CN100473834C - 容积型旋转螺旋机和在容积螺旋机中转换运动的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种容积型的旋转螺旋机，该螺旋机包括具有主轴线X的机身(30)和双部件(10，20)，其中第一部件(20)环绕第二部件(10)。所述第一部件(20)铰接在所述机身(30)上且能绕其自身轴线(Xf)回转，轴线(Xf)与所述主轴线X对齐。所述第二部件的轴线绕所述第一部件的轴线(Xf)按照以所述长度E为半径的公转运动进行旋转。该机器进一步包括一个同步装置(34，36，38，40)，用于使所述回转运动和所述公转运动同步。这样，在由所述第一部件(20)的外表面(22)和所述第二部件(10)的内表面(12)所限定的至少一个工作腔(11)内工作介质进行容积排量。

Description

容积型旋转螺旋机和在容积螺旋机中转换运动的方法

技术领域

本发明的一方面涉及一种容积型旋转螺旋机，该螺旋机包括机身、凸件和环绕凸件的凹件组成的双部件，其中凸件的外表面限定一个凸面，凹件的内表面限定一个凹面，所述凸面和凹面是具有各自轴线Xm和Xf的螺旋面，轴线Xm和Xf相互平行且间隔长度E，所述凸面和凹面通过所述凸面和凹面的线接触以及凸件和凹件的相对移动而形成至少一个工作腔，所述凸面和凹面绕着上述轴线Xm和Xf由机构横截面上的名义轮廓线进一步限定，凸面限定的上述凸轮廓线具有相对于上述凸轴线Xm上的中心Om的对称级Nm，凹面限定的上述凹轮廓线具有相对于上述凹轴线Xf上的中心Of的对称级Nf，上述旋转螺旋机进一步包括在上述主轴线X与轴线Xm或者Xf之间产生偏心距E的曲柄形机构。

背景技术

这种容积型旋转螺旋机常用于通过膨胀、移动和压缩工作物质(介质)，气体或者液体，将所述工作介质的能量转换为发动机的机器能，或者反过来转换为压缩机、泵等的机器能。

这种三维旋转螺旋机见于US5439359，其中被一个固定凹构件包围的凸件相对于凹件作行星运动，凸件的外表面限定一个凸面，凹件的内表面限定一个凹面，所述凸面和凹面具有间隔长度E(偏心距)的平行轴线。

行星运动的第一分量驱动凸面的轴线，使凸面轴线轨迹是绕着凹面轴线的半径为E的旋转柱面，这与轨道旋转运动对应。

行星运动的第二分量驱动凸件，使凸件绕凸面的轴线旋转。第二分量(圆周旋转)在整个下文中称作回转运动。

这种已知的旋转螺旋机仅具有两个自由度，并且其中只有一个是独立的。例如，如果独立自由度是第一分量，即凸件的轨道旋转运动，那么从属自由度是凸件的回转运动，因为后者在回转运动时由凸面和凹面之间的接触导向的，反之亦然。

因此，这种旋转螺旋机的技术潜力有限且有明显的热损耗。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种在减小热力循环的角范围、提高效率方面具有更加广阔的技术和功能潜力，并且可以降低总的热损耗的旋转螺旋机。

本发明提供一种旋转螺旋机，其中凸件和凹件之一铰接在机身上且可绕其固定轴线按照旋转运动旋转，曲柄构件与凸件和凹件中的另外一个连接(铰接)以允许第二部件的轴线可以绕着第一部件的固定轴线按照形成半径为长度E的轨道公转进行旋转。旋转螺旋机还包括使回转运动和轨道公转运动相互同步的同步装置，这样凸面和凹面啮合在一起。

在全文中，一个部件的轴线绕着另外一个部件的固定轴线作圆周轨道移动，称作旋转轴线。一个部件的轴线绕着另外一个部件的固定轴线旋转的过程称作公转。

在公转过程中，当一个可移动的部件绕其在轨道上移动的轴线旋转时，称作回转部件。而一个部件绕其在轨道上移动的轴线作圆周旋转的过程称作回转。

因此，行星运动表示公转和回转的总和。当回转等于零且公转不等于零时，行星运动变成圆周渐进运动。

曲柄构件以及凸件和凹件中的第一构件可以被独立控制，使得自转运动与轨道公转运动相互独立。

因此，这种旋转螺旋机具有两个独立自由度。根据优选实施例，这种旋转螺旋机进一步包括与所述曲柄构件或所述第一部件相连接的单通道旋转传动装置，或者进一步包括与曲柄构件和第一部件相连接的双通道旋转传动装置。

在这种情况下，曲柄构件和第一部件与旋转传动装置一起被驱动并具有运动速度的独立选择。

优选实施例中，凸面和凹面机械接触形成运动副以允许在第一和第二部件间传输运动。

这样的旋转螺旋机具有三个自由度，其中的两个是独立的，这给第一部件引入了附加的自转运动。第二部件的轴线可以环绕第一部件的轴线旋转。由于凸面和凹面的自啮合，第二部件自身也可以绕其可移动的轴线回转，这将导致第二部件相对于第一部件轴线作行星运动，第一部件可以绕其固定轴线自转。

特别地，当凹轮廓线的成形弧线的数量大于凸轮廓线的成形弧线的数量时，元件间的自啮合可以提供同步，也就是没有特殊的同步机构。

根据优选实施例，当不希望有机械接触或不易获得或正好要改善第二部件的驱动时，这种旋转螺旋机进一步包含一个连接在机身上的附加同步装置，使得第二部件绕其轴线回转。

根据这类附加同步装置，例如行星齿轮，第二部件的回转运动速度与第一部件的回转运动速度成比例(优选地为增大，即比例系数大于一)。

根据优选实施例，旋转螺旋机进一步包括与曲柄构件以及凸件或凹件之一相连接的旋转传动装置。

第一和第二部件都作旋转和回转运动，根据组成旋转螺旋机的元件的特定布置，旋转传动装置可以与第一和/或者第二部件以及/或者曲柄构件相连接。因此，第一部件可以被第二部件驱动，第一部件然后又成为驱动部件，且第一部件与旋转传动装置相连接，反之亦然。

优选实施例中，同步装置进一步包括两部件一起的运动耦合机构，运动耦合机构包括至少一个铰接在机身上的耦合构件。

因此，曲柄构件和/或驱动部件都可以被旋转传动装置驱动，所以它们的运动可以相同或者不同。它们运动之间的关系由选择的耦合构件类型给出。

优选实施例中，运动耦合机构包括布置在曲柄构件和驱动部件之间的行星齿轮。相对于与旋转传动装置相连接的元件，行星齿轮可使被行星齿轮驱动的元件数量增加或者减少。

优选实施例中，同步装置包括行星齿轮传动装置或者变换器、或者滑槽机构。

变换器用于使第二部件轴线的旋转运动方式相对于第一部件的旋转运动相反。根据行星齿轮与第二部件的配置关系，前述运动在相同方向或者在相反的方向都可能发生。因此，变换器可以用于增加或者替换行星齿轮传动装置。

旋转螺旋机的效率与由第一表面及第二表面之间形成的腔体的打开和闭合组成的循环的速度成比例，因为第一部件和第二部件都在运动，其效率较高。然而，最好的结果出现在第一部件的旋转运动速度与第二部件轴线的公转速度相等时，但出现在自转的相反方向。在这种情况下，第一部件和第二部件作用在机身上的机械强度相等且方向相反，这样其合成动量几乎为零。这种机器用在要求避免振动或者严格限制振动的场合。通常，旋转螺旋机(包含反向旋转元件)的两个或者更多的旋转元件可以通过转换机构与外部单元或机构的旋转元件耦合。这种类型的耦合可在例如反向旋转容积型机器在具有外部反向转子装置的发动机的模式下的联合操作下实现。反向转子装置例如反向转子涡轮机、反向转子压缩机、反向转子电动机、空中或者海上交通工具的反向转子翼部、反向转子切削工具等等。

通过增加第一部件和第二部件的数量可以增加旋转螺旋机的效率。

因此，根据优选实施例，旋转螺旋机进一步包括与所述凸件和凹件成直线布置的至少一个附加凸件和凹件，或者包括布置在所述凸件和凹件的内部或者环绕凸件和凹件的至少一个第三部件，使得它们的表面机械接触以形成附加腔体。

在优选实施例中，凹面的对称级等于Nm-1或者Nm+1。

为了凸件和凹件更容易实现，它们可以作成为一个具有特别的名义轮廓线且互相定向成限定至少一个轴向延伸的工作腔的多个同样部件构成的组件。两个连续元件之间的角距离直接与所选择的元件数量相关联。

当元件数量有限时，机器与其交换能量的工作介质可以通过机构一端的横截面进入并通过另一端流出。

在优选实施例中，凸面和凹面可以简化成圆柱面。

本发明涉及到的另一方面是在容积螺旋机中转换运动的方法。

本发明涉及到一种在三维(3-D)类型工作腔的容积正位移容积螺旋机中转换运动的方法。工作腔由围起(凹)和被围起(凸)的共轭螺旋部件形成。

转换运动的方法用于转换运动的机器能和螺旋机器工作腔内工作物质的能量以及传输转换的正能流。明显地，转换的正能量流的转换和传输是可逆的过程。这种方法基于产生同步耦合连接以及螺旋共轭的凸件与凹件的相对运动，螺旋共轭部件通过凸件与凹件的内外螺旋面形成工作腔，工作腔在运动转换过程中轴向移动。

在正的能量转换中，已知的容积螺旋机转换运动的方法包括：通过进行行星运动的部件的独立自由度形成的机械旋转的运动学通道进行转换正能流传输，驱动凸件或凹件之一进行具有两个机械旋转自由度的行星运动，其中之一相对于另一个部件的固定中心轴线是独立自由度。

一方面，凸轮廓线的外包络线是对称级为Nm的初始次摆线，于是内部共轭凹轮廓线为对称级Nf＝Nm+1的一族次摆线的外包络线，且两者恒具有Nm+1个接触点。

另一方面，凸轮廓线的外包络线可以做成上面提到的具有对称级Nm的次摆线族的内包络线，在这种情况下，凹轮廓线为具有对称级Nf＝Nm-1的次摆线，且两种轮廓线恒具有Nm个接触点。

在这两种情况下，接触点是包络线上的转折点，这使通过凸面与凹面的接触将各个工作腔稳定地隔离开成为可能。内凹面和外凸面为具有平行轴线的螺旋面，其中有些是可移动的且隔开一段距离，我们将该距离表示为偏心距E。

在已知的容积螺旋机的转换运动方法中，进行在端部具有螺旋形设计轮廓线的节距(周期)Pm和Pf的部件的协调运动。初始螺旋由一对在平面上共轭的垂直于螺旋部件纵向主轴的部件实现，且是端截面绕它们中心轴线的双旋转过程。凹面和凸面的节距之间的关系由上面提到轮廓线的对称级关系决定，参照公式：

$\frac{\mathrm{Pf}}{\mathrm{Pm}}=\frac{\mathrm{Nm}+1}{\mathrm{Nm}}$

在已知的具有内包络线的机器中，工作腔的数量等于Nm，每个工作腔的轴向节距值等于Pm。在已知的具有外包络线的机器中，工作腔的数量等于Nm+1，每个工作腔的轴向节距值等于Pf。

Pm和Pf为有限值，借助于同步耦合连接(或者具有外包络线的机器的自同步)，在部件转换运动的过程中，可使任何一个部件(凸件或者凹件)的行星运动对于另外一个(固定)部件具有两个自由度，其中一个为机器旋转的独立自由度。

所有已知的内部共轭的容积螺旋机转换运动的方法归结为下面两种：旋转(常称为双旋转)方法和行星方法。

根据第一种方法(部件绕自身的固定轴线旋转)，具有初始和共轭螺旋轮廓线的两个连接件—凸件和凹件的相互连接旋转同时被赋予在某方向绕固定平行轴线的旋转。

根据第二种方法，一个部件(技术上优选地赋予凸件行星运动)被赋予行星运动，所以其中心可绕第二部件的中心圆周移动，在这种情况下第二部件是固定部件(凹件)。

通常，借助于同步耦合连接(或者具有外包络线的机器的自同步)，使任何一个部件(凸件或者凹件)的行星运动相对于另外一个固定部件具有两个独立自由度是可能的。

在已知方法中，固定凹件通常使凸件相对于凹件的固定中心轴线作行星运动，并且凹件环绕着凸件。

如上所示，行星运动可以描述为旋转的两个分量—公转和回转的总和。这种行星运动旋转的第一分量使凸面的轴线轨迹是绕固定凹面中心轴线的半径为E的柱面，其中行星部件的轴线在半径为E的轨道上以任意的速度ω旋转。行星运动的第二分量是回转，即凸件绕其可移动的轴线以速度

(负号—当凸件是次摆线时，正号—当凸件是内包络线时)作圆周旋转。

这种特别的螺旋机的运动转换方法的效率由发生在机器内部的热力学过程的强度决定，并且由广义参数“角循环”表示其特性。角循环等于任何一个所选择的具有独立自由度的旋转部件(凸件、凹件、同步连接)转过的角度。

在已知的方法中，进行正能量转换的输入输出运动通道功能的可以是同步连接输出轴，例如凸件的曲柄轴等等。

角循环等于具有独立自由度的部件在由凸件和凹件形成的工作腔横截面区域变化(或者整个打开和闭合)的整个周期内转过的角度，同时具有内包络线的机器的工作腔轴向移动一个周期Pm或者具有外包络线的机器的工作腔轴向移动一个周期Pf。

在作成外包络线的凹件的行星运动转换中，凸件轴线的公转可以选作独立旋转，凸件的回转是从属旋转。由凸件轴线的公转角度确定的角循环等于：

$\mathrm{\γ}=\frac{\mathrm{\πNm}}{\mathrm{Nm}-1}$

当正机械能通过具有独立自由度的运动曲柄通道输入时，角度等于同步连接(通过同步连接，铰接在曲柄上的凸件在行星运动过程中进行回转运动)曲柄轴转过的角度。

将机械旋转的正能量直接输入给凸件时，凸件轴线的回转运动被选作独立旋转，凸件轴线的公转作为从属旋转。具有独立自由度的凸件通过凸件和凹件自同步共轭绕其自身可移动轴线的回转引起绕凹件固定轴线进行轨道半径为E的轴线公转(从属自由度)。这种情况下的角循环等于：

$\mathrm{\γ}=\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{Nm}-1}$

已知的转换运动方法特别地应用在石油钻孔马达、气体或者地热钻探(例如在法国专利FR-A-99 7957和美国专利3,975,120中描述)。

V.Tiraspolskyi描述了应用在马达中的运动转换(＂钻探中的液压钻井马达＂，钻探课程，pp.258-259，Technip出版社，巴黎，15版)。这些马达中的类似运动转换通常在固定凹件实现，而凸件相对于这个凹件的行星运动相应地由其绝对运动标识。

具有曲线外形的共轭元件的容积型螺旋机器中已知的转换运动方法在相似的容积型机器中实现时发现有下列缺点：

—有限的技术潜力，由于组织运动过程的不完善，不能增加具有独立自由度的驱动部件每一转的角循环；

—类似螺旋机器有限的单位功率；

—有限的效率；

—存在作用在机器的固定机身上的反作用力。

本发明的目的是通过产生附加的具有运动独立自由度的正能量转换的附加运动通道来在技术上和功能上扩展螺旋机器转换运动方法的潜在能力。例如，旋转运动的自由度增加至三个，其中两个是独立的。这使这种方法的效率得到增加，也使驱动轴每一转的排出腔体的容积改变的角循环数得到增加。其结果是强化了正能量的转换过程且降低(直到零)了容积型螺旋机器支撑体上的机器反作用力。

根据本发明的第二方面，旋转运动的第二独立自由度被引入转换凸件和凹件的运动以及同步耦合连接中。在转换行星运动中，其轴线与中心固定轴线重合的部件被驱动绕具有旋转运动独立自由度的固定轴线作旋转运动。为此，转换的正能量的一部分通过绕中心固定轴线进行旋转运动的部件的机械旋转的第二独立自由度被传输。

在根据本发明的方法中，进行同步耦合连接以及凸件和凹件的差动相互连接的旋转运动。所述三种旋转(自转、公转和回转)中的任意两种可选作旋转运动的独立自由度，第三个旋转是两个独立旋转的从属微分函数。此处行星元件的轴线绕中心固定轴线作半径为E的公转是与该元件的回转以及另外的共轭元件绕其中心固定轴线的旋转同时产生。

根据本发明，容积型螺旋机器的运动转换方法包括：借助于所述容积型螺旋机工作腔内的机械能量和工作物质能量的转换的正能流，产生以凸件和凹件形式的螺旋共轭元件以及同步耦合连接的相互连接运动；驱动凸件和凹件中的一个进行具有两个机械旋转自由度的行星运动，其中一个自由度是相对于另一个部件的固定中心轴线的独立自由度；通过所述机器的机械旋转的独立自由度来传输所述转换的正能流。

在优选实施例中，该方法提供了凸件和凹件以及同步耦合连接的具有旋转运动第二独立自由度的差速连接运动，且提供了通过所述机器的机械旋转的两个独立自由度以两个能流形式传输转换的正能流。

进一步，根据另一实施例，旋转运动的至少一个从属自由度可以在转凸件和凹件以及同步耦合连接的运动过程中被产生，在所述机器内转换的正能流的一部分可以通过所述机器的机械旋转的附加从属自由度在转换运动中使用，以减少每个整体的独立自由度的数量。

根据另一个实施例，作为相互差动连接的所述部件的角速度可参照下面关系式由与另一部件不同连接决定：

k₁ω₁+k₂ω₂+ω₃＝0，

其中：ω₁、ω₂表示所述共轭元件绕它们轴线的角速度；

ω₃表示同步耦合连接的角速度；

k₁、k₂表示恒耦合系数；

因此，共轭元件旋转角速度的值由下面关系式确定：

(z-1)ω₁-zω₂+ω₀＝0

其中：ω₁表示其包络面为曲面形式的部件绕其轴线的角速度；

ω₂表示其包络面为由所述曲面形成的表面族的内包络线或外包络线形式的部件绕其轴线的旋转角速度；

ω₀表示进行行星运动的部件轴线的轨道公转角速度；

z表示一个整数，z>1。

进一步，根据本方法的另一个实施例，三种旋转中的任意两种可以在它们之间被同步，即共轭元件之一绕它们固定轴线的旋转、通过同步耦合连接进行行星运动的元件轴线的公转以及具有可移动轴线的元件的回转。

附图说明

参考显示非限定性示例的附图，可以更好地理解本发明的旋转螺旋机。

图1显示了包含凹件旋转运动和具有内包络线的凸件圆周渐进运动的旋转螺旋容积机的纵截面图，其中Nf＝Nm-1；

图2是沿着图1的线II-II的横截面图；

图3显示了包含凹件旋转运动和具有外包络线的凸件圆周渐进运动的旋转螺旋容积机的纵截面图，其中Nf＝Nm+1；

图4是沿着图3的线IV-IV的横截面图；

图5显示了包含具有外包络线的凹件旋转运动和凸件圆周渐进运动的旋转螺旋容积机的纵截面图，其中Nf＝Nm+1；

图6是沿着图5的线VI-VI的横截面图；

图7显示了具有凸件旋转运动和凹件圆周渐进运动的旋转螺旋容积机的另一实施例的纵截面图，其中Nf＝Nm-1；

图8是沿着图7的线VIII-VIII的横截面图；

图9显示了具有双通道旋转传动装置和凸件行星运动以及凹件旋转运动的反转旋转螺旋容积机的纵截面图，其中Nf＝Nm-1；

图10是沿着图9的线X-X的横截面图；

图11显示了具有单通道旋转传动装置和凸件行星运动以及凹件自转运动的反转旋转螺旋容积机的纵截面图，其中Nf＝Nm-1；

图12是沿着图11的线XII-XII的横截面图；

图13显示了凹件具有一个独立旋转度的反旋转螺旋容积机的纵截面图，其中，Nf＝Nm-1；

图14是沿着图13的线XIV-XIV的横截面图；

图15显示了具有穿过凸轴线的曲柄的公转度和凹件的旋转度的两个独立度的反旋转螺旋容积机的纵截面图，其中，Nf＝Nm+1；

图16是沿着图15的线XVI-XVI的横截面图；

图17显示了具有凸件行星运动和凹件旋转运动的反旋转螺旋容积机的纵截面图，其中，Nf＝Nm+1；

图18是沿着图17的线XVIII-XVIII的横截面图；

图19显示了具有凸件行星运动的滑槽机构的旋转螺旋容积机的透视示意图，其中，Nf＝Nm+1；

图20显示了具有同轴布置的附加凸件和凹件的旋转螺旋容积机的工作腔的横截面图；

图21是一个透视的部件分解图，用于说明三维旋转螺旋容积机中的运动转换方法、以及形成凸件和凹件包络曲面的原理；以及

图22显示了一个示意图，用于说明具有凸件行星运动的反旋转螺旋容积机的运动转换方法，其中，Nf＝Nm-1。

具体实施方式

图1中的三维旋转螺旋容积机示意了凸件10的圆周渐进运动，即凸件10的轴线仅进行轨道公转运动，凸件10不存在回转运动，但是凹件20可以绕自身旋转。

在凸件10的圆周渐进运动中，其轴线Xm绕凹件20的固定轴线Xf作半径为E的轨道公转运动，其特征在于，连接凸件10的任意两点的直线平行于其初始方向移动。当凸件10在圆周渐进运动中移动时，凸件绕着其可移动轴线Xm的圆周速度等于零，即它不存在回转运动。

在图1所示机器中，三弧线螺旋形外表面12(Nm＝3)形成了凸件，但是凹件具有双弧线螺旋形内表面22(Nf＝2)。凸件10的外表面确定了凸面12，凹件20的内表面确定了凹内面22。凸面12和凹面22是具有间隔长度E的平行轴线Xm和Xf的螺旋面。凸面12和凹面22通过凸面12和凹面22的线接触A₁、A₂、A₃的旋转、以及凸件10和凹件20的相对移动而形成至少一个工作腔11。

相对于凸轴线Xm上的中心Om具有对称级Nm＝3的凸件10的名义轮廓线14显示在图2给出的三维旋转螺旋容积机的横截面图中。同样，凹件20的名义轮廓线24相对于所述凹轴线Xf的凹中心Of具有对称级Nf＝2，Nf＝Nm-1。

如图2所示，凸轮廓线14由三个相同的凸角组成，三个凸角覆盖相同角度的扇形区，使得顶点Om的角度等于120°。凹轮廓线24具有径向对置的两个凸角。这种凸角的数量确定了对称级。

凹件20铰接在具有主轴线X的固定机身30上，并且通过枢轴连接与一个单通道传动装置31机械连接，使得凹件20能够绕该主轴线X旋转，在此，主轴线X与凹件轴线Xf重叠。

旋转螺旋容积机进一步包括具有与机身30和凸件10相铰接且具有偏心距E的曲柄构件32的曲柄形机构。实际上，曲柄构件32由铰接在机身30上的第一轴形端32′和与第一轴形端32′平行且相距E的第二轴形端32″组成。这样，第一轴形端32′与对应于曲柄构件32的驱动轴线的轴线X对齐，第二轴形端32″与轴线Xm同轴且相对于主轴线X偏置距离为E的曲柄构件32的从动轴线对齐。

凸件10铰接在第二曲柄形端32″上，使得第二曲柄形端32″可以绕固定凹轴线Xf旋转，即其中心Om的轨迹是圆心为Of半径为E的圆。

结果，凸件10的轴线Xm绕与主轴线X对齐的凹轴线Xf进行轨道公转运动，而凹件20绕固定机身30的主轴线X旋转。

为使凸件10获得两个从属自由度，曲柄构件32和凹件20都可以独立运动。

用作发动机时，旋转螺旋容积机将工作介质的容积排放产生的能量转换为机器能，然而，当它例如用作泵时，它就转换装置31的机器能，机器能进一步来自工作介质容积排放时曲柄构件32的运动。为了增加这种容积机的效率，曲柄构件32和凹件20都可以作旋转运动。

旋转螺旋容积机进一步包括以曲柄构件32形式的主同步耦合连接、和以与曲柄构件32平行的曲柄构件34形式的附加同步机构，以及齿轮36、38、40。

凹件20与曲柄构件32间的运动耦合使得曲柄构件32在由单通道旋转传动装置31驱动的旋转凹件20上旋转。

然而，因为对称级Nf是Nm-1，元件的自啮合不能完成同步，必须提供一个可以减速或增速齿轮驱动装置形式选择的运动耦合。

结果，该旋转螺旋容积机包括凹件20与曲柄构件32之间的运动耦合，以允许在凹件20旋转时曲柄构件32运动。如图1中所示，运动耦合可以包括至少一个以枢轴连接形式铰接在机身30上的耦合构件36，例如齿轮。齿轮36一方面可以与设置在凹件20上的内齿轮38啮合，另一方面可以与设置在曲柄构件32上的齿轮40啮合。

该摆动机进一步包括一个附加曲柄34，以允许凸件10的圆周渐进运动和凸轴线Xm绕凹轴线Xf的公转。

每个曲柄32，34分别包括第一曲柄形端32′，34′和第二曲柄形端32″，34″。第一曲柄形端32′与齿轮40配合，相应地第一曲柄形端34′与机身30配合，第二曲柄形端32″和34″分别与凸件10铰接，且与第一曲柄形端32′和34′平行并相距E。凸件10与两个第二曲柄形端32″和34″配合，以使凸件10能够进行圆周渐进运动，即它的轴线Xm的轨迹为圆心为Of，半径为E的圆。曲柄构件32和34的偏心距E相等。

耦合构件36、38和40，以及曲柄轴34形成同步装置，以使凸件的回转运动与凹件的旋转运动同步。

曲柄构件32与凹件20间的传动比由齿轮36、38和40决定，特别是齿轮38和40的齿数Z₃₈和Z₄₀决定。部件20每旋转180°角度形成角循环，此时：

$\frac{Z_{38}}{Z_{40}}=2$

当用作发动机时，图1中的螺旋容积机将工作介质的能量转换为传输给装置31的机器能。相反，例如用作泵时，机器就将来自装置31的机器能转换为工作介质的能量。

图3显示了凸件110具有圆周渐进运动的三维旋转螺旋容积机形式，操作与图1所示机器类似，但是凸面与凹面之间的对称数比值不同。其中，凸件110的外表面112的横截面是双弧线次摆线114(Nm＝2)(见图4)，而凹件120的内表面122的横截面是三弧线外包络线124(Nf＝3)(见图4)。

凸件110与曲柄构件32和34配合来进行圆周渐进运动，也即凸件110的轴线Xm能进行轨道公转运动，而与固定机身30以枢轴连接铰接的凹件120能够自转。

然而，在这种情况下，由于凹面124的形状形成弧线的数目(Nm+1)高于凸面122的形状形成弧线的数目，凹件120与凸件110形成了一个可以自同步的运动副。

图3中容积机的操作按以下方式运行。

当曲柄构件32(图3)回转时，由于与曲柄34配合，凸件110进行圆周渐进运动，凸轴线Xm的轨迹是绕着凹轴线Xf半径为E的圆柱面，但凸件自身不回转。

凸件110的运动结果是，凸面112与凹件的内表面122发生自啮合，这样就使得凹件120绕自身轴线Xf沿着与曲柄构件32的相同方向旋转，轴线Xf与机身30的主轴线X对齐。

图5显示了凸件110具有圆周渐进运动的另一种三维旋转螺旋容积机，图6是沿着图5的线VI-VI的横截面图，该容积机的操作与图3所示(Nm＝2、Nf＝3)机器类似，但具有不同的单通道旋转连接装置31且用两个平行的曲柄34代替仅有的一个曲柄。

一方面，再次，凸件110与至少两个平行曲柄34配合以进行圆周渐进运动。另一方面，此处没有曲柄构件32，凹件120与机身30通过枢轴连接铰接，凹件120能够旋转且由单通道传动装置31驱动。每个曲柄34包括铰接在机身30上的曲柄形端34′和铰接在凸件110上的曲柄形端34″。曲柄34相互平行且在34′和34″之间的距离为E。凸件110与两个曲柄形端34″配合，从而进行凸件110的圆周渐进运动，此时轴线Xm在圆心为Of，半径为E的圆上旋转。这里曲柄34偏心距选择等于E。

凹件120直接由单通道装置31驱动，不需要如图3所述的特定曲柄构件32。实际上，这里曲柄34实现曲柄形机构的功能。

图5中螺旋容积机的操作按以下方式运行。当装置31使凹件120以角速度ω₁绕其与机身30的主轴线X重合的轴线Xf旋转时，凹件120的内表面122与凸件110的外表面112相互作用，这就导致凸件110沿着与凹件120相同方向在平行的曲柄34上圆周渐进运动。当凸件110进行圆周渐进运动时，凸轴线Xm以旋转角速度ω₀描绘出以Of为圆心，E为半径的圆，但是凸件110不转动(ω₂＝0)。

在这种情况下， $\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{{\mathrm{\ω}}_1}=3,$ ω₂＝0，并且测量的旋转(元件120的)角循环等于180°。

图7是显示具有两个自由度且其中之一是独立自由度的三维旋转螺旋容积机另一种实施例的形式。这里相对于图1，凹件20能够进行圆周渐进运动，而与单通道旋转装置31连接的凸件10能够绕其与主轴线X共线的轴线Xm旋转。

这里再次，由于凹轮廓线24的形状形成弧线的数目低于凸轮廓线14的形状形成弧线的数目(Nf＝2、Nm＝3，见图8)，有必要在凸面12与凹面22间提供一个运动耦合。

凸件10在一端延伸出其上机器固定着一个外环形齿轮44的轴42。凸件的另一端通过枢轴连接与机身30铰接，以使其能够绕主轴线X旋转。外环形齿轮44与通过枢轴连接与机身30铰接的多个齿轮46连续啮合，以驱动这些齿轮46作自转运动。齿轮44和46的齿数Z₄₄和Z₄₆这样确定：

$\frac{Z_{44}}{Z_{46}}=3.$

每个齿轮46都设置有与每个齿轮64的轴线46′偏离距离E的曲柄轴48。平行的曲柄轴48通过枢轴连接设置在凹件20上。

元件42、44、和46须与图1中机器的曲柄构件32、齿轮30、齿轮36和内环形齿轮38相比较。

图7所示的容积机的运转使凹件20进行圆周渐进运动。在此机器中，当凸件10由旋转装置31驱动时，它使齿轮44和46旋转，从而使曲柄轴48旋转。由于曲柄轴48的转动，凹件20的轴线Xf绕着凸轴线Xm进行轨道公转运动，即凹中心Of沿与凸件10相同的方向描述出圆心为Om半径为E的圆。

在所述的机器实施例中，偏心距E的选择不会影响图1中的同步齿轮36、38和40的直径，以及图7中的同步齿轮44、46的直径。

图9显示了与图1中的旋转螺旋机类似的旋转螺旋容积机，但是具有三个自由度，其中两个是独立的。这种旋转螺旋容积机包括螺旋形(双弧线)的凹件20、三弧线凸件10(见图10)、固定机身30、具有通过枢轴连接铰接在具有主轴线X的机身30上的曲柄构件32的曲柄形机构。这样，凸件10的轴线Xm可以绕与主轴线X对齐的凹轴线Xf公转，而凹件20能够随着旋转装置131绕轴线X自转。

由于对称级Nf等于Nm-1，元件间的自啮合不能实现同步。有必要在凸件与凹件间提供一个运动耦合。

从而，曲柄构件32与凹件20可以连接到双通道旋转传动装置131。凹件20连接在双通道旋转传动装置的一个通道上，曲柄构件32连接在双通道旋转传动装置的另一个通道上。

在具有机器的两个独立自由度的双通道连接装置的情况下，可以指定凹件20或曲柄构件32的任意两个旋转角速度(独立自由度)，凸件10的第三个回转角速度(从属自由度)设为两个独立速度的微分函数。这样就不再需要附加同步装置。

相反，在单通道传动装置31的情况下(见图11)，通过独立自由度的单通道进行与机器的耦合，应该在机器中引入一个附加同步装置来连接机器的三个元件(凸件10、凹件20或曲柄构件32)中的任意两个，通过联合可减少机器独立自由度的数量。

附加自由度是凹件20的回转运动。

例如，如图9所示，在凸件10的一端设置有与刚性固定在凹件20上并铰接在机身30上的小齿轮52啮合的内环形齿轮50，以与装置131一起旋转。行星齿轮传动装置50和52分别与凸件10和凹件20机械连接，而曲柄构件32和凹件20都与双通道旋转装置131连接。

由于不同的齿轮，当曲柄构件32沿着一个方向旋转时，凸件10在同一方向上进行轨道旋转，即凸轴线Xm在与曲柄构件32旋转方向相同的方向上描绘圆心为Of的圆，但是凸件10沿着相反旋转方向自身回转。实际上，凸轴线Xm的轨道公转和凸件10的回转运动沿着相反方向。

为获得一种反转旋转三维螺旋容积机，即凹件的旋转速度以及曲柄32和凸轴线Xm的轨道旋转速度都相等，但方向相反。例如可以选择如下的不同齿轮。内环形齿轮50的内半径等于E的3倍，即3×E，外齿轮52的外直径等于2×E。因此，各个齿轮50和52的齿数Z₅₀和Z₅₂的比值等于：

$\frac{Z_{50}}{Z_{52}}=\frac{3}{2}$

图9的反转旋转三维螺旋容积机的操作按如下方式运行。借助旋转装置131，当同时旋转曲柄构件32和凹件20时，一方面，由于曲柄构件32，凸件的轴线Xm绕主轴线X进行轨道旋转运动，另一方面，由于凸件10的内环形齿轮50与连接在凹件20上的外齿轮52的相互作用，凸件10进行自身回转运动。凸轴线的回转运动和轨道旋转运动两者的结合产生凸件10的行星运动。

与在凸件与凹件共轭面之间的腔体的打开与闭合过程的速度成比例的螺旋机效率由机器的角循环的持续时间决定。在图9所示的机器中，角循环等于270°，这要比已知的该类型机器小两倍，因为它是在形成工作腔的两个部件相对同时运动时完成的。

然而，图9的机器最好的结果出现在当部件10的轴线公转速度与部件20的自转速度相等且方向相反时。在这种情况下，由旋转凹件20和连同凸件10的曲柄构件32的旋转产生的作用在主机身30上的机械强度大小相等、方向相反，这样合成动量几乎为零。这些种类的机器应用在要避免振动或严格限制振动的场合。

图11所示的旋转螺旋容积机与图9中旋转螺旋机类似，但具有三个自由度，其中一个是独立的且具有单通道旋转装置31。这种旋转螺旋容积机包括螺旋外形(双弧线)的凹件20、三弧线外形的凸件10(见图12)、固定机身30、包括通过枢轴连接铰接在主机身30上并具有主轴线X的曲柄构件32的曲柄形机构，凸件10的轴线Xm可以绕与主轴线X对齐的凹轴线Xf公转，凹件20可以绕主轴线X自转。

为避免旋转装置与曲柄构件32以及凹件20连接，并且因为形成凹轮廓线24外形的弧线数量小于形成凸轮廓线22外形的弧线数量，旋转螺旋机包括行星齿轮传动装置。参照齿轮内/外啮合的布置，行星齿轮传动装置50、52在相对于曲柄构件运动相同或相反的方向驱动凹件20。

为提供这种附加运动，旋转螺旋机包括附加同步装置，同步装置包括行星齿轮传动装置。附加同步装置以具有旋转或者固定的滑槽或者具有运动方向变换器的滑槽机构的形式也是可能的。

例如，在图11中所示，凸件10在其一端设置有内环形齿轮50，内环形齿轮50与刚性固定在凹件20上且铰接在主机身30上的小齿轮52啮合。

为使凸件10和凹件20之间的不同运动同步，旋转螺旋机进一步包括同步装置。例如，凸件10在其另外一端设置有小齿轮54，小齿轮54与固定在主机身30上的内环形齿轮56啮合。

由于不同的齿轮，当曲柄构件32沿着一个方向旋转时，凸件10的轴线在相同方向旋转，即凸轴线Xm沿着与曲柄构件32旋转的相同方向描述中心为Of的圆，其中凸件10在与旋转相反的方向自转。事实上，凸轴线Xm的轨道公转方向与凸件10的回转运动方向相反。

为获得反旋转螺旋三维容积机，即凹件20的自转速度与凸轴线Xm的公转速度相等但方向相反。不同齿轮可如下选择，内环形齿轮50的内半径等于E的三倍，即3×E，外齿轮52的外半径等于2×E。从而，所选择的齿轮50、52齿数Z₅₀、Z₅₂的比值等于：

$\frac{Z_{50}}{Z_{52}}=\frac{3}{2}$

内环形齿轮56的内半径等于4×E，凸件10的外齿轮54的外半径等于3×E。

从而，所选择的齿轮56、54齿数Z₅₆、Z₅₄的比值等于：

$\frac{Z_{56}}{Z_{54}}=\frac{4}{3}$

反旋转螺旋三维容积机的操作如下。当(通过单通道旋转装置31)旋转曲柄构件32时，一方面，凸件的轴线Xm进行绕主轴线X的轨道公转运动，另一方面，凸件10的齿轮54在固定内环形齿轮56的内表面上滚动，这使凸件10进行自身回运动。回转和轨道公转运动的结合使凸件10产生行星运动。进而，内环形齿轮50使凹件20的齿轮52旋转，齿轮52根据曲柄构件的旋转方向反旋转地旋转。

图13显示反旋转螺旋容积机的纵截面图，容积机的凹件20具有一个独立旋转度，Nf＝Nm-1。图14显示沿着图13的线XIV-XIV的横截面图。图13中容积机类似于图11中螺旋机(Nf＝2，Nm＝3)，但具有不同的单通道旋转装置31的连接。

凸件10可以绕与主轴线X重合的凹轴线Xf进行行星运动，凹件20可以绕主轴线X旋转且与单通道传动装置31机械地连接。

凹件20具有轮廓线24，凸件10具有轮廓线14。螺旋机包括如图11中所示的相同行星齿轮传动装置54和56，但另外的行星齿轮150和152代替了前面提到的行星齿轮50和52。

参照齿轮内/外共轭的布置，行星齿轮传动装置150和152的关系是 $\frac{Z_{150}}{Z_{152}}=\frac{3}{2},$ 其中Z₁₅₀和Z₁₅₂分别表示齿轮150和152的齿数。相应地，齿轮152(外共轭)布置在凹件20上并且与单通道装置31连接，齿轮150(内共轭)布置在凸件10上。

凹件20的自转是独立自由度，凸件10的运动(其部件的回转和其轴线Xm的公转)是从属自由度。为产生这两个从属运动，机器包括附加同步装置，附加同步装置包括上面提到的行星齿轮传动装置54、56。例如，行星齿轮传动装置54、56的关系是 $\frac{Z_{56}}{Z_{54}}=\frac{4}{3},$ 其中Z₅₆、Z₅₄表示齿轮56、54的齿数。

由于所述齿轮，凸件10的轴线Xm进行方向与凸件10绕其凸轴Xm回转相反的公转，凸件10的轴线Xm描述了半径为E中心为Of的圆。凹件20进行绕固定轴线Xf方向与凸轴线Xm公转相反地旋转。

凹件20的速度与凸轴线Xm的自转速度相等，但方向相反。不同齿轮可如下选择，内环形齿轮150的内半径等于3×E(E的三倍)，外齿轮152的外半径等于2×E。内环形齿轮56的内半径等于4×E，凸件10的外齿轮54的外半径等于3×E。

螺旋三维容积机的操作如下。当凹件20和齿轮152旋转时，由于它们与单通道旋转装置31的连接，凸件10与齿轮150、54绕主轴线Xf进行行星运动。当凸件10的齿轮54在固定内环形齿轮56的内表面上滚动，凸件10进行绕其轴线Xm的回转运动，其轴线Xm进行绕轴线X的公转运动。进而，内环形齿轮152使凸件10的齿轮150旋转，产生了凸件轴线Xm的公转，公转角速度与凹件20的角速度相等，但方向相反。

图13中所示机器的角循环等于凹件120的角旋转270°。

图15显示另一种具有三个自由度和双通道旋转装置131的三维容积型反旋转的旋转螺旋机器实施例的纵截面图。事实上，该机器与上面提到的机器(图9)相比较，在上面提到的机器中，凸件110进行行星运动，凹件120绕自身旋转，但现在凸件110具有由两条弧线组成的名义轮廓线114，凹件120具有由三条弧线组成的名义轮廓线124(见图16)。

在这种情况下，由于形成凹轮廓线124外形的弧线数量大于形成凸轮廓线114外形的弧线数量，在凹件120和凸件110之间形成了提供自同步和同步耦合的运动副。这样图9中所示齿轮50和52的运动副就不再需要了。

双通道传动装置131的两个出口分别机械地与凹件120和曲柄32连接，以产生凹件120绕其固定轴线Xf的自转(第一独立速度)和凸轴线Xm绕主轴线X的公转(第二独立速度)，从而限定合成动量几乎为零的反旋转机器。

该机器的操作类似于图9中机器的操作。凸件110铰接在曲柄32上且当曲柄构件32旋转时进行绕其轴线Xm的回转运动。铰接在机身30上的凹件120可以绕主轴线X旋转。

双通道旋转装置131产生了两个独立速度，即凹件120的旋转速度和曲柄构件32的公转速度，这两个速度大小相等但方向相反。

因此，当曲柄32旋转时，由于自同步凸轮廓线114与凹轮廓线124相互作用，凸件110进行行星运动，于是凸件110绕可移动轴线Xm回转(第三独立速度)。凸件110的回转方向与凹件120相同。图15中的机器的角循环等于凹件120或者曲柄机构32的角旋转180°。

在图9和图15描述的机器中，存在三个自由度，其中的两个自由度是独立的，由双通道装置131通过独立旋转或公转的两个机械通道来实现转换的正能量传动。

所述三个(凸件或者凹件、或者同步耦合连接的旋转、公转或者回转)中的任何两个的角速度可以规定为与另外一个独立。每个旋转的初始相位和方向都是确定的，所述角速度的值的选择要符合方程式：

k₁ω₁+k₂ω₂+ω₃＝0

其中：ω₁、ω₂表示所述共轭部件绕它们轴线的角速度；

ω₃表示同步耦合连接的角速度；

k₁、k₂表示恒耦合系数。

因此，共轭部件的旋转角速度的值由下面关系确定：

(z-1)ω₁-zω₂+ω₀＝0

其中：ω₁表示其包络面具有曲面形式的部件绕其轴线的角速度；

ω₂表示其包络面为由所述曲面形成的表面族的内包络线或外包络线形式的部件绕其轴线的旋转角速度；

ω₀是进行行星运动的部件轴线的轨道公转角速度；

z是一个整数，z>1。

图17显示另一种具有三个自由度和单通道旋转装置31的三维容积型反旋转的旋转螺旋机器实施例的纵截面图。事实上，该机器与上面提到的图11中机器相比较，在图11机器中，凸件10进行行星运动，凹件20绕自身旋转，但现在凸件110具有由两条弧线组成的名义轮廓线114，凹件120具有由三条弧线组成的名义轮廓线124(见图18)。

可以在凹件120和曲柄构件32之间放置一个变换器58来使凹件20绕自身的自转运动与凸轴线Xm绕主轴X的轨道公转运动之间的运动方向颠倒，以限定合成动量几乎为零的反旋转机器。

该机器的操作类似于图11中机器的操作。凸件110与曲柄32配合实现绕主轴线X的行星运动。铰接在机身30上的凹件120可以绕主轴线X自转。凹件120通过运动方向变换器58与曲柄构件32机械地连接。变换器58导致凹件120和曲柄构件32速度相同，即凸轴线Xm轨道公转的速度，但两个运动的方向相反。

当(通过单通道旋转装置31)曲柄构件32旋转时，凸件110进行行星运动。由于凸轮廓线114和凹轮廓线124相互作用时发生自同步，凹件自身回转。曲柄构件32的旋转通过变换器58引起凹件120以与曲柄构件32的旋转速度相同的角速度旋转，但方向相反。凸件110以与凹件120旋转的相同方向回转。

图19表示一种具有凸件110的行星运动的三维旋转螺旋容积机，其操作类似于图9中机器的操作，但其速度比值不同。图19中，有一个独立自由度，即凹件120的旋转。凸件110的回转和自转是从属运动。凸件110的回转角速度等于-3任意单位，并且其轴线Xm的公转角速度等于+3任意单位，即它们数值相等但方向相反。凹件120绕其固定轴线Xf的旋转角速度等于-1任意单位。这里，凸件110的外表面112的横截面的外形为双弧线次摆线(Nm＝2)，而凹件120的内表面122的外形为三弧线外包络线(Nf＝Nm+1＝3)。

凸件110与曲柄构件59机械刚性连接，主曲柄59″与凸件110在点62处机械刚性连接。当将凸中心Om作为坐标系的初始位置时，点62的坐标为(0，E)。曲柄构件59的曲柄梢59′从主曲柄59″延伸的距离为2E，且沿着凹轴线Xf布置。

主曲柄59″和曲柄梢59′上铰接着两个滑块60，滑块可在直线型槽内滑动，例如设置在固定机身30上的滑槽61内滑动。这些滑槽61的纵轴线是垂直的。

结合起来，曲柄构件59、滑块60和滑槽61形成了最终的滑槽机构，滑槽机构与凸件110一起使曲柄构件59绕凹固定轴线Xf相对于机身30作行星运动。凹件120铰接在机身30上并且与单通道传动装置31机械连接，通过这该装置可以绕其固定轴线Xf旋转。

然而，在这种情况下，由于形成凹表面122外形的弧线数量大于形成凸表面112外形的弧线数量(Nf＝Nm+1)，凹件120和凸件110形成仅与可利用的滑槽机构59、60和61自同步的运动副，使凸件110进行行星运动。

图19中旋转容积螺旋机的操作如下。当单通道旋转装置31绕固定轴线Xf旋转凹件120时，由于曲面122和112的配合以及曲柄构件59、滑块60和滑槽61的配合，凸件110进行行星运动，即凸轴线Xm以Of为圆心作半径为E的圆周旋转，滑块60在滑槽61内作幅度为4E的往复运动。作为凸件110以相同速度回转和公转的结果，凸表面112与凹件120的内表面122发生自啮合，导致凸件110绕其可移动轴线Xm的回转方向与凹件120绕其固定轴线Xf的旋转方向相同，固定轴线Xf与机身30的主轴线X一致。

图19中的机器的循环角等于凹件120的角旋转90°。

为了增加这种三维旋转螺旋容积机的效率，可以增加凸件和凹件的数量，两者之间可以通过机械或者工作介质连接。附加的凸件和凹件可以与所述凸件或者凹件成直线布置或者在凸件和凹件内同轴布置，如图20所示，以这样一种方式它们的表面机械接触以形成附加腔体。

参考图20，图中四个部件500、600、700和800互相啮合在一起。第一双弧线部件500(凸件)啮合在第一三弧线部件600的内三弧线轮廓线624(一个族的外包络线)中。第一三弧线部件600对于第一双弧线部件500是凹件，但对于第二双弧线部件700是凸件，第一凹件600的外轮廓线614(一个族的内包络线)啮合在第二双弧线部件700的内轮廓线724中。这种现象同样发生在第二双弧线部件700上，700既是凸件也是凹件，其外轮廓线714(双弧初始次摆线)啮合在最后的三弧线部件800的内三弧轮廓线824内。在这种特殊情况下，部件700与500、以及部件600与800可机械地连接，工作腔的数量由三个增加到九个。

三维旋转螺旋容积机包括成直线布置的至少一个附加凸件和凹件(未示出)，并且与所述主凸件和凹件机械刚性连接以形成附加工作腔。

此外，上面描述的所有三维旋转螺旋容积机的凸表面和凹表面可以简化为圆柱面。

现在介绍这样的三维旋转螺旋容积机的工作腔中的介质是如何排出的。

同步耦合连接和至少两组封闭与被封闭的共轭元件的相互连接旋转运动被进行。在初始状态，整组元件绕它们共同的固定轴线互相转动；在凸件和凹件之间形成所有可能形成的容积。这些容积由形状为摆线和次摆线的表面限制，或者以所述表面的片断的形状联合形成整个工作(排出)腔。

所述三个运动(凸件的回转和轨道公转、凹件的旋转)中的两个相对于另外一个独立。

例如，参照图21，七个元件10n固定在一起以形成图11中的具有三个至高点A₁、A₂和A₃的三弧线凸件10，并且凸轮廓线12以外表面(Nm＝3)的形式形成。七个元件20n也一起形成确定内表面的凹件20。凹件20的每个元件具有一个横截面，该横截面径向受到具有绕着凹轴线Xf对称级为Nf的(例如，呈双弧线外旋轮线形状，Nf＝Nm-1＝2)圆柱表面的限制。内表面和外表面交叉点Z的数量等于三(z＝3)。轴线Xm和Xf间隔距离E(偏心距)。

图21也示意地显示根据机器的长度L构成每个凸件10或者凹件20的七个元件的七个角位置a、b、c、d、e、f和g。凸件和凹件绕它们的轴线Xm和Xf在一个方向上转动。b-f表示一个周期Pm，在这个周期内，形成整个工作腔，即在提到的截面上工作腔端部截面面积的整个变化的一个周期完成，即它对应工作腔的完全打开和闭合。

共轭组件的凸元件和凹元件的双转动周期比值等于Nm/Nf＝3/2。凸元件和凹元件形成三个整个工作腔，并且确定了随着空间移位Pm/3变化的端部截面的三个区域S_A1A2、S_A2A3、S_A3A1。

在转动周期b-f或者整个容积的轴向周期上元件的转动角度比值与轮廓线14和24成形弧线的对称级的比值成比例地选择，所以凹件20(次摆线)转过z转时，凸件10(内包络线)将转过z-1转，可形成在横截面上具有闭合区域S_A1A2、S_A2A3、S_A3A1的整个排出工作腔。

在作为初始位置的位置b处，闭合区域S_A2A3具有最小值。在位置c处，凸件10的元件10n绕其凸轴线Xm顺时针转过的角度φm＝90°，凹件20的元件20n绕其Xf轴线转过的角度φf＝135°。转过角度的比值φf/φm＝3/2。

在位置d处，凸件10相对于初始位置b转过的角度为180°，凹件20相对于初始位置b转过的角度为270°。例如，闭合区域S_A2A3在d处具有最大值。

当凸件10和凹件20进行前述的转动时，凸件和凹件的所有元件在每一转中都结合在一起并根据其具体厚度和并排位置形成具有合理节距的三维容积变化的整个工作腔，工作腔容积的轴线运动也是可能的。

将元件的数量增至无穷大并且将它们的轴向厚度降至零确定曲线共轭表面，沿着凸件10和凹件20之间的整个工作腔的容积轴线的三维变化平稳地出现。

按照元件的数量、弧线数量和旋转运动的速度和方向，整个容积的轴向周期将变化。

凸件10n和凹件20n的共轭副是足够的。从腔体到腔体的轴向运动过程实现不同介质的不同热力学转换(压缩、膨胀等等)，这就是为什么可以在不使用端壁、附加机身、气体分配元件以及阀等的情况下完成从一个工作腔11到另一个工作腔的容积轴向运动过程。

在图21中，有三个这样的容积且它们之间的空间相移等于120°。图22中阐明旋转螺旋容积机中转换运动的方法，在该容积机中，凸件10在绕机器主轴作旋转运动的凹件20内作行星运动。

对称级为Nm的凸件10旋转，即其轴线Xm描绘了半径等于E并且角速度ω₀＝+ω、绕凹轴线Xf转过角度θ的部分圆柱。此外，在固定的凹件20处，凸件10以角速度+ω/3绕其轴线Xm回转，回转方向与其轨道公转方向相同，所以其三个至高点A₁、A₂和A₃在凹件20的外旋轮线轮廓线24上滑动且与其连续接触。凹件20的内表面在径向由具有对称级Nm-1(例如双弧线外旋轮线)的圆柱面限制。

在凸件10行星运动时，凹件20是静止的，设想在横截面上的工作容积描绘了一个圆，整个工作容积沿着元件的纵向轴线进行轴向运动。

在初始位置，凸件10具有绕凸轴线Xm螺旋旋转的周期b-f(Pm)，凹件20具有绕轴线Xf的周期Pm＝3/2Pm。在图21中，周期b-f等于工作腔的完全打开与闭合的一个周期。当凹件20固定时，凸件轴线Xm的公转角速度等于ω₀＝ω，凸件10绕其可移动轴线Xm的回转角速度等于：

${\mathrm{\ω}}_2=\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{3}=\frac{\mathrm{\ω}}{3}$

根据本发明，可以确定凸件和凹件以及同步耦合连接的三个运动中的任何两个作为独立运动，我们确定凸件10的轴线Xm以角速度ω₀＝+ω的反向旋转公转(由未在图21中显示的曲柄机构实现)以及凹件20绕固定轴线Xf以角速度ω₁＝-ω的附加自转为独立运动，即曲柄机构绕轴线Xf以及绕凸件10的轴线Xm以角速度为+ω的公转同时进行。

从属角速度ω₂是凸件10绕可移动轴线Xm的回转速度，其由上面提到的方程式(z＝3)确定：(3-1)(-ω)-3ω₂+ω＝0。因此：

${\mathrm{\ω}}_2=-\frac{\mathrm{\ω}}{3}$

在固定凹件20转换运动的行星方法中，凸轴线Xm绕凹件20的轴线Xf的公转每转过540°时，凸件和凹件之间闭合容积的轴向移动的角循环进行一次。

根据本发明，对于自转(元件20)或者公转(曲柄)测量的角循环θ＝270°，对于回转(元件10)的角循环是：

我们已经看到当有三个旋转运动，其中的两个被独立选择时，产生凹元件的旋转运动的附加独立自由度。每个旋转的初始相位和方向都是确定的，多组共轭元件的所述旋转角速度的值选择要符合方程式：

$\left\{\begin{array}{c}{k}_1{\mathrm{\ω}}_1+k_2{\mathrm{\ω}}_2+{\mathrm{\ω}}_3=0\\ (z-1){\mathrm{\ω}}_1-z{\mathrm{\ω}}_2+{\mathrm{\ω}}_0=0\end{array}\right.$

其中：ω₁、ω₂是所述凸件和凹件绕它们轴线自转的旋转速度；

ω₃是同步耦合连接的旋转速度；

k₁、k₂是恒耦合系数；

ω₀是绕凹轴线Xf旋转的凸轴线Xm的公转运动的角速度；

z是所述凸件和凹件表面内外包络线的交叉点数，可以是大于一的任何整数。

可以以任意的方式选择两个独立角速度，系数和第三从属速度由上面给定的方程式确定。

在规定两个独立速度的值和z值后，这些值应该代入上面提到的方程式以获得从属速度和恒系数的值。

为产生耦合元件的旋转运动的附加独立自由度，引入两个部件的附加双旋转运动。如图22所示，凸件10和凹件20绕它们的中心Om和Of在一个方向(与凸件轴线的公转方向相反)上附加旋转，凸件10的角速度是-2/3ω，凹件20的角速度是ω₁＝-ω。

在这种情况下，凸件10获得绕其中心Om圆周回转的总速度等于：

${\mathrm{\ω}}_2=\frac{\mathrm{\ω}}{3}-\frac{2}{3}\mathrm{\ω}==-\frac{\mathrm{\ω}}{3}$

绕Of的转动角ψ(图22中的角ψ表示绕穿过凸中心Om的轴线Xm的圆周转动或者回转，角θ表示凹件20绕穿过凹中心Of的固定轴线Xf的转动角)等于：

$\mathrm{\Ψ}=-\frac{\mathrm{\θ}}{\mathrm{Nm}}$

在一个循环中凸元件中心Om保持其轨道运动速度ω₀＝+ω和角度θ，凹元件的速度ω₁＝-ω。这预示着在这种情况下三角度凸件的至高点A₁、A₂和A₃描绘了内转迹线，同时三点将沿着绕其中心Of以角速度-ω旋转的凹件外旋轮线滑动。

具有旋转运动、行星运动以及圆周渐进运动的其它结合的转换运动的形式也是可能的。对于反旋转变量，我们确定ω₀＝+1，ω₁＝-1并且凸件具有z＝3的内包络线。将这些值代入提到的方程式得到k＝-1，ω₂＝-1/3。

如图22中所示，角循环降至凹件绕其轴线Xf-270°的角旋转。其指出的事实是，与凹件具有固定的外旋轮线以及凸件具有三个至高点的运动转换的行星方法的最接近的已知类似物相比较，循环的角向周期降至一半。因此，每给定公转数进行的循环数增至两倍，这也使容积机的热力学循环的强度增加。

进一步，如图22中所示，凸件10和凹件20的轴线以相等的速度反方向旋转，即反旋转，这相当多地降低(降至零)动量的组合力矩和作用在机器支撑上的反作用力矩。

凸件10的行星运动可以用表达式描述如下：

${\stackrel{\‾}{e}}_{\mathrm{RV}}+\frac{1}{z}{\stackrel{\‾}{e}}_S$

其中e_RV和e_S是凸件公转速度和回转速度的单位矢量。

凸件和凹件的双旋转运动可以用下面表达式描述：

$k{\stackrel{\‾}{e}}_{R0}+\frac{k(z-1)}{z}{\stackrel{\‾}{e}}_S$

其中e_R0是凹元件20的旋转角速度的单位矢量。

通过双旋转运动和行星运动的合成，得到：

$k{\stackrel{\‾}{e}}_{R0}+\frac{[k(z-1)+1]}{z}{\stackrel{\‾}{e}}_S+{\stackrel{\‾}{e}}_{\mathrm{RV}}$

从前述方程式，部件端部截面轮廓线以曲线族内或者外包络线的形式进行行星运动，并且部件绕其固定轴线旋转的轮廓线以初始曲线的形式，后者的旋转角速度与进行行星运动的元件轴线公转角速度之间的关系等于k，行星部件的回转运动角速度与其轴线公转角速度之间的关系等于：

$\frac{[k(z-1)+1]}{z}$

所以，作为一个示例，让z＝3，具有内包络线的凸件的行星运动、凹件和凸件的外旋轮线绕它们轴线的附加旋转，我们得到：

1)θ＝45°，k＝-5，k₁＝-5及k₂＝-3，角循环等于凸件绕其凹中心Of的回转γ＝90°。

2)θ＝135°，k＝-1，k₁＝-1及k₂＝-1/3，角循环等于凸件绕其凸中心Om的回转γ＝90°。

在这种机构中下列转换运动也是可能的：

1)凹件和凸件之间没有运动传输；在这种情况下，共轭元件之间没有运动学上的相互作用，同步连接确定它们的运动；

2)通过共轭部件之间的相互作用传输转动；在这种情况下，凹件和凸件的曲面机械接触，形成运动副并通过这个运动副在凹件和凸件之间进行运动传输。

任何数量的附加凹件和凸件运动学共轭是可能的，这些部件以可行的旋转和行星运动安装在附加同步装置中，所以主元件和附加元件可以安装在彼此的旁边或者彼此的腔中。

Claims (22)

1、一种容积型旋转螺旋机，包括具有主轴线X的机身(30)、由凸件(10；110；500；600；700)和环绕凸件的凹件(20；120；600；700；800)组成的双部件，其中，凸件(10；110；500；600；700)的外表面限定一个凸面(12；112)，凹件的内表面限定一个凹面(22；122)；所述凸面(12；112)和凹面(22；122)是具有相互平行且间隔长度E的相应凸轴线(Xm)和凹轴线(Xf)的螺旋面；所述凸面(12；112)和凹面(22；122)通过由所述凸面(12；112)和凹面(22；122)形成的线接触(A1，A2，A3)以及所述凸件(10；110；500；600；700)和凹件(20；120；600；700；800)的相对移动限定至少一个工作腔(11)；所述凸面(12；112)和凹面(22；122)绕着所述凸轴线(Xm)和凹轴线(Xf)由所述旋转螺旋机的横截面上的名义轮廓线进一步限定；凸面(12；112)的所述轮廓线限定的凸轮廓线(14；114；514；614；714)具有相对于所述凸轴线(Xm)上的中心Om的对称级Nm，凹面(22；122)的所述轮廓线限定的凹轮廓线(24；124；624；724；824)具有相对于所述凹轴线(Xf)上的中心Of的对称级Nf；所述旋转螺旋机进一步具有主同步耦合，主同步耦合包括在所述主轴线X与轴线(Xm，Xf)之一之间产生偏心距E的曲柄形机构(32；34；48；59)；

其中，所述凸件(10；110；500；600；700)和凹件(20；120；600；700；800)中的第一部件铰接在机身(30)上且可按照旋转运动绕其固定轴线(Xm；Xf)回转；

曲柄形机构(32；34；48；59)连接在所述凸件(10；110；500；600；700)和凹件(20；120；600；700；800)中的第二部件上，以允许所述第二部件的轴线(Xf；Xm)绕所述第一部件的固定轴线(Xm；Xf)按照半径为所述长度E的轨道公转运动进行旋转；以及

所述旋转螺旋机包括一个使所述回转运动和轨道公转运动相互同步的主同步装置(34，40，36，38；44，46，48；54，56；58)，使得凸面(12；112)和凹面(22；122)啮合在一起。

2、如权利要求1所述旋转螺旋机，其特征在于，它进一步包括与所述曲柄形机构(32；59)或所述第一部件(10；110；500；600；700；20；120；600；700；800)相连接的旋转传动装置(31；131)。

3、如权利要求2所述旋转螺旋机，其特征在于，所述旋转传动装置(131)是双通道旋转装置(131)。

4、如上述任一权利要求所述旋转螺旋机，其特征在于，所述凸面(12；112)和凹面(22；122)机械接触形成运动副，以允许在所述第一部件(10；110；500；600；700)和第二部件(20；120；600；700；800)之间传输运动。

5、如权利要求1所述旋转螺旋机，其特征在于，它进一步包括连接在所述机身上的附加同步装置(50；52)，以允许所述第二部件(20；120；600；700；800；10；110；500；600；700)绕其轴线旋转。

6、如权利要求5所述旋转螺旋机，其特征在于，所述附加同步装置包括行星齿轮传动装置(50，52)。

7、如权利要求5或6所述旋转螺旋机，其特征在于，它进一步包括连接于所述曲柄形机构(32；34；48；59)和所述凸件(10；110；500；600；700)与凹件(20；120；600；700；800)之一的旋转传动装置(31；131)。

8、如权利要求1所述旋转螺旋机，其特征在于，所述主同步装置进一步包括两个部件(10；500；600；700；20；600；700；800)的运动耦合机构(40，36，38；44，46，48)，所述运动耦合机构包括铰接在所述机身(30)上的至少一个耦合构件(36；46)。

9、如权利要求8所述旋转螺旋机，其特征在于，所述运动耦合机构包括齿轮传动装置(40，36，38；46，48)。

10、如权利要求1所述旋转螺旋机，其特征在于，所述主同步装置包括行星齿轮传动装置(54，56)。

11、如权利要求1所述旋转螺旋机，其特征在于，所述主同步装置包括变换器(58)。

12、如权利要求1所述旋转螺旋机，其特征在于，所述主同步装置包括滑槽机构(59，60，61)。

13、如权利要求1所述旋转螺旋机，其特征在于，它进一步包括与所述凸件和凹件成直线布置的至少一个附加凸件和凹件(500；600；700；600；700；800)。

14、如权利要求1所述旋转螺旋机，其特征在于，它进一步包括布置在所述凸件和凹件(500；600；700；600；700；800)的内部或环绕所述凸件和凹件的至少一个第三部件，使得所述第三部件和所述凸件或凹件的表面机械接触以形成附加腔体(11)。

15、如权利要求1所述旋转螺旋机，其特征在于，所述对称级Nf等于Nm-1。

16、如权利要求1所述旋转螺旋机，其特征在于，所述对称级Nf等于Nm+1。

17、如权利要求1所述旋转螺旋机，其特征在于，所述凸面和凹面简化成圆柱面。

18、一种在容积型螺旋机中的转换运动的方法，包括：

(a)借助于所述容积型螺旋机工作腔内的机械能量和工作物质能量的转换的正能流，产生以凸件和凹件形式的螺旋共轭元件以及同步耦合连接的相互连接运动；

(b)驱动凸件和凹件中的一个进行具有两个机械旋转自由度的行星运动，其中一个自由度是相对于另一个部件的固定中心轴线的独立自由度；

(c)通过所述容积型螺旋机的机械旋转的独立自由度来传输所述转换的正能流。

19、如权利要求18所述方法，其特征在于，它产生了凸件和凹件以及同步耦合连接的具有旋转运动第二独立自由度的差速连接运动，且提供了通过两个独立自由度以两个能流形式传输转换的正能流。

20、如权利要求18或19所述方法，其特征在于，旋转运动的至少一个从属自由度可以在转换凸件和凹件以及同步耦合连接的运动过程中产生，在所述容积型螺旋机内转换的正能流的一部分可以通过所述容积型螺旋机的机械旋转的附加从属自由度在转换运动中使用，以减少每个整体的独立自由度的数量。

21、如权利要求18或19所述方法，其特征在于，所述共轭元件的角速度通过下面的表达式确定：

k₁ω₁+k₂ω₂+ω₃＝0，

其中：ω₁、ω₂表示所述共轭元件绕它们的轴线的角速度；

ω₃表示同步耦合连接的角速度；

k₁、k₂表示恒耦合系数；

因此，共轭元件的旋转角速度的数值由下面的表达式确定

(z-1)ω₁-zω₂+ω₀＝0，

其中：ω₁表示其包络面为曲面的部件绕其轴线的角速度；

ω₂表示其包络面为由所述曲面形成的表面族的内包络线或外包络线形式的部件绕其轴线的旋转角速度；

ω₀表示进行行星运动的部件的轴线轨道旋转运动的角速度；

z代表一个整数，z>1。

22、如权利要求18或19所述方法，其特征在于，三种旋转中的任意两种都可以在它们之间被同步，三种旋转即为，共轭元件之一绕它们固定轴线的旋转、通过同步耦合连接进行行星运动的元件轴线的公转以及具有可移动轴线的元件的回转。

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