Є люди, які купують запчастини й збирають двигун із готового набору. А є автор каналу Design to Steel, який вирішив піти зовсім іншим шляхом — виготовити повноцінний одноциліндровий двомотоцикл двигун із нуля, починаючи буквально з формування піщаних форм для лиття алюмінію. У новому відео він показав весь процес: від 3D-друку моделей до першого запуску готового мотора на стенді.
Картер, який починався з піску та рідкого склаПерше, за що взявся майстер, — картер двигуна. Деталь спершу спроектували в SolidWorks, а потім надрукували її пластикову модель на 3D-принтері. Ця модель стала основою для виготовлення ливарної форми — методу, який дозволяє відтворити складну геометрію в алюмінії.
Для формувальної суміші автор використовував дрібнопросіяний пісок, змішаний з рідким склом у пропорції 1 до 10. Цю суміш ретельно утрамбовували навколо надрукованої моделі всередині сталевих опок, щоб пісок якнайточніше повторив кожну поверхню деталі.
Готову форму відправили в піч. Під час нагрівання надрукований пластик просто вигорів, залишивши всередині затверділого піску порожнину точної форми майбутньої деталі.
Далі — розплавлення алюмінію та заливка металу в підготовлену форму. Після охолодження форму розбили, і на світ з’явилася перша чорнова алюмінієва заготовка картера.
Від грубої відливки до точної деталіЗвісно, отримана заготовка була ще далека від готового компонента двигуна. Усі відповідальні поверхні та розміри потрібно було обробити на верстатах. Спочатку деталь пройшла обробку на токарному верстаті — щоб задати базові розміри та опорні поверхні.
Для решти отворів автор скористався координатно-розточувальним верстатом, що дозволило розмістити кожен отвір максимально точно відносно головної базової точки картера. Спершу центровим свердлом робили невелику наколку, щоб основне свердло не «повело» вбік при вході в матеріал, а вже потім свердлили до фінального діаметра.
Після свердління нарізали необхідну різьбу та встановили базові штифти — вони гарантують, що друга половина картера завжди стає точно у своє положення під час складання. Другу половину картера виготовили за майже ідентичною процедурою: нова 3D-модель, нова форма, вигоряння пластику та ще одна заливка алюмінію.
Обидві половини картера — як єдине цілеКоли обидві половини картера були готові, автор об’єднав їх у єдину складальну одиницю за допомогою штифтів та кріпильних болтів. Це необхідно, бо низка критичних елементів мала залишатися ідеально узгодженою між обома частинами.
Зібраний картер перемістили на фрезерний верстат, де оброблялася головна посадкова поверхня під циліндр — вона визначає кут і висоту циліндра відносно колінчастого вала. Тут же обробили посадкову поверхню під карбюратор і лепестковий клапан.
Після цього деталь повернулася на координатний верстат, де виточили головний фіксуючий отвір для циліндра, а також кріпильні отвори для його монтажу до картера й отвори під карбюратор. Завершили цей етап виготовленням перехідної пластини між карбюратором та картером.
Циліндр зі складною внутрішньою геометрієюНаступним великим компонентом став циліндр. Його 3D-надрукована модель з PLA містила безліч внутрішніх каналів, вигнутих поверхонь та складних елементів — відтворити таку геометрію традиційною двоскладовою піщаною формою було б надзвичайно складно. А от надрукована модель дозволила створити всю форму одразу,
як єдину витратну модель.
Під час формування було критично важливо ретельно утрамбувати пісок навколо кожного каналу й вузького елемента — якщо суміш не досягне якоїсь ділянки, частина геометрії просто зникне в готовій відливці. Форму знову відправили в піч, пластик вигорів, залишивши повну порожнину циліндра, і тоді почалася заливка.
Результат порадував: попри складну геометрію, охолоджувальні канали та зовнішні елементи відтворилися успішно. Автор видалив ливникову й живильну систему — канали, які постачали розплавлений алюміній під час заливки, але вже не були потрібні після затвердіння.
Обробка циліндра та головки блокаМеханічну обробку почали на токарному верстаті — сформували основні базові поверхні, а також центральний отвір, у який пізніше запресується чавунна гільза циліндра. Цей отвір мав залишатися концентричним відносно зовнішньої геометрії циліндра та перпендикулярним монтажним поверхням.
Далі деталь перемістили на фрезерний верстат для обробки посадкової поверхні під випускну систему, а також просвердлили та нарізали різьбу для фітинга системи рідинного охолодження.
Головку циліндра, чия алюмінієва заготовка вже була відлита, оброблювали одразу на верстатах. Одним із найважливіших елементів стала камера згоряння — її сферичний профіль сформували на ЧПУ-токарному верстаті, оскільки запрограмована траєкторія інструмента дає гладку й рівномірну геометрію камери.
- Форма камери згоряння впливає на ступінь стиснення
- Визначає ефективність згоряння суміші
- Впливає на рух паливно-повітряної суміші поблизу верхньої мертвої точки
Гільза з посадкою на межі десятих часток міліметраЗ’єднання гільзи з циліндром спроєктували з натягом приблизно 0,05 мм — це дозволяє гільзі залишатися надійно закріпленою всередині алюмінієвого циліндра після складання.
Найскладнішим завданням тут стало правильне позиціонування продувних і випускних вікон. У двотактному двигуні саме ці вікна керують рухом газів через циліндр, а їхні висота,
ширина та розташування безпосередньо впливають на фази газорозподілу двигуна. Навіть невелика похибка могла б змінити характер роботи всього мотора.
Для максимальної точності вікна виточили на ЧПУ-фрезерному верстаті за координатами з цифрової моделі, а всі дрібні недоліки після машинної обробки автор доводив вручну — згладжував краї та прибирав різкі переходи в каналах.
Гаряче й холодне: як гільза «сама» стала на місцеДля встановлення гільзи автор скористався різницею теплового розширення алюмінію та чавуну. Алюмінієвий циліндр нагріли, через що його отвір розширився, а чавунну гільзу, навпаки, охолодили — її зовнішній діаметр трохи зменшився. Це тимчасово зняло натяг між деталями, і гільза увійшла в циліндр практично без зусиль.
Результат вийшов саме таким, як планувалося: усі вікна чавунної гільзи точно збіглися з відповідними каналами в алюмінієвому циліндрі.
Колінчастий вал зі старого мотоциклаДалі настала черга колінчастого вала. Замість того, щоб виготовляти деталь повністю з чистого металу, автор знайшов на звалищі старий колінвал невідомого мотоцикла й вирішив використати його як заготовку.
Наявні сталеві поковки вже мали необхідну міцність і базову геометрію мотоциклетного колінвала.
Щоки колінвала обробили на токарному верстаті, звівши стару деталь до потрібних для нового двигуна розмірів. Кілька оригінальних отворів і елементів виявилися зайвими — під них виточили сталеві заглушки, запресували на місце та приварили до щік колінвала. Після зварювання поверхні знову обточили, поки заглушки не зрівнялися з навколишнім матеріалом — так вийшли суцільні заготовки для нової геометрії колінвала.
Точність до сотих часток міліметраНаступною операцією стало виготовлення отворів під шатунну шийку. Їхнє положення мало бути надзвичайно точним, адже відстань між центром колінвала й центром шатунної шийки безпосередньо визначає хід поршня. Будь-яка розбіжність між двома щоками колінвала призвела б до розбалансування зібраного вала.
Тому цю операцію виконали на координатному верстаті, а фінішну обробку — прецизійним розточувальним інструментом, що дозволило контролювати кінцевий діаметр і положення з точністю приблизно до сотої частки міліметра.
Останньою операцією обробки стало виготовлення балансувальних вирізів у щоках колінвала.
Ці елементи зменшують зайву масу та допомагають компенсувати рухому вагу поршня, шатуна й шатунної шийки.
Одноциліндровий двигун ніколи не можна ідеально збалансувати на всіх кутах повороту колінвала. Однак правильно спроєктовані противаги здатні суттєво знизити вібрацію, що передається на картер і раму.
Складання колінвала та балансуванняПісля завершення всіх операцій механічної обробки автор зібрав колінчастий вал. Для шатуна обрали компонент від Yamaha DT. Шатунну шийку, підшипник і шатун розмістили між двома щоками колінвала, після чого весь вузол запресували в єдине ціле.
Під час складання обидва головні вали мали залишатися ідеально вивіреними — після запресовки автор перевірив биття колінвала та скоригував вирівнювання там, де це було потрібно. Готовий колінвал відбалансували, що допомогло знизити вібрацію та забезпечити плавнішу роботу на високих обертах.
Кронштейн запалювання та фінальне складанняДля двигуна також знадобився кронштейн під систему електронного запалювання. Його виточили з суцільної алюмінієвої заготовки, підганяючи до потрібних розмірів — адже саме кронштейн визначає точне положення компонентів запалювання відносно колінвала,
а це, своєю чергою, визначає момент утворення іскри в кожному циклі роботи двигуна. Найменша похибка в позиціонуванні змістила б кут випередження запалювання й могла б завадити двигуну взагалі запуститися.
Нарешті всі основні компоненти були готові до фінального складання. Перед монтажем кожну деталь ретельно очистили — стружка, абразивні частинки чи бруд усередині двигуна могли б швидко вивести з ладу підшипники, циліндр і поршень.
- Установлено підшипники та сальники в картер
- Ущільнювальні поверхні очищені й знежирені перед нанесенням герметика
- Колінвал розміщено в першій половині картера
- Друга половина суміщена за штифтами та закручена болтами
- Перевірено вільне обертання колінвала
Поршень, циліндр і головка стають на свої місцяДалі настала черга поршня — процес його виготовлення автор детально показав в іншому відео на своєму каналі. Для фінального складання на поршень встановили компресійні кільця,
після чого з’єднали його з шатуном за допомогою пальця та стопорних кілець.
Після встановлення поршня циліндр обережно опустили на картер, а компресійні кільця акуратно стиснули в процесі проходження циліндра. Коли циліндр сів на місце, почалася підготовка до монтажу головки блока: виготовили необхідні кріпильні шпильки, а навколо отворів під кріплення в головці зробили плоскі посадкові виточки — так звані «спотфейси», які забезпечують рівні та точно розташовані поверхні для гайок і шайб.
У головці також просвердлили й нарізали різьбу під фітинг системи охолодження. Повернувшись до самого двигуна, автор встановив електростартер, підготував і загерметизував ущільнювальні поверхні циліндра й головки, після чого рівномірно затягнув головку на місці.
Систему запалювання встановили на колінвал і скоригували її положення, щоб отримати початковий кут випередження, необхідний для першого запуску. Останнім штрихом стала установка свічки запалювання — на цьому етапі двигун був уже практично готовий до роботи.
Для безпечнішого й зручнішого тестування автор побудував окремий стенд під двигун — рама надійно утримує мотор, водночас забезпечуючи доступ до стартера, карбюратора, вихлопної системи та охолоджувальних з’єднань. Сам двигун закріпили на чотирьох гумових віброізоляторах, які знижують передачу вібрації від мотора на стенд під час роботи.
Коли двигун надійно закріпили, залишилося тільки підключити допоміжні системи — і мотор, зібраний буквально з піску, розплавленого алюмінію та старого мотоциклетного колінвала, був готовий до свого першого запуску.
Запис Двигун із нуля: як інженер-самоучка створив мотоциклетний мотор з піску та алюмінію спершу з'явиться на ProstoMob.
