Описание изобретения

Волновой двигатель внутреннего сгорания (ВДВС) относится к области машиностроения. Изобретение может найти применение в приводах самых разных систем наземного, надводного, подводного и воздушного транспорта, а также в приводах различных силовых установок. ВДВС преобразует энергию импульсно сгораемого топлива и энергию находящегося под давлением воздуха в механическую энергию выходного вала.

Выполняя те же функции традиционных двигателей внутреннего сгорания (всех, как карбюраторных и инжекторных, так и дизельных) ВДВС отличается тем, что в нем для преобразования тепловой энергии и энергии сжатого воздуха в механическую энергию выходного вала вместо рычажного кривошипно-ползунного механизма (прототип) используется существенно более сбалансированный волновой механизм в виде изобретенных двухволнового [4,7] или одноволнового шагового двигателя (ВШД) с зубьями волнового зацепления циклоидальной или круговой формы. Наиболее близким к предлагаемым двухволновому или одноволновому ВШД является плунжерный газогидродвигатель (аналог) («ПЛУНЖЕРНЫЙ ГАЗОГИДРОДВИГАТЕЛЬ», патент RU 2330196 С1, опубл. 27.07.2008/ Каракулов М.Н. и др.). Он содержит корпус, гибкое и жесткое колеса и генератор волн, который выполнен в виде плунжерного волнообразователя 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.

1

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) 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. Из-за высокой редукции волнового зацепления такой двигатель является существенно тихоходным, что делает не возможным его применение в ВДВС.

Основной 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 реверсивного вращения входного вала распределителя (пневмодеформатора). Данное свойство делает возможным и целесообразным применение предлагаемых одноволнового или двухволнового ВШД в ВДВС, что в совокупности с другими признаками новизны дает двигателю ряд преимуществ.

При том же крутящем моменте на выходном валу и при той же угловой скорости его вращения из-за существенного снижения уровня динамических нагрузок, резкого уменьшения (в разы) размеров поверхностей взаимно трущихся деталей и импульсного орошения водой камер сгорания ВДВС позволяет: - заметно снизить расход топлива и повысить КПД двигателя;

- существенно снизить массу и габариты двигателя;

- значительно расширить диапазон изменения скоростей реверсивного вращения выходного вала ВДВС, что исключает необходимость применения в приводах коробки скоростей;

- использовать для изготовления деталей ВДВС (кроме гибкого и жесткого колес) более дешевые материалы и более простые технологии;

- изготавливать все корпусные и неподвижные детали из менее прочных неметаллических материалов, например, из пластмасс или керамики;

2

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) - из-за резкого снижения размеров поверхностей взаимно трущихся деталей существенно снизить потребность в смазочных материалах.

ВДВС состоит: - из корпуса;

- из выходного вала соединенного с подвижным жестким колесом, либо непосредственно, либо через встроенный по планетарной схеме (с промежуточными колесами, вращающимися вокруг своих собственных неподвижных осей) зубчатый мультипликатор. Его подвижное внешнее колесо (корона) выполнено за одно целое с вращающимся жестким колесом. Встроенный мультипликатор позволяет дополнительно существенно расширить диапазон бесступенчатого изменения угловых скоростей реверсивного вращения выходного вала, который в данном случае является центральным колесом мультипликатора (солнцем) с жестко установленной на нём газовой турбиной, с её приводом от продуктов сгорания, или без неё;

- из пневмодеформатора с двумя соосными дисками, внешним неподвижным диском (закрепленным к корпусу ВДВС) и внутренним подвижным диском, вставленным в неподвижный диск с минимальным равномерным радиальным зазором, обеспечивающим ему беспрепятственное вращение от маломощного реверсивного электродвигателя управления;

- из неподвижного в окружном направлении гибкого колеса, которое выполнено либо в виде пружинного пакета [1,2,3] из нескольких соосных колец (внешним из которых является гибкий зубчатый венец), соединенных между собой жесткими перемычками, расположенными в шахматном порядке [1], либо в виде только одного зубчатого венца с вырезами для подвижных в радиальном направлении толкателей, либо в виде гибкой кольцевой пластины с зубчатым венцом у внешнего контура, закрепленной к неподвижному диску пневмодеформатора по внутреннему контуру (торцевая волновая передача [3]).

Для повышения мощности ВДВС и снижения возникающей в нем неуравновешенности динамических сил на подвижное жесткое колесо и вращающийся диск пневмодеформатора двигатель позволяет групповое з

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) (рядное) объединение в осевом направлении нескольких гибких колес. При этом рядно установленные независимо деформируемые гибкие колеса с одной волной деформирования каждого из них (для одноволнового ВШД) или с двумя волнами деформирования (для двухволнового ВШД) вступают в волновое зацепление с одним и тем же жестким колесом. Во всех случаях гибкое колесо (колеса) неподвижно закреплено (закреплены) на внешнем неподвижном диске пневмодеформатора. Причем волны зацепления двух смежных гибких колес должны быть развернуты относительно друг друга на 180градусов. Ширину зубчатого венца каждого гибкого колеса желательно подбирать из условия, чтобы общая длина и количество работающих зубьев жесткого колеса в противоположных волнах зацепления в каждый момент времени имели бы одинаковые значения. Такому условию для одноволнового ВШД удовлетворяет наиболее простой вариант из трех гибких колес. В случае использования ВШД с торцевой волновой передачей [3] гибкое колесо может быть выполнено либо в виде одной тонкой кольцевой пластины, либо в виде двух гибких кольцевых пластин, вступающих в двухстороннее волновое зацепление с одним и тем же жестким колесом с двух сторон. Жесткое колесо в этом случае имеет форму кольцевой пластины с двухсторонней нарезкой зубьев у внешнего контура. Её толщина в 3-5 раз больше толщины кольцевой пластины гибкого колеса.

Неподвижный внешний диск пневмодеформатора имеет в плоскости каждого гибкого колеса по М (М=8; 10; 12; 14; 16; 18; 20; 22; 24; 26; 28; 30; 32; 34; 36 и т.д.) радиальных каналов [7] для подвижных плунжеров- толкателей, с устроенными под ними малогабаритными слабо коническими охлаждаемыми камерами импульсного сгорания жидкого или газообразного топлива. При этом около каждого такого канала смежно устроены по несколько дополнительных радиальных каналов. Они служат для управления процессами импульсной подачи в камеры компонент топлива, его принудительного циклического зажигания и системы частичного охлаждения внутренних разогретых поверхностей камер импульсным орошением их

4

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) дозой воды через жиклеры-дозаторы в момент окончания там процесса сгорания рабочей смеси. В смежных каналах по их открытому контуру закреплены глухие пальчиковые мягкие оболочки, в которые последовательно из каналов вращающегося диска подаются импульсы высокого давления воздуха. Пальчиковые оболочки, расположенные в двух первых смежных каналах в ненагруженном состоянии касаются своей внешней глухой стороной (куполом) другие мягкие торовые оболочки (расположенные вокруг радиальных каналов для подвижных плунжеров). Во внутренние полости торовых оболочек непрерывно из внешних емкостей (баков) подается углеводородное или иное газообразное или жидкое топливо. При подаче импульсов давления воздуха во внутренние полости пальчиковых оболочек двух первых смежных каналов деформируясь они импульсно нагружают торовые оболочки из которых топливо через жиклеры- дозаторы поступает во внутренние полости камер сгорания под подвижные плунжеры-толкатели. При поступлении в камеры импульса воздуха из канала высокого давления подвижного диска топливо сгорает от цикличного принудительного импульсного зажигания, включаемого и выключаемого импульсами давления подаваемого в пальчиковые оболочки двух других смежных каналов. В этом случае в камерах под плунжерами возникают дополнительные импульсы более высокого давления. Они существенно увеличивают радиальные силы прижатия толкателей к гибкому колесу повышая, таким образом, крутящий момент в волновом зубчатом зацеплении а, следовательно, и на выходном валу ВДВС. В момент окончания процесса сгорания в камеру для орошения и частичного охлаждения ее внутренних поверхностей через жиклеры-дозаторы импульсно подается доза воды. Это приводит и к охлаждению стенок камеры и к дополнительному преобразованию тепловой энергии в механическую в виде снятия с разогретых поверхностей импульсов высокого давления водяного пара.

В подвижном диске пневмодеформатора содержится по N (N=3; 5; 7; 9; 11; 13; 15; 17; 19; 21; 23; 27; 29 и т. д. для одноволнового ВШД или N=6; 10;

5

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) 14; 18; 22; 26; 30; 34 и т.д. для двухволнового ВШД (при этом N Ф М и они не должны иметь общих множителей кроме одного множителя равного 2-м для двухволнового ВШД)) радиальных каналов в плоскости каждого гибкого колеса. Каналы служат для импульсной подачи высокого давления воздуха из подвижного диска в камеры под подвижные плунжеры-толкатели и в каналы управления процессами подачи топлива, зажигания и охлаждения внутренних полостей камер. Давление подается из общего центрального канала высокого давления, расположенного в полости входного вала. Между радиальными каналами высокого давления в подвижном диске в плоскости каждого гибкого колеса расположены по N межканальных объемных полостей низкого давления. Они имеют радиальные отверстия со стороны внешнего диаметра диска, с их симметричным расположением между концевыми отверстиями каналов высокого давления соответствующего ряда и служат для сброса в них из камер отработанных воздуха и продуктов сгорания. При этом все полости низкого давления всех рядов сообщаются между собой и имеют общий выход в центральный канал низкого давления. Число каналов в неподвижном и подвижном дисках М и N подбираются, а диаметры дисков и отверстий рассчитываются таким образом, чтобы одновременно в рабочем положении в одной волне зацепления каждого гибкого колеса находились от одной третьей до двух третей смежных плунжеров-толкателей одного ряда. Все остальные плунжеры-толкатели этого ряда к этому времени освобождаются от давления воздуха и продуктов сгорания. Такие условия обеспечивают для каждого из гибких колес одну волну зацепления, по форме близкую к зацеплению по дуге с постоянным радиусом, равным радиусу окружности впадин жесткого колеса. Тем самым создается практически самоуравновешенная система динамических радиальных сил на жесткое колесо и подвижный диск пневмодеформатора, освобождая их и подшипники качения входного и выходного валов от неуравновешенных нагрузок. При этом, также увеличивается величина б

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) предельного крутящего момента при котором происходит «проскок» зубьев волнового зацепления.

При вращении внутреннего диска через радиальные каналы из его входящего центрального канала высокое давление поочередно импульсно подается в камеры под подвижные плунжеры-толкатели, которые двигаясь, создают необходимую последовательность силовых радиальных импульсов на гибкое колесо (колеса). Тем самым в нем (них) создается подвижная волна деформирования, что приводит гибкое колесо (колеса) в волновое зацепление с жестким колесом. Угловая скорость волны деформирования гибкого колеса (колес) определяется соотношением: а) _в =а> _д * N, для одноволнового ВШД или ω _Β ⁼ ω _Λ * Ν / 2 для двухволнового ВШД [7], где:

со _в - угловая скорость волны деформирования гибкого колеса;

Го _д - угловая скорость внутреннего подвижного диска;

Ν - число радиальных каналов высокого давления в подвижном диске. Следует отметить, что использование зубьев циклоидальной или круговой формы существенно снижает величину передаточного отношения волнового зацепления(до тридцати единиц), что увеличивает угловую скорость вращения жесткого колеса, а следовательно и выходного вала.

В данном случае, в качестве первичного контура системы охлаждения камер сгорания ВДВС выступают расположенные в неподвижном диске окружные каналы подачи топлива (малый первичный контур охлаждения). В качестве основной системы охлаждения камер за их стенками устроены специальные окружные каналы для прокачки охлаждающей жидкости (вторичный контур охлаждения) из внешних баков. Для этих целей используются те же системы подачи, которые отработаны у двигателей внутреннего сгорания, с рычажными кривошипно-шатунными механизмами.

Список литературы

1. Патент РФ Ν°2075670 «Планетарный редуктор». Автор Клеников С. С. Зарегистрировано в Роспатенте 20.03.1997

7

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) 2. Разработка математической модели расчет» пружинного пакета волнового редуктора методом конечных элементов (МКЭ) - М.: Известия высших учебных заведений (вузов). Машиностроение., 2008, JVe 11 с. 25-30. Авторы Клеников С. С, Майков А.И.

3. Авторское свидетельство Ν» 1782089 «Волновая торцевая передача» Авторы Клеников С.С. и др. Зарегистрировано в Госкомизобретений 15.08.1992.

4. Патент RU Ν_>2456489 «Волновой шаговый двигатель с пневмогидродеформатором» Авторы Клеников С.С, Фомина Т.А. Зарегистрировано в Роспатенте 20.07.2012.

5. Патент RU 2330196 С1, «Плунжерный газогидро двигатель» опубл. 27.07.2008. Авторы Каракулов М.Н. и др.

6. Патент RU Ν°2278979 С1, «Плунжерный газогидравлический двигатель» опубл. 27.06.2006. Авторы Каракулов М.Н. и др.

7. Заявка «Волновой шаговый двигатель» RU JVb 2011 106591/06(009414) А от 24.02.2011

8

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)