ВОЛНОВОЙ ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
HARMONIC STEP ENGINE

Волновой шаговый двигатель (ВШД) относится к области машиностроения. Изобретение может найти применение в приводах различных приборных систем, роботов и манипуляторов, запорной арматуры, в приводах подводной, надводной, авиационной и космической техники и др. ВШД предназначен для преобразования энергии находящихся под давлением газа или жидкости (рабочего вещества) в энергию вращательного движения выходного вала. В модифицированном варианте, при дополнительном устройстве под подвижными поршнями камер сгорания и систем подачи топлива, зажигания и охлаждения ВШД становится волновым шаговым двигателем внутреннего сгорания (ВДС). Такой двигатель дополнительно преобразует энергию импульсно сгораемого топлива в энергию вращательного движения выходного вала. Он может стать реальной альтернативой существующих двигателей внутреннего сгорания.
Наиболее близким к изобретению является плунжерный газогидродвигатель («ПЛУНЖЕРНЫЙ ГАЗОГИДРОДВИГАТЕЛЬ», патент RU 2330196 С1, опубл. 27.07.2008 / Каракулов М.Н. и др.), содержащий гибкое и жесткое колеса и генератор волн, содержащий плунжерный волнообразователь с распределителем в виде вала со смещенными относительно его оси симметрии в противоположных окружных направлениях полостями подачи рабочего вещества. При вращении вала происходит перераспределение потока рабочего тела в волнообразователе, плунжеры которого, перемещаясь по радиальным цилиндрам в результате перепада давлений, деформируют гибкое колесо, создавая в нем подвижную волну деформирования, а как следствие, и крутящий момент в волновом зацеплении, который редуцируется через жесткое колесо на выходной вал двигателя.
Основным недостатком такого газогидродвигателя является отсутствие принципиальной возможности увеличения угловой скорости вращения волны деформирования гибкого колеса без увеличения угловой скорости вращения вала распределителя. То есть в таком газогидродвигателе одному обороту вала распределителя всегда соответствует лишь один оборот волны деформирования гибкого колеса, что из-за высокой редукции волнового зацепления делает такой двигатель тихоходным, существенно сужает область его применения и значительно усложняет модификацию конструкции, например, устройство дополнительных камер сгорания и системы подачи топлива под подвижные плунжеры.
Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является обеспечение реальной возможности получения существенно более высоких скоростей вращения подвижной волны деформирования гибкого колеса при весьма низких скоростях вращения входного вала распределителя (вращающегося диска). Это непосредственно позволяет уйти от тихоходности выходного вала двигателя и значительно упрощает задачу дополнительного устройства под подвижными плунжерами камер сгорания и системы подачи туда топлива и системы охлаждения.
д
Предлагаемый в изобретении ВШД содержит неподвижное гибкое и подвижное жесткое колеса, находящиеся в волновом зацеплении, и пневмо(газо)гидродеформатор. Его отличительная особенность состоит в том, что он выполнен в виде двух соосных неподвижного и подвижного дисков, вставленных один в другой с минимальным радиальным зазором между ними. Зазор обеспечивает беспрепятственное вращение внутреннего подвижного диска с угловой скоростью ω.
Подвижный диск содержит N (N=6; 10; 14; 18; 22; 26; 30; 34 и т.д.) радиальных каналов высокого давления рабочего вещества. Между ними расположены N глухих межканальных полостей низкого давления с радиальными отверстиями в них со стороны внешнего диаметра диска с их симметричным расположением между концевыми отверстиями каналов высокого давления для слива отработанного рабочего вещества.
в
в
д
Неподвижный внешний диск пневмо(газо)гидродеформатора содержит М (М=8; 12; 16; 24; 28; 32; 36 и т.д.) радиальных каналов для подвижных плунжеров-толкателей. Эти каналы расположены в той же плоскости, в которой расположены и каналы в подвижном диске. И те и другие каналы в месте их сопряжения (у внешнего диаметра внутреннего диска и у внутреннего диаметра внешнего диска) имеют одинаковые диаметры. При вращении внутреннего диска из его каналов высокого давления в каналы жесткого диска под подвижные плунжеры-толкатели поочередно подается под давлением рабочее вещество. Вследствие этого подвижные плунжеры-толкатели, двигаясь за счет перепада давления, создают определенную последовательность силовых радиальных импульсов на гибкое колесо, организуя тем самым в нем требуемую подвижную волну деформирования. Отличительная особенность такого деформатора состоит в том, что угловая скорость вращения, создаваемой им волны деформирования ω существенно выше угловой скорости вращения подвижного диска и определяется соотношением ω=ω*N/2, где:
в
ω - угловая скорость волны деформирования гибкого колеса;
д
ω - угловая скорость внутреннего подвижного диска;
N - число радиальных каналов высокого давления в подвижном диске.
В зависимости от проектируемой мощности ВШД количества каналов в дисках N и М подбираются, а размеры дисков и диаметров их каналов рассчитываются так, чтобы одновременно в рабочем положении (т.е. под высоким давлением) находились не более двух-четырех смежных и противоположных им плунжеров-толкателей. Такое условие необходимо для обеспечения стабильности вращающейся симметричной овальной формы деформирования гибкого колеса, что особенно важно в ВШД большой мощности с целью недопущения проскока зубьев в волновом зацеплении. Следует отметить, что N и М можно менять местами, т.е. количество радиальных каналов высокого давления во вращающемся диске можно принять равным N=8; 12; 16; 24; 28; 32; 36 и т.д., а количество радиальных каналов в неподвижном диске для плунжеров-толкателей принять равным М=6; 10; 14; 18; 22; 26; 30; 34 и т.д. Однако, и в том и в другом случае, при подборе N и М должно выполняться непременное условие: они не должны иметь общего множителя кроме множителя, равного 2-м.
д
Контактируя в волновом зацеплении с гибким колесом, жесткое колесо и выходной вал ВШД вращаются в ту или иную сторону в зависимости от направления вращения бегущей волны деформирования гибкого колеса. То есть простым изменением направления вращения подвижного диска деформатора осуществляется реверс вращения выходного вала. Изменение величины его угловой скорости в широком диапазоне осуществляется изменением угловой скорости подвижного диска, приводимого во вращение от маломощного двигателя управления. Таким образом, на вход ВШД подаются всего лишь два параметра: регулируемое давление в канал высокого давления и регулируемая угловая скорость подвижного диска ω.
В неподвижном диске волнового шагового двигателя внутреннего сгорания (ВДС) около каждого радиального канала для плунжера-толкателя устроены по 2 смежных дополнительных радиальных канала. В них по открытым контурам закреплены со стороны подвижного диска глухие пальчиковые мягкие оболочки. В ненагруженном состоянии они касаются своей внешней глухой стороной (куполами) других мягких торовых оболочек, которые расположены вокруг каналов с подвижными плунжерами. Во внутренние полости торовых оболочек по специальному круговому каналу (каналам) в неподвижном диске непрерывно из внешних емкостей (баков) подается углеводородное или иное газообразное или жидкое топливо. Эти каналы одновременно выполняют функцию первичного контура охлаждения. При подаче импульсов давления от рабочего вещества во внутренние полости пальчиковых оболочек, деформируясь, они импульсно нагружают торовые оболочки. Через специальные жиклеры газообразное или жидкое топливо из полости торовой оболочки, импульсно поджатой куполом пальчиковой оболочки, поступает в полость (камеру сгорания) под подвижные плунжеры-толкатели. Возникающий при взрыве горючей смеси импульс более высокого давления существенно увеличивает величину радиальной силы дополнительного прижатия соответствующего поршня-толкателя к гибкому колесу, увеличивая тем самым силы зубчатого волнового зацепления. Вследствие этого увеличивается крутящий момент и в волновом зацеплении, и на выходном валу двигателя.
Следует отметить, что в этом случае в качестве первичного контура системы охлаждения ВДС выступают расположенные в неподвижном диске окружные каналы подачи топлива (малый первичный контур охлаждения). В качестве дополнительной системы охлаждения там же устроены специальные окружные каналы для прокачки охлаждающей жидкости (вторичный контур охлаждения).
Список литературы
1. Патент РФ №2075670 «Планетарный редуктор». Автор Клеников С.С. Зарегистрировано в Роспатенте 20.03.1997.
2. Патент RU №2330196 С1, «Плунжерный газогидродвигатель», опубл. 27.07.2008. Автор Каракулов М.Н. и др.
3. Патент RU №2278979 С1, «Плунжерный газогидравлический двигатель», опубл. 27.06.2006. Автор Каракулов М.Н. и др.