РОТОРНАЯ ОБЪЁМНАЯ МАШИНА
ROTARY BULK MACHINE

Изобретение относится к машиностроению, в частности к компрессорам для перекачивания газов, создания вакуума, а так же к силовым элементам пневмоприводов - пневмомоторам, пневмокомпрессорам, и кроме того, может составлять основу для создания роторных ДВС.
В объемных гидромашинах роторного типа в создании потока рабочей среды и придания ему напора (давления) участвуют вытеснители, принцип функционирования которых сводится либо к изменению межлопаточного объема при вращении ротора за счет архитектуры корпуса, либо к слиянию нескольких потоков в результирующий, так же за счет соответствующей формы корпуса и при наличии экранирующих (запирающих) пластин, либо к непосредственному вытеснению жидкости, на пример, зубьями зубчатых колес.
Эффективность рабочего процесса рассматриваемого второго типа роторных гидромашин во многом зависит от изоляции порций рабочей среды, располагающихся между лопатками, во-первых, друг от друга, во-вторых, в направлении пазух между дисками роторов и крышками корпуса.
В известном роторно-поршневом - радиальном компрессоре (WO 03/055551 A1 (SELEON GMBH), 10.07.2003, F04C 18/56), содержащем входной канал, выходной канал, первое рабочее колесо с лопастями, второе рабочее колесо с лопастями, которому через приводной вал передается вращение, корпус, который образуется исключением объемов подшипников рабочих колес симметрично относительно плоскости симметрии, при этом рабочие колеса расположены в корпусе таким образом, что лопасти первого рабочего колеса внедряются в полость между лопастями другого рабочего колеса, а их оси вращения пересекаются в точке под углом в плоскости симметрии, при этом одна лопасть в первой полости при повороте рабочего колеса вытесняет больший или меньший объем, так что жидкость благодаря выходному каналу (11) удаляется, или благодаря входному каналу всасывается, в лопасти рабочего колеса встроены магниты, так что каждая лопасть одного рабочего колеса отталкивает близлежащие лопасти другого рабочего колеса, и таким образом от одного рабочего колеса к другому рабочему колесу мощность передается без контакта.
В предлагаемом варианте передачи крутящего момента на второе рабочее колесо отсутствуют всякие механические износы между колесами. Однако, такое устройство может работать лишь в качестве центробежно-вихревого насоса с низким коэффициентом полезного действия (30-40%) при преобразовании энергии из механической формы в гидравлическую, поскольку отсутствует смыкание лопастей в их зацеплении и рабочая среда перетекает из зоны высокого давления в зону низкого через незапертый лабиринт между лопастями обратным перетоком.
Известна так же роторная гидро-пневмомашина (патент на изобретение №2627753, опубл. 11.8.2017., Бюл. №23), принятая за прототип, содержащая корпус с торцовыми крышками, в расточках которого размещены ведущая и ведомая рабочие шестерни, состоящие из полой ступицы и диска с размещенными на его периферии зубьями с несимметричным профилем, образующими зубчатый венец, имеющими лицевую и тыльную поверхности, каналы подвода-отвода рабочей жидкости, уплотнительные элементы, рабочие шестерни выполнены коническими и каждая из двух пар одноименных шестерен образуют аксиальные передачи с пересекающимися в одной точке осями вращения, при этом, два канала подвода-отвода расположены на корпусе в зоне максимального перекрытия зубьев рабочих шестерен, а два других в зонах начала сцепления зубьев, каналы расположены на периферии корпуса и снабжены запорной аппаратурой.
Рассматриваемая конструкция роторной гидро-пневмомашины предполагает выполнение каждого зуба ведущей и ведомой рабочих конических шестерен в виде секций (п. 1.13. формулы изобретения прототипа), которые при зацеплении образуют сложный лабиринт, препятствующий перетоку через него рабочей жидкости. Сопрягаемые поверхности каждой пары частей зуба из каждой секции зацепляющихся рабочих конических шестерен спрофилированы линейчатой поверхностью, образованной образующей, исходящей из центра пересечения осей рабочих конических шестерен, по условию кинематики движения входной кромки зуба по мере вхождения ее в зацепление при синхронном повороте этих шестерен. Такой профиль предполагает непосредственный контакт частей зубьев, а значит, и исключение зазора между ними, что при точном исполнении конических шестерен предупреждает произвольный переток рабочей среды через сопряжение из одного межзубового пространства в другое.
Однако, неконтролируемый переток из одного межзубового объема в другой в той или иной мере имеет место через пазухи между диском рабочей конической шестерни и торцовыми крышками корпуса (Фиг. 1, элемент 1), поскольку существующее в прототипе лабиринтное уплотнение в виде кольцевого выступа на диске с сопрягаемой канавкой на торцовой крышке снижает переток, но не исключает его совсем.
Снижение функциональных показателей (объемного к.п.д.) рассматриваемой роторной гидро-пневмомашины может иметь место так же из-за возможного перетока рабочей среды с зубьев в зазор:
- на малом радиусе зубчатого венца (Фиг. 1, элемент 2) каждой из рабочих конических шестерен между неподвижной конической корпусной стенкой в расточке корпуса и подвижными торцами зубьев;
- на наибольшем радиусе зубьев рабочих конических шестерен между торцами подвижных зубьев и периферийными стенками расточек корпуса (Фиг. 1, элемент 3);
- между вершинами подвижных зубьев и неподвижной торцовой стенкой в каждой из расточек корпуса (Фиг. 1, элемент 4).
Причем, эти перетоки с повышением быстроходности роторной гидро-пневмомашины, что имеет место на газообразных средах, будут увеличиваться, поскольку к разности статических давлений по обе стороны сопряженных лопастей добавится еще неравномерность давлений за счет динамической составляющей от воздействия каждой быстровращающейся лопасти на рабочую среду.
В процессе эксплуатации вышерассмотренные зазоры имеют тенденцию расти либо за счет щелевой кавитации при работе на жидкостях, либо за счет абразивного износа при работе на абразивных рабочих средах, следовательно, рабочие показатели таких устройств будут снижаться:
- при их использовании в качестве насосов и компрессоров напор и подача будут падать;
- при их использовании в качестве гидро и пневмомоторов будут снижаться момент на валу и его обороты, что в обоих случаях приведет к необходимости повышения потребляемой мощности для достижения требуемых показателей работы роторной гидро-пневмомашины.
Достройка устройств системой контактных уплотнений значительно усложнит конструкцию в целом, повысит ее стоимость, снизит надежность. Кроме того, высокий перепад давлений на уплотнении требует большей степени прижатия скользящих поверхностей, а это в значительной степени увеличивает момент на валу роторной гидро-пневмомашины за счет повышения трения.
Другой особенностью прототипа является то, что подводящие и отводящие каналы имеют протяженность почти по всей зоне обжатия и расширения, что обуславливает работу зубьев только в районе замыкателя. Таким образом, зона всасывания от зоны нагнетания отделяется только одной парой сопряженных зубьев и выдерживает полный перепад давления, создаваемого насосом, или гидромотором при нагрузке. Такой перепад давления при существующих зазорах вокруг вращающихся зубьев, охватываемых соответствующими неподвижными поверхностями проточек корпуса обуславливает высокие объемные потери
где
μ - коэффициент расхода, обуславливаемый схемой истечения;
2
ω - площадь поперечного сечения контура истечения, м;
Н - напор жидкости перед зазором, м;
g - ускорение свободного падения, g=9,81 м/с.
Целесообразно было бы распределить этот перепад давления на большее число (k) пар лопастей. Тогда общие потери на каскаде последовательных местных сопротивлений составили бы только
где
k - число пар лопастей, участвующих в блокаде перепада давления.
Однако, в прототипе это мероприятие не предусмотрено.
Причем, при частичном перекрытии венцов рабочих конических шестерен, что имеет место у прототипа, количество пар зубьев участвовавших бы в сдерживании перепада давления в этом случае так же не соответствует максимально возможному, поскольку зубья вне зацепления зубчатых шестерен совершают лишь холостой ход на дуге вне зацепления и не участвуют в создании и сдерживании давления. Кроме того, не участвующие в зацеплении зубья обуславливают нефункциональные, паразитные объемы, а значит избыточные габариты и массу гидромашины.
Третьей особенностью такой компоновки является то, что в этом случае не обеспечивается плавное обжатие жидкости при повышенной частоте вращения рабочих конических шестерен, и поэтому имеют место значительные гидравлические потери, пропорциональные квадрату скорости перетока.
Следующей особенностью наличия зоны, в которой зубья не находятся в зацеплении является то, что все элементы деталей и сами детали роторной гидро-пневмомашины в процессе работы совершают колебания с собственными частотами. При вхождении зубьев из свободного состояния в зацепление они, зубья, так же колеблются, во-первых, как консольные элементы, установленные на диске, во-вторых, за счет колебаний сложной формы самого диска, как несущего элемента зубьев, в-третьих, за счет колебаний неподвижных элементов корпуса, удерживающих подвижные, а так же за счет колебаний самих подвижных элементов в пределах зазоров их монтажа.
Следовательно, такой колеблющийся зуб занимает гораздо больший объем, чем определяемый геометрическими размерами в статике, и при вхождении в зацепление с другим таким же зубом (другой рабочей конической шестерни) происходит их взаимное соударение. Результат соударения передается по материалу рабочих конических шестерен на другие зубья, находящиеся в зацеплении, и так же заставляет их дрожать. Взаимные соударения зубьев, находящихся в зацеплении, обуславливают и взаимные их отталкивания, что вызывает периодическое создание зазора между ними, то есть периодическую разгерметизацию стыка.
Кроме того, это обстоятельство является дополнительным сопротивлением вращению рабочих конических шестерен во время фазы каждого вхождения зубьев в зацепление, а так же причиной износа, как самих зубьев, так и корпуса в этой зоне и зоне расхождения зубьев.
Другим обстоятельством, обуславливающим отрицательное следствие, является наличие элемента корпуса между центральными частями рабочих конических шестерен в виде аксиального кольца, подвешенного к корпусу на тонкой перемычке. Небольшая жесткость консольной перемычки дает возможность колебаний этого элемента корпуса с большой амплитудой, что в свою очередь вызывает повышение объемных потерь через зазор стенка корпуса - вращающийся зуб, его увеличение за счет износа от периодического ударного контакта, и поэтому еще большее возрастание объемных потерь по мере работы.
К тому же небольшая толщина перемычки не позволяет в ней разместить коммуникации подвода - отвода рабочей среды, поскольку с одной стороны их там просто трудно разместить, а с другой стороны целенаправленное их размещение в еще большей степени снизит жесткость и прочность такой перемычки.
Увеличение же толщины перемычки можно осуществить только за счет увеличения угла θ развала рабочих конических шестерен, а это мероприятие приведет к сокращению числа зубьев участвующих одновременно в зацеплении и увеличение количества зубьев вне зацепления.
Научно-технический прогресс обеспечивает должный уровень материального благополучия общества, а для обеспечения более интенсивного развития техники следует учитывать объективные законы ее эволюции. В настоящее время техника развивается по двум направлениям:
- создание новых устройств, технологий на основе новых физических принципов действия;
- совершенствование существующих машин.
Первые образцы новых устройств чаще всего более перспективны, но несовершенны и подвержены «детским болезням», для устранения которых необходим хронологический ресурс.
Традиционные конструкции тоже были когда-то принципиальными новинками, но в значительной мере прошли путь совершенствования, следовательно, должны обладать, как высокими функциональными показателями, так и эксплуатационными характеристиками - долговечность, экономичность, надежность, массогабаритные характеристики, низкая стоимость и т.д.
Рассматриваемый же прототип обладает пониженными качествами по герметичности, что снижает эффективность его рабочего процесса, а это обстоятельство делает необходимым для достижения требуемых результатов:
- либо увеличивать габариты машины по сравнению с ее возможно более совершенным вариантом;
- либо увеличивать обороты его роторной части - скорость вращения рабочих конических шестерен.
Каждое из указанных мероприятий влечет за собой необходимость повышения мощности привода, а значит в обоих случаях увеличение габаритов агрегата в целом, следовательно, и его стоимости, и стоимости всей машины, чей частью он является.
Несовершенство рабочего процесса будет так же повышать и эксплуатационные расходы, суммарное удорожание которых со временем в сотни раз могут превысить капитальные затраты.
Таким образом, эксплуатационные показатели таких гидромашин на сегодняшний день еще низкие, что обуславливает их недостаточную эффктивность и недостаточные объемы применения их в промышленности. Так пока еще громоздкие массогабаритные показатели этих устройств ограничивают их использование в авиации и космонавтике, недостаточная надежность часто вообще исключает их применение в военной технике. Низкая экономичность рабочего процесса таких устройств обуславливает и низкую конкурентную способность на рынке продаж.
Область использования данного типа машин очень обширна: насосная, компрессорная техника, исполнительные механизмы в гидро-пневмосистемах, ручная насосо-компрессорная техника в садово-огородном и фермерском хозяйствах, они могут являться напорными элементами при безмоторном подъеме воды из рек и родников для водоснабжения хуторов и малых поселений, могут быть использованы в качестве турбин, причем, как в системе с другими механизмами (ДВС с наддувом), так и в виде собственно турбин при производстве электроэнергии, являться основой роторных ДВС, и т.д.
При существующем уровне показателей качества это устройство может быть использовано в небольшой, ограниченной части
вышерассмотренного сегмента, а при достижении устройством более совершенного исполнения оно может занять более значительную нишу среди перечисленных механизмов.
Кроме того, технически совершенные машины являются основой для создания на основе их комплексов с новыми свойствами, с расширенной областью использования, в том числе в нетрадиционных на данный момент сферах жизнедеятельности людей.
Так, согласно объективным законам развития техники, следующим этапом производства машин является этап создания адаптирующихся к условиям и поставленным задачам устройств-роботов путем дополнения многовариантной механической части искусственным интеллектом. Следовательно, необходимо уже сейчас производить такие механизмы и устройства, которым присущи вариантность, возможность перевоплощения путем либо изменения режима рабочего процесса, либо путем незначительной конструктивной подналадки. При этом их рабочие процессы должны быть совершенны, а массогабаритные показатели минимальны.
В отношении, например, роботов-манипуляторов это устройство актуально так же и для обеспечения движения, поскольку в данном случае пневмопривод характеризуется высоким быстродействием, малыми габаритами и весом, составляющих его деталей, бесплатной рабочей средой - воздухом.
Таким образом, в настоящее время назрела необходимость наличия малогабаритной, но с требуемыми показателями качества роторной объемной машины для работы на газах. Наиболее целесообразным вариантом ее создания является использование в качестве ее основы роторной гидро- пневмомашины.
Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности роторной объемной машины при работе на газах путем увеличения объемного коэффициента полезного действия.
Для достижения поставленной цели в известной роторной гидро- пневмомашине, содержащей корпус с торцовыми крышками, в расточках которого размещены ведущая и ведомая рабочие шестерни, образующие аксиальную передачу, каждая рабочая шестерня которой состоит из полой ступицы и диска с размещенными на его периферии, в виде венца, зубьями, состоящими из отдельных секций с несимметричным профилем, имеющими лицевую и тыльную поверхности, в корпусе образованы каналы подвода-отвода рабочей среды, рабочие шестерни установлены на полых осях под углом, обеспечивающим перекрытие их венцов зубьев на всей окружности, каждая полая ось закреплена с одной стороны на торцовой крышке корпуса, а с другой стороны соединена с частью корпуса, расположенной между центральными частями рабочих шестерен, диск каждой рабочей шестерни снабжен, по крайней мере, двумя обечайками, охватывающими венец из зубьев с наружной и внутренней стороны, каждая секция зубьев снабжена постоянными магнитами, диск ведущей рабочей шестерни снабжен зубчатой передачей с выходом вала из внутреннего пространства корпуса через уплотнение, сквозные отверстия полых осей являются каналами подвода-отвода рабочей среды.
При этом:
- корпус может быть образован непосредственно из торцовых крышек, каждая из которых имеет меридиональный разъем по плоскости осей вращения рабочих шестерен;
- каждая из обечаек каждой рабочей шестерни может быть выполнена в виде части полого тора, образующего в сечении наибольшего перекрытия зубьев или замкнутое кольцо, или кольцо с одним, или кольцо двумя окнами;
- поверхности обечаек могут быть выполнены сферическими с радиусами, проведенными из центра, совпадающего с точкой пересечения осей рабочих шестерен аксиальной передачи:
- - поверхности обечаек каждой из рабочих шестерен могут иметь равные одноименные радиусы с произвольным соотношением ширин, при условии суммарной ширины обечаек не превышающей ширину зубчатого венца;
- - поверхности обечаек рабочих шестерен могут сопрягаться по всей ширине венца с минимальным радиальным зазором у одноименных обечаек между собой, как с наружной, так и с внутренней стороны венцов, а меньшая по диаметру обечайка наружной пары, и большая по диаметру обечайка внутренней пары имеют за каждой секцией своих зубьев прорези под секции зубьев другой рабочей шестерни;
- - одна из обечаек может охватывать зубчатый венец частично, а другая охватывает зубчатый венец по всей ширине с выборкой четверти со стороны венца под размещение первой с минимальным радиальным зазором и образованием герметизирующего лабиринта;
- - каждая из обечаек, ограничивающих зубчатый венец, может выполняться на одной из рабочих шестерен с полным или частичным охватом обоих венцов в зоне минимального сведения зубьев и проникновением в корпус по сферической прорези с минимальными радиальными зазорами в зоне максимального сведения зубьев:
- - - на периферии, на пример, ведущей рабочей шестерни, на тыльном ее торце может быть устанавлена сферическая обечайка, сопрягаемая с внутренней поверхностью обечайки ведомой рабочей шестерни;
- - - на тыльном торце ведущей рабочей шестерни, на радиусах, меньших периферийного, могут быть устанавлены одна или несколько концентричных цилиндрических обечаек, входящих в скользящее сопряжение с канавками в корпусе;
- - - обечайка с внутренней стороны венца может быть выполнена отдельной деталью общей для обеих рабочих шестерен в виде подвижно сопрягаемого с венцами сферического кольца, установленного с возможностью вращения в наклонной канавке части корпуса, расположенной между центральными частями рабочих шестерен, и образованием зоны, свободной от перекрытия им одного из венцов в области максимального сведения зубьев;
- - - средняя часть корпуса, расположенная между центральными частями рабочих шестерен, может быть выполнена или в виде отдельной плавающей сферы, или сферы, принадлежащей одной из рабочих шестерен;
- - торцы сопрягаемых обечаек (и сферических, и торовых) могут иметь сопрягаемые выступы и впадины, переходящие на уступы корпуса под эти обечайки, образующие герметизирующий лабиринт;
- зубчатая передача может быть выполнена в виде цилиндрической передачи, или конической передачи, или планетарной передачи:
- - цилиндрическая передача может быть подключена на наибольшем радиусе рабочей шестерни, или на ее полой ступице;
- - планетарная передача может быть выполнена с остановленным водилом, или с остановленной солнечной шестерней, или с механизмом изменения ее структуры:
- - - механизм изменения структуры планетарной передачи может
быть выполнен в виде электромагнитных муфт, одна из которых связывает корпус с водилом, а другая полую ось ведущей шестерни с солнечной шестерней:
- - - - электромагнитная муфта, связывающая полую ось ведущей шестерни с солнечной шестерней, может быть выполнена в виде кольцевой полости с внутренней стороны солнечной шестерни, с установленными в этой полости радиальными перегородками и заполненной ферромагнитным порошком, или ферромагнитной жидкостью, а с внутренней стороны полой оси на части ее проходного сечения в пределах кольцевой полости установлен соленоид с возможностью подключения к источнику электрического тока;
- - - - электромагнитная муфта, связывающая водило с корпусом, может быть выполнена в виде кольцевой полости с наружной стороны водила, с установленными в этой полости радиальными перегородками и заполненной ферромагнитным порошком, или ферромагнитной жидкостью, а с наружной стороны корпуса в пределах этой кольцевой полости установлен соленоид с возможностью подключения к источнику электрического тока;
- зубчатая передача может быть размещена с наружной стороны корпуса и соединена с полой ступицей рабочей шестерни;
- при использовании роторной объемной машины в качестве роторного двигателя внутреннего сгорания центральная часть ее корпуса в зоне максимального расхождения зубьев снабжена патрубком, к которому подведен топливопровод, соединенный с топливным баком через насос высокого давления, к одной из двух групп патрубков на периферийной части этой же зоны подсоединен компрессор, а в зоне максимального схождения зубьев размещены запальные устройства;
- - запальное устройство может быть выполнено в виде магнитов, размещенных в торцовых крышках корпуса в зоне максимального схождения зубьев, а в каждом межзубовом интервале диска рабочей шестерни размещены катушки индуктивности с выходом концов проводника в свое межзубовое пространство, с зазором между ними;
- - - торцовые крышки, корпус, рабочие шестерни или их отдельные части могут быть изготовлены или из металлов, или из полимеров, или из керамики, или из оптически прозрачного материала.
Предлагаемые конструктивные мероприятия обеспечивают следующие преимущества устройству.
Установка рабочих конических шестерен под углом
где:
В - ширина венца в меридиональном сечении рабочей шестерни;
D - наибольший диаметр рабочей шестерни,
обеспечивающим перекрытие их венцов зубьев (Фиг. 2, заштрихованный треугольник), дает возможность увеличить число пар зубьев, участвующих одновременно в рабочем процессе, а это в свою очередь:
- исключает наличие нефункциональных паразитных объемов, уменьшает габариты и массу гидропневмомашины;
- уменьшает объемные утечки из одного межзубового отсека в другой, поскольку перепад давлений на устройстве распределяется на несколько ступеней, состоящих из пар зубьев, что очень важно для пневмомашины, поскольку вязкость газов, используемых в качестве рабочей среды, существенно меньше, чем у жидкостей и их проникающая способность даже через узкие щели значительно выше;
- делает более благоприятными динамические качества процесса зацепления, во-первых, за счет того, что уменьшение угла θ за счет изменения геометрии, обеспечивает более плавное обжатие жидкости, особенно при повышенной частоте вращения, что согласно теории присоединенных масс снижает гидравлические потери;
Во-вторых, в этом случае исключается удар одного зуба о другой за счет их собственных колебаний при вхождении в зацепление (поскольку в этом случае оно, вхождение, отсутствует), что снижает их износы, а так же устраняет передачу этого удара по телу каждой рабочей шестерни на зацепляющиеся другие зубья. Поэтому это мероприятие предупреждает так же и периодический переток рабочей среды между отталкивающимися при дрожании зубьями в каждой сопрягаемой паре.
Указанные преимущества обеспечивают решение технической проблемы по расширению арсенала технических средств, которые в качестве рабочего тела используют газообразные продукты, то есть таких роторных объемных машин, которые работают на повышенных степенях сжатия.
Уменьшение угла развала θ рабочих шестерен так же устраняет перемычку к элементу корпуса между центральными частями рабочих шестерен в виде аксиальной шайбы и все негативные факторы с ней связанные:
- колебания аксиальной шайбы во время рабочего процесса;
- ее износ от соударений с колеблющимися зубьями рабочих шестерен;
- износ самих зубьев об аксиальную шайбу и увеличение зазора шайба - движущийся зуб;
- повышенные объемные потери через увеличенный по вышеприведенным причинам зазор, а так же за счет его переменной величины от колебаний аксиальной шайбы;
- трудности прокладки в шайбе коммуникаций подвода - отвода рабочей среды.
Однако, сама по себе эта часть корпуса, расположенная между центральными частями рабочих шестерен, в виде аксиальной шайбы позиционироваться и удерживаться в заданном положении не может - необходимы фиксирующие и крепежные элементы. Целесообразно в качестве таких элементов использовать полые оси, на которых установлены рабочие шестерни (полыми ступицами).
Для этого в предлагаемом техническом решении «каждая полая ось закреплена с одной стороны на крышке корпуса, а с другой стороны соединена с частью корпуса (аксиальной шайбой), расположенной между центральными частями рабочих шестерен». В этом случае момент инерции поперечного сечения трубчатой оси значительно выше, чем у консольной поддержки аксиальной шайбы прототипа, следовательно, выше и жесткость. Две поддержки в виде таких полых осей образуют пространственную ажурную конструкцию, жесткость и прочность которой еще выше, следовательно, меньше податливость, а значит и амплитуда микроперемещений аксиальной шайбы при вибрациях и ее износ (Фиг. 3).
Такая конструкция центральной части корпуса уменьшает размеры роторной объемной машины в осевом направлении и тем самым обеспечивает высокие удельные показатели (по отношению к массе и размерам) ее рабочего процесса.
Сквозные отверстия полых осей при этом целесообразно использовать в качестве каналов подвода - отвода рабочей среды. Проходные сечения таких каналов достаточны для этой роли. В части корпуса между центральными частями рабочих шестерен эти каналы продолжаются на требуемую угловую величину для ввода рабочей среды в межзубовую систему рабочих шестерен.
Снабжение каждой секции зубьев постоянными магнитами, во-первых, обеспечивает необходимое поджатие их сопрягаемых лицевых профилированных поверхностей, что обеспечивает герметичность межзубовых пространств в окружном направлении. Во-вторых, магниты удерживают ферромагнитный порошок в зазорах между секциями применяемого магнитожидкостного уплотнения. В-третьих, при работе устройства в качестве ДВС (Фиг. 16, Фиг. 17) неподвижные магниты в корпусе и вращающиеся магниты секций зубьев при взаимодействии будут создавать неравномерное, нестационарное магнитное поле, с высокими градиентами напряженностей. Это обстоятельство будет способствовать наведению повышенной ЭДС в катушках индуктивности (зажигания).
Дополнение диска каждой рабочей шестерни, по крайней мере, двумя обечайками, охватывающих венец из зубьев с наружной и внутренней сторон заменяет установку уплотняющих устройств на указанных местах. В этом случае рабочая среда отгораживается непроницаемой стенкой от перетока в нефункциональных направлениях, что гораздо проще и надежней, чем установка уплотнений различных конструкций (Фиг. 3…Фиг. 7, Фиг. 10; Фиг. 11; Фиг. 13; Фиг. 14; Фиг. 15; Фиг. 16).
Причем, зазор между вершинами зубьев и корпусом устранился, поскольку консольная перемычка, удерживающая аксиальную шайбу (часть корпуса между центральными частями рабочих шестерен), по причине малого угла θ сведения рабочих конических шестерен отсутствует.
Герметичность сопряжения зубьев рабочих конических шестерен благодаря их секционному исполнению в совокупности с использованием магнитожидкостных составов, а так же благодаря установке герметизирующих обечаек достигает необходимого уровня для работы устройства в качестве роторных объемных машин компрессорного действия.
Исполнение корпуса в виде двух торцовых крышек, каждая из которых имеет меридиональный разъем позволяет сделать легче процесс сборки изделия, поскольку монтаж в этом случае можно вести с каждого из шести направлений (Фиг. 3…Фиг. 7, Фиг. 10; Фиг. 11; Фиг. 13; Фиг. 14; Фиг. 15).
При этом обечайки могут иметь различные исполнения:
- выполнение межзубовых каналов в меридиональном сечении в виде окружности (Фиг. 3), иначе, самих каналов в виде торов, дает возможность по сравнению с вариантом исполнения профиля зуба в виде многоугольника более тщательно герметизировать каждый элемент зуба от перепада давлений в окружном направлении, то есть одно межзубовое пространство отделить от другого. Для этого на отдельные секции зуба следует одеть поршневые кольца от поршней ДВС соответствующего размера, что исполнено в одном из конструктивных вариантов прототипа.
Однако, слабым местом такой конструкции роторной объемной пневмомашины остается возможность перетока рабочей среды в пазухи между вращающимся диском рабочей шестерни и неподвижным корпусом. Через эти зазоры (подвижная стенка - неподвижная поверхность) возможен переток рабочей среды из одного межзубового объема в другой, обуславливающий объемные потери и снижение эффективности рабочего процесса, особенно на газообразных рабочих средах.
Использование лабиринтных уплотнений в виде окружного бурта в концентричной канавке, что сделано в прототипе, не в полной мере решает эту проблему даже для жидких рабочих сред. Использование контактных уплотнений влечет за собой необходимость их дополнения системой смазки и охлаждения, что существенно усложняет конструкцию, повышает ее стоимость, снижает надежность. Более перспективным решением этой проблемы является использование магнито-жидкостных уплотнений, однако их наличие, их обслуживание так же приведет к усложнению и удорожанию устройства.
Наиболее простым и целесообразным решением является, как уже отмечалось выше, дополнение диска каждой рабочей шестерни, как с наружной стороны зубчатого венца, так и с внутренней дополнительными стенками в виде обечаек, отгораживающих межзубовое пространство от пазух.
Использование обечаек в виде части тора позволяет в области максимального совмещения зубьев получить полную герметизацию сечения, особенно в сочетании с поршневыми кольцами и при использовании на стыках лабиринтного сопряжения. На оставшейся части окружности зубчатого венца, особенно в области минимального сведения зубьев эти обечайки охватывают лишь часть контура каждой зубчатой рабочей шестерни. В этом случае достижению необходимой герметичности будет способствовать тщательная герметизация сопряжения кольцевой торец обечайки - кольцевой уступ корпуса под эту обечайку, например, сопряжения выступа со впадиной, обеспечивающих герметизирующий лабиринт (Фиг. 3). Окна между обечайками служат для размещения в корпусе в пределах этих окон подводящих или отводящих каналов.
Выполнение поверхностей обечаек сферическими с равными одноименными радиусами, проведенными из центра, совпадающего с точкой пересечения осей рабочих шестерен аксиальной передачи, при котором они сопрягаются кольцевыми торцами и могут быть изготовлены с произвольным соотношением ширин, при условии суммарной ширины обечаек не превышающей совместную ширину зубчатых венцов в зоне их максимального совмещения (Фиг. 4, Фиг. 5, Фиг. 6) обеспечивает полное перекрытие ими венцов зубьев, так же как и вышерассмотренном случае, лишь в зоне максимального сопряжения зубьев, на остальной - большей части окружности их торцы контактируют с уступом корпуса. В этом случае также торцовые части стыков, в том числе и с корпусом, целесообразно выполнить в виде сопрягающихся выступов и впадин, образующих лабиринт (см. п. 12 формулы изобретения).
Для обеспечения возможности подвода - отвода рабочей среды в межзубовые пространства в зоне максимального совмещения зубьев суммарная ширина обечаек выполняется меньшей совместной ширины зубчатых венцов в этой зоне на ширину коммуникационных каналов (Фиг. 5).
Для удобства размещения каналов подвода - отвода обечайки у рабочих шестерен выполняется не одинаковыми, но чтобы их суммарная ширина (вместе с шириной каналов) не превышала совместную ширину зубчатых венцов в зоне максимального совмещения зубьев (Фиг. 6).
Такая конструкция обечаек аналогично вышеприведенному случаю лишь частично отгораживает рабочий объем устройства от пространства радиальных зазоров на периферии, однако, она хорошо герметизирует его от пазух за вращающимися дисками и частично от перетока в торцовый зазор на малом радиусе зубчатого венца.
Особенность сферической обечайки позволяет по всей поверхности сопряжения меридиональный контур зуба - корпус получить равномерный и минимальный зазор и исключить тем самым проблемные точки вышерассмотренной конструкции (и конструкции прототипа) в пересечении контуров зубьев (Фиг. 3, точки М, N). В этих точках имеет место точечный зазор, одна из стенок которого (между сопрягающимися элементами зубьев) имеет бесконечно малую толщину в виде кромки.
- - при исполнении сопряжения поверхностей обечаек рабочих шестерен по всей ширине венца с минимальным радиальным зазором у одноименных обечаек между собой (Фиг. 7), для исключения утыкания обечайки и зубьев необходимо, чтобы меньшая по диаметру обечайка наружной пары, и большая по диаметру внутренней пары имели за своими зубьями прорези под зубья другой рабочей шестерни (Фиг. 9). Рассматриваемая конструкция обладает большей герметичностью по отношению к предыдущей, что исключит объемные потери каждого межзубового объема с одного направления, отгороженного сплошной обечайкой, и существенно сократит их с оставшихся направлений.
Полная же герметизация в этом случае отсутствует по причине наличия зон g (Фиг. 9), в пределах контуров которых пространство подвижного межзубового канала контактирует с неподвижным корпусом, следовательно, и с радиальным зазором между рабочей шестернью и корпусом. В зазоре объемные потери растекаются по всем направлениям и тем самым снижают эффективность работы устройства.
- - исполнение одной из одноименных обечаек охватывающей зубчатый венец частично, а другой охватывающей зубчатый венец по всей ширине с выборкой четверти со стороны венца под размещение первой с минимальным радиальным зазором и образованием герметизирующего лабиринта (Фиг. 10) является гибридом вышерассмотренных конструктивных вариантов. Такой конструктивный вариант уплотнения рабочего пространства в большей степени, чем стыковая форма обечаек герметизирует рабочее пространство, однако, он не исключает полностью переток рабочей среды между корпусом и короткой обечайкой, а так же между корпусом и частью венца не закрытой этой обечайкой. Данный вариант сложней и дороже чем варианты встык (Фиг. 4, Фиг. 5, Фиг. 6), но проще и дешевле варианта радиального сопряжения обечаек с окнами в одной под зубья другой - зацепляемой с ней рабочей шестерни (Фиг. 7).
- - выполнение большой и малой обечаек, ограничивающих зубчатый венец, на одной из рабочих шестерен с полным или частичным охватом обоих венцов в зоне минимального сведения зубьев и проникновением в корпус по сферической прорези с минимальными радиальными зазорами в зоне максимального сведения зубьев дает возможность, как полностью отгородить рабочее пространство от корпуса (и со стороны внутреннего радиуса венца и с внешней стороны), так и обеспечивать сообщение части корпуса с рабочим пространством, например, для подвода коммуникаций (Фиг. 11, при выполнении малой обечайки меньшей ширины венца).
В этом случае при переходе зубьев, по мере вращения рабочей шестерни, из положения минимального сведения в положение их полного совмещения каждый зуб рабочей шестерни, не снабженной обечайкой, или его элементы совершает небольшое, равное ширине венца, перемещение в осевом направлении вдоль обечайки второй рабочей шестерни. Скорость этого перемещения значительно меньше окружной скорости вращения зубьев, примерно в π×D/b раз. Эта особенность позволяет использовать либо надежное уплотнение (контактное (Фиг. 12), магнитожидкостное и др.) между межзубовыми каналами, то есть в зазорах между зубом или его элементами и обечайкой второй рабочей шестерни, либо выполнить канавки с внутренней стороны обечаек под уширенные зубья или их элементы.
Для лучшей герметизации пазух рабочей шестерни, не имеющей в этом варианте обечаек, с тыльной стороны зубчатого венца она также снабжается сферической обечайкой, сопрягаемой с внутренней поверхностью обечайки, охватывающей венец. Между обечайками могут быть установлены пружинные кольца, аналогичные поршневым в традиционных ДВС, или резиновые жгутики в канавках (Фиг. 13). Для обеспечения возможности сборки-разборки устройства его корпус может быть выполнен составным, состоящим по линии k h из отдельных фрагментов (Фиг. 11).
Для достижения дополнительной более надежной герметизации пазух рабочей шестерни, не имеющей в рассматриваемой конструкции устройства периферийной обечайки, от рабочего объема является целесообразным на меньших радиусах ее тыльного торца установить одну или несколько цилиндрических обечаек, входящих в скользящее сопряжение с канавками корпуса (Фиг. 11).
Однако, конструкция устройства с подачей рабочей среды только в области максимального расхождения зубьев (Фиг. 14, Фиг. 11 при условии выполнения обечаек меньшей ширины венца) является функциональной и полезной лишь в узком диапазоне практических вариантов, например, в виде роторного ДВС, да и то с использованием лишь самовоспламеняющейся от давления рабочей смеси, или при бесконтактном способе воспламенения. Такое ограничение вызвано тем, что вращающиеся сферические обечайки препятствуют доступу через каналы в центральной части корпуса к рабочему межзубовому пространству в зоне максимального сведения зубьев, поскольку для того, чтобы обеспечить к нему доступ, например, внутреннюю обечайку следует сделать чрезмерно узкой. Но это мероприятие обнажит от экранирования этой обечайкой значительную часть рабочего пространства в зоне максимального разведения и рассматриваемая схема герметизации рабочего пространства может потерять все свои преимущества.
Сократить открытость рабочего пространства от обечайки в зоне максимального разведения зубьев при обеспечении возможности создания окна в зоне максимального сведения зубьев позволит выполнение обечайки с внутренней стороны венца отдельной деталью общей для обеих рабочих шестерен, в виде подвижно сопрягаемого с венцами сферического кольца, установленного с возможностью вращения в наклонной канавке (вдоль линий q и p Фиг. 13) центральной части корпуса, расположенной между рабочими шестернями.
При таком конструктивном исполнении малой обечайки она является промежуточной деталью между неподвижным корпусом и вращающимися зубчатыми венцами, следовательно, при более тщательном уплотнении зазора (Фиг. 12) внутренняя часть зубчатого венца - малая обечайка наибольшую подвижность получит сопряжение центральная часть корпуса - внутренняя поверхность малой обечайки.
Это обстоятельство обусловит основное движение обечайки вдоль канавки (между прерывистыми линиями q и p Фиг. 13) с незначительным проскальзыванием в окружном направлении относительно зубьев венца и осевым взаимным перемещением меньшим в π*D/h окружного движения при обеспечении доступа подводяще - отводящих или воспламеняющих комуникаций в зону максимального сведения зубьев (максимальной компрессии или глубокого вакуума).
Предельной стадией развития этого элемента при такой сферической форме малой обечайки является либо подвижная плавающая сфера, не закрепленная на полых осях (Фиг. 14), либо сферы, принадлежащей одной из рабочих шестерен (Фиг. 15).
Снабжение торцев, а так же сопрягаемых с ними уступов корпуса, в которых размещены торцы обечаек (и сферических, и торовых), сопрягаемыми выступами и впадинами, как было уже сказано выше, так же создает дополнительное лабиринтное сопротивление возможному перетоку рабочей среды и повышает герметичность межзубового пространства (Фиг. 3).
Экранизация рабочего пространства роторной объемной машины установкой различного вида обечаек является эффективным видом герметизации, что дает возможность повысить компрессионные качества роторной объемной машины и тем самым снизить ее массо-размерные характеристики и повысить показатели качества рабочего процесса, что в итоге предполагает появление еще одного перспективного устройства в арсенале машим, работающих на газах.
Каждые из вышеперечисленных видов сферических обечаек могут быть применены в различных комбинациях для внутренних и наружных ограждений зубчатых венцов с учетом назначения роторной объемной машины, видов и мест размещения коммуникационных каналов.
Следует так же отметить, что в предлагаемой конструкции роторной объемной машины исключение перемычки, поддерживаемой часть корпуса, расположенной между зубчатыми венцами, предполагает повышенные требования к заменяющим ее полым осям, в частности по точности их позиционирования, надежности закрепления, продолжительной жесткости.
Указанная совокупность требований к устройству обуславливает отказ от прямого выхода вала из корпуса для непосредственного соединения с муфтой и далее либо с двигателем, либо с рабочим органом. В этом случае вместо выходного элемента вала могут использоваться следующие передачи:
- цилиндрическая передача внешнего зацепления (Фиг. 3), расположенная в пазухах одной из рабочих шестерен, в зависимости от соотношения диаметров может быть, как повышающей, так и понижающей в обоих направлениях экспорта движения (компрессор, пневмомотор) при незначительном числе редуцирования. Такая передача сама по себе проста по конструкции, но в совокупности с рабочими шестернями и их подшипниковыми опорами вырождается в довольно серьезный механизм, размещенный в полости корпуса. Это обстоятельство снижает надежность механизма в целом и затрудняет проведение ремонтных работ при отказах, вследствие необходимости разборки всего устройства.
- вынесение механизма передачи из внутреннего пространства упрощает конструкцию (Фиг. 11, Фиг. 13) обеспечивает более легкий доступ к зубчатой паре, уменьшает объем внутреннего пространства за счет исключения объема, занимаемого передачей. В этом случае сокращаются паразитные движения рабочей среды.
- цилиндрическая передача внутреннего зацепления, расположенная в пазухе одной из рабочих шестерен (Фиг. 4) обеспечивает возможность вращения рабочих шестерен и приводного вала в одном и том же окружном направлении. Другой ее особенностью является то, что этот вид зацепления обуславливает большее по сравнению с предыдущим конструктивным вариантом передаточное отношение при сопоставимых размерах машины. Третьей особенностью является необходимость ее размещения только внутри пространства корпуса с выводом вала во внешнее пространство через уплотнение. Эта особенность обуславливает меньшие удобства при проведении ремонтных работ.
- коническая передача, используемая в роторной объемной машине (Фиг. 5), обуславливает зацепление тыльного зубчатого венца одной из рабочих шестерен с быстроходной зубчатой шестерней. Рассматриваемая схема передачи характеризуется сравнительно высоким передаточным отношением, так как делительные диаметры в этом случае могут отличаться в 5-10 раз, следовательно, ее целесообразно использовать для устройства работающего в режиме компрессора.
Еще одной особенностью этой передачи является возможность поворота всего устройства при настройках и монтаже относительно оси приводного вала.
- планетарная передача при остановленном водиле, так же не позволяет снизить частоту вращения выходного вала по отношению к рабочей шестерне и рекомендует использовать устройство либо в режиме компрессора с быстроходным двигателем (Фиг. 6), либо с быстроходным электрогенератором в режиме пневмо- или паротурбины.
- планетарная передача при остановленной солнечной шестерне (Фиг. 7) обуславливает обкатку сателлитов по ней, и за счет этого снижение угловой скорости водила по отношению к эпициклической шестерне. Этот вид передачи является менее быстроходным, чем при остановленном водиле (Фиг. 6) и поэтому требует тихоходного двигателя для режима компрессора, а также тихоходного электрогенератора в режиме пневмо- паротурбины для выработки электроэнергии.
- планетарная передача с изменяемой структурой за счет, например, альтернативного включения электромагнитных муфт позволяет переводить устройство в каждый из вышерассмотренных режимов ее работы (Фиг. 10, Фиг. 16). При этом механизм изменения структуры планетарной передачи может быть выполнен в виде электромагнитных муфт, одна из которых связывает корпус с водилом, а другая полую ось ведущей шестерни с солнечной шестерней:
- - электромагнитная муфта, связывающая водило с корпусом, может быть выполнена в виде кольцевой полости с наружной стороны водила, с установленными в этой полости радиальными перегородками и заполненной ферромагнитным порошком, или ферромагнитной жидкостью, а с наружной стороны корпуса в пределах этой кольцевой полости установлен соленоид с возможностью подключения к источнику электрического тока;
Следовательно, если требуется остановить водило, то электропитание подается на внешнюю катушку, которая создает внутри охватываемого ею пространства магнитное поле. Если магнитное поле статическое, то оно воздействует на ферропорошок, находящийся в торовом кармане, вызывая его неподвижность, что затормаживает и само водило. Ферропорошок целесообразно использовать в маслянной среде, что дает возможность получать не только два дискретных режима «остановка» - «вращение», а и промежуточные режимы, за счет изменения напряженности магнитного поля, а также и внедиапазонные режимы, за счет создания вихревого магнитного поля катушкой в каждом из окружных направлений.
- - электромагнитная муфта, связывающая полую ось ведущей шестерни с солнечной шестерней, может быть выполнена в виде кольцевой полости с внутренней стороны солнечной шестерни, с установленными в этой полости радиальными перегородками и заполненной ферромагнитным порошком, или ферромагнитной жидкостью, а с внутренней стороны полой оси в пределах кольцевой полости установлен соленоид с возможностью подключения к источнику электрического тока;
Таким образом, имеется возможность управлять и поведением солнечной шестерни с помощью торовой катушки внутри ее полой оси и ферромагнитной жидкости второго из карманов в ступице солнечной шестерни.
Для согласования движений шестерен на выходном валу, одна из которых связана с водилом, а другая с солнечной шестерней, они установлены на обгонных, или на электромагнитных муфтах.
Сочетание управляющих функций на водиле и солнечной шестерне (причем в режиме как простой остановки, так и движения в каждом из двух окружных направлений) позволяет работать в широком диапазоне передаточных отношений и использовать такое устройство, например для создания мотор-колеса.
Причем, предлагаемое устройство может работать, например, в качестве компрессора, только от электропитания, подаваемого на соленоиды, то есть в виде моноблочной структуры без непосредственного привода от отдельного двигателя на входной вал.
Размещение зубчатых передач с наружной стороны корпуса предлагаемого устройства путем соединения их с полым валом рабочей шестерни (Фиг. 15) позволяет развивать многообразие создаваемых конструкций и находить среди них наиболее рациональные для решаемой технологической задачи по использованию роторной объемной машины.
Дополнение роторной объемной машины запальным устройством в зоне максимального схождения зубьев рабочих шестерен, топливным баком, насосом, топливопроводом одного из патрубков в зоне максимального расхождения зубьев, а другого - компрессором (Фиг. 16, Фиг. 17) позволяет использовать предлагаемое устройство в качестве роторного двигателя внутреннего сгорания (ДВС).
В этом случае компрессор осуществляет вентиляцию межзубовых пространств от продуктов сгорания из предыдущих циклов и наполнение их под избыточным давлением чистым воздухом. Топливный насос подает из топливного бака по топливопроводу горючую жидкость (бензин, эфир, газойль, дизтопливо и т.д.) под давлением в межзубовые объемы, заполненные воздухом.
При этом распыление ее по объему, обжатие за счет вращения рабочих шестерен производит получение топливного заряда. В момент наивысшей степени уплотнения (в зоне максимального схождения зубьев рабочих шестерен) запальное устройство производит поджог топливного заряда, сопровождающийся увеличением объема за счет получения продуктов сгорания и увеличения температуры в каждом межзубовом объеме. В результате повышается давление и появляется окружное усилие на каждой рабочей шестерне, превышающее окружное усилие от необходимости обжатия топливного заряда.
Разность моментов от необходимости обжатия топливного заряда и момента от сгорания этого заряда дает возможность подключить к устройству любую полезную нагрузку (в пределах генерируемой мощности), то есть использовать его в качестве роторного ДВС.
В этом случае обжимающая часть устройства работает в качестве компрессора, а его расширяющаяся часть (по мере вращения) в виде пневмомотора.
С целью повышения к.п.д. роторной объемной машины в режиме ДВС за счет сохранения высокой герметичности межзубовых объемов запальное устройство в данном случае может выполняться бесконтактным, в виде катушки в каждом межзубовом объеме вращающейся вместе с рабочей шестерней между магнитами, закрепленными на корпусе.
Кроме того, к неподвижным магнитам в корпусе в дополнение имеются и вращающиеся магниты секций зубьев, которые при взаимодействии будут создавать неравномерное, нестационарное магнитное поле, с высокими градиентами напряженностей
Следовательно, вращение каждой катушки в неравномерном и нестационарном магнитном поле от неподвижных на корпусе и подвижных в секциях зубьев магнитов создает в каждом витке-контуре катушки ЭДС, которая умножается на число витков и растет с ростом скорости вращения рабочих шестерен. На выходных концах каждой катушки, установленных с требуемым зазором между собой, создается разность потенциалов достаточная для протекания искрового разряда. Искра поджигает топливный заряд и тем самым сначала запускает процесс, а затем его поддерживает, поскольку описанный такт происходит с каждым межзубовым объемом. Эта последовательность тактов обеспечивает непрерывность вращения рабочих шестерен.
При этом, для получения требуемой напряженности магнитного поля элементы устройства или их части могут быть изготовлены из неметаллов (полимеры, керамика, стекло и т.д.), что повышает магнитную проницаемость зоны функционирования магнитов и тем самым стабильность рабочего процесса.
Таким образом, совокупность заявленных признаков позволяет более значимо расширить арсенал технических средств на основе роторной объемной машины, вплоть до того что использовать ее и в качестве ДВС.
Предлагаемое изобретение пояснено следующими чертежами:
Фиг. 1. Проблемные участки конструкции прототипа по герметичности межзубовых рабочих объемов.
Фиг. 2. Расчетная схема условия сопряжения всех зубьев рабочих шестерен.
Фиг. 3. Конструктивный вариант исполнения обечаек рабочих шестерен в виде тора, привода в виде внутренней цилиндрической передачи внешнего зацепления и корпуса, образованного крышками с меридиональным разъемом.
Фиг. 4. Вариант одинакового исполнения сферических обечаек встык у рабочих шестерен, привода в виде внутренней цилиндрической передачи внутреннего зацепления и корпуса, образованного крышками с меридиональным разъемом.
Фиг. 5. Вариант одинакового исполнения сферических обечаек с окнами и каналами в корпусе, а также привода в виде конического зацепления и корпуса, образованного крышками с меридиональным разъемом.
Фиг. 6. Вариант неодинакового исполнения сферических обечаек встык у рабочих шестерен, привода в виде внутренней планетарной передачи с остановленным водилом и корпуса, образованного крышками с меридиональным разъемом.
Фиг. 7. Вариант исполнения сферических обечаек, сопрягаемых с минимальным радиальным зазором, привода в виде внутренней планетарной передачи с остановленной солнечной шестерней и корпуса, образованного крышками с меридиональным разъемом.
Фиг. 8. Радиальный разрез варианта исполнения сферических обечаек, сопрягаемых с минимальным радиальным зазором. Разрез А-А Фиг. 7.
Фиг. 9. Цилиндрический разрез варианта исполнения сферических обечаек, сопрягаемых с минимальным радиальным зазором. Разрез Б-Б Фиг. 8.
Фиг. 10. Вариант исполнения сферических обечаек, одна из которых охватывает зубчатый венец частично, а другая охватывает зубчатый венец по всей ширине с выборкой четверти со стороны венца под размещение первой с минимальным радиальным зазором и образованием герметизирующего лабиринта, а также привода в виде планетарной передачи с изменяемой структурой от электромагнитных муфт и корпуса, образованного крышками с меридиональным разъемом.
Фиг. 11. Вариант исполнения сферических обечаек с полным охватом венцов обоих рабочих шестерен в зоне минимального сведения зубьев и проникновением в корпус по сферической прорези с минимальным радиальным зазором в зоне максимального сведения зубьев, а также привода в виде наружной цилиндрической передачи внешнего зацепления и корпуса, образованного крышками с меридиональным разъемом.
Фиг. 12. Радиальный разрез по зубьям рабочей шестерни. Разрез В-В фиг. 11.
Фиг. 13. Вариант исполнения внутренней сферической обечайки общей для обеих рабочих шестерен и расположенной в окружном канале средней части корпуса, расположенной между рабочими шестернями, а также привода в виде наружной цилиндрической передачи внешнего зацепления и корпуса, образованного крышками с меридиональным разъемом.
Фиг. 14. Вариант исполнения внутренней центральной части корпуса в виде плавающей сферы.
Фиг. 15. Вариант исполнения корпуса без отдельной внутренней центральной части.
Фиг. 16. Вариант конструкции роторного двигателя внутреннего сгорания (ДВС) на основе роторной объемной машины с корпусом и двумя крышками.
Фиг. 17. Схема характера распределения тактов по длине рабочего объема роторного ДВС. Разрез Г-Г фиг. 16.
Роторная объемная машина (Фиг. 16) содержит корпус 1 с торцовыми крышками 2 и 3, в расточках 4, 5 которого размещены ведущая 6 и ведомая 7 рабочие шестерни, образующие аксиальную передачу, каждая рабочая шестерня которой состоит из полой ступицы 8, 9 и диска 10, 11 с размещенными на его периферии в виде венцов 12, 13 зубьями 14, состоящими из отдельных секций 15 (Фиг. 8, Фиг. 9, Фиг. 18) с несимметричным профилем, имеющими лицевую 16 и тыльную 17 поверхности. В корпусе 1 образованы каналы подвода-отвода 18, 19 рабочей среды, рабочие шестерни 6, 7 установлены на полых осях 20, 21 под углом θ (Фиг. 2), обеспечивающим перекрытие их венцов 12, 13 зубьев 14 на всей окружности. Каждая полая ось 20, 21 закреплена с одной стороны на торцовой крышке 2 или 3 корпуса 1 (Фиг. 16), а с другой стороны соединена с частью 22 корпуса 1 (аксиальной шайбой), расположенной между центральными частями рабочих шестерен 6, 7. Диск 10 ведущей рабочей шестерни 6 снабжен, по крайней мере, двумя обечайками 23, 24, охватывающими венец 12 из зубьев 14 с наружной и внутренней стороны. Диск 11 ведомой рабочей шестерни 7 также снабжен, по крайней мере, двумя обечайками 25, 26, охватывающими венец 13 из зубьев 14 с наружной и внутренней стороны. Диск 10 ведущей рабочей шестерни 6 снабжен зубчатой передачей 27 с выходом вала 28 из внутреннего пространства торцовой крышки 3 через уплотнение 29. Сквозные отверстия 30, 31 полых осей 20, 21 являются каналами подвода отвода рабочей среды. Проходные сечения таких каналов 30, 31 достаточны для этой роли. В аксиальной шайбе 22 эти каналы продолжаются на требуемую угловую величину для ввода рабочей среды в межзубовую систему рабочих шестерен 6, 7.
При этом:
- корпус устройства может быть образован непосредственно из самих торцовых крышек 34, 35, каждая из которых имеет меридиональный разъем по плоскости осей вращения рабочих шестерен (Фиг. 3, Фиг. 4, Фиг. 5, Фиг. 6, Фиг. 7, Фиг. 10, Фиг. 11, Фиг. 13, Фиг. 14, Фиг. 15);
- каждая из обечаек 23, 24, 25, 26 рабочих шестерен 6, 7 может быть выполнена в виде части полого тора, образующего в сечении наибольшего перекрытия зубьев или замкнутое кольцо (Фиг. 3), или кольцо с одним, или кольцо двумя окнами;
- поверхности обечаек 23, 24, 25, 26 могут быть выполнены сферическими с радиусами, проведенными из центра, совпадающего с точкой 0 пересечения осей рабочих шестерен 6, 7 аксиальной передачи (Фиг. 4, Фиг. 5, Фиг. 6, Фиг. 7, Фиг. 10, Фиг. 11, Фиг. 13, Фиг. 14, Фиг. 15, Фиг. 16);
Причем:
- - поверхности обечаек 23, 24, 25, 26 каждой из рабочих шестерен 6, 7 могут иметь равные одноименные радиусы и выполнены с произвольным соотношением ширин, при условии суммарной ширины обечаек 23, 24, 25, 26 не превышающей ширину каждого из зубчатых венцов 12, 13;
- - поверхности обечаек попарно 23-25, 24-26 рабочих шестерен 6, 7 сопрягаются по всей ширине венца 12 или 13 с минимальным радиальным зазором, как у наружных 23-25, так и внутренних 24-26 обечаек между собой, а меньшая по диаметру обечайка 25 наружной пары, и большая по диаметру 26 внутренней пары имеют за своими зубьями 15 прорези под зубья другой рабочей шестерни (Фиг. 7, Фиг. 8, Фиг. 9);
- - одна из одноименных обечаек 23 (26) охватывает зубчатый венец 12 частично, а другая 25 (24) охватывает зубчатый венец по всей ширине с выборкой четверти со стороны венца под размещение первой с минимальным радиальным зазором и герметизирующего лабиринта (Фиг. 10, Фиг. 16);
- - каждая из сферических обечаек 36, 37, ограничивающих зубчатый венец, выполняется на одной из рабочих шестерен (7) с полным или частичным охватом обоих венцов 12, 13 в зоне минимального сведения зубьев и проникновением в корпус крышки 35 по сферической прорези 38 и 39 с минимальными радиальными зазорами в зоне максимального сведения зубьев (Фиг. 11, Фиг. 13, Фиг. 14, Фиг. 15):
- - - на периферии, например, ведущей рабочей шестерни 6 на тыльном ее торце устанавливается сферическая обечайка 40, сопрягаемая с внутренней поверхностью обечайки 36 ведомой рабочей шестерни (Фиг. 11, Фиг. 13, Фиг. 14, Фиг. 15);
- - - между обечайками 36 и 40 установлены пружинные кольца 41, аналогичные поршневым традиционных ДВС, или резиновые жгутики 42 в канавках (Фиг. 11, Фиг. 13, Фиг. 14, Фиг. 15);
- - - на тыльном торце ведущей рабочей шестерни, на радиусах, меньших периферийного, устанавливается одна или несколько концентричных цилиндрических обечаек 43, входящих в скользящее сопряжение с канавками 44 в корпусе торцовой крышки 3 (Фиг. 11);
- - - обечайка с внутренней стороны венца выполнена в виде отдельной детали 45 общей для обеих рабочих шестерен в виде подвижно сопрягаемого с венцами сферического кольца, установленного с возможностью вращения в наклонной канавке 46 части корпуса 22, расположенной между центральными частями рабочих шестерен 6, 7, и образованием зоны 47, свободной от перекрытия им венца в направлении максимального сведения зубьев (Фиг. 13);
- - - средняя часть 22 корпуса, расположенная между центральными
частями рабочих шестерен 6, 7, выполнена в виде отдельной плавающей сферы 48, или сферы, принадлежащей одной из рабочих шестерен 6 или 7 (Фиг. 14, Фиг. 15);
- - торцы сопрягаемых обечаек (и сферических, и торовых) имеют сопрягаемые выступы 49 и впадины 50, переходящие на уступы корпуса под эти обечайки, образующие герметизирующий лабиринт (Фиг. 3), а каждая секция 15 зуба 14 может быть снабжена контактным уплотнением 51 (Фиг. 11, Фиг. 12, Фиг. 17);
При этом рабочие шестерни 6, 7 устанавливаются на полых осях 20, 21 через подшипники 52;
- зубчатая передача может быть выполнена в виде цилиндрической передачи (Фиг. 3, Фиг. 4), или конической передачи (Фиг. 5), или планетарной передачи (Фиг. 6, Фиг. 7, Фиг. 10, Фиг. 16):
- - цилиндрическая передача может быть так же подключена на наибольшем радиусе (Фиг. 4) рабочей шестерни 6, или на ее полой ступице 8 может иметь следующие исполнения:
- - - цилиндрическая передача внешнего зацепления (Фиг. 3), расположенная в пазухах ведущей рабочей шестерни 6, включает зубчатый венец 55 на полой ступице 8 входящий в зацепление с шестерней 56, закрепленной на выходном валу 28. Вал 28 установлен в подшипниках 57 и загерметизирован от внешнего пространства уплотнением 29;
- - - цилиндрическая передача внутреннего зацепления (Фиг. 4), расположенная в пазухах ведущей рабочей шестерни 6, включает зубчатый венец 58 на наибольшем радиусе диска 10 образующий эпициклическую шестерню и входящий в зацепление с шестерней 56, закрепленной так же на выходном валу 28. Вал 28 установлен в подшипниках 57 и загерметизирован от внешнего пространства уплотнением 29 аналогично вышерассмотренному случаю;
- - цилиндрическая зубчатая передача может быть размещена с наружной стороны торцовой крышки 3 (или 35) и соединена с полым ступицей 8 рабочей шестерни 6 (Фиг. 11, Фиг. 13, Фиг. 14, Фиг. 15). В этом случае полая ступица 8 ведущей рабочей шестерни 6 выполнена удлиненной, за счет чего зубчатый венец 55 смещается от герметизируемого рабочего пространства на более удаленное расстояние, чем в предыдущих вариантах. Вследствие этого конструктивного мероприятия приводная шестерня 56 вместе с валом 28 так же отдаляется от зоны герметизации. При этом один конец вала 28 закреплен в корпусе крышки 35, а для обеспечения необходимой жесткости удержания вала второй его конец размещается в дополнительной корпусной детали серьге 59, наворачиваемой на полую ось 20 (Фиг. 11). В конструкциях Фиг. 14, Фиг. 15 для серьги предусмотрено дополнительное крепление на корпус крышки 35.
Конструктивные варианты Фиг. 13, Фиг. 15 предусматривают выполнение ответной шестерни для зубчатого венца 55 в сопрягаемом с предлагаемым устройством узле.
- - коническая передача (Фиг. 5), расположенная так же в пазухах ведущей рабочей шестерни 6, включает зубчатый венец 60 на наибольшем радиусе диска 10 образующий коническую шестерню и входящий в зацепление с шестерней 61, закрепленной на выходном валу 62. Вал 62 установлен в подшипниках 57 и загерметизирован от внешнего пространства уплотнением 29;
- - планетарная передача выполнена с остановленным водилом (Фиг. 6), или с остановленной солнечной шестерней (Фиг. 7), или с механизмом изменения ее структуры (Фиг. 10, Фиг. 16):
- - - - планетарная передача с остановленным водилом (Фиг. 6) в роторной объемной машине располагается в пазухах ведущей рабочей шестерни 6 и содержит эпициклический венец 58 на периферии тыльной части ведущей рабочей шестерни 6, свободно вращающуюся на полой оси 20, солнечную шестерню 65, кинематически связанную через зубчатый венец 66 с зубчатым колесом 67, закрепленном на валу 28. На том же валу 28 установлен сателлит 68 с возможностью свободного вращения на нем. Другие сателлиты 68 установлены на вращающихся осях 69. Оси 69 и вал 28 установлены в подшипниках 70, причем вал 28 защищен от внешних загрязнений уплотнением 29, размещенным в крышке 71. Функцию остановленного водила выполняет корпус крышки 35;
- - - - планетарная передача с остановленной солнечной шестерней (Фиг. 7) в роторной объемной машине включает собственно солнечную шестерню 65, связанную неподвижно с корпусом крышки 35 через полый хвостовик 72, охватывающий концентрично полую ось 20. Водило этого конструктивного варианта передачи выполнено в виде обоймы 73, посаженной с возможностью вращения на хвостовик 72. Водило имеет зубчатый венец 74 и оси 69 с сателлитами 68. Оси 69 в отверстиях обоймы водила 73 установлены через подшипники 70, а его зубчатый венец 74 связан с шестерней 75, закрепленной на валу 28, имеющем уплотнение 29. Шестерня 75 может быть закрыта съемным кожухом 76;
- - - - планетарная передача с возможностью изменения ее структуры
(Фиг. 10, Фиг. 16) является совмещением двух вышеописанных конструктивных вариантов планетарных передач, преобразуемых в один с помощью механизма изменения структуры. Механизм изменения структуры позволяет получать два различных передаточных отношения (при остановленном водиле и при остановленной солнечной шестерне) при наличии одной и той же механической части. Дополнительным условием осуществления этой функции является установка зубчатых колес 67 и 75 на выходном валу 28 с помощью обгонных (или электромагнитных) муфт 77, 78;
- - - механизм изменения структуры планетарной передачи выполнен в виде электромагнитных муфт, одна из которых связывает корпус крышки 3 с водилом 73, а другая полую ось 20 ведущей шестерни 6 с солнечной шестерней 65 (Фиг. 10, Фиг. 16).
При этом ферромагнитный порошок, или ферромагнитная жидкость 80 размещены в канавках 81, 82, выполненных концентрично индуктивным катушкам 83, 84 и снабженных перегородками 85, 86.
Таким образом, электромагнитная муфта, связывающая полую ось 20 ведущей шестерни 6 с солнечной шестерней 65, выполнена в виде кольцевой полости 82 с внутренней стороны солнечной шестерни 65, с установленными в этой полости радиальными перегородками 85 и заполненной ферромагнитным порошком, или ферромагнитной жидкостью 80, а с внутренней стороны полой оси 20 в пределах кольцевой полости 82 установлен соленоид 84 с возможностью подключения к источнику электрического тока;
Электромагнитная муфта, связывающая водило 73 с корпусом торцовой крышки 3, выполнена в виде кольцевой полости 81 с наружной стороны водила, с установленными в этой полости радиальными перегородками 86 и заполненной ферромагнитным порошком, или ферромагнитной жидкостью 80, а с наружной стороны корпуса в пределах этой кольцевой полости установлен соленоид 83 с возможностью подключения к источнику электрического тока;
Вышерассмотренная конструкция может являться основой для создания и развития роторного двигателя внутреннего сгорания (в этом случае реализуется принцип обратимости объемных роторных машин). Для работы устройства в качестве ДВС к патрубку 18, расположенному в центральной части корпуса и размещенному в зоне максимального расхождения венцов 12, 13 зубьев через отверстие 31 полого вала 21 подведен топливопровод 87, соединенный с топливным баком 88 и дросселем 89 через насос 90 высокого давления. К одному из двух патрубков 18 или 19 на периферийной части этой же зоны подсоединен компрессор 91, а в зоне максимального схождения зубьев размещены запальные устройства. Запальное устройство выполнено в виде магнитов 92, 93, размещенных в торцовых крышках 2, 3 корпуса 1(или корпусах крышек 34, 35) в зоне максимального схождения зубьев (Фиг. 17), магнитов 94, размещенных в секциях 15 зубьев 14 рабочих шестерен 6, 7, а в каждом межзубовом интервале дисков 10, 11 рабочих шестерен 6,7 размещены катушки индуктивности 95 с выходом концов проводника в каждое межзубовое пространство с зазором между ними.
Крышки 2, 3, корпус 1, или корпуса крышек 34, 35, рабочие шестерни 6, 7, или их отдельные части изготавливаются или из металлов, или из полимеров, или из керамики, или из оптически прозрачного материала.
Устройство работает следующим образом:
1). При исполнении обечаек 23, 24 и 25, 26 в виде части тора, образующих в сечении зоны максимального схождения зубьев кольцо в виде окружности.
При вращении вала 28 вращается жестко посаженная на нем шестерня 56, которая вращает зубчатый венец 55, установленный на полой ступице 8 рабочей шестерни 6. Каждая отдельная секция 15 зубьев 14 (Фиг. 8, Фиг. 9, Фиг. 17) ведущей рабочей шестерни 6 входит в зацепление лицевыми поверхностями 16 (Фиг. 9) тех же секций 15 зубьев 14 ведомой рабочей шестерни 7 образуя между зубьями герметичные объемы в окружном направлении за счет контакта лицевых поверхностей и дублирования сопряжения лицевых поверхностей 16 в каждой секции 15 зуба 14 при постоянном поджатии от постоянных магнитов 94, размещенных в секциях 15 зубьев 14 рабочих шестерен 6, 7.
За счет того, что в радиальных направлениях эти объемы частично перекрыты обечайками 23, 24, 25, 26 и корпусом 1 (Фиг. 16) или крышками 34, 35 (Фиг. 3) с минимальными радиальным зазором сопрягаемыми с каждой секцией 15 зуба 14 обеспечивается полная герметичность межзубовых объемов.
На расходящемся участке зубьев 14 в межзубовом пространстве по мере вращения рабочих шестерен 6, 7 создается вакуумметрическое давление (разрежение), за счет которого из источника (хранилища, атмосферы) через канал 21 далее 18 рабочая среда поступает в межзубовые пространства и далее по мере вращения рабочих шестерен 6 и 7 на сходящемся участке рабочая среда обжимается за счет того, что поперечное сечение торового межзубового пространства уменьшается почти от двух площадей окружности до одной в зоне максимального сведения зубьев 14. Степень сжатия в этом случае может дополнительно регулироваться толщиной крайних секций 15 зацепляющихся групп секций (см. описание прототипа).
За счет приобретенного избыточного давления упругая рабочая среда удаляется через канал 19, размещенный со смещением от точки наибольшего совмещения зубьев 14 (венцов 12, 13) рабочих шестерен 6, 7.
В данном случае секционное исполнение зубьев, наличие обечаек существенно повышает герметизацию межзубовых объемов, причем, чтобы предотвратить переток на тыльные стороны обечаек в их кольцевых торцах имеются лабиринты в виде сопрягаемых выступов и впадин, которые имеют дальнейшее продолжение в уступе корпусных деталей (крышек 34, 35).
2). При выполнении обечаек 23; 25; 24; 26 сферическими (Фиг. 4).
В этом случае вращение вала 28 в подшипниках 57 и уплотнении 29, шестерни 56, жестко посаженной на валу 28, приводит во вращение в том же направлении эпициклический венец 58, расположенный с тыльной стороны рабочей шестерни 6, следовательно, вращается и сама рабочая шестерня 6. Зубья 14 рабочей шестерни 6 посредством их секций 15 лицевыми поверхностями 16 приводят в движение рабочую шестерню 7, воздействуя на такие же лицевые поверхности 16 таких же секций 15 таких же зубьев 14 этой ведомой рабочей шестерни 7. При этом сопряжение лицевых поверхностей 16 рабочих шестерен 6 и 7, а так же их поджим за счет взаимодействия постоянных магнитов 94 в секциях зубьев предусматривает полный и постоянный контакт ребра секции 15 по ответной лицевой линейчатой поверхности 16, что обеспечивает герметизацию стыка. Для большей степени и надежности герметизации зубья 14 поделены на секции 15 - несколько секций более тщательно герметизируют стык в окружном направлении. Таким образом, рабочий процесс полностью аналогичен вышеприведенному случаю (Фиг. 3), за исключением замены передачи внешнего зацепления на внутреннее. Сферические обечайки рассматриваемого случая так же обеспечивают герметизацию аналогично торовым и так же могут быть снабжены сопрягаемыми выступами 49 и впадинами 50 (Фиг. 3).
Вход в устройство газообразной рабочей среды может осуществляться через один из каналов 18 в периферийной части корпусной детали 35 (крышки), либо аналогичным вышеприведенному варианту образом - последовательно через каналы 31, 18. Выход после обжатия так же производится через каналы 19 и далее отверстие 30 полой оси 20.
Следует так же указать преимущества рассмотренных вариантов, заключающиеся в постепенном обжатии порции газа в межзубовом канале, захваченного в области максимального расхождения зубьев. Поэтому на каждом сопряжении зубьев 14 рабочих шестерен 6, 7 перепад давления минимален, следовательно, минимален и возможный переток через каждое их сопряжение.
3). При выполнении передачи конической, а обечаек более короткими (Фиг. 5) рабочий процесс происходит аналогично вышерассмотренным случаям - вал 62 в подшипниках 27 и уплотнении 29 вращает коническую шестерню 61 и она передает окружное движение рабочей шестерне 6, далее через зубья 14 рабочей шестерне 7. Последующее функционирование происходит так же аналогично вышерассмотренным случаям (Фиг. 3, Фиг. 4) за исключением того, что обечайки 23; 25; 24; 26 в этом случае более узкие и в области максимального схождения зубьев 14 они (обечайки) не контактируют лабиринтными уплотнениями, образованными сопрягающимися выступом 49 и впадиной 50 (Фиг. 3.) Контакт сопрягаемой поверхности на торце каждой обечайки будет осуществляться только с уступами в корпусных деталях 34, 35, или в корпусе 1 (Фиг. 16). Этот факт может быть причиной еще большей герметизации межзубовых объемов в радиальных направлениях.
К тому же в этих разрывах имеется возможность подводить на корпусе коммуникации в точке максимального схождения зубьев (каналы 18, 19 Фиг. 5).
Совместное вращение рабочих шестерен 6 и 7 в области максимального расхождения зубьев наполняет межзубовые объемы через входные каналы (на Фиг. 5 не показаны) рабочей средой, далее по мере вращения они обжимаются и в области максимального сведения зубьев 14 через каналы 18 или 19 под давлением среда покидает устройство.
4). При выполнении передачи планетарной с остановленным водилом (Фиг. 6), а сферической обечайки только на одной рабочей шестерне (7), так же принципиально ничего не меняется. Вал 28, установленный в подшипниках 70 и уплотнении 29, вращает зубчатое колесо 67. Зубчатое колесо 67 вращает венец 66 ступицы солнечной шестерни 65. Сама же солнечная шестерня 65, посаженная на полой оси 20 воздействует на сателлиты 68, посаженные на осях 69 и продолжении вала 28, используемого на этом участке в качестве оси. Сателлиты 68 при этом передают вращение эпициклическому венцу 58 (на Фиг. 4) рабочей шестерни 6. Рабочая шестерня 6, взаимодействуя секциями 15 зубьев 14 и с такими же секциями 15 зубьев 14 ведомой рабочей шестерни, 7 передает ей вращение. Герметичность зацепления обеспечивается, как за счет секционного исполнения зубьев 14, так и за счет их поджатия от взаимодействия постоянных магнитов 94, интегрированных в эти секции 15.
Совместное вращение рабочих шестерен 6 и 7 в области максимального расхождения зубьев наполняет межзубовые объемы через входные каналы 19 рабочей средой, далее по мере вращения они обжимаются за счет взаимного наклона осей вращения и в области максимального сведения зубьев 14 через каналы 18, или через один из них под давлением или сбрасывается в атмосферу (в режиме работы вакуум насоса), или подается в сеть (в режиме работы компрессора).
Ширины обечаек 24, 25 могут быть равными ширине зубчатого венца 13, тогда периферийные выходные отверстия необходимо выполнять или до, или после точки максимального сведения зубьев. Если ширина обечаек 24, 25 будет меньше ширины венца 13, то в массивах корпусных деталей 22 и 35 можно разместить отводные каналы 18 (как центральные, так и периферийные) в точке максимального сведения зубьев.
5). Привод от двигателя на ведущую рабочую шестерню в этом случае так же осуществляется через передачу, в данном случае планетарную с остановленной солнечной шестерней.
При выполнении планетарной передачи (Фиг. 7) с остановленной солнечной шестерней 65 и обечайками по всей ширине венца с минимальным радиальным зазором у одноименных обечаек, когда меньшая по диаметру обечайка 25 наружной пары (Фиг. 7) и большая 26 (Фиг. 8, Фиг. 9) по диаметру обечайка внутренней пары имеют за своими секциями 15 зубьев 14 прорези под секции 15 зубьев 14 другой рабочей шестерни 7. В этом случае изменяется передаточное отношение к вышеперечисленным типам передач и повышается степень герметизации межзубовых объемов.
В этом устройстве при вращении вала 28 вращается жестко посаженная на нем шестерня 75, которая приводит во вращение зубчатый венец 74 и само водило 73. Закрепленные на водиле 73 сателлиты 68 с возможностью вращения на осях 69, установленных в подшипниках 70, обкатываются по зубчатому венцу неподвижной солнечной шестерни 65 вращают в том же направлении венец 58 эпициклической шестерни и далее саму рабочую шестерню 6.
Вращение рабочей шестерни 6 также, как и вышеприведенных случаях, через взаимодействие секций 15 зубьев 14 вращает рабочую шестерню 7, расположенную под углом 0 к ведущей 6. Относительный наклон осей вращения рабочих шестерен 6 и 7 обуславливает изменение расстояние между дисков 10, 11 в осевом направлении при их совместном вращении.
При нахождении межзубового объема в зоне максимального расхождения зубьев (Фиг. 7) в него через канал 31 полой оси 21, далее канал 18 подается рабочая среда. По мере поворота рабочих шестерен 6 и 7 уменьшается высота межзубового объема в осевом направлении и конечно его объем. Упругая рабочая среда обжимается, повышается ее давление.
Для предупреждения объемных утечек в конструкции предусмотрены сопрягаемые обечайки 23, 25 (Фиг. 7), 24, 26 (Фиг. 8), которые закрывают межзубовые объемы в радиальных направлениях. В данном случае имеет место герметизация двух сопрягаемых обечаек 23, 25 с малой относительной подвижностью и интенсивно подвижных обечаек 24, 26 (Фиг. 8) с неподвижным корпусом 1(Фиг. 17), или крышками 34, 35 (Фиг. 7). Для предотвращения утыкания секций 15 зубьев 14 рабочей шестерни 6 с внутренними обечайками 25 (Фиг. 7) и 26 (Фиг. 8) рабочей шестерни 7 перед секциями 15 зубьев 14 выполнены вырезы (Фиг. 8 и Фиг. 9). Эти вырезы в незначительной степени снижают герметичность за счет зон g (Фиг. 9) малоподвижного стыка сопрягающихся обечаек.
В зоне максимального обжатия межзубовых объемов рабочая среда вытесняется через канал 19 и далее отверстие 30 полой оси 20 в атмосферу или пневмосистему. Следует отметить, что на Фиг. 7 данный вид сопряжения показан только по внешним обечайкам 23 и 24.
6). Выполнение передачи планетарной с возможностью изменения структуры, а одну из обечаек, охватывающую зубчатый венец частично и другую, охватывающую зубчатый венец по всей ширине с выборкой четверти со стороны венца под размещение первой с минимальным радиальным зазором и образованием герметизирующего лабиринта, позволяет менять скорость вращения рабочих шестерен 6, 7, то есть менять подачу и напор нагнетателя, причем, с обеспечением более высокой степени герметичности межзубового пространства (Фиг. 10).
В этом случае возможны два дискретных варианта, при альтернативном включении катушек 83 и 84.
При подключении катушки 83 к источнику постоянного тока ферромагнитный порошок 80 (или магнитореалогическая жидкость) удерживается магнитным полем и создает структуру делатантной жидкости, что удерживает ребра 86 водила 73 в неподвижном состоянии. Далее вращение вала 28 обгонной муфты 77 вращает шестерню 67, которая в свою очередь вращает солнечную шестерню 65 через ее зубчатый венец 66. Сама солнечная шестерня 65 вращает сателлиты 68, установленные на неподвижных осях 69 остановленного водила 73 через подшипники 70. Вращение сателлитов 68 относительно неподвижных осей 69 и водила 73 приводит во вращение эпициклический венец 58, связанный с рабочей шестерней 6, которая вращается в том же направлении.
Шестерня 75 в этом случае остается неподвижной, поскольку она так же как и шестерня 67 установлена на обгонной муфте 78 с противоположным направлением передачи момента.
При альтернативном подключении катушки 84 к источнику постоянного тока ферромагнитный порошок 80 магнитореалогичекой жидкости удерживается магнитным полем и так же создает структуру делатантной жидкости, что удерживает ребра 85, а значит и солнечную шестерню в неподвижном состоянии.
Далее вращение вала 28 (в противоположную сторону относительно вышерассмотренного случая) отключает обгонную муфту 77 и через другую обгонную муфту 78 передает вращение на шестерню 75 и далее на зубчатый венец 74 водила 73. В этом случае оси 69 движутся по окружности вместе с вращающимся водилом 73 заставляя за счет обкатывания по неподвижной солнечной шестерне 65 вращается сателлиты 68. В итоге сателлиты 68 дают вращение через эпициклический венец 58 рабочей шестерне 6, причем со скоростью, складывающейся из скорости собственного вращения сателлитов 68 и скорости их обкатывания по солнечной шестерне 65.
При снижении напряжения электропитания на катушках 85 и 84 удерживаемые каждой из них звенья:
- или водило 73;
- или солнечная шестерня 65 (хвостовик 72)
будут частично проскальзывать по направлению действия реакции, что приведет к изменению передаточного отношения в обоих случаях.
При подаче переменного тока оно создает вокруг катушек 83 или 84 вихревое магнитное поле, которое за счет ребер 85 или 86 и магнитного материала порошка 80 принудительно приведет в движение либо водило 73, либо хвостовик 72 солнечной шестерни 65 (значит и саму солнечную шестерню) в движение против направления действия нагрузки.
Это обстоятельство увеличит передаточное отношение зубчатой планетарной передачи. В двух последних случаях эта планетарная передача становится дифференциалом, в котором на выходе два входных движения либо складываются, либо вычитаются.
Однако, в рассматриваемом случае с использованием обгонных муфт 77, 78 может быть реализована лишь часть вышеуказанных возможностей. Для более полного использования ресурсов данной конструкции привода (в соответствии с вышеизложенном повествованием) можно также обгонные муфты 77, 78 заменить на электромагнитные.
Функционирование рабочего органа устройства, включающего две аксиально установленные рабочие шестерни 6, 7 и корпус происходит аналогично вышерассмотренным конструктивным вариантам. Однако указанное выполнение обечаек (Фиг. 10) в еще большей степени повышает герметичность каждого межзубового пространства в радиальных направлениях за счет того, что короткая обечайка сопрягается с вырезом в виде четверти (в сечении максимального сведения зубьев). На других угловых величинах входа короткой обечайки в четверть большой меньше, следовательно, и запирающая способность этого сопряжения снижается по мере приближения межзубового объема к зоне максимального расхождения зубьев. Это мероприятие все же целесообразно, поскольку распределение степени уплотнения по окружности корпуса соответствует распределению величин давления в межзубовых объемов по их местоположению, а сопряжение «в четверть», образующее лабиринт, удовлетворительно запирает межзубовый объем, особенно при наличии дополнительного сопряжения выступов 49 и впадин 50 на кольцевых торцах обечаек 6, 7.
7). Выполнение большой 36 и малой 37 обечаек, ограничивающих зубчатый венец 13, на одной из рабочих шестерен 7 с полным или частичным охватом обоих венцов 12, 13 в зоне минимального сведения зубьев и проникновением в корпус 35 по сферической прорези 38, 39 с минимальными радиальными зазорами в зоне максимального сведения зубьев 14 дает возможность, как полностью отгородить рабочее пространство от частей 34, 35 корпуса (и со стороны внутреннего радиуса венца и с внешней стороны), так и обеспечивать сообщение части корпуса с рабочим пространством, например для подвода коммуникаций 18, 19 (Фиг. 11, при выполнении малой обечайки 37 меньшей ширины венца 13). Вынесение механизма передачи из внутреннего пространства упрощает конструкцию (Фиг. 11, Фиг. 13) обеспечивает более легкий доступ к зубчатой паре, уменьшает объем внутреннего пространства за счет исключения объема, занимаемого передачей. В этом случае сокращаются паразитные движения рабочей среды.
В этом случае при вращении вала 28, размещенном в соосных отверстиях корпуса крышки 35 и дополнительной корпусной детали серьге 59 вращается жестко установленная на нем шестерня 56. Шестерня 56 вращает зубчатый венец 55, вместе с ним полую ступицу 8, далее диск 10 рабочей шестерни 6, следовательно, и саму рабочую шестерню 6.
Вращение рабочей шестерни 6 также, как и вышеприведенных случаях, через взаимодействие секций 15 зубьев 14 вращает рабочую шестерню 7, расположенную под углом θ к ведущей 6. Относительный наклон осей вращения рабочих шестерен 6 и 7 обуславливает изменение расстояния между дисков 10, 11 в осевом направлении при их совместном вращении.
При нахождении межзубового объема в зоне максимального расхождения зубьев (Фиг. 11) в него через канал 30 полой оси 20, далее канал 19 подается рабочая среда (при условии внутренней обечайки более узкой, чем ширина венца). По мере поворота рабочих шестерен 6 и 7 уменьшается высота межзубового объема в осевом направлении и конечно его объем. Упругая рабочая среда обжимается, повышается ее давление и далее она через канал 18, подведенный к области максимального схождения зубьев покидает устройство.
Для предупреждения объемных утечек или их существенного снижения в конструкции предусмотрены большая 36 и малая 37 обечайки, ограничивающие зубчатый венец 13, на одной из рабочих шестерен 7 с полным или частичным охватом обоих венцов 12, 13 в зоне минимального сведения зубьев и проникновением в корпус 35 по сферической прорези 38, 39 с минимальными радиальными зазорами зоне максимального сведения зубьев. В этом случае секции 15 зубьев 14 рабочей шестерни 7 выполнены зацело с большой 36 и малой 37 обечайками, следовательно, утечки исключены. Секции 15 зубьев 14 рабочей шестерни 6 находятся в подвижном сопряжении с обечайками 36, 37 рабочей шестерни 7. При этом при переходе зубьев 14, по мере вращения рабочих шестерен 6, 7, из положения минимального сведения в положение их полного совмещения секции 15 каждого зуба 14 рабочей шестерни 6, не снабженной обечайкой, совершает небольшое, равное ширине венца, перемещение в осевом направлении вдоль обечаек 36, 37 второй рабочей шестерни 7. Скорость этого перемещения значительно меньше окружной скорости вращения зубьев 14, примерно в π×D/b раз, что позволяет использовать надежное контактное уплотнение 51 (Фиг. 11, Фиг. 12) между межзубовыми каналами, то есть в зазорах между зубом 14 или его элементами 15 и обечайками 36, 37 второй рабочей шестерни 37 (либо выполнить канавки с внутренней стороны обечаек под уширенные зубья или их элементы).
Для лучшей герметизации пазух рабочей шестерни 6, не имеющей в этом варианте обечаек, с тыльной стороны зубчатого венца 12 она также снабжается сферической обечайкой 40, сопрягаемой с внутренней поверхностью обечайки 36, охватывающей венец 12. Между обечайками 36, 40 могут быть установлены пружинные кольца 41, аналогичные поршневым в традиционных ДВС, или резиновые жгутики 42 в канавках (Фиг. 13).
Сферические прорези 38, 39 в этом случае с помещенными в них с минимальными радиальными зазорами сферическими обечайками 36, 37 являются дополнительными элементами уплотнения, особенно в положениях межзубового канала в области максимальной степени сжатия (области максимального схождения зубьев).
Для достижения дополнительной более надежной герметизации пазух рабочей шестерни 6, не имеющей в рассматриваемой конструкции устройства периферийной обечайки, от рабочего межзубового объема является целесообразным на меньших радиусах ее тыльного торца установить одну или несколько цилиндрических обечаек 43, входящих в скользящее сопряжение с канавками 44 корпусной детали 35 (Фиг. 11). Дополнительный лабиринт увеличит в еще большей степени гидравлические сопротивления перетоку в центростремительных направлениях.
8). Однако, конструкция устройства с подачей рабочей среды только в области максимального расхождения зубьев (Фиг. 14, Фиг. 11 при условии выполнения обечаек меньшей ширины венца) является функциональной и полезной лишь в узком диапазоне практических вариантов, например, в виде роторного ДВС, да и то с использованием лишь самовоспламеняющейся от давления рабочей смеси, или при бесконтактном способе воспламенения. Такое ограничение вызвано тем, что вращающиеся сферические обечайки препятствуют доступу через каналы в центральной части корпуса к рабочему межзубовому пространству в зоне максимального сведения зубьев, поскольку для того, чтобы обеспечить к нему доступ, например, внутреннюю обечайку следует сделать чрезмерно узкой. Но это мероприятие обнажит от экранирования этой обечайкой значительную часть рабочего пространства в зоне максимального расхождения и рассматриваемая схема герметизации рабочего пространства может потерять все свои преимущества.
Для преодоления этого недостатка обечайка с внутренней стороны венца выполнена общей для обоих венцов в виде подвижно сопрягаемого с венцами сферического кольца, установленного с возможностью вращения в наклонной канавке части корпуса, расположенной между центральными частями рабочих шестерен, и образованием зоны, свободной от перекрытия им венца в направлении максимального сведения зубьев.
В таком варианте исполнения роторной объемной машины (Фиг. 13) рабочая среда входит в отверстие 31, далее отверстие 18 в область максимального расхождения зубьев и заполняет межзубовое пространство. По мере вращения рабочих шестерен 6 и 7 за счет уменьшения межзубового объема от сокращения его размера в осевом направлении в нем повышается давление и при достижении каждым таким межзубовым объемом положения, соответствующего максимальному схождению зубьев, сжатая рабочая среда покидает межзубовый объем через канал 19 и далее отверстие 30.
Система герметизации по наибольшей обечайке аналогична вышерассмотренному конструктивному варианту (Фиг. 11). Система герметизации по малой обечайке обеспечивается сферическим кольцом 45, вращающимся в кольцевой канавке 47. Это сферическое кольцо 45 вращается вместе с зубчатыми венцами 12, 13 при скольжении в неподвижной канавке 47. По торцам кольца 45 оно ограничивается стенками p и q канавки 47. Минимальный радиальный зазор между дном канавки 47 и внутренней поверхностью кольца 45, а так же заполнение его смазкой обеспечивают достаточную герметизацию межзубовых объемов в окружном и радиальном направлениях. Плотное прилегание и консистентная смазка внутренних поверхностей зубчатых венцов 12, 13 к наружной поверхности сферического кольца 45 так же препятствует объемным потерям между межзубовых пространств по окружному направлению. Между секциями зубьев 15 и наружными поверхностями сферического кольца 45 имеет место скольжение в осевом направлении, однако оно по сравнению с предотвращенным окружным незначительно. Дополнительную плотность сопряжения оказывает контактное уплотнение 51 (Фиг. 11). В образовавшиеся разрывы в периферийной центральной части корпуса 22 от сферического кольца 45 подведены коммуникации 18, 19.
Для приведения в действие рабочих шестерен 6,7 привод производится от шестерни вала мотора (на фиг. не показан) на зубчатый венец 55 полого хвостовика 8, установленного на полой оси 20 через подшипники 52. Дальнейшая передача вращения с рабочей шестерни 6 на рабочую шестерню 7 осуществляется за счет взаимодействия их секций 15 зубьев 14. Передние и задние поверхности секций зубьев находятся в контакте, и их профиль выполнен из условия постоянства касания при совместном провороте рабочих шестерен, а их прижим осуществляется за счет взаимодействия постоянных магнитов 94, интегрированных в каждую секцию 15 зубьев 14.
9). В конструктивном варианте, предусматривающем (Фиг. 4) исполнение средней части корпуса, расположенной между центральными областями рабочих шестерен 6, 7, в виде подвижной детали 48, но так же сферической формы может снизить мощность холостого хода (механические потери на трение).
Передача механического движения в этой конструкции происходит с полной аналогией случаю 7 (Фиг. 11): вал 28 - шестерня 56 - зубчатый венец 55 - полый хвостовик 8 - диск 10 - рабочая шестерня 6. Вследствие того, что деталь сферической формы стала подвижной, коммуникации в этом случае имеется возможность подключить только с наружной стороны венца 12. Ширина обечайки 36 выполняется уменьшенной для обеспечения окон к рабочему пространству шестерен 6, 7 (межзубовым объемам). Через одно из таких окон, а ранее через отверстие 18 корпусной детали 35 рабочая среда подается в межзубовые пространства зубчатых венцов 12, 13. По мере вращения шестерни 6 вращается за счет взаимного зацепления секций 15 зубьев 14 и рабочая шестерня 7. Каждый межзубовый объем при переходе в область максимального сведения зубьев рабочих шестерен 6 и 7 обжимаются с возрастанием давления рабочей среды, за счет которого она через окно между обечайкой 36 и диском 10 и далее через выходное отверстие в корпусной детали 35 (на фиг. 14 не показано) покидает устройство.
Рассматриваемая схема герметизации межзубовых объемов незначительно уступает предыдущим конструктивным вариантам (Фиг. 11, Фиг. 13) на периферии, однако имеет преимущества в уменьшении трения секций 15 зубьев 14 на внутреннем диаметре венцов 12, 13. Этот выигрыш обеспечивается за счет снижения их относительных перемещений, поскольку центральная деталь 48 вращается в окружном направлении вместе с рабочими шестернями 6, 7.
10). Другим вариантом подвижного исполнения центральной части 48 является изготовление ее совместно с одной из рабочих шестерен (в рассматриваемом случае 7). Такая конструкция, хотя и при подвижной средней части (Фиг. 15), все же позволяет проложить в ней коммуникационный канал 19, переходящий далее в выходные отверстия 30 и 31 в полых осях 20 и 21.
Выходной канал 19 в рассматриваемой конструкции образован меридиональными канавками в сферической центральной части, расположенных в каждом из межзубовых пространств и радиальной канавкой на торце неподвижной полой оси 20, расположенной в зоне максимального сведения зубьев. За счет излома осей вращения рабочих шестерен 6 и 7 каждая из вращающихся меридиональных межзубовых канавок совмещается с неподвижной торцовой канавкой на неподвижной оси 20 лишь в зоне максимального сведения зубьев, обеспечивая в этом случае разгрузку указанного объема (в режиме компрессора) или его заполнение (в режиме вакуумнасоса) рабочей средой.
Другой канал 18 (например, в подводящем качестве) образован радиальным отверстием 0 в сферической обечайке 36 в каждом межзубовом объеме и соосным отверстием в корпусной детали 35, сообщенным с окружной по отношению к оси вращения рабочей шестерни 6, канавкой в области максимального расхождения зубьев.
В этом случае совпадение отверстия ∅ с окружной в корпусе 35 канавкой обеспечивает заполнение межзубового пространства рабочих шестерен 6, 7 рабочей средой. При окружном перемещении межзубового пространства в область максимального сведения зубьев рабочая среда обжимается и покидает это пространство за счет разности давлений через канал 19, образованный совпадением меридиональных канавок центральной сферы с радиальной канавкой на торце оси 20. Далее рабочая среда попадает в отверстие 30 полой оси 20 и (или) отверстие 31 полой оси 21 и покидает устройство. Привод работает идентично вышерассмотренным случаям (Фиг. 11, Фиг. 13, Фиг. 14).
11). Для преобразования исходного устройства (Фиг. 16, Фиг. 17) в двигатель внутреннего сгорания в нем следует произвести следующие мероприятия:
- в области максимального расхождения зубьев на периферии корпуса 1 (Фиг. 16, Фиг. 17) вдоль окружного направления имеется ряд отверстий 19, одна группа этих отверстий наклонена под острым углом к внешней поверхности зубчатых венцов в меридиональной плоскости, а последующая группа отверстий по ходу вращения рабочих шестерен 6, 7 под тупым углом;
- - ко второй по ходу вращения рабочих шестерен 6, 7 группе отверстий 19 подсоединен компрессор 91;
- - в области максимального расхождения зубьев к малому диаметру зубчатых венцов в центральном корпусном элементе 22, расположенном между центральными частями рабочих шестерен 6, 7, установлен подводящий канал 18, сообщенный с отверстием 31 полой оси 21, и далее с компрессором 90 и емкостью 88 с жидким топливом и краном 89, регулирующим соотношением воздуха и топлива в подводящем тракте;
- в области максимального схождения зубьев в крышках 2 и 3 (Фиг. 16) установлены либо постоянные, либо электромагниты;
- в дисках 10, 11 между зубьями 14 замурованы катушки провода с выводами, выходящими в межзубовое пространство с образованием между ними зазора.
Роторная объемная машина в качестве двигателя внутреннего сгорания работает следующим образом:
При достижении после предыдущего рабочего цикла межзубовым пространством первой группы отверстий 19 в области максимального расхождения зубьев часть продуктов сгорания за счет избыточного давления покидает межзубовый объем. По мере дальнейшего движения рабочих шестерен 6, 7 межзубовое пространство перекрывает вторую группу отверстий 19, через которую вентилирующий поток от компрессора 91 под дополнительным избыточным давлением, входя тангенциально, вытесняет оставшийся дым. Тангенциальные вход и выход потоков снижает их перемешивание и способствует более полному и организованному вытеснению продуктов сгорания.
Компрессор 90 по трубопроводу 87 непрерывно засасывает из атмосферы и нагнетает в отверстие 31 воздух. При этом расход воздуха может регулироваться либо частотой циклов компрессора, либо краном 89, а из емкости 88 поступает в этот воздушный поток углеводородное жидкое (или пылеобразное твердое, или газообразное) топливо и смешивается с ним. Из отверстия 31 топливо-воздушная смесь по каналу 18 поступает в межзубовое пространство зубчатых венцов 12, 13, ограниченное в окружном направлении зацепляющимися секциями 15 зубьев 14, в радиальных обечайками 23, 24, 25, 26, в осевых дисками 10, 11 рабочих шестерен 6, 7.
По ходу дальнейшего вращения рабочих шестерен 6, 7 вторая пара взаимодействующих зубьев 14 межзубового пространства проходит первую группу отверстий 19 и компрессор 91 подает атмосферный воздух (или иной газ) через вторую группу отверстий 19 в уже замкнутый объем под повышенным давлением (Фиг. 17). В этот же момент в замкнутый межзубовый объем подается так же и топливный заряд через каналы 18, 31 от компрессора 90.
Дальнейшее вращение рабочих шестерен 6, 7 перемещает межзубовый объем из области максимального расхождения зубьев 14 (и их секций 15) в область максимального их схождения с уменьшением его объема за счет уменьшения размера в осевом направлении.
Уменьшение объема может повышать давление топливной смеси в межзубовом объеме до требуемой степени сжатия за счет дополнения зубьев приливами-вытеснителями (см. прототип). Вместе с межзубовом объемом вращается катушка индуктивности 95. При вхождении катушки индуктивности 95 в магнитное поле магнитов 92, 93, размещенных, или в крышках 2, 3, или половинах корпуса 34, 35 в секторе минимального осевого размера в каждом из витков наводится ЭДС, создающая на концах разомкнутой обмотки напряжение [см. КАБАРДИН О.Ф. Физика, Справочные материалы, Москва, Просвещение, 1991, с. 196-197]
U=2 n V В l,
где
n - число витков провода в катушке;
V - линейная скорость вхождения катушки в магнитное поле, м/с;
В - индукция магнитного поля от постоянных неподвижных магнитов 92, 93, Тл;
L - длина подвижного проводника в пределах магнитного поля (l ≈ половине длины контура катушки, м).
В результате чего на выходных контактах создается электрическое напряжение и электрический разряд. При этом, вначале в магнитное поле входит первая половина контура катушки индуктивности 95 и по мере увеличения индукции за счет приближения ее к постоянным магнитам 92, 93 в ней организуется электрический ток одного направления. После преодоления этой частью катушки индуктивности 95зоны максимальной индукции, в ней создается электрический индукционный ток противоположного направления. Целесообразно катушки выполнять таких размеров, что бы они обеспечивали вхождение второй части контура после полного выхода из магнитного поля постоянных магнитов 92, 93 первой части контура. То есть, электрический ток в этом случае переменный.
Причем, вышерассмотренная группа неподвижных магнитов 92, 93 работает в сочетании с подвижными магнитами 94, закрепленными на сопрягаемых лопастях 12, 13 для их взаимного прижатия с целью герметизации.
Взаимодействие полей неподвижных и подвижных магнитов обуславливает глубокую неравномерность индукции (напряженности), что многократно увеличивает локальную величину индуктивности суммарного магнитного поля и ее градиента, а значит напряжение на концах разомкнутой обмотки (≈ 1000В) и гарантию электрического разряда за счет интенсивной ионизации газовой смеси.
Процесс интенсивной ионизации газовой смеси под действием постоянного или переменного электрического поля происходит при достижении им некоторой критической величины напряженности. В этом случае «затравочный» свободный электрон под действием поля набирает энергию, достаточную для ионизации атома, и, вовлекая далее в процесс ионизации газовой смеси все новые и новые поколения электронов, а это порождает электронную лавину, создавая искру.
Искра от электрического разряда воспламеняет топливный заряд в межзубовом пространстве, увеличивает его объем от сгорания топлива и повышает температуру газа, что в свою очередь, многократно повышает давление.
После преодоления «нижней мертвой точки» межзубовый объем приобретает конфигурацию, когда проекция площади поверхности первой зубчатой пары в окружном направлении становится больше аналогичной характеристики последующей пары зацепляющихся зубьев (см. прототип). Разность площадей в произведении на давление в межзубовом объеме дает окружное усилие и момент на хвостовике 8 рабочей шестерни 6.
Таким образом, в каждом межзубовом пространстве создаются окружные моменты на зубчатые венцы 12 и 13. Величина давления в межзубовых пространствах снижается по мере приближения их к «верхней мертвой точке» за счет увеличения объема этого пространства, значит и вклад в результирующий окружной момент каждого межзубового объема разный.
Суммарный окружной момент приводит в движение рабочие шестерни 6, 7, а так же передается и на эпициклический венец.
Далее характер передачи движения определяется схемой настройки планетарного редуктора:
- настройка планетарного редуктора с остановленным водилом 73 (при включении соленоида 83). В этом случае оси сателлитов 69 в окружном направлении являются неподвижными, сами сателлиты 68 вращаются относительно закрепленных в подшипниках 70 осей и передает движение на зубчатый венец 65 солнечной шестерни. Вместе с солнечной шестерней с той же угловой скоростью вращается шестерня 66 и далее шестерня 67, которая при срабатывании ее обгонной муфты 77 вращает вал 28 в том же направлении, что и зубчатые венцы 12, 13. Шестерня 75 в этом случае не связана с валом 28, так как ее обгонная муфта 78 в этом направлении не передает момент.
- настройка планетарного редуктора с остановленной солнечной шестерней 65 (при включении соленоида 84) предполагает перекатывание сателлита 68 по неподвижному зубчатому венцу солнечной шестерни 65 от вращения эпициклического зубчатого венца 58 рабочей шестерни 6.
В этом случае водило 73 будет вращаться в том же направлении, что и рабочая шестерня 6 (зубчатые венцы 12, 13), но медленнее. Водило так же, имеет зубчатый венец 74, который вращает шестерню 75, а эта шестерня 75 вращает вал 28 в направлении противоположном направлению вращения зубчатых венцов 12, 13. Шестерня 67 в этом случае не связана с валом 28, так как ее обгонная муфта 77 в этом направлении не передает момент.
Следует заметить, что использование муфт 83, 84 возможно в режиме неполной фиксации, что позволяет изменять передаточное отношение редуктора непрерывным способом в меньшую сторону.
Режим создания соленоидами 83, 84 вихревого поля переводит планетарный редуктор в дифференциальный, что позволяет как понизить, так и повысить частоту вращения выходного вала 28. Причем, при совместном регулировании движения эпициклической и солнечной шестерней могут быть достигнуты еще и дополнительные способности.
Предлагаемое техническое решение является прогрессивным и своевременным для развития конструкций гибридных приводов (например, в автомобилестроении), предполагающих ротацию мощности углеводородного и электрического происхождения при наиболее целесообразной реализации каждого из этих видов по условиям функционирования.
Причем компактность предлагаемого устройства дает возможность использовать его в виде мотор-колес для автомобилей, что так же позволяет увеличить полезный объем автомобиля, повысить его надежность за счет дублирования привода путем установки его на каждое колесо, повысить экономичность этих автомобилей за счет повышенного к.п.д. данного вида силовой установки.
Кроме того, компактность и малый вес установки предполагает ее использование в нетрадиционных сферах применения, например, в активных шасси авиационных аппаратов, что позволяет значительно снизить энергоемкость взлетных этапов полетов и сократить этим затраты топлива.
Наиболее целесообразным направлением использования предлагаемого устройства является их применение в малогабаритных роботизированных транспортных системах - дронах за счет их компактности и экономичности рабочего процесса. В этом случае продолжительность полетов, плаваний, перемещений по суше могут быть значительно повышены.
При системном подходе к проектированию и изготовлению роторных объемных машин имеется возможность значительно снизить себестоимость производства этих устройств для различного назначения - вакуумнасосы, компрессоры, водокольцевые насосы, роторные ДВС, силовые узлы доильных установок и т.д., а также в еще большей степени снижаются затраты на производство за счет создания типоразмерных рядов, проведения унификации групп деталей. Низкая стоимость рассматриваемого объекта способствует расширению его области применения - медицина, пищевые производства, быт, нефтегазовый сектор ит.д.
Значительным ресурсом интенсификации выпуска таких изделий, содержащих детали со сложной геометрией являются бурно развивающиеся технологии 3D-печати на машиностроительных принтерах, причем круглосуточно и без присутствия человека.
В итоге можно так же предположить, что в результате общего развития промышленности спрос на предлагаемые изделия обозначен, как необходимостью совершенствовать существующие технологические процессы и изделия, а также и необходимостью и создавать новые технологии и изделия, в том числе на новых принципах действия. Более совершенные устройства в этом случае актуальны, как никогда.