Как изготовить гребной винт для мотолодки
Первая и вторая части серии статей В. В. Вейнберга, озаглавленной «Гребной винт для вашей лодки», были опубликованы в сборниках №97 и №98.
Приспособления для изготовления модели винта и контроля его формы. Ни один из современных способов изготовления гребных винтов не обходится без шаговой горки. Ее собирают на основании — шаговой плите, которая представляет собой стальной диск толщиной 10—15 мм (рис. 1) диаметром около 500 мм (по максимальному диаметру гребных винтов). На плите устанавливают шаговые угольники, согнутые по цилиндрическим поверхностям заданных радиусов. Рабочую поверхность плиты торцуют на токарном станке, на ней через каждые 10 мм по радиусу протачивают кольцевые канавки глубиной 3 мм и шириной 1—2 мм (по толщине материала, из которого делают шаговые угольники). В центре плиты строго перпендикулярно ее поверхности устанавливают вал с центрирующими ступицу гребного винта конусами.
При изготовлении гребных винтов небольшого диаметра шаговые угольники устанавливают в каждой канавке, т. е. с зазором 10 мм. Проверить плотность прилегания лопасти к шаговым угольникам, замерить стрелки вогнутости профиля в ее сечениях в этом случае довольно трудно, поэтому рекомендуем разборную конструкцию шаговой плиты (рис. 2). Ее собирают из дисков диаметром 60, 80, 100 мм и т. д. (в соответствии с радиусами сечений, заданных на чертеже гребного винта), вырезанных из ровного фанерного листа толщиной 10 мм. В дисках строго по центру просверливают отверстия, чтобы их можно было плотно насадить на центрирующий вал. На каждый диск из металлической полосы шириной 8—10 мм делают бандажи, которые стягивают винтом М4, и крепят соответствующие шаговые угольники.
Шаговые угольники образуются при пересечении винтовой поверхности лопасти цилиндром, соосным с осью гребного винта и имеющим радиус данного сечения. Если поверхность цилиндра развернуть на плоскость, получится прямоугольный треугольник, у которого один катет равен шагу винта в данном сечении, а второй — длине окружности основания цилиндра (рис. 3). Острый угол, расположенный против катета, равного шагу винтовой линии, называется шаговым углом. Тангенс этого угла равен соответственно отношению катетов:
Так как для изготовления гребного винта необходима только часть винтовой поверхности в районе расположения лопасти, размеры шагового угольника можно уменьшить. Для этого необходимо определить высоту угольника в районе образующей (средней) линии лопасти. Сделать это можно по чертежу продольного сечения винта, на котором изображен габарит лопасти, ступица винта и показан наклон образующей. На чертеже наносят с кормового торца ступицы линию, перпендикулярную оси винта и изображающую базовую плоскость поверхности шаговой плиты. В случае применения сборной плиты такие линии проводят для каждого диска. При этом зазор между линией габарита лопасти и шаговой плитой должен составлять не менее 8—10 мм. Высоту шагового угольника — размер А на чертеже — замеряют от базовой плоскости до образующей лопасти (см. рис. 3). Этот размер следует увеличить либо на глубину канавки на шаговой плите, либо на ширину полосы, необходимой для закрепления угольника бандажом при сборной конструкции плиты.
Величина катетов В для построения шаговых углов для каждого радиуса определяется по формуле
где Нr — шаг лопасти на данном радиусе снимается с графика распределения шага вдоль лопасти.
На гипотенузе шагового угольника размечается положение сечении лопасти: риска средней линии, а также точки входящей и выходящей кромок. Ширина лопасти и положение сечения относительно средней линии снимаются с чертежа спрямленного контура. Для удобства работ по изготовлению лопасти длину шагового угольника следует увеличить с каждой стороны на 10—15 мм. Отклонения при разметке шаговых угольников не должны превышать ±0,3 мм, причем риски наносятся острой чертилкой.
При разметке шаговых угольников корневых сечений, имеющих двояковыпуклый профиль, с рабочей кромки угольника (гипотенузы) необходимо снять полоску металла шириной, равной стрелке выпуклости нагнетающей стороны профиля. Это обеспечит прилегание к шаговому угольнику заготовки лопасти, еще не обработанной по профилю.
В зависимости от технологии изготовления винта необходимо изготовить комплект угольников либо для одной лопасти, либо для всех. Для обеспечения симметрии готового винта для радиуса, близкого к r=0,6R, необходимо изготовить шаговые угольники для всех лопастей.
При установке шаговых угольников для всех лопастей винта с большим дисковым отношением угольники одного радиуса могут перекрывать друг друга. В этом случае в большем вертикальном катете этих угольников надо сделать местный вырез, в который входит меньший катет следующего шагового угольника (рис. 4).
После разметки, вырезки, окончательной обработки и проверки угольники сгибают по цилиндрическим поверхностям заданных радиусов с учетом направления вращения гребного винта.
Для установки угольников на шаговой плите проводят осевую линию лопасти — прямую, проходящую через центр плиты, а на сборной плите из отдельных дисков — осевые линии на каждом диске.
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
По чертежу воздушного винта прежде всего необходимо изготовить металлические или фанерные шаблоны — один шаблон вида сверху (рис. 3-А), один шаблон вида сбоку и двенадцать шаблонов профиля лопасти, которые будут нужны для проверки винта на стапеле.
Рис. 3. Последовательность изготовления винта
Заготовку винта (брусок) нужно тщательно отфуговать, соблюдая размер со всех четырех сторон. Затем наносят осевые линии, контуры шаблона вида сбоку (рис. 3-Б) и удаляют лишнюю древесину, сначала маленьким топором, потом рубанком и рашпилем. Следующая операция — обработка по контуру вида сверху. Наложив шаблон лопасти на заготовку (рис. 3-В) и укрепив его временно гвоздиком по центру втулки, обводят шаблон карандашом. Затем поворачивают шаблон строго на 180° и обводят вторую лопасть. Лишняя древесина удаляется на ленточной пиле, если ее нет — ручной выкружной мелкозубой пилой. Эта работа должна быть выполнена очень точно, поэтому торопиться не следует.
Изделие, приобрело очертания винта (рис. 3-Г). Теперь начинается самая ответственная часть работы — придание лопастям нужного аэродинамического профиля. При этом следует помнить, что одна сторона лопасти плоская, другая выпуклая.
Главный инструмент для придания лопастям нужного профиля — остро отточенный, хорошо присаженный топор. Это отнюдь не значит, что выполняемая работа — «топорная»: топором можно делать чудеса. Достаточно вспомнить знаменитые Кижи!
Древесину удаляют последовательно и не спеша, сначала делая мелкие короткие натесы во избежание отщепления по слою (рис. 3-Г). Полезно иметь также небольшой двухручный стружок. На рисунке показано, как можно ускорить и облегчить работу по обтесыванию профильной части лопасти, сделав несколько пропилов мелкозубой ножовкой. Выполняя эту операцию, надо быть очень осторожным и не пропилить глубже, чем требуется.
После грубой обработки лопастей винт доводится до кондиции рубанками и рашпилями с проверкой в стапеле (рис. 4-А).
Рис.4. Стапель и шаблоны профилей лопасти
Для изготовления стапеля (рис. 4) надо найти доску, равную по длине винту и достаточно толстую для того, чтобы в ней можно было сделать поперечные пропилы глубиной 20 мм для установки шаблонов. Центральный стержень стапеля изготовляется из твердого дерева, его диаметр должен соответствовать диаметру отверстия в ступице винта. Стержень вклеивается строго перпендикулярно к поверхности стапеля. Надев на него винт, определяют количество древесины, которое предстоит удалить для соответствия лопасти шаблонам профиля. Выполняя эту работу в первый раз, нужно быть очень терпеливым и осторожным. Умение приобретается не сразу.
После того как нижняя (плоская) поверхность лопасти будет окончательно доведена по шаблонам, начинается доводка верхней (выпуклой) поверхности. Проверка ведется с помощью контршаблонов, как показано на рисунке 4-Б. От тщательности выполнения этой операции зависит качество винта. Если неожиданно выяснится, что одна лопасть получилась немного тоньше другой — а это часто бывает у неопытных мастеров, — придется соответственно уменьшить толщину противоположной лопасти, в противном случае и весовая и аэродинамическая балансировки винта будут нарушены. Мелкие изъяны можно исправить наклейкой кусочков стеклоткани («заплаток») или подмазкой мелкими древесными опилками, замешенными на эпоксидной смоле (эту мастику в просторечии называют хлебом).
При зачистке поверхности деревянного винта следует учитывать направление волокон древесины; строгание, циклевку и ошкуривание можно вести только «по слою» во избежание задиров и образования шероховатых участков. В некоторых случаях, помимо цикли, хорошую помощь при отделке винта могут оказать стеклянные осколки.
Опытные столяры после ошкуривания натирают поверхность гладким, хорошо отполированным металлическим предметом, сильно нажимая на него. Этим они уплотняют поверхностный слой и «заглаживают» оставшиеся на нем мельчайшие царапины.
Теоретический чертеж самодельного гребного винта для подвесных моторов «Вихрь» и «Вихрь-М»
увеличить, 607 КБ Характеристики винта: вращение — правое; диаметр — 240; шаг на r = 0,7D (Hcp) — 240 и 264; число лопастей — 3; дисковое отношение θ=0,51; шаговое отношение на 0,71D (Hcp/D) — 1,0 и 1,1; мощность мотора — 20—25 л. с.; число оборотов винта 2600—3000 об/мин; материал — алюминиевый сплав. 1 — входящая кромка лопасти; 2 — выходящая кромка лопасти; 3 — линия наибольших толщин лопасти; 4 — контур боковой проекции лопасти; 5 — разрез лопасти по линии наибольших толщин; 6 — профиль спрямленного корня лопасти; 7 — ось лопасти.
Испытания комплекта винтов для «Вихря», о результатах которых рассказывалось в статье «Потерянные силы», несколько позднее продолжались на серийной мотолодке «Крым». Программу этих испытаний составили таким образом, чтобы можно было построить зависимость скорости лодки от ее нагрузки и шага винта (на «Вихрь» ставились гребные винты с шагом 240, 264 и 300 мм). Полученные результаты (построенные по ним графики приводятся в данной статье) подтверждают все сделанные ранее выводы. Хочется дополнительно отметить лишь следующее: благодаря проделанной работе с подгонкой винта на этих испытаниях удалось установить своеобразный рекорд: «Крым» выходил на глиссирование при удельной нагрузке вплоть до 35 кг/л. с., в то время как в подавляющем большинстве случаев для прогулочно-туристских мотолодок заводской постройки этот показатель не достигает и 30 кг/л. с.
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Из какого дерева лучше всего сделать винт? Такой вопрос часто задают читатели. Отвечаем: выбор дерева прежде всего зависит от назначения и размеров винта.
Винты, предназначенные для двигателей большей мощности (порядка 15—30 л. с), также можно изготовлять из монолитных брусков твердой породы, но требования к качеству древесины в этом случае повышаются. При выборе заготовки следует обращать внимание на расположение годичных колец в толще бруска (оно хорошо просматривается по торцу, рис. 2-А), отдавая предпочтение брускам с горизонтальным или наклонным расположением слоев, выпиленным из той части ствола, Которая ближе к коре. Естественно, что заготовка не должна иметь сучков, кривослоя и других пороков.
Рис. 2. Заготовки воздушного винта
Если подходящего по качеству монолитного бруска найти не удалось, придется склеить заготовку из нескольких более тонких дощечек, толщиной 12—15 мм каждая. Такой способ изготовления винтов был широко распространен на заре развития авиации, и его можно назвать «классическим». По соображениям прочности рекомендуется применять дощечки из древесины разных пород (например, береза и красное дерево, береза и красный бук, береза и ясень), имеющие взаимно пересекающиеся слои (рис. 2-Б). Винты, изготовленные из клееных заготовок, после окончательной обработки имеют очень красивый внешний вид.
Некоторые опытные специалисты клеят заготовки из многослойной авиафанеры марки БС-1, толщиной 10—12 мм, собирая из нее пакет нужных размеров. Однако рекомендовать этот способ широкому кругу любителей мы не можем: слои шпона, расположенные поперек винта, при обработке могут образовать трудно устранимые неровности и ухудшить качество изделия. Концы лопастей винтов, изготовленных из фанеры, получаются весьма хрупкими. Кроме того, у высокооборотного винта в корне лопастей действует очень большая центробежная сила, доходящая в некоторых случаях до тонны и более, а в фанере поперечные слои на разрыв не работают. Поэтому фанеру можно применять только после расчета площади корневого сечения лопасти (1 см 2 фанеры выдерживает на разрыв около 100 кг, а 1 см 2 сосны — 320 кг.) Винты приходится утолщать, а это ухудшает аэродинамическое качество.
БАЛАНСИРОВКА
Изготовленный винт должен быть тщательно отбалансирован, то есть приведен в такое состояние, когда вес его лопастей совершенно одинаков. В противном случае при вращении винта возникает тряска, которая может повлечь за собой разрушение жизненно важных узлов всей машины.
На рисунке 5 изображено простейшее приспособление для балансировки винтов. Оно позволяет выполнить балансировку с точностью до 1 г — этого практически достаточно в любительских условиях.
Рис. 5. Простейшее приспособление для проверки балансировки винта
Практика показала, что даже при очень тщательном изготовлении винта вес лопастей получается неодинаковым. Это происходит по разным причинам: иногда вследствие разного удельного веса комлевой и верхней частей бруска, из которого изготовлен винт, или разной плотности слоев, местной узловатости и т. п.
Как быть в этом случае? Подгонять лопасти по весу, сострагивая с более тяжелой какое-то количество древесины, нельзя. Надо утяжелять более легкую лопасть, вклепывая в нее кусочки свинца (рис. 6). Балансировку можно считать законченной, когда винт будет оставаться неподвижным в любом положении лопастей относительно балансировочного приспособления.
Рис. 6. Балансировка винта путем вклепывания кусочков свинца в более легкую лопасть
Не менее опасно биение винта. Схема проверки пропеллера на биение показана на рисунке 7. При вращении на оси каждая лопасть должна проходить на одинаковом расстоянии от контрольной плоскости или угла.
Рис. 7. Схема проверки винта на биение
