на четырех хомутах крепится двигатель. Необходимое натяжение ремня обеспечивается перемещением узла приводного шкива вниз по трубам подмоторной рамы. В нижней части подмоторная рама фиксируется к главной трубе аэроцикла стяжной шпилькой с регулировочными шайбами.

Главная рамная труба

Это «хребет» конструкции. Он изготовлен из тонкостенной трубы диаметром 52 мм с толщиной стенки 2 мм. Для удобства хранения и перевозки в багажнике легкового автомобиля посредине трубы сделан фланцевый разъем с креплением четырьмя болтами М6. В передней части вварена направляющая трубка для вилки от детского велосипеда, а на некотором удалении приварена пластина крепления распорной рамы и сиденья, в качестве которого используется подушка от автомобиля УАЗ. В задней части главная труба стыкуется с подмоторной рамой с помощью стяжной шпильки и дистанционных втулок.

Распорная рама соединяет главную рамную трубу и подмоторную раму. Внутри нее находится сиденье пилота, также она служит упором спины.

Шасси

Сзади на аэроцикле установлены хвостовые колеса от Ан-2. Вместо втулок использованы закрытые подшипники качения. На токарном станке в них были сделаны необходимые проточки. Ось колеса фиксируется в 3/4″ трубе, она же служит рычагом задней подвески. Передняя вилка и колесо взяты от велосипеда с минимальными переделками. На передней вилке болтами М6 прикреплена трубка, выполняющая функцию опоры для ног. На переднем колесе установлен клещевой велосипедный тормоз.

Ограждение винта

Максимально снизить опасность от вращающегося винта — это сделать сплошное ограждение винта. К сожалению, оно увеличивает вес конструкции примерно на 10 кг и ухудшает эксплуатационные характеристики. Компромиссный вариант — ограждение в виде аэродинамического кольца. При этом оно даже повысит эффективность работы винта за счет спрямления воздушного потока и уменьшения перетекания воздуха из области высокого давления за винтом в область низкого давления перед винтом — получится так называемая «циркуляция воздушного потока». Все это позволяет увеличить тягу на 10-20% без дополнительных затрат мощности.

Ограждение изготовлено из стального листа толщиной 1 мм и стальной трубки диаметром 12 мм. Для удобства перевозки и хранения кольцо разбирается на 4 части. Возможно, исходя из весовых характеристик, был выбран не лучший вариант, но зато более надежный с точки зрения обеспечения безопасности пилота и окружающих.

Поплавки

Здесь нет ничего сложного: технология изготовления поплавков неоднократно описывалась в журнале применительно к небольшим катамаранам.

В районе рулевого колеса для крепления поплавка устанавливается специальный кронштейн. Задняя часть поплавка крепится за рычаг задней подвески.

Система управления шагом винта

Под левой рукой пилота находится рычаг сложной формы системы ВИШ. На нем же установлена манетка управления дроссельной заслонкой карбюратора. Рычаг имеет две опоры, приваренные к пластине крепления оси винта. Между ними установлены пластины с пазом для перемещения буксы управляющего подшипника при перемещении штока управления шагом. На штоке находится подшипник качения с внутренним посадочным диаметром 8 мм, он фиксируется на штоке двумя гайками М8, чем и обеспечивается регулировка.

Система управления шагом прекрасно работает на всех режимах винта. Было опасение, что центробежная сила, действующая на лопасть, будет расклинивать (зажимать) резьбовой комель лопасти, но это совершенно не оправдалось: ручка ходит легко во всех положениях лопастей.

Полученные результаты

Подведу итоги. При тестировании аппарата выявилось, что винт слишком легкий, поэтому диаметр ведущего шкива пришлось увеличить с 88 мм до 100 мм. К тому же, профиль шкива оказался несколько мал, что и было устранено при замене. Передача мощности в 5 л.с. потребовала серьезного отношения к приводному ремню. Для надежности работы передачи необходимо очень жестко крепить двигатель и, желательно, предусмотреть дополнительное натяжное устройство.

Винт же показал себя прекрасно — легко управляется на всех скоростных режимах, вибрации отсутствуют. Но он получился довольно-таки узкодиапазонным. Винт из тонкого профиля легче вращать, но значительно быстрее наступает и срыв потока. При этом наблюдается эффект увеличения тяги при наборе скорости, то есть винт выходит из «аэродинамического мешка».

Теперь о печальном. Несмотря на то, что аэроцикл удалось «вписать» в багажник ГАЗ-3102, различные изменения от проектного эскиза повлекли его значительное утяжеление. Общий вес аппарата составляет сейчас около 60 кг, что существенно нивелировало 20-30 процентное увеличение тяги винта большого диаметра. В конструкциях такого типа, конечно же, лучше заменять тяжелую сталь алюминием или композитными материалами.

Тем не менее, считаю, что время и ресурсы потрачены не зря. Данная работа для меня имела скорее экспериментальное значение, нежели практическое, позволяющее лучше понять специфику проектирования, изготовления и эксплуатации транспортного средства с аэродвижителем.

Павел КОПЬЕВ, г. Белорецк