ВОЛНОВОЙ ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ПНЕВМОГИДРОДЕФОРМАТОРОМ Российский патент 2012 года по МПК F16H1/00 F01C1/10 

ВОЛНОВОЙ ШАГОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ С ПНЕВМОГИДРОДЕФОРМАТОРОМ может найти применение в приводах мотор-колес, манипуляторов, в составе приводов авиационной и космической техники и предназначен для преобразования энергии сжатого газа или жидкости (рабочего вещества) во вращательное движение выходного вала.

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 при этом подвижную волну деформирования гибкого зубчатого венца, а как следствие, и крутящий момент на гибком колесе, который редуцируется на выходной вал двигателя.

Недостатками такого газогидродвигателя является отсутствие принципиальной возможности увеличения угловой скорости вращения волны деформирования гибкого колеса без увеличения угловой скорости вращения вала распределителя, то есть одному обороту вала распределителя соответствует лишь один оборот волны деформирования гибкого колеса.

Кроме того, недостатком такого газогидродвигателя является относительно высокая сложность конструктивной схемы и генератора волн и конструкции в целом.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является создание технической возможности кратного (в 1,5; 2,5; 3,5; 7 раз и более) изменения величины угловой скорости вращения волны деформирования гибкого колеса, а соответственно, и угловой скорости и вращающегося жесткого колеса и связанного с ним жестко выходного вала, которые на фиг.1-3 не показаны.

Поставленная задача решается тем, что угловая скорость вращения волны деформирования, а вместе с ней и угловая скорость выходного звена определяются соответствующим расположением в средней тонкостенной оболочке 2 распределителя отверстий для наддува и отверстий для слива 8 рабочего вещества. Причем в соответствии с этим расположением отверстий угловая скорость волны деформирования может быть кратно увеличена в сравнении с угловой скоростью вращения внутренней трубки высокого давления, что, к тому же, позволяет существенно снизить кинетический момент входной вращающееся части всего механизма.

Смена направления движения волны деформирования и выходного звена достигается изменением направления вращения внутренней трубки распределителя.

Модель пневмо(газо)гидрораспределителя (далее - «пневмогидрораспределителя») можно представить как совокупность трех цилиндров:

- внутренняя вращающаяся цилиндрическая трубка 1 малого диаметра, выполненная как одно целое с радиальными трубчатыми ответвлениями 7. Они образуют канал высокого давления рабочего вещества, поступающего от источника в полости поршневой группы ВШД;

- средняя тонкостенная оболочка 2, жестко соединенная с внутренней цилиндрической трубкой 1 через внешние концы радиальных трубчатых ответвлений и вращающаяся вместе с ней. Через специальные отверстия 8 в средней оболочке в ее внутреннюю полость поступает отработанное рабочее вещество низкого давления. То есть полость между внутренней цилиндрической трубкой 1, радиальными ответвлениями 7 и средней тонкостенной оболочкой 2 является полостью низкого давления, которая через канал 6 с целью вывода отработанного рабочего вещества сообщается с атмосферой;

- внешний толстостенный неподвижный цилиндр 3 с каналами для крепления штуцеров шлангового соединения 4 распределителя с ВШД для поочередного наддува в полости поршневой группы ВШД и последующего поочередного слива рабочего вещества через отверстия 8 в полость низкого давления.

Первоначально рабочее вещество под высоким давлением подается на вход распределителя по шлангу, соединяющему его с источником высокого давления (компрессором, баллоном, камерой внутреннего сгорания и т.п.) через канал 5 во внешнем цилиндре. Вращение распределителя осуществляется маломощным двигателем или турбиной, установленной на конце трубки с высоким давлением, на которую подается струя отработавшего рабочего вещества из полости низкого давления.

Через отверстия в канале внутренней трубки 1 рабочее вещество под высоким давлением поступает по радиальным трубчатым ответвлениям 7 поочередно во внутренние полости поршневой системы. Очередность подачи высокого давления в полости поршневой группы ВШД определяется геометрией взаимного расположения радиальных ответвлений 7, точнее, местоположением их концевых отверстий на средней цилиндрической оболочке 2, которые при ее вращении поочередно (последовательно) коммутируются с отверстиями 4. В одном ряду на тонкостенной оболочке 2 количество отверстий для наддува (то есть количество концевых отверстий радиальных трубчатых ответвлений) и их размер и количество отверстий для слива 8 и их размер рассчитываются и они располагаются таким образом, чтобы за один оборот средней тонкостенной оболочки 2 происходила многократная поочередная их коммутация с отверстиями 4 на внешнем цилиндре 3. Плановое расположение отверстий позволяет формировать нужную последовательность импульсов высокого давления, подаваемых через штуцеры в шланги, а через них поочередно на все поршни-толкатели, которые создают в гибком колесе бегущую волну деформирования.

Меняя соотношение между количеством трубок высокого давления в каждом ряду и количеством и расположением отверстий на вращающейся тонкостенной оболочке под каналы для наддува и слива, и делая это одновременно для всех рядов трубок (количество рядов трубок равно количеству штуцеров, и, соответственно, равно количеству пар радиальных поршней-толкателей, вступающих поочередно в контакт с гибким колесом), можно добиться разного соотношения между угловой скоростью вращающейся части пневмогидрораспределителя и угловой скоростью вращения подвижной волны деформирования гибкого колеса. Этим качеством не обладает ни один из известных до настоящего времени пневмогидрораспределителей.

Например, если в каждом ряду равномерно расположены 3 трубки высокого давления, то угловая скорость подвижной волны деформирования гибкого колеса будет в 1,5 раза выше угловой скорости вращения пневмогидрораспределителя. Если в каждом ряду равномерно расположены 5 трубок высокого давления, то угловая скорость подвижной волны деформирования гибкого колеса будет в 2,5 раза выше угловой скорости вращения пневмогидрораспределителя. Если 7 трубок - то в 3,5 раза и т.д. Разумеется, что количество трубок в одном ряду должно согласованно меняться соответственно с количеством отверстий во внешнем цилиндре 3. Таким образом, при той же скорости вращения подвижной части пневмогидрораспределителя можно существенно снизить кинетический момент его подвижной части, то есть существенно снизить инерцию хода.

Тем самым достигается кратное увеличение угловой скорости волны деформирования по сравнению с угловой скоростью вращения пневмогидрораспределителя.

По шлангам через отверстия 4 рабочее вещество может двигаться в обоих направлениях, обеспечивая тем самым наддув и слив рабочего вещества. При наддуве рабочего вещества в полости поршневых групп происходит деформирование гибкого колеса в точках его контакта с работающими поршнями-толкателями. В равновесной модели ВШД шланги разделяют поток рабочего вещества на две равные части для того, чтобы организовать двухволновое зацепление. Таким образом, для такого зацепления из одного отверстия распределителя давление поступает одновременно к двум радиально противоположно расположенным отверстиям ВШД. Аналогично производится и слив рабочего вещества.

Соединение выхода распределителя со входом ВШД может быть и иным - последовательным. В этом случае выходы крепятся не к противоположным отверстиям, а к подряд идущим и волновое зацепление будет одноволновым. При необходимости можно организовать и другое многоволновое зацепление.

Под рабочей поверхностью (фиг.2) тонкостенной оболочки 2 (фиг.3) распределителя понимается часть ее развертки в виде прямоугольной области высотой l и шириной 2nR, где R - внешний радиус оболочки 2.

По высоте рабочая поверхность разделяется на k рядов. Каждый ряд представляет собой полосу, в которой чередуются отверстия круглого сечения (для подачи высокого давления из трубки 1 по ответвлениям 7 в ВШД) и отверстия прямоугольного со скругленными сторонами сечения (для спуска давления из ВШД). Значение k в рассматриваемой модели должно быть равно числу поршневых пар отверстий в пневмогидрораспределителе ВШД.

Дополнительно введем следующие характеристики рабочей поверхности:

h - ширина прямоугольной части отверстий для слива;

r - радиус отверстия для нагнетания;

α - угол смещения рядов относительно друг друга;

а - расстояние между отверстием для слива и отверстием для нагнетания;

b - расстояние между рядами отверстий;

с - расстояние между отверстиями для нагнетания в соседних рядах.

Ряды смещены друг относительно друга на угол

При проектировании конструкции распределителя предполагается, что отверстия для спуска и нагнетания расположены регулярно. Иначе деформирование гибкого колеса будет несимметричным, без образования подвижной волны деформирования.

В настоящее время разработан и изготовлен рабочий макет ВШД и проводятся его испытания.

Список литературы

1. Патент РФ №2075670 «Планетарный редуктор». Автор: Клеников С.С. Зарегистрировано в Роспатенте 20.03.1997.

2. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2010616381 «Программа расчета волновой передачи с круговой формой зубьев и упругими звеньями в виде кольцевых пружинных пакетов». Автор: Майков А.И. Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 24 сентября 2010.

3. Патент RU 2330196 С1, «Плунжерный газогидродвигатель», опубл. 27.07.2008. Автор: Каракулов М.Н. и др.

Изобретение относится к машиностроению и может найти применение в приводах мотор-колес, манипуляторов, в составе приводов авиационной и космической техники, запорной арматуры и др., а также может быть использовано для преобразования энергии сжатого газа или жидкости во вращательное движение выходного вала. Волновой шаговый двигатель содержит неподвижное гибкое колесо, вращающееся жесткое колесо и деформатор с пневмогидрораспределителем. Пневмогидрораспределитель выполнен в виде неподвижного внешнего толстостенного цилиндра (3) с каналами (5) и внутренней вращающейся части из соосной трубки (1) высокого давления с радиальными трубчатыми ответвлениями (7), жестко соединенными через свои внешние концевые отверстия со средней соосной тонкостенной цилиндрической оболочкой (2), имеющей отверстия для слива отработанного рабочего вещества в ее полость низкого давления. Количество радиальных трубчатых ответвлений и отверстий для слива выбирается и они располагаются таким образом, чтобы за один оборот тонкостенной оболочки проходила многократная поочередная коммутация отверстий на внешней поверхности этой оболочки с отверстиями (4) на внешнем толстостенном цилиндре. Изобретение позволяет кратно (в 1,5; 2,5; 3,5; 7 раз и более) увеличивать угловую скорость вращения бегущей волны деформирования гибкого колеса и жесткого колеса с выходным валом. 3 ил.

Волновой шаговый двигатель, состоящий из волнового зацепления неподвижного гибкого колеса и вращающегося жесткого колеса с выходным валом и деформатора с пневмогидрораспределителем, отличающийся тем, что пневмогидрораспределитель выполнен в виде неподвижного внешнего толстостенного цилиндра с каналами под штуцеры шлангового соединения для подачи в них и слива обратно рабочего вещества и внутренней вращающейся части из соосной трубки высокого давления малого диаметра, выполненной как одно целое с радиальными трубчатыми ответвлениями, жестко соединенными через свои внешние концевые отверстия со средней соосной тонкостенной цилиндрической оболочкой, имеющей отверстия для слива отработанного рабочего вещества в ее полость низкого давления, причем количество радиальных трубчатых ответвлений и отверстий для слива выбирается, и они располагаются таким образом, чтобы за один оборот тонкостенной оболочки проходила многократная поочередная коммутация отверстий на внешней поверхности этой оболочки с отверстиями на внешнем толстостенном цилиндре, что позволяет кратно (в 1,5; 2,5; 3,5; 7 раз и более) увеличивать угловую скорость вращения бегущей волны деформирования гибкого колеса, а через волновое зацепление, с учетом передаточного отношения, и жесткого колеса с выходным валом, в сравнении с угловой скоростью вращающейся части пневмогидрораспределителя.