РОТОР, ВКЛЮЧАЮЩИЙ ПОВЕРХНОСТЬ С ЭВОЛЬВЕНТНЫМ ПРОФИЛЕМ Российский патент 2017 года по МПК F16H1/24 

Родственные заявки

По настоящей заявке испрашивается приоритет по предварительной заявке на патент США, порядковый номер 61/477469, поданной 20 апреля 2011 г. и включенной в настоящее описание посредством ссылки.

Область техники

Настоящее изобретение относится к использованию эвольвентных профилей в устройствах преобразования энергии, а также в распределительных или делительных передачах.

Раскрытие изобретения

В нескольких вариантах осуществления раскрыто устройство, включающее первый ротор и второй ротор. В нескольких вариантах осуществления оси вращения первого и второго ротора отклонены от коллинеарности и пересекаются. Каждый ротор включает, по меньшей мере, один выступ, имеющий первую сторону и вторую сторону, причем первая сторона каждого выступа представляет собой изогнутую поверхность, образованную, по меньшей мере, одним сферическим эвольвентным профилем. Выступы первого ротора входят в зацепление с выступами второго ротора по периферии роторов. В одном из вариантов раскрытое устройство выполнено так, что первая сторона каждого выступа первого ротора контактирует с первой стороной соответственного выступа на втором роторе.

Устройство, раскрытое в настоящем документе, может, далее, содержать выточки в первых и/или вторых поверхностях выступов, чтобы обеспечить зазор относительно вершин выступов противолежащего ротора.

Раскрытое устройство может быть выполнено со второй стороной выступа, имеющей в поперечном сечении каплевидную/овальную форму. Каплевидную поверхность образуют, чтобы обеспечить надлежащий контакт с вершиной выступа противолежащего ротора в процессе вращения устройства. Устройство может также быть образовано так, что вторая сторона выступа имеет форму сжатой капли или отклоняющуюся от каплевидной.

Роторы устройства могут быть выполнены так, что и первые, и вторые стороны выступов включают эвольвентные профили.

Устройство может, далее, содержать корпус, оставляющий заданный зазор между наружным диаметром первого ротора и внутренним диаметром корпуса. Этот заданный зазор может также обеспечиваться между наружным диаметром второго ротора и внутренним диаметром корпуса. В устройстве может также использоваться меняющийся в процессе вращения зазор между первыми сторонами выступов первого ротора и первыми сторонами выступов второго ротора.

Для облегчения сборки и функционирования устройство может, далее, содержать кожух, охватывающий первый и второй роторы. Кожух в процессе вращения по существу контактирует с первым и вторым роторами по их наружным диаметрам. В процессе работы кожух вращается вместе с первым и вторым роторами, и кожух расположен внутри корпуса.

Устройство может, далее, содержать по существу сферический шар с центром в точке пересечения осей вращения первого и второго роторов. Между внутренней сферической поверхностью, по меньшей мере, одного ротора и наружным диаметром шара может обеспечиваться зазор.

Для использования в качестве компрессора или детандера устройство может включать поверхности с каналами, причем, по меньшей мере, один ротор содержит каналы впуска и/или выпуска текучей среды, которые проходят сквозь задний торец ротора.

Хотя раскрыты устройства с большим числом поверхностей и выступов, но раскрыт и один вариант осуществления, в котором количество сферических образованных эвольвентами поверхностей составляет одну на ротор.

Может быть образовано устройство, в котором сферические эвольвентные профили выступов на каждом роторе имеют спиралевидную форму, причем угловая протяженность такой поверхности вокруг ротора близка, равна или превосходит 360° и приводит к тому, что текучая среда действует в процессе вращения роторов по существу в осевом направлении. Раскрыт один вариант осуществления этого типа, в котором угловая протяженность эвольвентных профилей превосходит 360° вокруг оси ротора, а выступы образуют "гребни", весьма напоминающие бурав, причем обе стороны гребней включают эвольвентные поверхности и предназначены для вхождения в контакт с гребнями выступов сопряженного (противолежащего) ротора.

В одном из вариантов сформировано устройство, в котором сферические эвольвентные поверхности выступов включают спиральную трансформацию. В этом варианте осуществления эвольвентные профили на соответствующих сферических поверхностях, образующих поверхности выступов, выступают наружу от общего центра и позиционируются вокруг оси ротора со смещением в осевом направлении. В этом варианте каждая сферическая эвольвента на каждой соответствующей сферической поверхности может быть повернута вокруг оси ротора на заранее заданный угол поворота.

Также в настоящем документе раскрыта коническая зубчатая передача, включающая первый зубчатый ротор и противолежащий зубчатый ротор. И первый зубчатый ротор, и второй зубчатый ротор содержат множество зубьев. В одном из вариантов каждый зубчатый ротор равные числа зубьев на каждом зубчатом роторе. В одном из вариантов осуществления один или более зубьев первого ротора контактируют с зубьями противолежащего ротора с передачей силы, с тем, чтобы передать крутящий момент от первого зубчатого ротора к противолежащему зубчатому ротору, причем отдельные зубья первого ротора контактируют с зубьями противолежащего ротора, или располагаются с заданным зазором относительно них, или зацепляются за них с натягом, чтобы обеспечить устранение люфта, при этом устранение люфта и передача крутящего момента не происходят на одном и том же зубе каждого ротора. Этот вариант осуществления может быть использован в машине, включающей первый вращающийся элемент и второй вращающийся элемент. Коническая зубчатая передача может быть использована как распределительная передача между первым вращающимся элементом и вторым вращающимся элементом. Может быть образована коническая зубчатая передача, в которой зубья шестерен образованы посредством спиральной трансформации.

Краткое описание графических материалов

ФИГ. 1 представляет один вариант построения эвольвентного профиля на поверхности сферы.

ФИГ. 2 представляет один вариант поверхности, определенный (образованный) рядом эвольвентных профилей, идущих от наружной поверхности базовой сферы к центру сферы.

ФИГ. 3 показывает один вариант геометрической системы координат для математического описания сферического эвольвентного профиля.

ФИГ. 4-6 представляют варианты поверхностей, определенных рядом вытянутых эвольвентных профилей.

ФИГ. 7 показывает один вариант осуществления детандера в положении максимального объема между роторами.

ФИГ. 8 показывает вид с местным разрезом детандера ФИГ. 7 внутри кожуха.

ФИГ. 9 показывает один вариант осуществления нескольких роторов насоса.

ФИГ. 10 показывает роторы ФИГ. 9 в положении минимального объема.

ФИГ. 11 показывает роторы ФИГ. 9 в положении максимального объема.

ФИГ. 12 показывает один вариант осуществления эвольвентного компрессора с одним выступом, с использованием двух пар роторов в корпусе.

ФИГ. 13 показывает один вариант осуществления эвольвентного компрессора с одним выступом в положении максимального объема.

ФИГ. 14 показывает один вариант осуществления эвольвентного компрессора с одним выступом вблизи положения максимального объема.

ФИГ. 15 показывает один вариант осуществления эвольвентного компрессора с одним выступом ФИГ. 14 под другим углом зрения.

ФИГ. 16 показывает один вариант осуществления эвольвентного компрессора с одним выступом вблизи положения минимального объема.

ФИГ. 17 показывает один вариант осуществления эвольвентного компрессора с одним выступом существенно в положении минимального объема.

ФИГ. 18 показывает один вариант осуществления эвольвентного компрессора с одним выступом вблизи положения минимального объема.

ФИГ. 19A-19 В показывают один вариант осуществления каплевидного ротора с одним спиральным эвольвентным выступом.

ФИГ. 20 показывает поверхности одного варианта осуществления шестизубого эвольвентного зубчатого узла ротора с овальным проемом.

ФИГ. 22 показывает поверхности одного варианта осуществления двенадцатизубого эвольвентного зубчатого узла ротора с овальным проемом.

ФИГ. 22B показывает деталь «B» ФИГ. 22.

ФИГ. 23 показывает поверхности зацепления одного варианта осуществления распределительных шестерен, который может быть спроектирован для минимального люфта.

ФИГ. 24 показывает поверхности зацепления варианта осуществления распределительных шестерен с двенадцатью выступами, который может быть спроектирован для минимального люфта.

ФИГ. 24B показывает вид сбоку варианта осуществления ФИГ. 24.

ФИГ. 25 показывает поверхности варианта осуществления с четырьмя выступами.

ФИГ. 25B показывает вид сбоку варианта осуществления ФИГ. 25.

ФИГ. 26 показывает вариант осуществления с десятью выступами и 12° коническими шестернями.

ФИГ. 27 показывает поверхности зацепления варианта осуществления с одиннадцатью выступами и 10° эвольвентными шестернями.

ФИГ. 28 показывает вариант осуществления с двенадцатью выступами.

ФИГ. 29 показывает поверхности варианта осуществления с шестью выступами, причем с более широкими выступами, чем те, что показаны в других вариантах осуществления.

ФИГ. 30 и 31 показывают вариант осуществления двух роторов со сферическими эвольвентными вытянутыми спирально трансформированными поверхностями, находящимися в контакте.

ФИГ. 32 показывает традиционные ротор и вал.

ФИГ. 33 показывает деталь поперечного сечения части ротора.

Осуществление изобретения

Когда прямая обкатывает неподвижную окружность, точка на прямой описывает кривую, называемую эвольвентой (окружности). Когда окружность катится по неподвижной прямой, точка, лежащая на окружности, описывает кривую, называемую циклоидой. Когда окружность катится по другой окружности, точка на катящейся окружности описывает кривую, называемую эпициклоидой (если катящаяся окружность катится снаружи неподвижной окружности) или гипоциклоидой (если катящаяся окружность катится внутри неподвижной окружности). Во всех этих случаях катящихся окружностей точки, не лежащие на окружности, описывают кривые, называемые трохоидами.

Все кривые, описанные выше, предполагают прямые и окружности на плоскости. Однако те же описания приложимы и для сферической поверхности. Кривые на сфере, соответствующие прямым, представляют собой окружности большого круга (окружности, которые делят сферу на две равные части), так как окружности большого круга обладают такой же симметрией на сферической поверхности, как прямые на плоскости. На сферической поверхности "прямые" линии - также окружности. Окружность на сферической поверхности образует конус с вершиной в центре сферы; в случае окружности большого круга этот конус превращается в плоский диск. Эти конусы и диски могут быть использованы для рассмотрения качения окружностей по окружностям на сферической поверхности.

Эвольвентная форма имеет много преимуществ, включая хорошую аппроксимацию контакта качения при соприкосновении двух синхронно вращающихся эвольвент, когда центральные оси базовых конусов эвольвент отклонены от коллинеарности. В настоящем описании эвольвентный профиль определяется как кривая, которую описывает свободный конец нити при таком наматывании нити на другую кривую, эволюту, что нормали к нити являются касательными к эволюте.

В настоящем описании представлено несколько примеров использования эвольвент в устройствах преобразования энергии, а также использования сферических эвольвентных профилей в распределительных передачах для роторов с осями, которые отклоняются от коллинеарности, или, скорее, в таких делительных устройствах, как, например, раскрытое в патентной заявке порядковый номер 12/560674 ('674), включенной в настоящее описание посредством ссылки. Далее, могут также быть созданы машины для преобразования энергии, в которых весь набор первично контактирующих поверхностей полностью образован из сферических эвольвентных профилей, оси которых отклоняются от коллинеарности и пересекаются приблизительно так, как показано на ФИГ. 4-6. На этих конкретных изображениях не везде показаны соответствующий внешний "кожух", равно как и соответствующий внутренний шар с зазором или контактными уплотнениями. В патентной заявке США 13/162436 ('436), включенной в настоящее описание посредством ссылки, раскрыты некоторые детали подобных кожухов. Однако если синхронно вращать два ротора, ограниченных поверхностями сферических эвольвентных профилей, то текучая среда будет, в общем случае, подаваться в осевом направлении 56 роторов, как в винтовом компрессоре. Раскрыто также устройство преобразования энергии с зубчатым выступом, в котором создают каплевидную форму, используя плоскость раздвоения роторов как места надрезов; очень похожий выступ в устройстве преобразования энергии показан в патенте 6036463 ('463), также включенном в настоящее описание посредством ссылки. Термин "каплевидный" понимается в настоящем документе как часть профиля, образованного радиально наружным краем каплевидной формы, разделенной пополам плоскостью, проходящей через длинную ось капли. Капля лежит на поверхности сферической плоскости. Однако если воспользоваться в качестве иллюстрации ФИГ. 7A из патента '463, здесь представленной как ФИГ. 32, поверхность, подобная поверхности РА26, может быть образована с использованием нового способа, который улучшает контакт и передачу нагрузки. В известном способе поверхность РА26 образовывали соединением кромки вершин РА27 выступа с кромкой основания РА29 выступа. В усовершенствованном способе поверхность образована соединением кромки вершин РА27 выступа с кромкой основания РА29 выступа поверхностью со сферическим эвольвентным профилем. Эту поверхность со сферическим эвольвентным профилем создают из нескольких сферических эвольвентных профилей. Воспользуемся ФИГ. 2 настоящего описания в качестве примера; первый сферический эвольвентный профиль 58 лежит на наружной сферической поверхности, соответствующей наружному диаметру ротора. Вторая сферическая эвольвента 60 лежит на сферической поверхности, соответствующей внутреннему шару 88, или полому центру ротора, как показано на ФИГ. 9. Первая 58 и вторая 60 эвольвента необязательно должны быть радиальными проекциями друг друга, так, они могут иметь, например, различный наклон. Первая 58 и вторая 60 эвольвенты могут быть соединены в одном варианте осуществления соединительной поверхностью 33. Эта соединительная поверхность 33 в одном из вариантов может пониматься как состоящая из бесконечного числа эвольвентных профилей, лежащих на бесконечном числе концентрических сферических поверхностей, причем параметры, описывающие каждую из бесконечного числа этих сферических эвольвент, некоторым образом плавно меняются от наружного профиля 58 к внутреннему профилю 60. Сопряженный ротор в одном из вариантов также может включать аналогично плавно меняющиеся поверхности, так что поверхности эвольвентного профиля первого ротора входят в зацепление с поверхностями эвольвентного профиля сопряженного ротора.

Может быть также использована спиральная трансформация, так что каждый из этого бесконечного числа эвольвентных профилей может быть плавно сопряжен с отрезком касательной, как показано в вариантах осуществления ФИГ. 30 и 31, для создания спиральной эвольвентной поверхности 114 на каждом роторе 116/118. Преимущества спиральной эвольвентной геометрии аналогичны преимуществам спиральнозубой конической передачи, именно: снижение шума машины и увеличение коэффициента перекрытия и прочности. Раскрыто также создание спирального сферического эвольвентного ротора, содержащего более одного полного оборота спирали; такой ротор может быть использован для создания устройства (насоса, компрессора или двигателя) с усовершенствованной характеристикой радиального потока, в котором объемы текучей среды могут быть уловлены спиральными камерами, в результате чего возникает устройство с радиальным потоком, то есть поток текучей среды может начинаться от входа на наружном диаметре роторов 116/118, улавливаться (сжиматься/расширяться) роторами при их вращении и направляться радиально к центру роторов через спиральные объемы 120. При изменении направления спирали (формы роторов) или изменении направления вращения роторов может также происходить движение потока в обратном направлении.

Частной формой эвольвентного профиля является сферическая эвольвента 20, которая может пониматься как набор точек, через которые проходит конец струны при разматывании струны с окружности на поверхности сферы, сохраняющем струну натянутой, причем окружность начерчена на поверхности сферы. Это понимание иллюстрирует ФИГ. 1, на которой точка 32 представляет собой конец струны 22, а точки на сферическом эвольвентном профиле 28 образованы натянутой струной 22 на разных стадиях разматывания. В одной из конфигураций струна 22 образует точку 24 касания с базовой окружностью 26. В одном из вариантов струна 22 - не прямая линия, а окружность большого круга (окружность с центром в центре 34 сферы). ФИГ. 2 со сферическим эвольвентным профилем 28 иллюстрирует возможное построение распределительной передачи типа конической зубчатой передачи, которая может быть использован в устройстве преобразования энергии со сквозной конструкцией вала для роторов, отклоняющихся от коллинеарности.

Один из способов вывести математическую формулу сферической эвольвентной формы состоит в использовании ряда поворотов вектора вокруг общего центра. ФИГ. 3 иллюстрирует этот математический вывод в предположении, что разматывание разматываемой "струны" начинается в точке Co в направлении x-оси и идет против часовой стрелки или, иначе говоря, в положительном направлении вращения вокруг z-оси по правилу правой руки. Пусть "t" - угловая координата точки C касания, лежащей на базовой окружности. Эта точка касания обходит базовую окружность против часовой стрелки, в то время как точка P струны GC удаляется от базовой окружности. Длина дуги окружности большого круга, "GC", равная длине дуги базовой окружности между точками Co и C, обозначена как S. Используя параметры базовой окружности 26, получим длину дуги S=rt, где r - радиус базовой окружности 26, а t - угловая координата точки касания, показанные на ФИГ. 3. Половинный угол базового конуса, обозначенный "g", показан на ФИГ. 3; на ней правый треугольник OVC дает g=asin(r/R), что может быть записано как r=Rsin(g) или r/R=sin(g), где R - радиус сферической поверхности эвольвенты. Для сферического треугольника PCO, мы можем записать соотношение S=RB, то есть угол B, умноженный на радиус R, дает длину дуги S. Из S=rt и S=RB получаем rt=RB или r/R=B/t. В одном из вариантов осуществления угол B для удобства выражен через g. Чтобы сделать это, подставим r/R=B/t в g=asin(r/R), тогда В=tsin(g). Ряд поворотов вектора в декартовых координатах x y z вокруг общего центра O, показанный на ФИГ. 3, может теперь быть преобразован в ряд шагов. Первый: поворачиваем вектор V=[0, 0, R] на +B вокруг x-оси, пользуясь правилом правой руки.

Второй: поворачиваем полученный вектор на +g вокруг y-оси. Третий: поворачиваем этот второй полученный вектор на угол "t" вокруг z-оси. Ниже дан ряд матриц поворотов и результирующее параметрическое уравнение сферической эвольвенты в декартовых координатах:

Здесь g=asin(r/R), r - радиус базовой окружности 26 на ФИГ. 3 и R - радиус сферической поверхности 30, на которой лежит сферическая эвольвента.

В одном из вариантов сферический эвольвентный профиь может проходить через две опорные точки на сферической поверхности радиуса R. Надо просто осуществить вокруг z-оси любой требуемый поворот сферического эвольвентного профиля, чтобы соответственно ее расположить. Радиус базовой окружности может быть отрегулирован для управления "наклоном" или коэффициентом удлинения эвольвентного профиля. Угловая координата "t" управляет начальной и конечной точками эвольвенты. Для точного управления конечными точками эвольвентного профиля может быть выбран диапазон значений t. Для точек, которые могут быть соединены сферической эвольвентой, имеются ограничения. Так, например, конечные точки P эвольвентного профиля не могут лежать вне двух базовых окружностей, начерченных на сферической поверхности, причем центры этих базовых окружностей лежат на z-оси и они зеркально симметричны относительно плоскости x-y. Но некоторые точки из тех, что лежат между этими базовыми окружностями, могут быть соединены сферическим эвольвентным профилем. Можно также удовлетворить любым условиям к касательным в обеих точках. Например, обращаясь к ФИГ. 32, для создания эвольвентного профиля поверхности выступа вместо показанного выступа, первая точка может быть определена как место, где кромка РА27 одним концом пересекает сферическую поверхность, и эвольвентный профиль может быть построен так, чтобы он проходил также через точку, в которой и основание РА29 пересекает эту сферическую поверхность. После этого можно отбросить остальную часть эвольвентного профиля, используя только сегмент, который соединяет эти две точки. Можно также удовлетворить условиям касания, по которым эвольвентный профиль плавно переходит в краевые кривые вершины выступа или плавно переходит в основание между двух выступов.

Было обнаружено, что использование сферической эвольвенты позволяет намного улучшить передачу нагрузки между роторами благодаря усовершенствованному контакту качения между эвольвентными поверхностями. В примере ФИГ. 4 роторы показаны соприкасающимися в точках 160, 162, 164 и 166 контакта. На ФИГ. 5 и 6 роторы контактируют в точках 168, 170 и 172. В варианте осуществления на ФИГ. 7 каплевидные поверхности 174 и 176 выступов 178 и 180, соответственно, показаны соприкасающимися в точке 182. В этом варианте осуществления точка 182 представляет собой точку скользящего или фрикционного контакта, а не точку контакта качения при вращении роторов вокруг их осей. В варианте осуществления на ФИГ. 10 поверхности 184 и 186 эвольвентного профиля выступов 188 и 190, соответственно, находятся в контакте качения в точке 192 при вращении роторов вокруг их осей. Выступы могут быть спроектированы так, что несколько выступов могут контактировать эвольвентой по эвольвенте (как показано на ФИГ. 10), что еще больше повышает способность выдерживать нагрузку. Добавив спиральную трансформацию, можно дополнительно увеличить число контактирующих выступов.

ФИГ. 7 и 8 иллюстрируют использование эвольвентных поверхностей 194, 196, чередующихся с каплевидными поверхностями 174, 176, в зубчатой конструкции 36, используемой в данном случае как газовый детандер с задним окном 38 и кожухом 40, содержащим в этом варианте осуществления первую секцию 42 и вторую секцию 44, разделенные щелью 46. Диаметры базовых окружностей эвольвент подогнаны для получения сферических эвольвент, которые точно сопрягаются с вершинами обоих выступов 48, 50, представляющих собой в этом варианте осуществления конические «кроличьи уши», а также точно сопрягаются с основаниями выступов.

ФИГ. 9-11 иллюстрируют применение эвольвентных профилей в роторах 52/54 с чередующимися формами, подобными каплевидной, для использования с кожухом (не показан) и задней перфорацией сквозь поверхности, определяющей каналы 198 в одном из вариантов осуществления насоса. На ФИГ. 11 также показаны круговые лыски 90, сделанные на шаре 88 для облегчения сборки роторов, охватывающих шар. При наличии таких лысок или выточек, не требуется "защелкивать" роторы 52, 54 на шаре 88, и не обязательно иметь специальные съемные муфты для компенсации нестыковки при сборке консольных частей. Хотя показаны круговые лыски, стопоры не обязательно должны быть выполнены круговыми - и не обязательно должны быть плоскими. Стопоры обеспечивают место для роторов, которые благодаря этому проходят так, что центральная сферическая поверхность одного ротора контактирует с шаром 88, а противолежащий ротор образует заранее заданный зазор или снабжен жестким уплотнением относительно шара 88. На этих ФИГ. показано, что могут быть уплотнения промежутков, образованные в положениях минимального объема промежутков между двумя эвольвентами (которые могут также быть спроектированы контактирующими, если это желательно, как опция для передачи крутящего момента), и уплотнения промежутков у вершин 92 выступов в положениях максимального объема, как показано на ФИГ. 11. В этом частном варианте осуществления вершины 200 выступов сформированы не круговыми или коническими, а, скорее, плоскими или очень тонкими овальными, вследствие чего уплотняемый зазор - длинный и тонкий, что обеспечивает лучшее уплотнение выступов, так как падение давления в длинном тонком зазоре больше, чем в более коротком зазоре между выступами конического типа. Не требуется промежуточного уплотнения выступов между уплотнениями минимального и максимального объема, следовательно, требуются, скорее, "выточки" 202, которые показаны, чем каплевидный профиль, показанный на ФИГ. 7. Этот вариант осуществления может быть применен, когда внутреннее сжатие не нужно. Поскольку жидкость относительно несжимаема, устройство с внутренним сжатием не будет работать штатно при прокачке, например, масла или воды. На ФИГ. 33 показан один пример такой выточки 202.

ФИГ. 12-18 иллюстрируют пример устройства 96 с одним сферическим эвольвентным выступом, которое может быть использовано для преобразования энергии. Этот вариант осуществления в одной из форм может иметь заднюю перфорацию сквозь поверхности каналами 204. В одном из вариантов может быть применен кожух 94. Этот вариант осуществления полезен и имеет преимущества, например, почти нулевой объем рециркуляции (или промежутка) в точке минимального объема, как показано на ФИГ. 17, дающий чрезвычайно высокий коэффициент сжатия, если это желательно. ФИГ. 13 показывает положение максимального объема в процессе вращения, а ФИГ. 14, 15, и 18 показывают положения промежуточного объема в процессе вращения. Роторы 98/100 в этом варианте осуществления не обязательно вращательно уравновешены, но легко могут быть уравновешены посредством соответствующего съема материала роторов по наружному диаметру 106.

В этом варианте осуществления показаны две пары роторов 98/100 и 102/104, закрепленные на одном валу 108 внутри корпуса 110, который может содержать шаровую часть 206, аналогичную раскрытой ранее. Наборы подшипников 112 могут использоваться для надлежащей центровки вала и для снижения трения между валом и корпусом.

Как показано, имеется точка 224 по существу контакта качения осевых поверхностей роторов и точка 226 по существу контакта скольжения, когда радиальные поверхности роторов контактируют, как показано, например, на ФИГ. 18.

На ФИГ. 13-18 показан узел ротора, включающий первый ротор 98 и второй ротор 100. Первый ротор имеет первую ось вращения вокруг вала 108 и сферический профиль контакта, расположенный на сферической поверхности, где профиль контакта первого ротора определяется несколькими точками. С каждой точкой связан производный вектор положения, указывающий направление касательной к профилю зацепления первого ротора. Вектор относительного движения в каждой точке профиля зацепления первого ротора определяется как вектор движения каждой точки профиля зацепления первого ротора, замеренный в координатной системе, жестко связанной со вторым ротором 100, причем векторы относительного движения зависят от относительных положений при вращении первого ротора относительно второго ротора.

Второй ротор имеет центральную ось вращения вокруг вала 108, которая отклоняется от коллинеарности с осью первого ротора. Второй ротор вращается с заданной скоростью вращения относительно первого ротора. Далее, второй ротор содержит вторую поверхность контакта со вторым набором сферических профилей контакта, расположенных на сферических поверхностях второго ротора, причем несколько точек, образующих профиль зацепления второго ротора, замеряются в координатной системе, жестко связанной со вторым ротором. Каждая точка из этих нескольких точек соответствует определенному положению вращения двух роторов. Каждая точка геометрического места точек, где один из производных векторов положения профиля первого ротора коллинеарен с одним из векторов относительного движения профиля первого ротора, причем профили первого и второго роторов лежат на сферических поверхностях равных диаметров и, далее, координаты производных векторов положения и векторов относительного движения - одни и те же, определяет опорную точку, а геометрическое место этих точек на любой данной сферической поверхности определяет профили контакта второго ротора на сферической поверхности, общей для двух роторов. Это построение определяет каплевидную поверхность 244 на каждом роторе так, что контакт между роторами по каплевидной поверхности дает существенно нулевой зазор в варианте осуществления этих ФИГ. с одним выступом. В этом варианте осуществления поверхность 246 эвольвентного профиля соединяет основание 248 каплевидной поверхности 244 выступа с вершиной 226 выступа.

Проще говоря, в одном из вариантов осуществления, когда конец одного ротора вращается вокруг оси, которая отклоняется от коллинеарности с осью противолежащего ротора, вершины выступов первого ротора в случае ФИГ. 13-18 вычерчивают каплевидную форму в противолежащем роторе, однако в зависимости от расположения вершины выступа и формы вершин выступов, вычерчиваемая форма может быть не каплевидной, а, скорее, более овальной - или иной формой, полученной расчетными способами, раскрытыми в предшествующих разделах.

К поверхностям может быть применена спиральная трансформация для создания устройства с радиальным потоком, например, устройства, показанного на ФИГ. 19 и 19B. В этом варианте осуществления роторы 228, 230 вращаются вокруг осей 232, 234, соответственно, причем оси не коллинеарны и не компланарны, а просто пересекаются в точке 236. Как и в предшествующем варианте осуществления, роторы контактируют в движущихся точках 240 и 242, причем контакт в точке 240 представляет собой по существу фрикционный контакт, а контакт в точке 242 представляет собой по существу контакт качения.

Показаны сдвиг поверхностей от плоскости раздвоения и сферическая эвольвента, применяемая в таком сочетании с овальными поверхностями, что половина выступов теперь эвольвентные, а вершины выступов образованы на базе очень тонких овалов. Тонкие длинные овальные вершины позволяют создать более толстый выступ, увеличив прочность. ФИГ. 20, 21 и 22 показывают выступы, имеющие плоские овальные кроличьи уши. Такая конструкция плоских кроличьих ушей дает относительно толстые выступы.

Поверхности 208, 210, показанные на ФИГ. 20, могут быть использованы в компрессоре, детандере или иных устройствах преобразования энергии, с кожухом или без кожуха, и могут также иметь заднюю перфорацию выступов. Однако эти поверхности могут также быть использованы для формообразования в распределительных передачах или "делительных устройствах" с управляемым люфтом. Так, например, вариант осуществления, показанный на ФИГ. 20, может быть, в частности, использован для непосредственной замены делительных устройств, показанных в патентной заявке '674 на ФИГ. 13, позиции 132 и 158, поскольку в одной из форм показанный вариант осуществления работает при соотношении скоростей 1:1. К конструкции, показанной на ФИГ. 20, можно применить дополнительную спиральную трансформацию, очень похожую на представленную в патентной заявке '674 на ФИГ. 68A-68C, для повышения плавности рабочего хода. Заметим, что такое делительное устройство, как это, может служить и двум целям, например, поскольку оно будет, вероятно, работать с масляной смазкой, оно может также служить масляным насосом - или вторичным устройством преобразования энергии.

В зубчатых передачах, когда направлении нагрузки ведущей шестерни меняется на обратное, люфт часто описывается как зазор, существующий между двумя наборами зубьев шестерен, который приходится выбирать, перед тем как сила от реверсированной ведущей шестерни будет передана на ведомую шестерню. Его также называют мертвым или свободным ходом. Для распределительных передач в машинах, которые требуют очень точных перемещений, важно, чтобы люфт был минимальным. Люфт может быть создан в специальном зазоре - или могут использоваться разъемные шестерни с пружинами; нулевой люфт может также быть достигнут с помощью предварительной нагрузки.

На ФИГ. 23 и 24 показаны распределительные шестерни 62/64, которые могут быть спроектированы для минимального люфта. Эти шестерни спроектированы не для того, чтобы выдерживать значительные осевые нагрузки, а, скорее, для передачи крутящего момента. На этих двух ФИГ. распределительные шестерни 62/64 имеют различные делительные диаметры 70/72, однако число зубьев 66/68 на этих шестернях, вопреки интуитивным представлениям, одинаковое. С помощью таких делительных шестерен, имеющих одинаковое число зубьев, может быть изготовлено устройство преобразования энергии с соотношением скоростей 1:1. В делительных устройствах преобразователей энергии, требующих несимметричного соотношения скоростей, например, в делительных устройствах, представленных в патентной заявке '674 на ФИГ. 68A-68D, могут быть использованы неравные количества зубьев шестерен для получения требуемого отношения скоростей. Делительные устройства (распределительные передачи), в которых использованы сферические эвольвентные профили, могут работать при равных или неравных скоростях вращения валов 74/76. В делительных устройствах может быть управление люфтом или его может не быть. Для этих устройств преобразования энергии постоянное управление люфтом может быть не обязательным, поскольку часто крутящий момент достаточно высок в одном направлении, так что давление текучей среды способно поддерживать постоянные зазоры 78 между роторами. Или, вообще говоря, можно представить себе ситуацию, когда крутящий момент на конце ведущего вала достаточно высок, чтобы в положении минимального зазора эвольвентные распределительные шестерни сохраняли контакт с шестерней сцепления. В другом варианте осуществления контакт может быть сделан существенно постоянным, чтобы не создавать проблем в эксплуатации.

Люфт обычно ограничивают, используя один зуб, который достаточно широк, чтобы обе стороны этого зуба с малым зазором входили в противоположную шестерню или контактировали с ней. В варианте осуществления ФИГ. 24 люфт фактически устранен для нескольких зубьев или, скорее, контакт, передающий крутящий момент, происходит в точке(точках) 212, на расстоянии 1 или 2 зубьев от точки(точек) 214 устранения люфта, когда поверхности 256 и 258 ротора движутся в направлении вращения 250 вокруг осей 252 и 254. Зубья, выполненные для устранение люфта в точках 214, регулируют или ограничивают поворот поверхности 256 ротора относительно поверхности 258 ротора в направлении, обратном тому, которое указано стрелкой 250. Такой обратный относительный поворот определяется как люфт.

Еще несколько примеров делительных устройств (или распределительных передач), в которых используется геометрия сферической эвольвенты, показаны на ФИГ. 25-29. На этих ФИГ. показаны различные варианты осуществления передачи однонаправленного крутящего момента в конструкциях делительных шестерен 80/82 с отношением скоростей 1:1, несмотря на то, что шестерни имеют различные делительные диаметры. Для сохранения при контакте эвольвентных шестерен отношения скоростей 1:1, диаметр 26 базовой окружности одной шестерни 80 должен быть равен диаметру базовой окружности, используемой для генерации формы второй шестерни 82. Для соотношения скоростей, отличающегося от 1:1, базовые окружности обычно не равны, и отношение их диаметров равно требуемому отношению скоростей.

ФИГ. 26 показывает поверхности зацепления варианта осуществления с десятью выступами и 12° коническими шестернями 260, 262.

ФИГ. 27 показывает поверхности зацепления варианта осуществления с одиннадцатью выступами и 10° эвольвентными шестернями 264, 266.

ФИГ. 28 показывает вариант осуществления с роторами 268, 270, имеющими двенадцать выступов 272, 274.

ФИГ. 29 показывает поверхности 276, 278 варианта осуществления с шестью выступами, причем с более широкими выступами, чем те, что показаны в других вариантах осуществления.

ФИГ. 4 и 5 показывают зацепление двух роторов 84, 86 по всей периферии этих роторов, оси которых отклоняются от коллинеарности и (приблизительно) пересекаются, причем соотношение скоростей вращения 1:1. Если представить себе в синхронном вращении наружный кожух, внутренний шар и соответственно переднюю 216 и заднюю 218 поверхности устройства с каналами, то вытянутые сферические эвольвентные поверхности 220, 222 могут быть использованы, например, в компрессоре, или в детандере. Показанные поверхности образованы сферической радиальной проекцией эвольвент внутрь, к общему центру сферической поверхности. Роторы не обязательно должны быть ограничены таким образом. Например, можно дополнительно применить спиральную трансформацию, скажем, такую, как показанная на ФИГ. 30 и ФИГ. 31. На этих двух ФИГ. зацепление поверхностей 114 показано как очень тонкое, но на практике оно может быть какой-то разумной толщины.

Хотя выше использовалась круговая базовая кривая, но могут быть применены эволюты иной формы. Например, может быть применен базовый конус в форме арахиса, что дает несколько иной вид эвольвентного профиля/эвольвентной поверхности.

Хотя настоящее изобретение проиллюстрировано описанием нескольких вариантов осуществления и хотя приведенные для иллюстрации варианты осуществления раскрыты в деталях, в намерения заявителей не входит сузить или каким-либо образом ограничить такими деталями объем прилагаемой формулы изобретения. Специалисту нетрудно будет извлечь дополнительные преимущества и ввести модификации, не отступающие от объема прилагаемой формулы изобретения. Поэтому настоящее изобретение в его расширенном понимании не ограничено определенными деталями, репрезентативными устройствами и способами, а также показанными и описанными иллюстративными примерами. Соответственно, от таких деталей могут быть сделаны отступления, не отступающие от существа или объема общей идеи заявителей.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к конструкциям зубчатых передач, применяемых в устройствах преобразования энергии, распределительных или делительных передачах. Коническая зубчатая передача содержит первый ротор и второй ротор. Оси вращения первого ротора и второго ротора отклонены от коллинеарности и пересекаются. Каждый ротор содержит по меньшей мере один выступ, имеющий первую сторону и вторую сторону. Первая сторона каждого выступа представляет собой изогнутую поверхность, образованную по меньшей мере одним сферическим эвольвентным профилем. Выступы первого ротора входят в зацепление с выступами второго ротора по периферии роторов. Один или более зубьев первого ротора контактируют с зубьями противолежащего для передачи крутящего момент от первого зубчатого ротора к противолежащему зубчатому ротору. Отдельные зубья первого ротора обеспечивают устранение люфта, при этом устранение люфта и передача крутящего момента не происходят на одном и том же зубе каждого ротора. Достигается возможность использования конической зубчатой передачи в устройствах преобразования энергии, распределительных и делительных передачах. 4 н. и 19 з.п. ф-лы, 33 ил.

1. Устройство конической зубчатой передачи, содержащее:

a) первый ротор и второй ротор;

b) причем оси вращения первого ротора и второго ротора отклонены от коллинеарности и пересекаются, при этом

c) каждый ротор содержит:

i) по меньшей мере один выступ, имеющий первую сторону и вторую сторону,

ii) причем первая сторона каждого выступа представляет собой изогнутую поверхность, образованную по меньшей мере одним сферическим эвольвентным профилем;

iii) при этом сферический эвольвентный профиль определен в декартовых координатах параметрическим профилем, заданным следующим матричным произведением:

где t - параметр параметрического профиля;

iv) g=asin(r/R);

v) r - радиус базовой окружности сферической эвольвенты, R - радиус поверхности, на которой лежит сферическая эвольвента;

vi) В=t*sin(g); и

vii) при этом выступы первого ротора входят в зацепление с выступами второго ротора по периферии роторов.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первая сторона каждого выступа первого ротора контактирует с первой стороной соответственного выступа на втором роторе.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что вторая сторона каждого выступа первого ротора контактирует со второй стороной соответственного выступа на втором роторе.

4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что дополнительно содержит выточки во вторых поверхностях выступов.

5. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что вторая сторона выступа имеет в поперечном сечении каплевидную форму для сохранения контакта с вершиной или зазора относительно вершины выступа противолежащего ротора.

6. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что вторая сторона выступа имеет форму сжатой капли или отклоняющуюся от каплевидной.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первая сторона каждого выступа первого ротора не контактирует с первой стороной соответственного выступа на втором роторе, так что поддерживается зазор между первой стороной каждого выступа первого ротора и первой стороной соответственного выступа на втором роторе.

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что как первые стороны, так и вторые стороны выступов включают эвольвентные профили.

9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что дополнительно содержит:

a) корпус, оставляющий заданный зазор между наружным диаметром первого ротора и внутренним диаметром корпуса, причем

b) корпус оставляет заданный зазор между наружным диаметром второго ротора и внутренним диаметром корпуса, и

c) меняющийся зазор между первыми сторонами выступов первого ротора и первыми сторонами выступов второго ротора.

10. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что дополнительно содержит:

a) кожух, охватывающий первый ротор и второй ротор, причем

b) по наружным диаметрам роторов кожух контактирует с первым ротором и образует зазор или уплотняемый контакт со вторым ротором,

c) при этом кожух вращается с первым и вторым роторами, и

d) кожух расположен внутри корпуса.

11. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что дополнительно содержит:

a) по существу сферический шар с центром в точке пересечения осей вращения первого и второго роторов, и

b) зазор между внутренней сферической поверхностью по меньшей мере одного ротора и наружным диаметром шара.

12. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что по меньшей мере один ротор содержит каналы впуска и/или выпуска текучей среды, которые проходят сквозь задний торец ротора.

13. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что количество сферических образованных эвольвентами поверхностей составляет одну на ротор.

14. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что сферические эвольвентные профили выступов на каждом роторе имеют спиралевидную форму, причем угловая протяженность такой поверхности вокруг ротора близка, равна или превосходит 360°, приводя к тому, что текучая среда действует в процессе вращения роторов по существу в осевом направлении.

15. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что:

a) угловая протяженность эвольвентных профилей вокруг ротора превосходит 360°, и

b) части выступов образуют гребни;

c) причем обе стороны гребней включают эвольвентные поверхности; и

d) гребни выступов первого ротора входят в контакт с гребнями выступов второго ротора.

16. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что сферические эвольвентные поверхности выступов включают спиральную трансформацию, причем эвольвентные профили на соответствующих сферических поверхностях, образующих поверхности выступов, выступают наружу от общего центра, и при этом каждая сферическая эвольвента на каждой соответствующей сферической поверхности повернута вокруг оси ротора на некоторый угол поворота.

17. Коническая зубчатая передача, включающая первый зубчатый ротор и противолежащий зубчатый ротор, при этом и первый зубчатый ротор, и противолежащий зубчатый ротор содержат:

a) множество зубьев;

b) причем один или более зубьев первого ротора контактируют с зубьями противолежащего ротора с передачей силы, с тем, чтобы передать крутящий момент от первого зубчатого ротора к противолежащему зубчатому ротору, и

c) отдельные зубья первого ротора обеспечивают устранение люфта, и при этом

d) устранение люфта и передача крутящего момента не происходят на одном и том же зубе каждого ротора.

18. Зубчатая передача по п. 17, отличающаяся тем, что управляющий люфтом зуб первого ротора контактирует с соответственным зубом на втором роторе.

19. Зубчатая передача по п. 17, отличающаяся тем, что содержит равные числа зубьев на каждом зубчатом роторе.

20. Зубчатая передача по п. 17, отличающаяся тем, что дополнительно содержит:

a) машину, содержащую первый вращающийся элемент и второй вращающийся элемент;

b) при этом коническая зубчатая передача используется как распределительная передача между первым вращающимся элементом и вторым вращающимся элементом.

21. Зубчатая передача по п. 17, отличающаяся тем, что зубья шестерен образованы с посредством спиральной трансформации.

22. Устройство конической зубчатой передачи, содержащее:

первый ротор и второй ротор;

причем оси первого ротора и второго ротора отклонены от коллинеарности и пересекаются, при этом каждый ротор содержит:

сферическую наружную поверхность радиуса R;

по меньшей мере один выступ, имеющий первую периферийную сторону и вторую периферийную сторону;

причем первая периферийная сторона каждого выступа представляет собой изогнутую поверхность, образованную по меньшей мере одним сферическим эвольвентным профилем;

при этом сферический эвольвентный профиль определен в декартовых координатах параметрическим профилем, заданным следующим матричным произведением:

где t - параметр параметрического профиля;

g=asin(r/R);

r - радиус базовой окружности сферической эвольвенты;

В=t*sin(g);

при этом каждый выступ первого ротора входит в зацепление с соответствующим выступом второго ротора по периферии роторов.

23. Устройство конической зубчатой передачи, содержащее:

первый ротор и второй ротор;

причем оси первого ротора и второго ротора отклонены от коллинеарности и пересекаются, при этом каждый ротор содержит:

сферическую наружную поверхность радиуса R;

по меньшей мере один выступ, имеющий первую периферийную сторону и вторую периферийную сторону;

причем первая периферийная сторона каждого выступа представляет собой изогнутую поверхность, образованную по меньшей мере одним сферическим эвольвентным профилем;

при этом сферический эвольвентный профиль определен в декартовых координатах следующим параметрическим профилем:

где t - параметр параметрического профиля;

g=asin(r/R);

r - радиус базовой окружности сферической эвольвенты;

при этом каждый выступ первого ротора входит в зацепление с выступами второго ротора по периферии роторов.