Сопряженные роторы
Сопряженные роторы могут быть использованы в жидкоструйных насосах, вакуумных насосах, в гидро- или пневмодвигателях, а также в роторных двигателях внутреннего сгорания. Вдоль внешних окружностей сопряженных роторов расположены эвольвентные зубья 5, рабочие зубья 4 и соответствующие им впадины 3, входящие в зацепление друг с другом при вращении роторов. Форма рабочих зубьев 4 и впадин 3 определяется согласно особым расчетным формулам. При вращении роторов рабочий зуб 4 входит в зацепление с сопряженной с ним впадиной 3. При этом характеристики их равномерного вращения по окружности совпадают с характеристиками вращения эвольвентного зуба 5, что обеспечивает равномерность скорости вращения. 2 табл. 12 ил.
Настоящее изобретение относится к паре сопряженных роторов.
Сопряженные роторы могут быть применены в жидкоструйных насосах, вакуумных насосах и/или в гидро- или пневмодвигателях, а также в роторных двигателях внутреннего сгорания. Существующие шестеренчатые насосы конструктивно состоят из пары зубчатых колес, называемых роторами, которые находятся в зацеплении друг с другом и вращаются внутри кожуха. Такого рода насосы закачивают или выкачивают жидкость через полость не является сплошной, ее емкость недостаточно велика, а между зацепленными зубьями всегда остается какое-то количество сжатой жидкости, шестеренчатый насос не пригоден для перекачивания газа. В заявке на роторный двигатель внутреннего сгорания (WO90/02888, кл. F 16 F 9/02, 1991) раскрыт ротор, применяемый в роторном двигателе внутреннего сгорания. Такой ротор, однако, не снабжен эвольвентными зубьями, входящими в зацепление при вращении зубчатых колес, а в самой заявке не приведена расчетная формула, описывающая форму рабочего зуба и соответствующей ему впадины. В германской заявке N DT 2330992, кл. F 01 C 1/14, 1975 раскрыт ротор, снабженный эвольвентными зубьями, входящими в зацепление при вращении зубчатых колес, рабочим зубом и взаимодействующей с ним впадиной. Однако подобно международной заявке, в ней не приведена расчетная формула, описывающая форму рабочего зуба и соответствующей ему впадины. В ней также не содержится подробной информации о конструкции рабочего зуба и впадины. Кроме того при их зацеплении друг с другом не обеспечивается равномерность скорости вращения. Технической задачей настоящего изобретения является создание пары взаимодействующих роторов, вдоль внешних окружностей которых расположены эвольвентные зубья, рабочие зубья и соответствующие впадины, входящие в зацепление друг с другом при вращении роторов, а форма зубьев и впадин определяется согласно особым расчетным формулам, когда при вращении роторов рабочий зуб входит в зацепление с сопряженной с ним впадиной, при этом характеристика их равномерного вращения по окружности совпадает с характеристиками вращения эвольвентного зуба, чем достигается равномерность скорости вращения. Указанная задача достигается тем, что сопряженные роторы, состоящие из взаимодействующих друг с другом и вращающихся внутри кожуха рабочего колеса и колеса, сопряженного с ним, вдоль внешних окружностей которых выполнены эвольвентные зубья и впадины между ними, при этом вдоль внешних окружностей рабочего колеса также выполнены рабочие зубья, а на другом колесе - впадины, сопряженные с рабочими зубьями рабочего колеса, высота рабочего зуба выполнена превышающей высоту эвольвентного зуба, а глубина указанной сопряженной впадины между зубьями выполнена превышающей глубины впадины между эвольвентными зубьями, форма рабочего зуба задана следующей параметрической зависимостью:
где n - целые числа; a - расстояние между точкой пересечения линии, проходящей через точку Rd, с перпендикулярной ей линией OO' и точкой касания окружности радиусом Ra с окружностью радиусом Ro; Ra - радиус базовой окружности эвольвентного зуба рабочего колеса; Rd - точка пересечения линии R2 рабочего колеса с наружной окружностью эвольвентного зуба сопряженного колеса; К2 - радиус внешней окружности рабочего зуба рабочего колеса: OO' - линия, соединяющая центр O' рабочего колеса и центр O сопряженного колеса; Rb - радиус базовой окружности эвольвентного зуба сопряженного колеса;Rb1 - радиус внешней окружности эвольвентного зуба сопряженного колеса;
- угол, образованный линией R2 и линией OO', при этом O является центром окружности;ORd - линия, соединяющая точку Rd с центром O сопряженного колеса;
- угол, образованный линией OR и линией OO', при этом O является центром окружности;i - передаточное число;
- половина угловой толщины рабочего зуба;
- заданная константа,причем толщина рабочего зуба по дуге внешней окружности определена дугой, соответствующей внутреннему углу 2
, а центр рабочего колеса - центр окружности, где R2 - ее радиус, при этом
а форма сопряженной впадины задана следующей параметрической зависимостью:

нижняя кривая сопряженной впадины ограничена дугой, образованной углом 2i
, соответствующим внутреннему углу 2
окружной толщины рабочего зуба, причем центр сопряженного колеса - это центр окружности, а его радиус (Ra + Rb - R2) - это радиус окружности, при этом
по окружности сопряженного колеса равномерно распределено nb впадин, а по окружности рабочего колеса na рабочих зубьев, длина дуги, ограниченной углом
na , образованным между рабочими зубьями и радиусом Ra базовой окружности эвольвентного зуба рабочего колеса, равна длине дуги, ограниченной углом
nb , образованным сопряженными впадинами и радиусом Rb базовой окружности эвольвентного зуба сопряженного колеса, при этом:
где
na и nb - целые положительные числа. На фиг. 1 показана принципиальная схема, иллюстрирующая образование кривой сопряженной впадины; на фиг. 2 - схематический чертеж кривой сопряженной впадины; на фиг. 3 - принципиальная схема, иллюстрирующая образование кривой рабочего зуба; на фиг. 4 - схематический чертеж кривой рабочего зуба; на фиг. 5 - принципиальная схема, иллюстрирующая толщину рабочего зуба по дуге окружности; на фиг. 6 - первый вариант основной конструкции механизма сопряженного ротора (ERM) (1 - сопряжение зубчатое колесо; 2 - рабочее зубчатое колесо; 3 - сопряженная впадина; 4 - рабочий зуб; 5 - эвольвентный зуб); на фиг. 7 - второй вариант основной конструкции ERM (3 - сопряженная впадина; 4 - рабочий зуб; 5 - эвольвентный зуб); на фиг. 8 - принципиальная схема, иллюстрирующая соотношение параметров, возникающих при сопряжении рабочего зуба и сопряженной впадины в процессе вращения роторов, когда i больше 1; на фиг. 9 - принципиальная схема, иллюстрирующая соотношение параметров, возникающих при сопряжении рабочего зуба и сопряженной впадины в процессе вращения роторов, когда i меньше 1; на фиг. 10 - принципиальная схема, иллюстрирующая соотношение между H, R, Rf и a; на фиг. 11 - вариант осуществления конструкции и размеры сопряженного зубчатого колеса; на фиг. 12 - вариант осуществления конструкции и размеры рабочего зубчатого колеса. В первую очередь следует пояснить происхождение формы и математический расчет кривых сопряженной впадины и рабочего зуба. Предположим, что имеется пара сопряженных зубчатых колес (A и B), рабочего колеса и сопряженного с ним колеса, находящихся в сопряженном вращении и имеющих одинаковые модули и равное число зубьев, а их передаточное число i равно 1; в целях удобства выведения формулы мы упрощаем пару колес до одного колеса, закрепленного в прямоугольной системе координат, где точка O является центральной точкой, а другое колесо вращается вокруг закрепленного колеса и одновременно вокруг собственной оси. В прямоугольной системе координат, показанной на фиг. 1, точка O является центром колеса B:

Пусть
=
-
,при этом
R - радиус базовой окружности эвольвентного зубчатого колеса;
R2 - радиус внешней окружности рабочего зуба Колеса A (рабочего колеса);
R1 - радиус внешней окружности эвольвентного зуба;
- половина центрального угла сопряженной впадины. Линия R2 колеса A, превышающая R1, пересекает внешнюю окружность эвольвентного зуба колеса B в точке Rd. Предположим, что угол, образованный линией O'Rd и осью X, равен
, тогда
=
-
+
= 2
.Центральное соединение колеса A и колеса B OO' равно 2R, а угол, образованный линией OO' и осью X, равен
-
=
.Если колесо A вращается против часовой стрелки вокруг колеса B под углом
, тогда угол, образованный линией OO' и осью X, равен
-
, а колесо A при этом вращается вокруг собственной оси под углом
. 
По мере вращения колеса A вокруг колеса B и вокруг собственной оси под углом n
, расчет геометрического места точек
, образованного, когда вершина линии R2 колеса A, точка Rd, пересекает плоскость колеса B, должен подчиняться следующей формуле:
где
R2 - радиус внешней окружности рабочего зуба;
R1 - радиус внешней окружности эвольвентного зубчатого колеса;
R - радиус базовой окружности эвольвентного зубчатого колеса;
- соответствует заданной константе, а
(n = 0, 1, 2,... k, где k является натуральным числом). В формуле (I), если n = 0, n
= 0, тогда точка Rd линии R2 на колесе A совпадает с исходной точкой La геометрического места точек L на колесе B. Если n
=
, тогда линия R2 совпадает с осью X, а точка Rd становится средней точкой геометрического места точек L. Если n
= -
тогда точка Rd линии R2 на колесе A совпадает с конечной точкой Lb геометрического места точек L, а линия R2 заканчивается, пересекая плоскость колеса B (см. фиг. 2). Как показано на фиг. 3, предположим, что колесо A закреплено в прямоугольной системе координат. Точка O является его центром, линия R2(RdO' = R2) совпадает с осью X, угол, образованный линией OO' и осью X, равен
. Точка Rd совпадает с точкой La (точка на радиусе R1 наружной окружности колеса B), угол, образованный OLa и осью X, равен
(
=
+
) , а когда колесо B начинает вращаться вокруг колеса A и вокруг собственной оси под углом n
, 
=
-n
+
-n
=
+
-2n
, тогда мы получаем:
По мере вращения колеса B вокруг колеса A и вокруг собственной оси, линия R2 пересекает плоскость колеса B, а геометрическое место точек L на колесе B (причем La и Lb являются начальной и конечной точкой, соответственно) начинает проецировать на плоскость колеса A два геометрических места точек I и I' (как показано на фиг. 4), что описывается следующей формулой:

где
R1 - радиус внешней окружности эвольвентного зубчатого колеса;
R - радиус базовой окружности эвольвентного зубчатого колеса;
соответствует заданной константе, а
(n = 0, 1, 2...k, где k является натуральным числом). В формуле (2): если n = 0, 1, n
= 0 , тогда точка Rd совпадает с исходной точкой La геометрического места точек L на колесе B; если n
=
, тогда средняя точка геометрического места точек L находится на линии R2, т. е. на оси X. Когда
=
-
(
является исходным полууглом сопряженной впадины), формула (2) изменяется на
Когда исходная точка La геометрического места точек L доходит до наружной окружности R1 на колесе A, n
=
, формула (2) изменяется следующим образом:
На этом этапе геометрическое место точек L на колесе B проецируется на плоскость колеса A. Вкратце, ERM (сопряженный роторный механизм) имеет в основе два колеса - колесо A и колесо B. По мере вращения колеса A как вокруг колеса B, так и вокруг собственной оси, вершина линии R2 на колесе A, точка Rd пересекает плоскость колеса B и образует геометрическое место точек L, называемое "кривой сопряженной впадины" (см. формулу 1); и, соответственно, по мере вращения колеса B вокруг колеса A и вокруг собственной оси, кривая сопряженной впадины L проецирует на плоскость колеса A две кривые, при этом La является их начальной точкой, а Lb - конечной точкой; указанные две проецированные кривые I и I' образуют кривую рабочего зуба (см. формулу 2). Предположим, что в формуле 2 I и I' пересекаются в точке Rd (как показано на фиг. 4), когда высота головки зуба S приближается к нулю. Поскольку сопряженный роторный механизм главным образом применяется для сжатия газов и жидкостей или для преобразования энергии сжатого газа или жидкости в крутящий момент, большая поверхность трения головки зуба S и кожуха обеспечивает более высокую степень герметизации. Для достижения этого предполагаем, что I и I' по отдельности развернуты назад на величину одного угла
, после чего мы можем получать хордальную толщину зуба S = 2R2sin
(где R2 - расстояние между внешней окружностью рабочего зуба и центром колеса). Одновременно к соответствующему половине главного угла
сопряженной впадины добавляется величина угла
. В прямоугольной системе координат, показанной на фиг. 5, по мере вращения колеса A вокруг колеса B на величину угла
. Точка Rd линии R2 на колесе A перемещается в
, когда угол, образованный линией O'R'd и осью X равен
, а угол, образованный линией O'Rd и осью X, равен
=
+
-
= 2
-
. Если подставить эти величины в формулу 1, формула расчета кривой сопряженной впадины будет следующей:
Нижняя кривая сопряженной впадины, т.е. дуга, соответствующая величине
, равной угловой толщине зуба по внешней окружности 2
, где центр сопряженного колеса является центром окружности, а 2R - 2R2 является радиусом, определяется по следующей формуле:
Формула расчета кривой рабочего зуба выводится из формулы 2 следующим образом:

Кривая рабочего зуба по толщине наружной окружности, т.е. дуга, соответствующая угловой толщине зуба по наружной окружности 2
, где центр рабочего колеса совпадает с центром окружности, а R2 является радиусом, определяется по нижеследующей формуле:
Таким образом, мы получили математические модели сопряженной впадины (формулы 5A и 5B) и рабочего колеса (формулы 6A и 6B), где глубина сопряженной впадины равна (R2 - R), высота рабочего зуба - (R2 - R), а толщина рабочего зуба по наружной окружности равна S = 2R2sin
. Указанная сопряженная впадина и рабочий зуб, которые могут входить зацепление друг с другом при равномерном вращении роторов по окружности со скоростью 2R
, сочетаются с эвольвентными зубьями, образуя практически применим механизм (показанный на фиг. 6 и 7). Сопряженный роторный механизм является разновидностью вращающегося механизма. Для балансировки его массы, предпочтительно, чтобы он обладал идеальной центральной симметрией, т.е. равномерными интервалами по окружности. (Его базовая конструкция проиллюстрирована на фиг. 6 и 7). Если передаточное число i
1, нижеследующая формула должна оставаться неизменной, чтобы обеспечить обращение колеса A вокруг колеса B за счет равномерного вращения зацепленных зубчатых колес;
из чего мы выводим (см. фиг. 8 и 9). Ra
= Rb(
-
)Когда угол вращения
-
= 0, а угол вращения колеса A вокруг собственной оси
= 0. Линия R2 на колесе A совпадает с осью X. Если 
тогда i
=
- 
или

Как показано на фиг. 8 и фиг. 9, если i
1 , чтобы толщина рабочего зуба по наружной окружности была равна S = 2R2sin
. Колесо A должно поворачиваться вокруг колеса B на величину одного угла i
, а в исходный угол
сопряженной впадины должен быть увеличен на величину одного угла i
, чтобы Rd' пересекалась с внешним радиусом Rb1 колеса B. При этом угол, образованный линией OO' и осью X будет равен: i
- i
= i(
-
) . Поскольку
00
Rd =
-
,
, угол, образованный линией
и осью X равен
=
+ i(
-
), т.е. 
где
Ra - радиус базовой окружности эвольвентного зуба колеса A (рабочего колеса);
Rb - радиус базовой окружности эвольвентного зуба колеса B (сопряженного колеса);
- половина центрального угла сопряженной впадины;i
- половина угла сопряженной впадины, соответствующего половине угловой толщины рабочего зуба по внешней окружности;
- половина угловой толщины рабочего зуба по внешней окружности. При повороте колеса A вокруг колеса B на величину одного угла i
, угол, образованный линией OO' и осью X, будет равен i(
-
-
) , а при повороте колеса A вокруг собственной оси на величину одного угла
, линия
образует с осью X угол
= (
-
) + i(
-
-
). . Таким образом, если i
1 , формула расчета кривой сопряженной впадины выводится из формулы 5a следующим образом:
Нижняя кривая сопряженной впадины рассчитывается по формуле 7B:

Координаты кривой рабочего зуба можно вывести из формулы 6A следующим образом:

Кривая рабочего зуба по толщине наружной окружности рассчитывается по следующей ниже формуле 8B:

Передаточное число i > 1 или i < 1, относящееся к фиг. 8 и 9, а также к формулам 7A и 8A, должно отвечать следующим требованиям:
По окружности одного из эвольвентных зубчатых колес. Колеса A, должны быть равномерно распределено na рабочих зубьев, а по окружности другого зубчатого колеса (колеса B) должно быть равномерно распределено nb сопряженных впадин;
Длина дуги, ограниченной углом
na , образованным рабочими зубьями и радиусом Ra базовой окружности эвольвентного зуба колеса A, должна равняться длине дуги, ограниченной углом
nb , образованным сопряженными впадинами и радиусом Rb базовой окружности эвольвентного зуба колеса B:

Ниже следует подробное описание варианта осуществления сопряженных роторов (ER), которые могут применяться, например, в компрессорах холодильных установок. Предположим, что рабочее колесо A и сопряженное колесо B имеют равное число зубьев, одинаковые модули и углы зацепления, а передаточное число i = 1. Эвольвентное зубчатое колесо имеет следующие характеристики:
число зубьев Z = 40;
модуль m = 0,5;
угол зацепления
= 20o;радиус базовой окружности

радиус окружности выступов

радиус окружности впадин

с целью снизить размер допуска между зубьями, радиальный зазор C в данном случае не принимается во внимание;
радиус окружности рабочего зуба R2 = 13,6. С учетом числа и прочности эвольвентных зубьев на колесе B кривая сопряженной впадины рассчитана таким образом, чтобы в нее вписывались четыре зуба, а наружная окружность рабочего зуба рассчитана таким образом, чтобы ее радиус выходил радиус Rb1 внешней окружности эвольвентного зуба и непосредственно рассекал радиус Rf окружности впадин колеса B (см. фиг. 11). Проведем линию, перпендикулярную линии OO' и пересекающую ее, от точки пересечения D точкой R2 (радиус внешней окружности рабочего зуба) с Rf (радиус окружности впадин колеса B), при этом H является высотой от точки D до линии OO' (см. фиг. 10). Тогда мы получим:

в результате a = 2,36775.

тогда
= 24o34'42,04". 
тогда
= 36o32'40,17". Пусть
= 4o5'47,01",тогда k = 6, n = 0, 1, 2, ... r,
=
-
,
= 11o57'58,13". Допустим, что угловая толщина рабочего зуба по наружной окружности равна
= 4o2'1,87", а половина угла сопряженной впадины равна
+
= 11o57'5,13" + 4o2'1,7" = 16oПодставим эти данные в формулу 7A расчета кривой сопряженной впадины:

тогда

Если n = 0, тогда

Если n = 1, тогда

.......... (опускается)
Если n = 6, тогда

Остальные координаты угла
, соответствующего угловой толщине зуба по внешней окружности, основаны на окружности, центром которой является точка O, а радиус 2R - R2 = 6,4, и приведены в табл. 1. Поскольку кривая сопряженной впадины L состоит из точек, абсолютно симметричных оси X, соединив вышеназванные точки и прочертив симметричную кривую, можно получить полную впадину, воссоздав впадину на эвольвентном зубчатом колесе, затем можно получить так называемое сопряженное колесо, как это показано на фиг. 11. А теперь обратимся к кривой рабочего зуба. В формуле 8A, где 
допустим, что = 6o5'26,69", когда n = 1, 2, ... k, (k = 6), а Rb1 заменено на Rf.

Подставим эти данные в формулу 8A и получим:

Если n = 0, тогда

Если n = 1, тогда

............ (опускается)
Если n = 6, тогда

Координаты толщины зуба по внешней окружности S = 2R2sin
описываются окружностью с центром O' и радиусом, равным 13,6 (см. табл. 2). Поскольку кривые рабочего зуба I и I', абсолютно симметричны оси X соединив вышеназванные точки и прочертив симметричную кривую, можно получить рабочий зуб. Восстановив рабочий зуб в эвольвентном зубчатом колесе, затем можно получить рабочее колесо. Эвольвентному зубчатому колесу может быть придана его форма с помощью традиционной технологии, поэтому здесь она опускается. Величина заданной константы
зависит от точности механической обработки. Чем более точная требуется обработка, тем больше будет точек; чем меньше величина
, тем больше будет значение натурального числа k. Сопряженный роторный механизм (ERM) состоит из кожуха, двух боковин, замкнутых дугообразных полостей, образованных сопряженным колесом и рабочим колесом, причем кольцевая полость сопряженного колеса служит опорной поверхностью. Когда рабочее колесо начинает вращаться, объем двух дугообразных полостей, разделенных рабочим зубом, периодически варьируется от большего к меньшему, что удовлетворяет основное требование при производстве насосов, моторов и двигателей внутреннего сгорания. За счет сочетания представленных в настоящем изобретении пары роторов, снабженных кожухом, имеющим впускное и выпускное отверстия, соответственно, и торцевые крышки, возможно производить различные газожидкостные насосы, например, насосы для жидкостей и газа, а также вакуумные насосы и дозирующие насосы. Указанные роторы могут также применяться для производства жидкостных двигателей или особых роторных двигателей внутреннего сгорания. Поскольку формы рабочего зуба и сопряженной впадины роторов, согласно настоящему изобретению, рассчитываются по особым формулам, что вытекает из сопряженного характера вращения эвольвентного зубчатого колеса, в процессе сопряженного вращения характеристики эвольвентных зубьев точно соответствует характеристикам рабочего зуба и сопряженной впадины.
Формула изобретения


где n - целые числа;
a - расстояние между точкой пересечения линии, проходящей через точку Rd, с перпендикулярной ей линией 00' и точкой касания окружности радиусом Ra с окружностью радиусом Rb;
Ra - радиус базовой окружности эвольвентного зуба рабочего колеса;
Rd - точка пересечения линии R2 рабочего колеса с наружной окружностью эвольвентного зуба сопряженного колеса;
R2 - радиус внешней окружности рабочего зуба рабочего колеса;
OO' - линия, соединяющая центр O' рабочего колеса и центр O сопряженного колеса;
Rb - радиус базовой окружности эвольвентного зуба сопряженного колеса;
- радиус внешней окружности эвольвентного зуба сопряженного колеса;
- угол, образованный линией R2 и линией OO', при этом O' является центром окружности;ORd - линия, соединяющая точку Rd с центром O сопряженного колеса;
- угол, образованный линией ORd и линией OO', при этом O является центром окружности;i - передаточное число;
- половина угловой толщины рабочего зуба;
- заданная константа,причем толщина рабочего зуба по дуге внешней окружности определяется дугой, соответствующей внутреннему углу 2
, а центр рабочего колеса - центр окружности, где R2 - ее радиус, при этомX = R2cos
, (
-
);Y = R2sin
,где форма сопряженной впадины задана следующей параметрической зависимостью:
Xnb=(Ra+Rb)cos[i(
-
-n
)]-R2cos[(
-n
)+(
-
-n
)],Ynb=R2sin[(
-n
)+i(
-
-n
)]-(Ra+Rb)sin[i(
-
-n
)],нижняя кривая сопряженной впадины ограничена дугой, образованной углом 2i
, соответствующим внутреннему углу 2
окружной толщины рабочего зуба, причем центр сопряженного колеса - это центр окружности, а его радиус (Ra + Rb - R2) - это радиус окружности, при этомX = (Ra+Rb-R2)cos(i
),Y = (Ra+Rb-R2)sin(i
), (
-
),по окружности сопряженного колеса равномерно распределено nb впадин, а по окружности рабочего колеса na рабочих зубьев, длина дуги, ограниченной углом
образованным рабочими зубьями и радиусом Ra базовой окружности эвольвентного зуба рабочего колеса, равна длине дуги, ограниченной углом
образованным сопряженными впадинами и радиусом Rb базовой окружности эвольвентного зуба сопряженного колеса, при этом


где na и nb - целые положительные числа.
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13


















