ES2259070T3 - Atornillador rotatorio y metodo de transformar un movimiento en dicha maquina. - Google Patents

Abstract

Una máquina rotatoria volumétrica que consta de un cuerpo (30) que tiene un eje principal X, dos miembros que consisten en un miembro macho (10; 110; 500; 600; 700) y un miembro hembra (20; 120; 600; 700; 800) que rodea dicho miembro macho, donde una superficie externa del miembro macho (10; 110; 500: 600; 700) define una superficie macho (12; 112) y una superficie interna del miembro hembra define una superficie hembra (22; 122), dichas superficies macho (12; 112) y hembra (22; 122) definen al menos una cámara activa (11) por la formación de contactos lineares (A1, A2, A3) de dichas superficies macho (12; 112) y hembra (22; 122) y un relativo desplazamiento de dichos miembros macho (10; 110; 500; 600; 700) y hembra (20; 120; 600; 700; 800), dichas superficies macho (12; 112) y hembra (22; 122) están además definidas sobre dichos ejes Xm y Xh por un perfil nominal en una sección transversal del mecanismo, dicho perfil de la superficie macho (12; 112) que define un perfil macho (14; 114; 514;614; 714) que tiene un orden de simetría Nm con respecto a un centro Om situado en dicho eje macho, Xm, dicho perfil de la superficie hembra (22; 122) que define un perfil hembra (24; 124; 624; 724; 824) que tiene un orden de simetría Nh con respecto a su centro Oh situado en dicho eje hembra Xh, dicha máquina rotatoria tiene además un enganche sincronizador principal que consta de un mecanismo similar a un cigüeñal (32; 34; 48; 59) que genera una excentricidad E entre dicho eje principal X y uno de los ejes (Xm, Xh), y un primero de dichos miembros macho (10; 110; 500; 600; 700) y miembros hembra (20; 120; 600; 700; 800) está enganchado en dicho cuerpo (30) y es capaz de rotar sobre sí mismo en torno a su eje fijo (Xh; Xm) de dicho segundo miembro para girar sobre el eje fijo de dicho primer miembro (Xm; Xh) de acuerdo a una revolución orbital que tiene dicha longitud E como radio, ymáquina rotatoria que consta de un sincronizado principal (34, 40, 36, 38; 44, 46, 48; 54, 56; 58;) que sincroniza dicho movimiento rotatorio y dicho movimiento de revolución orbital, uno con respecto al otro, para que dichas superficies macho (12; 112) y hembra (22; 122) engranen juntas. Caracterizada por el hecho de que dichas superficies macho (12; 112) y hembra (22; 122) son superficies helicoidales que tienen ejes respectivos Xm y Xh que son paralelos y están espaciados por una longitud E, siendo dicha máquina rotatoria un atornillador rotatorio.

Description

Atornillador rotatorio y método de transformar un movimiento en dicha máquina.

Un aspecto de la invención se refiere a una máquina rotatoria volumétrica que consta de un cuerpo, dos miembros que consisten en un miembro macho y un miembro hembra que rodea dicho miembro macho, donde una superficie externa del miembro macho define una superficie macho y una superficie interna del miembro hembra define una superficie hembra, dichas superficies macho y hembra definen al menos una cámara en funcionamiento por la formación de contactos lineales de dichas superficies hembra y macho y un desplazamiento relativo de dichos miembros macho y hembra, dichas superficies macho y hembra están además definidas sobre dichos ejes Xm y Xh por un perfil nominal en una sección transversal del mecanismo, dicho perfil de la superficie macho define un miembro macho que tiene un orden de simetría Nm con respecto al centro Om situado en dicho eje Xm, dicho perfil de la superficie hembra define un perfil hembra que tiene un orden de simetría Nh con respecto al centro Oh situado en dicho eje femenino Xh, dicha máquina rotatoria además consta de un mecanismo de cigüeñal que genera una excentricidad E entre dicho eje principal X y uno de los ejes Xm o Xh, en el cual el primero de los miembros macho y hembra está unido al cuerpo y es capaz de rotar sobre sí mismo sobre su eje fijo de acuerdo al movimiento de rotación, en el cual la pieza de la cigüeñal está conectada (unida) al segundo de los miembros macho y hembra para permitir que el eje del segundo miembro gire en torno al eje fijo del primer miembro de acuerdo a un movimiento de revolución orbital que tiene una longitud E como radio, y que consta de un sincronizador que sincroniza el movimiento giratorio y el movimiento de revolución orbital, uno con respecto al otro, para que las superficies macho y hembra
engranen.

Tal máquina rotatoria volumétrica es conocida por transformar energía de una sustancia activa (medio), gas o líquido, por expansión, desplazamiento o compresión de dicho medio activo, en energía mecánica para motores o viceversa para compresores, bombas, etc.

Tal máquina rotatoria es conocida por RU 2140 018, donde una superficie externa del miembro macho define una superficie macho y una superficie interna de un miembro hembra define una superficie cilíndrica hembra, dichas superficies macho y hembra definen al menos una cámara activa.

Esta máquina conocida además consta de un sincronizador principal que sincroniza un movimiento giratorio y un movimiento de revolución orbital, uno con respecto al otro, para que las superficies macho y hembra engranen.

Tal máquina rotatoria es conocida por EP-A-0 069 604, donde un miembro macho y un miembro hembra tienen respectivas superficies macho y hembra que son superficies helicoidales que tienen ejes respectivos que son paralelos y están espaciados por la longitud de un brazo.

Además, la máquina está provista de cilindros que garantizan un juego entre los miembros macho y hembra.

Tal máquina rotatoria de tipo tridimensional es conocida por US 5 439 359, donde un miembro macho rodeado por un miembro hembra fijo está en movimiento planetario relativo al miembro hembra y donde la superficie externa del miembro macho define una superficie macho y una superficie interna del miembro hembra define una superficie hembra, dicho macho y hembra teniendo un eje paralelo espaciado por una longitud E (excentricidad).

Un primer componente de este movimiento planetario conduce al eje de la superficie macho a hacer que el eje describa un cilindro de revolución que tenga un radio E sobre el eje de la superficie hembra, que corresponde con un movimiento de revolución orbital.

Un segundo componente de este movimiento planetario conduce al miembro para hacerle rotar sobre el eje de su superficie macho. El segundo componente (rotación periférica), se denominará movimiento giratorio a lo largo del siguiente texto.

Esta conocida máquina rotatoria sólo tiene dos grados de libertad y sólo uno de ellos es independiente, por ejemplo si un grado independiente de libertad es el primer componente, revolución orbital del miembro macho, después el grado dependiente de libertad es el movimiento giratorio del miembro macho, ya que éste está guiado en su movimiento giratorio por los contactos entre las superficies macho y hembra, y viceversa.

Como consecuencia, la máquina rotatoria tiene un potencial técnico limitado y significantes pérdidas de calor.

Es un objeto de la presente invención proporcionar una máquina rotatoria en la cual los potenciales técnico y funcional sean más amplios, reduciendo la extensión angular de los ciclos termodinámicos, mejorando el rendimiento, y en la cual el total de pérdidas de calor se reduzca.

La invención proporciona una máquina rotatoria en la cual dichas superficies macho y hembra son superficies helicoidales que tienen ejes respectivos Xm y Xh que son paralelos y están espaciados por una longitud E, dicha máquina rotatoria siendo un atornillador rotatorio.

En todo el texto, cuando el eje de un miembro se mueve en una órbita circular en torno a un eje fijo de un otro miembro, se especificará como girar un eje, y el proceso de la rotación orbital de un eje miembro en un círculo en torno a un eje fijo de otro miembro, se especificará como revolución.

En el proceso de revolución, cuando un miembro móvil rota en torno a su propio eje moviéndose en órbita, se especificará como girar un miembro, y el propio proceso de rotación periférica de un miembro en torno a su propio eje moviéndose en órbita, se especificará como giro.

Por lo tanto, el movimiento planetario representa la suma de revolución y giro. Cuando el giro es igual a cero y la revolución no es igual a cero, entonces el movimiento planetario se convierte en un movimiento progresivo circular.

El cigüeñal y el primero de los miembros macho y hembra pueden controlarse independientemente provocando la independencia del movimiento de rotación y el movimiento de revolución orbital.

Por lo tanto, la máquina rotatoria tiene dos grados independientes de libertad. De acuerdo a una realización preferente, el atornillador rotatorio además consta de un medio de transmisión rotacional de un canal conectados a dicha cigüeñal o a dicho primer miembro o medio de transmisión rotacional de dos canales conectado a dicha cigüeñal o al primer miembro.

En este caso, el cigüeñal y el primer miembro se accionan juntos con el medio de transmisión rotacional y con la elección independiente de velocidades de movimiento.

En una realización preferente, las superficies macho y hembra entran en contacto mecánico formando un par cinemático permitiendo la transmisión de movimiento entre el primer y segundo miembros.

Tal atornillador rotatorio tiene tres grados de libertad, dos de los cuales son independientes, que introduce una movimiento de rotación adicional del primer miembro. El eje del segundo miembro es capaz de girar en torno al eje del primer miembro y el segundo miembro por sí mismo es capaz de girar en torno a su eje móvil debido al auto-engrane de las superficies macho y hembra, que permite un movimiento planetario del segundo miembro con relación al eje del primer miembro, siendo el primer miembro capaz por sí mismo de rotar en torno a su eje fijo.

En particular, cuando el número de arcos de formación de la hembra es mayor que el número de arcos de formación del perfil macho, la sincronización se da por auto-engranaje de los elementos, es decir, sin mecanismos especiales de sincronización.

De acuerdo a una realización preferente, cuando los contactos mecánicos no se desean o son difíciles de obtener o simplemente para mejorar la activación del segundo miembro, el atornillador además consta de un sincronizador adicional, unido al cuerpo y que permite que el segundo miembro gire en torno a su eje.

De acuerdo al tipo de sincronizador adicional, por ejemplo un engranaje planetario, la velocidad de movimiento giratorio del segundo miembro es proporcional (preferentemente aumentado, es decir con un coeficiente proporcionalmente mayor que uno) a la velocidad de movimiento giratorio del primer miembro.

De acuerdo a una realización preferente, el atornillador rotatorio además consta de un medio de transmisión rotacional conectado al cigüeñal y a uno de los miembros macho o hembra.

El primer y segundo miembro estando ambos en rotación y movimiento giratorio, los medios de transmisión de rotación pueden estar conectados bien con el primero y/o segundo miembro y/o cigüeñal de acuerdo con la disposición específica de los elementos que conforman el atornillador rotatorio. Por lo tanto, el primer miembro puede activarse por el segundo miembro, que es después el miembro impulsador y que por sí está conectado a los medios de transmisión rotacional y viceversa.

En una realización preferente, el sincronizador además consta de un mecanismo de acoplamiento cinemático de ambos miembros unidos, el mecanismo de acoplamiento cinemático consta al menos de un órgano de acoplamiento que está enganchado al cuerpo.

Por lo tanto, el cigüeñal y el miembro motriz, bien el cigüeñal o el miembro motriz pueden activarse por los medios de transmisión rotatoria, para que sus movimientos sean iguales o diferentes entre sí. La relación entre sus movimientos se da por el tipo de órganos de acoplamiento elegido.

En una realización preferente, el mecanismo de acoplamiento cinemático comprende un engranaje planetario cuya disposición entre el cigüeñal y el miembro motriz puede dar paso a una multiplicación o una reducción del elemento que es impulsado por el engranaje planetario relativo al elemento conectado al medio de transmisión rotatoria.

En una realización preferente, el sincronizador consta de una transmisión de engranaje planetario, o un inversor o un mecanismo de soporte.

El inversor se emplea para invertir el modo de movimiento de rotación del eje del segundo miembro relativo al movimiento de rotación del primer miembro. De acuerdo a la disposición de la relación del engranaje planetario con el segundo miembro, ambos movimientos precedentes pueden ocurrir en la misma dirección o en una dirección opuesta. Por lo tanto, el inversor puede emplearse bien como complemento o como sustitución de la transmisión de engranaje planetario.

La eficacia del atornillador rotatorio es proporcional a la velocidad de los ciclos que consiste en abrir y cerrar las cámaras definidas entre las superficies primera y segunda, lo máximo que se pueda ya que tanto la primera como la segunda cámara están en movimiento. Sin embargo, el resultado más óptimo se obtiene cuando la velocidad de movimiento de rotación del primer miembro es igual a la velocidad de movimiento de revolución del eje del segundo miembro, pero ocurre en la dirección opuesta a la rotación. En este caso, las fuerzas mecánicas aplicadas por el primer y segundo miembro contra el cuerpo son iguales y opuestas, por lo que el impulso resultante es prácticamente nulo. Estos tipos de máquinas se emplean en casos donde las vibraciones se deben evitar o limitar en un alto grado. Generalmente, dos o más elementos rotatorios de atornilladores rotatorios (incluyendo elementos contra-rotatorios) pueden acoplarse a través de mecanismos de transferencia a elementos rotatorios de unidades externas o mecanismos. El enganche de este tipo puede llevarse a cabo, por ejemplo, en operación combinada de máquina volumétrica contra-rotatoria en el modo de motor con dispositivos externos contra-rotor tales como turbina contra-rotor, compresor contra-rotor o máquina eléctrica contra-rotor, alas contra-rotor de vehículos de aire y mar, herramientas de corte contra-rotor, etc.

La eficacia del atornillador rotatorio puede mejorar aumentando el número de los miembros primero y segundo.

Por lo tanto, de acuerdo a una realización preferente, el atornillador rotatorio consta además de al menos un miembro adicional macho y hembra dispuesto en línea con dichos miembros macho y hembra, o al menos un tercer miembro dispuesto dentro o en torno a los miembros macho y hembra, de tal modo que sus superficies están en contacto mecánico para formar cámaras adicionales.

En una realización preferente, el orden hembra de simetría Nh es igual a Nm -1, o Nm + 1.

Para que la realización de ambos miembros macho y hembra sea más sencilla, pueden disponerse como una unidad de una pluralidad de miembros idénticos que tienen un perfil nominal adecuado y que están orientados relativos mutuamente para definir al menos una cámara activa que se extiende axialmente. La distancia angular entre dos elementos consecutivos está directamente unida al número de elementos elegidos.

Cuando el número de elementos es finito, el medio activo con el cual la máquina intercambia energía puede admitirse a través de una sección transversal en un extremo del mecanismo y puede escapar a través del otro extremo.

En una realización preferente, las superficies macho y hembra pueden degenerar en superficies cilíndricas.

Otro aspecto de la invención se refiere a un método de transformación de un movimiento en una máquina volumétrica.

La invención se refiere a un método de transformación de un movimiento en una máquina volumétrica con conjunción interna de miembros tornillos con un desplazamiento positivo de volúmenes de cámaras activas de tipo tridimensional (3-D), que se forman por miembros de tornillo de cerramiento (hembra) y adjuntos (macho).

Métodos de transformación de un movimiento se emplean para convertir la energía mecánica de un movimiento y la energía de sustancias activas en cámaras activas de un atornillador, y para transmitir un flujo de energía positiva de conversión. Es significativo que la conversión y transmisión de un flujo de energía positiva de conversión es un proceso reversible. Los métodos se basan en la creación de movimientos relativos interconectados de enlaces de acoplamiento de sincronización y los miembros conjugados macho y hembra del tornillo, que con sus superficies helicoidales interna y externa forman las cámaras activas que se mueven axialmente durante el proceso de transformación de un movimiento.

Los métodos conocidos para transformar un movimiento en atornilladores volumétricos bajo conversión de una energía positiva constan de: transmisión de flujo de energía positiva de conversión a través de un canal cinemático de una rotación mecánica formada por el grado independiente de libertad de los miembros que ejecutan un movimiento planetario, impulsando uno de los miembros macho o hembra al movimiento planetario con dos grados de libertad de rotación mecánica, de los cuales uno es un grado independiente de libertad relativo al eje central fijado del otro miembro.

Por una parte, un envolvente externo del perfil macho puede ser un trocaico inicial de orden de simetría Nm, y el perfil hembra conjugado internamente presenta un envolvente externo de la familia de trocaicos de orden de simetría Nh = Nm + 1 y teniendo ambos perfiles constantemente Nm + 1 puntos de contacto.

Por otra parte, un envolvente externo del perfil macho puede estar hecho como un envolvente interno de la familia de trocaicos arriba mencionada de orden de simetría Nm, y el perfil hembra es, en este caso, un trocaico de orden de simetría Nh = Nm - 1 y teniendo ambos perfiles constantemente Nm puntos de contacto. En ambos casos, los puntos de contacto son curvas de uno de los envolventes y posibilitan la protección constante de las cámaras activas por medio de los contactos entre las superficies hembra y macho. La superficie interna hembra y la superficie externa macho son superficies de tornillo con ejes paralelos, algunos de ellos se pueden mover y espaciar a cierta distancia, que denominamos como excentricidad E.

En los métodos conocidos de transformación de un movimiento en atornilladores rotatorios se lleva a cabo el movimiento coordinado de los miembros con pasos (periodos) Pm y Pf(h) de giro de los perfiles considerados de las secciones extremas de los miembros. El giro inicial se realiza en un par de miembros conjugados en las superficies planas, que son normales al eje principal longitudinal de los miembros tornillo, y es un proceso bi-rotativo de una curva de las secciones extremas sobre su eje central. La relación de los pasos de las superficies hembra y macho se determina por la relación de los órdenes de simetría de los perfiles mencionados de acuerdo a:

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

En las máquinas conocidas con un envolvente interno, la cantidad de cámaras activas es igual Nm, y un paso axial de cada cámara activa es Pm, donde las conocidas máquinas con un envolvente externo, la cantidad de cámaras activas es igual Nm + 1, y un paso axial de cada cámara activa es igual Pf(h).

A valores finitos de Pm y Pf(h), en el proceso de transformación de un movimiento de los miembros con la ayuda de los enlaces de acoplamiento de sincronización (o por auto-sincronización en las máquinas con un envolvente externo), es posible establecer un movimiento planetario de cualquiera de los miembros (macho o hembra) con respecto al otro miembro (fijado) con dos grados de libertad, uno de los cuales es un grado independiente de libertad de una rotación mecánica.

Todos los métodos conocidos de transformación de un movimiento en atornilladores volumétricos de conjugación equivalen a los siguientes dos métodos: método rotatorio (más a menudo denominado birotatorio) y método planetario.

De acuerdo al primer método una rotación (rotación de un miembro sobre su propio eje fijo) en una dirección sobre un eje fijo paralelo, es transmitido simultáneamente a la rotación interconectada de los dos enlaces - miembros hembra y macho con los perfiles de tornillo inicial y conjugado.

De acuerdo al segundo, el movimiento planetario es transmitido a un miembro (es técnicamente preferible transmitir el movimiento planetario al miembro macho), para que su centro se mueva en un círculo en torno al centro del segundo miembro, en este caso, un miembro fijo (miembro hembra).

Generalmente, con la ayuda de enlaces de acoplamiento de sincronización (o por auto-sincronización en las máquinas con un envolvente externo), es posible establecer un movimiento planetario de cualquiera de los miembros (macho o hembra) con respecto al otro miembro fijado, con los dos grados de libertad, uno de los cuales es un grado independiente.

En los métodos conocidos, un miembro hembra fijo generalmente establece el miembro macho en un movimiento planetario relativo al eje central fijo del miembro hembra y lo rodea.

Como se ha mostrado arriba, un movimiento planetario puede estar representado por la suma de dos componentes de las rotaciones - revolución y giro. El primer componente de rotación de este movimiento planetario hace que el eje del miembro macho describa un cilindro con un radio E sobre el eje central de la superficie hembra fija, con la cual un eje del miembro planetario describe una órbita de radio E a una velocidad arbitraria \omega. El segundo componente de este movimiento planetario es el giro, es decir, una rotación periférica del miembro macho sobre su eje móvil a la velocidad \pm \frac{\omega}{Nm} (menos - cuando el miembro macho es trocoide, más - cuando el miembro macho es un envolvente interno).

La eficacia del método de transformación de un movimiento en un atornillador particular se determina por la intensidad de los procesos termodinámicos que tienen lugar en la máquina, y se caracterizan por el parámetro generalizado "ciclo angular". El ciclo es igual al ángulo de giro de cualquier miembro rotativo (macho, hembra o enlace sincronizador) elegido como miembro con un grado independiente de libertad.

En los métodos conocidos, llevar a cabo una función del canal cinemático de transmisión y escape de energía positiva de conversión puede ser un eje de salida del enlace sincronizador, por ejemplo, un árbol de cigüeñal del miembro macho, etc.

El ciclo angular es igual al ángulo de giro de un miembro con grado independiente de libertad en el cual el período total de variación de la sección transversal (o el total de abertura y cierre) de la cámara activa, formada por los miembros macho y hembra tiene lugar, al igual que el movimiento axial de la cámara activa por un período Pm en las máquinas con una envoltura interna o por un período Pf(h) en las máquinas con una envoltura externa.

En la transformación de un movimiento planetario de un miembro hembra, hecho como una envoltura externa, la revolución del eje del miembro macho puede elegirse como una rotación independiente y el giro del miembro macho es una rotación dependiente. Después, el ciclo angular se define por el ángulo de revolución del eje del miembro macho, que es igual a

\gamma = \frac{\pi Nm}{Nm - 1}

El ángulo es igual al ángulo de giro del árbol del cigüeñal del enlace sincronizador (con el cual el miembro macho, enganchado al cigüeñal, ejecuta el movimiento de giro en el proceso de un movimiento planetario) y cuando la energía mecánica positiva se admite a través del canal de cigüeñal cinemático con un grado independiente de libertad.

Al admitir una energía positiva de rotación mecánica directamente al miembro macho, el movimiento de giro del miembro macho es elegido como la rotación independiente, y la revolución del eje del miembro macho como una dependiente. El giro del miembro macho con grado independiente de libertad en torno a su propio eje móvil a través de la conjugación auto-sincronizadora de los miembros macho y hembra provoca una revolución de eje (grado dependiente de libertad) en una órbita con radio E en torno a un eje fijado del miembro hembra. El ciclo angular en este caso es igual a

\gamma = \frac{\pi}{Nm - 1}

Los métodos conocidos de transformación de un movimiento son empleados en motores de fondos de pozo en petróleo, gas o perforación geotérmica (como se describe en la Patente Francesa FR- A - 99 7957 y Patente U.S 3,975,120).

La transformación de un movimiento empleada en motores se describe por V. Tirapolskkyi ("Hydraulical Downhole Motors in Drilling", el curso de perforación, pp.258-259, publicado en Edición, Technip, Paris 15e). Una transformación similar de un movimiento en esos motores se lleva a cabo normalmente en un miembro hembra fijado, que es un miembro hembra, mientras que el movimiento planetario del miembro macho relativo a este miembro hembra está en consecuencia identificado por su movimiento absoluto.

Los métodos conocidos de transformación de un movimiento en un atornillador volumétrico con elementos conjugados de forma curvilínea realizados en similares máquinas volumétricas tienen los siguientes inconvenientes:

-

potencial técnico limitado, a causa del proceso imperfecto de organización de un movimiento, que falla al aumentar una cantidad de ciclos angulares por un giro del miembro motriz con el grado independiente de libertad;

-

potencia específica limitada de atornilladores similares;

-

eficacia limitada;

-

existencia de fuerzas reactivas en el cuerpo fijo de la máquina.

La invención pretende resolver un problema de ampliación de capacidades de potencial técnico y funcional del método de transformación de un movimiento en un atornillador creando un canal cinemático adicional para energía positiva con el grado independiente de libertad de un movimiento, es decir, aumentando la cantidad total de grados de libertad del movimiento rotatorio hasta tres, de los cuales dos son independientes. Esto proporciona un aumento en la eficacia del método, un aumento en la cantidad de ciclos angulares de cambio de volumen dela cámaras de desplazamiento por un giro de un eje motriz y, como resultado, se intensifican los procesos de conversión de energía positiva y disminuye (hasta cero) en las fuerzas reactivas mecánicas en los soportes del atornillador volumétrico.

De acuerdo con el segundo aspecto de la invención, el segundo grado independiente de libertad del movimiento rotatorio se introduce para transformar un movimiento de miembros macho y hembra y enlaces de enganche sincronizado. En la transformación de un movimiento planetario el miembro, cuyo eje coincide con el eje central fijo, es accionado en el movimiento rotatorio en torno al eje fijo con grado independiente de libertad de un movimiento rotatorio. Con este propósito, una porción de energía positiva de conversión se transmite a través del segundo grado independiente de libertad de rotación mecánica del miembro ejecutando un movimiento rotatorio en torno al eje central fijo.

En el método de acuerdo a la invención, se ejecutan los movimientos rotatorios interconectados diferenciales de un enlace de enganche sincronizador y los miembros macho y hembra. Dos rotaciones de las tres citadas (rotación, revolución y giro) se eligen como grados independientes de libertad de movimiento rotatorio y la tercera rotación es una función diferencial dependiente de las dos rotaciones independientes, con las cuales se crea la revolución del eje del elemento planetario en torno al eje central fijo con radio E simultáneamente con el giro de este elemento y con una rotación de otro elemento conjugado en torno a su eje central fijo.

Un método de transformación de un movimiento en un atornillador volumétrico de acuerdo a la invención, consiste en la creación de movimientos interconectados de los elementos conjugados de tornillo en forma de miembros macho y hembra y enlaces de enganche sincronizador con la ayuda de flujos positivos convertidos de energía mecánica y energía de sustancia activa en cámaras activas de dicho atornillador volumétrico, conduciendo a uno de los miembros macho o hembra a un movimiento planetario con dos grados de libertad de rotación mecánica, uno de los cuales es un grado independiente de libertad, la transmisión de dicho flujo de energía positiva de conversión a través de un grado independiente de libertad de una rotación mecánica de dicha máquina.

En una realización preferente, el método proporciona la creación de un movimiento conectado diferencialmente de miembros macho y hembra y enlaces de enganche sincronizador con el segundo grado independiente de libertad de un movimiento rotatorio y la transmisión de flujo de energía positiva de conversión en forma de dos flujos a través de dos grados independientes de libertad de una rotación mecánica de dicha máquina.

Además, de acuerdo a otra realización, al menos, un grado dependiente de libertad del movimiento rotatorio puede crearse en el proceso de transformación de un movimiento de miembros macho y hembra y enlaces de enganche sincronizador, y una parte de flujo de energía positiva de conversión dentro de dicha máquina puede emplearse para transformar un movimiento a través de un adicional grado dependiente de libertad de rotación mecánica de dicha máquina con el descenso del número de grados independientes de libertad por unidad.

De acuerdo con otra realización, las velocidades angulares de dichos miembros pueden determinarse como conectadas diferencialmente uno con otro de acuerdo a la relación:

k_{1} \omega_{1} + k_{2} \omega_{2} + \omega_{3} = 0,

donde:

\omega_{1}, \omega_{2} representan la velocidad angular de dichos elementos conjugados en torno a sus ejes;

\omega_{3} representa la velocidad angular del enlace de enganche sincronizador;

k_{1}, k_{2} representan los coeficientes de enganche constante;

con los cuales, los valores de velocidades angulares de rotación de elementos conjugados se definen a partir de la relación:

(z-1 ) \ \omega_{1} - z \omega_{2} + \omega_{0} = 0,

donde:

\omega_{1}, representa la velocidad angular del miembro en torno a su eje, cuya superficie helicoidal tiene la forma de superficie curvilínea;

\omega_{2} representa la velocidad angular de rotación del miembro en torno a su eje, cuya superficie helicoidal tiene forma de envolvente interno o externo de una familia de superficies, formada con dicha superficie curvilínea;

\omega_{0} representa la velocidad angular de la revolución orbital del eje del miembro que ejecuta el movimiento planetario;

z representa un número entero, z > 1.

Además, de acuerdo a otra realización del método, dos de las tres rotaciones pueden estar sincronizadas entre sí, concretamente, la rotación de uno de los elementos conjugados en torno a su propio eje, la revolución de un eje de un elemento que realiza un movimiento planetario con el enlace de enganche sincronizador y el giro del elemento con un eje móvil.

El atornillador rotatorio de la presente invención se comprenderá mejor con referencia a las figuras acompañantes que muestran ejemplos ilimitados.

La Figura 1 muestra una sección longitudinal de un atornillador volumétrico rotatorio incorporado con movimiento rotacional del miembro hembra y movimiento progresivo circular del miembro macho con un envolvente interno, en el cual Nh = Nm - 1.

La Figura 2 es una sección transversal en la línea II-II de la figura 1.

La Figura 3 muestra una sección longitudinal del atornillador volumétrico incorporado con un movimiento rotacional del miembro hembra y movimiento progresivo circular del miembro macho con un envolvente externo, en el cual Nh = Nm + 1.

La Figura 4 es una sección transversal en la línea IV-IV de la figura 3.

La Figura 5 muestra una sección longitudinal del atornillador volumétrico incorporado con la rotación del miembro hembra con un envolvente externo, en el cual Nh = Nm + 1 y el movimiento progresivo circular del miembro macho.

La Figura 6 es una sección transversal en la línea VI-VI de la figura 5.

La Figura 7 muestra una sección longitudinal de otra realización de atornillador volumétrico con movimiento rotacional del miembro macho y movimiento progresivo circular del miembro hembra, en el cual Nh = Nm -1.

La Figura 8 es una sección transversal en la línea VIII-VIII de la figura 7.

La Figura 9 muestra una sección longitudinal de un atornillador volumétrico contra-rotatorio con un medio de transmisión rotacional de dos canales y con movimiento planetario del miembro macho y movimiento rotacional del miembro hembra, en el cual Nh = Nm - 1.

La Figura 10 es una sección transversal en la línea X-X de la figura 9.

La Figura 11 muestra una sección longitudinal de un atornillador volumétrico contra-rotatorio con un medio de transmisión rotacional de un canal y con movimiento planetario del miembro macho y movimiento rotacional del miembro hembra, en el cual Nh = Nm -1.

La Figura 12 es una sección transversal en la línea XII-XII de la figura 11.

La Figura 13 muestra una sección longitudinal de un atornillador volumétrico contra-rotatorio con un grado independiente de rotación del miembro hembra, en el cual Nh = Nm - 1.

La Figura 14 es una sección transversal en la línea XIV-XIV de la figura 13.

La Figura 15 muestra una sección longitudinal de un atornillador volumétrico contra-rotatorio con dos grados independientes de revolución de cigüeñal que pasan a través del eje macho y rotación del miembro hembra en la cual Nh = Nm - 1.

La Figura 16 es una sección transversal en la línea XVI - XVI de la figura 15.

La Figura 17 muestra una sección longitudinal de un atornillador volumétrico contra-rotatorio con movimiento planetario del miembro macho y movimiento rotacional del miembro hembra, en el cual Nh = Nm +1.

La Figura 18 es una sección transversal en la línea XVIII-XVIII de la figura 17.

La Figura 19 ilustra una vista esquemática en perspectiva de un atornillador volumétrico con un mecanismo de soporte con movimiento planetario del miembro macho, en el cual Nh = Nm +1.

La Figura 20 muestra una sección transversal de cámaras activas de un atornillador volumétrico con miembros adicionales macho y hembra dispuestos coaxialmente.

La Figura 21 es una vista detallada en perspectiva, explicando el método de transformación de un movimiento en un atornillador volumétrico tridimensional, el principio de formación de superficies curvilíneas envolventes de miembros macho y hembra, y

La Figura 22 ilustra un esquema, explicando el método de transformación del movimiento en un atornillador volumétrico contra-rotatorio con movimiento planetario del miembro macho, en el cual Nh=Nm-1.

El atornillador rotatorio volumétrico tridimensional de la figura 1 muestra un movimiento progresivo del miembro macho 10, es decir, un eje del miembro macho 10 es capaz de actuar únicamente en movimiento de revolución orbital, y el movimiento de giro del miembro 10 desparece, mientras que el miembro hembra 20 es capaz de rotar sobre sí mismo.

El movimiento progresivo circular del miembro macho 10, un eje del cual Xm gira en órbita de radio E en torno al eje fijo Xh del miembro hembra 20, se caracteriza por el hecho de que una línea recta que conecta dos puntos cualquiera del miembro macho 10 se mueve paralela a su dirección inicial. Cuando el miembro 10 se mueve en movimiento progresivo circular, su velocidad periférica en torno a su eje móvil Xm es igual a cero, es decir, su movimiento de giro desaparece.

En la realización de la figura 1, el miembro macho está formado por una superficie externa en forma de tornillo de tres arcos 12 (Nm = 3), donde el miembro hembra tiene una superficie interna en forma de tornillo de dos arcos 22 (Nh = 2). La superficie externa del miembro macho 10 define una superficie macho 12 y la superficie interna del miembro hembra 22. Las superficies macho 12 y hembra 22 son superficies helicoidales que tienen ejes paralelos Xm y Xh espaciados por una longitud E. Las superficies macho 12 y hembra 22 definen al menos una cámara activa 11 por evolución de los contactos lineales A_{1}, A_{2}, A_{3}, de las superficies macho 12 y hembra 22 y desplazamiento relativo de los miembros macho 10 y hembra 20.

El perfil nominal 14 del miembro macho 10 que tiene un orden de simetría Nm = 3 con respecto al centro Om situado en el eje macho Xm se representa en una sección transversal del atornillador rotatorio volumétrico tridimensional en la figura 2. Del mismo modo, el perfil nominal 24 del miembro hembra 20 tiene un orden de simetría Nh = 2 con respecto al centro hembra Oh situado en dicho eje hembra Xh, con Nh = Nm - 1.

Como se representa en la figura 2, el perfil macho 14 está compuesto por tres lóbulos salientes idénticos que cubren el mismo sector angular con un ángulo de vértice Om igual a 120º. Lo mismo ocurre con los dos lóbulos salientes del perfil hembra 24 que están diametralmente opuestos. El número de dichos lóbulos salientes da el orden de sime-
tría.

El miembro hembra 20 está enganchado a un cuerpo inmóvil 30 que tiene un eje principal X y que está mecánicamente conectado a un medio de transmisión de un canal 31, en un enlace del centro de giro para que pueda rotar en sí mismo sobre el eje central X, que aquí está mezclado con su eje hembra Xh.

El atornillador rotatorio volumétrico además consta de un mecanismo similar a un cigüeñal que tiene una pieza cigüeñal 32 que enganchada conecta con el cuerpo principal 30 y el miembro macho 10, y que representa una excentricidad igual a E. De hecho, la pieza cigüeñal 32 está compuesta por un extremo del primer eje 32' enganchado al cuerpo principal 30 y un extremo del segundo eje 32'' que es paralelo, pero sale del extremo de primer eje 32' con la distancia E. Por lo tanto, el extremo del primer eje 32' está alineado con el eje X que corresponde con el eje impulsor del cigüeñal 32, y el extremo del segundo eje 32'' es alineado con el eje impulsado de este cigüeñal 32 que es coaxial con el eje Xm, mientras está desviado de una distancia E con respecto al eje central X.

El miembro 10 está enganchado en este extremo del segundo cigüeñal 32'', para que este extremo del segundo cigüeñal 32'' sea capaz de girar en torneo al eje femenino fijo Xh, es decir, su centro Om es capaz de describir un círculo que tiene un radio E y un centro Oh.

Como consecuencia, el eje Xm del miembro macho 10 realiza un movimiento de revolución orbital sobre el eje hembra Xh, que está alineado con el eje principal X, donde el miembro hembra 20 rota sobre sí mismo en torno al eje principal X del cuerpo inmóvil 30.

Para obtener dos grados independientes de libertad del miembro macho 10, el cigüeñal 32 y el miembro hembra 20 son capaces de estar en movimiento independiente.

Cuando se emplea como un motor, el atornillador rotatorio volumétrico transforma la energía procedente del desplazamiento volumétrico de un medio activo en energía mecánica, mientras que si por ejemplo se usa como bomba, transforma la energía mecánica del medio 31 que además viene del movimiento de cigüeñal 32 en el desplazamiento volumétrico de un medio activo. Para aumentar la eficacia de tal máquina volumétrica, tanto el cigüeñal 32 como el miembro hembra 20 pueden realizar un movimiento rotacional.

El atornillador volumétrico además consta de un principal enlace de enganche sincronizador en forma de cigüeñal 32 y un mecanismo adicional de sincronización en la forma de cigüeñal 34 paralelo al cigüeñal 32 y los engranajes 36, 38, 40.

El enganche cinemático entre el miembro hembra 20 y el cigüeñal 32 proporciona una revolución del cigüeñal 32 al rotar el miembro hembra 20 impulsado por la transmisión del medio de transmisión rotacional de un canal 31.

Sin embargo, debido al orden de simetría Nh es Nm-1, la sincronización no se lleva a cabo por medio de auto-engranaje de los elementos, es necesario proporcionar un enganche cinemático que puede elegirse en la forma de reducción o multiplicación de la transmisión por engranajes.

Como consecuencia, el atornillador rotatorio consta de un enganche cinemático entre el miembro hembra 20 y el cigüeñal 32 para permitir el movimiento del cigüeñal 32 en rotación del miembro hembra 20. Como se representa en la figura 1, el enganche cinemático puede constar al menos de una pieza de enganche 36, como una rueda dentada, unida a un enlace de centro de giro en el cuerpo 30, capaz de acoplarse por un lado a un engranaje anular interno 38 provisto en el miembro hembra 20 y por otro lado a un engranaje 40 provisto en el cigüeñal 32.

La máquina trocoidal además consta de un cigüeñal adicional que permite el movimiento progresivo circular del miembro macho 10 y la revolución del eje macho Xm en torno al eje hembra Xh.

Cada cigüeñal 32, 34 consta de un primer extremo del cigüeñal 32', respectivamente 34' y un segundo extremo del cigüeñal 32'', respectivamente 34''. El primer extremo del cigüeñal 32' coopera con el engranaje 40, respectivamente el extremo del cigüeñal 34' con el cuerpo 30, y el segundo extremo del cigüeñal 32'', respectivamente 34'', está enganchado al miembro macho 10 y que es paralelo, pero sale del primer extremo del cigüeñal 32', 34' con la distancia E. El miembro macho 10 coopera con ambos extremos de cigüeñal 32'' y 34'' para que el miembro macho 10 sea capaz de ejecutar un movimiento progresivo circular, es decir, su eje Xm sea capaz de describir un círculo que tenga un radio E y un centro Oh. Las excentricidades del cigüeñal 32 y del cigüeñal 34 son iguales.

Las piezas de enganche 36, 38 y 40 y el eje de cigüeñal 34 forman el sincronizador, que permite la sincronización de los movimientos de giro macho y de rotación hembra.

El radio de transmisión entre el cigüeñal 32 y el miembro macho 20 se determina por los engranajes 36, 38 y 40 y en particular por el número de dientes Z38 y Z40 de los engranajes 38 y 40. El ciclo angular se realiza por 180 grados angulares de rotación del miembro 20, cuando

\frac{Z38}{Z40} = 2

Cuando se emplea en un motor, el atornillador volumétrico de la figura 1 convierte la energía de una sustancia activa en energía mecánica transmitida al medio 31. Por el contrario, cuando la máquina se emplea por ejemplo como bomba, convierte la energía mecánica procedente de los medios 31 en una energía con sustancia activa.

La figura 3 muestra una versión del atornillador rotatorio volumétrico tridimensional con el movimiento progresivo circular del miembro macho 110, que funciona de modo similar a la máquina mostrada en la Figura 1, pero con un radio diferente de número de simetría entre las superficies macho y hembra. Aquí, la superficie externa 112 del miembro machol 10 tiene la forma trocoidal de dos arcos 114 (Nm = 2) en una sección transversal (ver figura 4), donde la superficie interna 122 del miembro hembra 120 tiene la forma de envolvente externo de 3 arcos 124 (Nh = 3) en una sección transversal (ver figura 4).

Aquí de nuevo, el miembro macho 110 está cooperando con el cigüeñal 32 y el cigüeñal 34 para realizar un movimiento progresivo circular, es decir, el eje Xm del miembro macho 110 es capaz de realizar un movimiento de revolución orbital, mientras que el miembro hembra 120, enganchado a un enlace de eje de giro en el cuerpo inmóvil 30, es capaz de rotar sobre sí mismo.

Sin embargo, en este caso, debido al hecho de que el número de arcos formados con forma es más alto para la superficie hembra 124 (Nm + 1), que para la superficie macho 122, los miembros hembra 120 y macho 110 forman un par cinemático, que proporciona auto-sincronización.

La máquina volumétrica de la figura 3 funciona del siguiente modo.

Cuando gira el cigüeñal 32 (Figura 3), debido a la cooperación con el cigüeñal 34, el miembro macho 110 ejecuta un movimiento progresivo circular, el eje macho Xm describe un cilindro que tiene un radio E en torno al eje hembra Xh, pero el miembro macho no gira sobre sí mismo.

Como resultado del movimiento del miembro macho 110, tiene lugar un auto-engranaje de la superficie macho 112 con la superficie interna 122 del miembro hembra 120, permitiendo así la rotación, en la misma dirección que el cigüeñal 32, del miembro hembra 120 sobre sí mismo en torno al eje Xh, que está alineado con el eje principal X del cuerpo 30.

La Figura 5 muestra la versión del atornillador volumétrico tridimensional con un movimiento progresivo circular del miembro macho 110, y la figura 6 es una sección transversal en la línea VI-VI de la figura 5, que funciona de modo similar a la máquina mostrada en la figura 3 (Nm = 2 y Nh = 3), pero con una conexión diferente del medio rotacional de un canal 31 y dos cigüeñales paralelos 34 en vez de uno solo.

Por un lado, aquí de nuevo, el miembro macho 110 está cooperando con al menos dos cigüeñales paralelos 34 para realizar un movimiento progresivo circular. Por otro lado, no hay cigüeñal 32 y es el miembro hembra 120 enganchado a un enlace del eje de giro en el cuerpo inmóvil 30, el que es capaz de rotar, impulsado por el medio de transmisión 31 de un canal. Cada cigüeñal consta de un extremo cigüeñal 34' enganchado en el cuerpo 30 y un extremo de cigüeñal 34'' enganchado en el elemento macho 110. Los cigüeñales 34 están paralelos respectivamente y tienen una distancia E entre 34' y 34''. El miembro macho 110 coopera con los dos extremos de cigüeñal 34'', para poder ejecutar un movimiento progresivo circular del elemento macho 110, cuando el eje Xm gira en un círculo que tiene un radio E y un centro Oh. Aquí las excentricidades de los cigüeñales se eligen para que sean iguales a E.

Si el miembro hembra 120 está directamente impulsado por el medio 31 de un canal, no hay necesidad de un cigüeñal específico 32 como el descrito en la figura 3. De hecho, aquí los cigüeñales 34 realizan el mecanismo del cigüeñal.

La máquina rotatoria volumétrica de la figura 5 opera del siguiente modo. Cuando el medio 31 hace rotar al elemento hembra 120 con la velocidad angular \omega_{1} sobre el eje Xh, que coincide con el eje principal X del cuerpo 30, la superficie interna 122 del miembro hembra 120 interactúa con la superficie 112 del miembro macho 110, permitiendo así el movimiento progresivo circular del elemento macho 110 en la misma dirección que el elemento hembra 120 en cigüeñales paralelos 34. Cuando el miembro macho 110 ejecuta el movimiento progresivo circular, el eje macho Xm describe un círculo que tiene un radio E y un centro Oh, con la velocidad angular \omega_{0} de una revolución, pero el miembro macho 110 no gira (\omega_{2} = 0).

En este caso, \frac{\omega_{0}}{\omega_{1}} = 3 y \omega_{2} = 0 y un ciclo angular medido en rotación (elemento 120) es igual a 180º.

La Figura 7 representa otra versión de la realización del atornillador rotatorio volumétrico tridimensional con dos grados de libertad de los cuales uno es independiente. Aquí como en la figura 1, el miembro hembra 20 es capaz de realizar un movimiento progresivo circular, mientras que el miembro macho 10 conectado con un medio rotatorio de un canal es capaz de rotar sobre sí mismo en torno a su eje macho Xm, que es coaxial con el eje principal X.

Aquí de nuevo, debido a que el número de arcos con forma del perfil hembra 24 es inferior que aquellos del perfil macho 14 (Nh = 2 y Nm = 3, ver figura 8), es necesario proporcionar enganche cinemático entre las superficies macho 12 y hembra 22.

El miembro macho 10 se extiende en un extremo con un eje 42 sobre el cual un engranaje anular 44 se fija mecánicamente. El otro extremo del miembro macho está enganchado al cuerpo principal 30 con un enlace de centro de giro para que sea capaz de rotar sobre el eje principal X. El engranaje angular externo 44 está continuamente engranándose con una pluralidad de engranajes 46 enganchados al cuerpo principal 30 en un enlace de centro de giro, para impulsar estos engranajes 46 en movimiento rotatorio sobre ellos mismos. El número Z44 y Z46 de dientes de engranaje 44 y 46 se elige de tal modo:

\frac{Z44}{Z46} = 3

Cada engranaje 46 está provisto de un eje de cigüeñal 48 que está desplazado del eje 46' de cada engranaje 46 de una longitud igual a E. Los ejes paralelos 48 están situados en un enlace de centro de giro en el miembro hembra 20.

Los elementos 42, 44 y 46 tienen que compararse con el cigüeñal 32, el engranaje 30, engranajes 36 y el engranaje anular interno 38 de la máquina de la figura 1.

La operación de la máquina volumétrica mostrada en la Figura 7 actúa con el movimiento progresivo circular del miembro hembra 20. En esta máquina, cuando el miembro macho 10 es impulsado por el medio rotacional 31, hace rotar los engranajes 44 y 46 y por lo tanto hace girar los ejes de cigüeñal 48. Debido a la rotación de los ejes de cigüeñal 48, el eje Xh del miembro hembra 20 realiza un movimiento de revolución orbital sobre el eje macho Xm, es decir, el centro hembra Oh describe un círculo que tiene un radio E y un centro Om en la misma dirección que el miembro macho 10.

En las versiones de las realizaciones ya mencionadas, la elección de una excentricidad E no tiene efecto en los valores de diámetro de los engranajes sincronizadores 36, 38, 40 de la figura 1 y 44, 46 de la figura 7.

La Figura 9 muestra un atornillador rotatorio volumétrico similar al atornillador rotatorio de la figura 1, pero con tres grados de libertad, dos de los cuales son independientes. El atornillador rotatorio volumétrico consta de un miembro hembra 20 con forma de tornillo (dos arcos), el miembro macho 10 de tres arcos (ver figura 10), el cuerpo inmóvil 30, el mecanismo de cigüeñal que consta de un cigüeñal 32 enganchado a un enlace de eje de giro en el cuerpo principal 30 que tiene el eje principal X, para que el eje Xm del miembro macho 10 sea capaz de girar sobre el eje hembra Xh que está alineado con el eje principal X y el miembro hembra 20 sea capaz de rotar con medios rotacionales 131 sobre el eje principal X.

A causa del orden de simetría Nh es Nm-1, la sincronización no se lleva a cabo por auto-engranaje de los elementos, sino que es necesario proporcionar un enganche cinemático entre los miembros macho y hembra.

Como consecuencia, el cigüeñal 32 y el miembro hembra 20 pueden estar enlazados con medio de transmisión rotacional de dos canales. El miembro hembra es conectado a uno de los dos canales de los medios de transmisión rotacional, mientras el cigüeñal 32 está conectado al otro de los dos canales del medio de transmisión rotacional.

Bajo el medio de conexión de dos canales con dos grados independientes de libertad de la máquina, dos velocidades de rotación angular del miembro hembra 20 o del cigüeñal 32 pueden especificarse (grados independientes) mientras que la tercera velocidad de rotación angular de giro del miembro macho 10 (grado dependiente de libertad) se establece en la máquina como una función diferencial de las dos velocidades independientes. En este caso, los medios de sincronización adicionales no son necesarios.

Por el contrario, bajo el medio de transmisión de un canal 31 (ver figura 11), el enganche con una máquina se realizaría por medio de un canal de grado independiente de libertad, y un medio de sincronización adicional debería introducirse en la máquina para conectar dos de los tres elementos de la máquina (miembro macho 10, miembro hembra 20 y cigüeñal 32) con la viabilidad para disminuir la cantidad de grados independientes de libertad de la máquina por unidad.

El grado adicional de libertad es el movimiento de giro del miembro hembra 20.

Por ejemplo, como se representa en la figura 9, el miembro macho 10 proporciona en un extremo un engranaje anular interno 50 que engrana con un piñón 52 rígidamente fijado en el miembro hembra 20 y enganchado al cuerpo principal 30 para que sea capaz de rotar con los medios 131. La transmisión de engranaje planetaria 50 y 52 conecta respectivamente mecánicamente el miembro macho 10 y el miembro hembra 20, mientras que el cigüeñal y el miembro hembra 20 están conectados a un medio rotacional de dos canales 131.

Debido a los diferentes engranajes, cuando el cigüeñal 32 rota en una dirección, el miembro macho 10 realiza una revolución orbital en una dirección similar, es decir, el eje macho Xm describe un círculo de centro Oh en la misma dirección de rotación que el cigüeñal 32, mientras que el miembro macho 10 gira en sí mismo en dirección opuesta de rotación. De hecho, la revolución orbital del eje macho Xm y los movimientos de giro del miembro hembra 10 están en dirección opuesta.

Para obtener el atornillador rotatorio volumétrico tridimensional, es decir, la velocidad de revolución del miembro hembra 20 y las velocidades de revolución orbital del cigüeñal 32 y el eje macho Xm son iguales, pero en dirección opuesta, los diferentes engranajes pueden elegirse por ejemplo como se expresa a continuación. El engranaje angular interno 50 tiene un radio igual a tres veces E, 3 x E, el engranaje externo 52 tiene un diámetro externo igual a 2 x E. Por lo tanto, el radio del número de dientes Z50 y Z52 de cada engranaje 50 y 52, se elige para que:

\frac{Z50}{Z52} = \frac{3}{2}

La operación de atornillador contra-rotatorio volumétrico tridimensional de la figura 9 funciona del siguiente modo. Con la ayuda de medios rotacionales 131, cuando rota el cigüeñal 32 y simultáneamente el miembro hembra 20, por un lado, debido al cigüeñal 32, el eje del miembro macho Xm realiza un movimiento de revolución orbital sobre el eje principal X, y por otro lado, debido a la interacción del engranaje anular interno 50 del miembro macho 10 con engranaje externo 52 conectado al miembro hembra 20, el miembro macho 10 ejecuta el movimiento de giro sobre sí mismo. La combinación de ambos métodos, giro y revolución orbita del eje macho Xm, conduce al movimiento planetario del miembro macho 10.

La eficiencia del atornillador que es proporcional a la velocidad de los procesos de abertura y cierre de las cámaras entre las superficies conjugadas de los miembros macho y hembra se determina por la duración del ciclo angular de la máquina. En esta máquina representada en la figura 9, el ciclo angular es igual a 270 grados angulares, el doble que en las máquinas conocidas de este tipo, porque se realiza cuando dos miembros que forman las cámaras activas están en un relativo movimiento simultaneo.

Sin embargo, el mejor resultado para la máquina de la figura 9 se obtiene cuando la velocidad de revolución de un eje del miembro 10 es igual a la velocidad de rotación del miembro 20 y ocurre en dirección opuesta a la rotación. En este caso, las fuerzas mecánicas producidas por la rotación del miembro hembra 20 y por revolución del cigüeñal 32 con el miembro macho 10 en el cuerpo principal 30 son iguales y opuestos, de modo que el movimiento resultante es prácticamente nulo. Estos tipos de máquinas se emplean en casos donde las vibraciones se deben evitar o limitar en un alto grado.

La Figura 11 muestra un atornillador rotatorio volumétrico similar al atornillador rotatorio de la figura 9, pero con tres grados de libertad, uno de los cuales es independiente y con medios rotacionales de un canal 31. Este atornillador rotatorio volumétrico consta del miembro hembra 20 de forma de tornillo (dos arcos), el miembro macho 10 de tres arcos (ver figura 12), el cuerpo inmóvil 30, el mecanismo de cigüeñal que consta de una pieza de cigüeñal 32 enganchada a un enlace de eje de giro en el cuerpo principal 30 que tiene el eje principal X, para que el eje Xm del miembro macho 10 sea capaz de girar en torno al eje hembra Xh que está alineado con el eje principal X y el miembro hembra 20 sea capaz de rotar sobre sí mismo en torno al eje principal X.

Para evitar tener los miembros rotacionales conectados tanto al cigüeñal 32 como al miembro hembra 20 y debido a que el número de arcos con forma del perfil hembra 24 es inferior a aquellos del perfil macho 22, el atornillador rotatorio consta de una transmisión de engranaje rotatorio. De acuerdo a la deposición de ambos engranajes interno y externo, la transmisión de engranaje planetario 50, 52, impulsa al miembro hembra 20 en la misma dirección o en dirección opuesta relativo al movimiento del cigüeñal.

Para proporcionar este movimiento adicional, el atornillador rotatorio consta de un sincronizador adicional, que consta de una transmisión de engranaje planetario. También es posible realizar un sincronizador adicional con la forma de un mecanismo de soporte con un soporte rotatorio o fijo o un inversor de dirección de movimiento.

Por ejemplo, como se representa en la figura 11, el miembro macho 10 proporciona en un extremo un engranaje anular interno 50 que se engrana con un piñón 52 rígidamente fijado en el miembro hembra 20 y enganchado al cuerpo principal 30.

Para sincronizar los diferentes movimientos entre los miembros macho 10 y hembra 20, el atornillador rotatorio además consta de un sincronizador. Por ejemplo, el miembro macho 10 proporciona en su otro extremo un piñón 54, que se engancha con un engranaje anular interno 56, fijado en el cuerpo principal 30.

Debido a los diferentes engranajes, cuando el cigüeñal 32 rota en una dirección, el eje Xm del miembro macho 10 rota en una dirección similar, es decir, el eje macho Xm describe un círculo de centro Oh en la misma dirección de rotación que el cigüeñal 32, mientras que el miembro macho 10 gira sobre sí mismo en dirección opuesta a la rotación. De hecho, la revolución orbital del eje macho Xm y los movimientos de giro del miembro macho 10 están en dirección opuesta.

Para obtener un atornillador contra-rotatorio volumétrico tridimensional, es decir, la velocidad rotatoria del miembro hembra 20 y la velocidad de revolución orbital del eje macho Xm son iguales pero están en dirección opuesta, los diferentes engranajes se pueden elegir por ejemplo como se explica a continuación. El engranaje anular interno 50 tiene un radio interno igual a tres veces E, 3 x E, el engranaje externo 52 tiene un radio externo igual a 2 x E. Por lo tanto, el radio del número de dientes Z50 y Z52 de cada engranaje 50 y 52, se elige de modo que

\frac{Z50}{Z52} = \frac{3}{2}

El engranaje anular interno 56 tiene un radio interno igual a 4 x E, el engranaje externo 54 del miembro macho 10 tiene un radio externo igual a 3 x E.

Por lo tanto, el radio del número de dientes Z56 y Z54 de cada engranaje 56 y 54 se elige para que \frac{Z56}{Z54} = \frac{4}{3}.

La operación del atornillador contra-rotatorio volumétrico tridimensional funciona del siguiente modo. Cuando el cigüeñal 32 rota (a través de los medios de rotación de un canal 31), por un lado, el eje Xm del miembro macho realiza el movimiento de revolución orbital sobre el eje X, y por el otro lado, el engranaje 54 del miembro macho 10 rueda sobre la superficie interna del engranaje anular interno inmóvil 56 y por lo tanto el miembro macho 10 ejecuta el movimiento de giro sobre sí mismo. La combinación de ambos movimientos, giro y revolución orbital, acciona el movimiento planetario del miembro macho 10. Además, el engranaje anular interno 50 hace rotar el engranaje 52 del miembro hembra 20, que rota de modo contra-rotatorio de acuerdo con la dirección del cigüeñal.

La Figura 13 muestra una sección longitudinal de un atornillador contra-rotatorio volumétrico con un grado independiente de rotación del miembro hembra 20, en el cual Nh = Nm - 1, y la Figura 14 es una sección transversal en la línea XIV-XIV de la figura 13, similar al atornillador de la figura 11 (Nh = 2 y Nm = 3), pero con una conexión diferente de los medios de rotación 31.

El miembro macho 10 es capaz de realizar un movimiento planetario en torno al eje hembra Xh, que coincide con el eje principal X y el miembro hembra 20 es capaz de rotar sobre el eje principal X y se conecta mecánicamente con los medios de transmisión de un canal 31.

El miembro hembra 20 tiene un perfil 24 y el miembro macho 10 tiene un perfil 14. El atornillador consta de las mismas transmisiones de engranaje planetario 54, 56 descritas en la figura 11, pero otro engranaje planetario 150, 152 reemplaza el anterior engranaje planetario 50, 52 arriba mencionado.

De acuerdo a la disposición de ambas conjugaciones de engranajes interno/externo, la transmisión de engranaje planetario 150, 152 tiene la relación \frac{Z_{150}}{Z_{152}} = \frac{3}{2}, donde Z_{152} representa el número respectivamente, de dientes de engranajes 150, 152. De acuerdo con esto, el engranaje 152 (conjugación externa)está dispuesto sobre el miembro hembra 20 y conectado a medios de un canal 31 y el engranaje 150 (conjugación interna) está dispuesto sobre el miembro macho 10.

El grado independiente de libertad es la rotación del miembro hembra 20, y los grados dependientes del movimiento del miembro macho 10 (giro de su miembro y revolución de su eje Xm). Para crear estos dos movimientos dependientes, la máquina consta de 1 sincronizador adicional que está formado por la transmisión de engranaje planetario 54, 56 tiene la relación \frac{Z_{56}}{Z_{54}} = \frac{4}{3}, donde Z_{56} y Z_{54} representan respectivamente el número de dientes de engranajes 56, 54.

Debido a dichos engranajes, el eje Xm del miembro macho 10 realiza una revolución en dirección opuesta al giro del miembro macho 10 sobre su eje Xm y describe un círculo que tiene un radio E y un centro Oh. El miembro hembra 20 realiza una rotación sobre el eje fijo Xh en dirección opuesta de la revolución del eje macho Xm.

La velocidad del miembro hembra 20 y la velocidad de rotación del eje macho Xm son iguales, pero tienen direcciones opuestas. Los diferentes engranajes pueden elegirse por ejemplo como se explica a continuación. El engranaje anular interno 150 tiene un radio interno igual a 3xE (tres veces E), el engranaje externo 152 tiene un radio externo igual a 2xE. El engranaje anular interno 56 tiene un radio interno igual a 4xE, el engranaje externo 54 del miembro macho 10 tiene un radio externo igual a 3xE.

La operación del atornillador volumétrico tridimensional funciona del siguiente modo. Cuando el miembro hembra 20 y el engranaje 152 rotan, a causa de su conexión con los medios de rotación de un canal 31, el miembro macho 10 y los engranajes 150 y 54 ejecutan un movimiento planetario en torno al eje principal Xh. como el engranaje 54 del miembro macho 10 se desliza sobre la superficie interna del engranaje anular interno inmóvil 56, el miembro macho 10 ejecuta un giro en torno al eje Xm y b su eje Xm ejecuta una revolución sobre el eje X. Además, el engranaje anular interno 152 hace rotar el engranaje 150 del miembro macho 10, creando una revolución del su eje Xm a una velocidad angular igual a la velocidad del miembro hembra 20, pero en dirección opuesta.

El ciclo angular de la máquina descrito en la figura 13 es igual a 270º de un giro angular del elemento hembra 20.

La Figura 15 muestra una sección longitudinal de otra versión de la realización del atornillador rotatorio volumétrico tridimensional con tres grados de libertad y medios de rotación de dos canales 131. De hecho, esta máquina ha de compararse con la máquina arriba mencionada (figura 9) en la cual el miembro macho 110 está realizando un movimiento planetario y el miembro hembra 120 está rotando sobre sí mismo, pero ahora el miembro macho 110 tiene un perfil nominal compuesto pro dos arcos y el miembro hembra 120 tiene un perfil nominal 124 compuesto por tres arcos (ver figura 16).

En este caso, debido al hecho de que el número de arcos formados es mayor que el perfil hembra 124 (Nh = Nm +1), que el perfil macho 114, los miembros hembra 120 y macho 110 forma un par cinemático que proporciona auto-sincronización y un enganche de sincronización entre los miembros hembra 120 y macho 110, como el enganche cinemático de los engranajes o ruedas dentadas 50 y 52 de la figura 9, no es necesario.

Dos salidas de los medios de transmisión de dos canales 131 son respectivamente y mecánicamente conectados al miembro hembra 120 y el cigüeñal 32 para crear una rotación (primera velocidad independiente) del miembro hembra 20 sobre su eje fijo Xh y una revolución (segunda velocidad independiente) del eje macho Xm sobre el eje principal X para definir una máquina contra-rotatoria que tiene una velocidad resultante prácticamente nula.

Esta máquina opera de manera similar a la máquina mostrada en la figura 9. El miembro macho 110 es enganchado al cigüeñal 32 y realiza un giro en torno a su eje Xm cuando el cigüeñal rota, y el miembro hembra 120 enganchado al cuerpo 30 es capa de rotar en torno al eje principal X.

Los medios de rotación de dos canales 31 crean las dos velocidades independientes de una rotación del miembro hembra 120 y una revolución del cigüeñal 32, que son iguales entre sí pero tienen direcciones opuestas.

Por lo tanto, cuando el cigüeñal 32 gira, el miembro macho 110 realiza un movimiento planetario en el proceso por el cual debido a la auto-sincronización del perfil macho 114 interactúa con el perfil hembra 124, después el miembro macho 110 gira (tercera velocidad dependiente) en torno al eje móvil Xm. El miembro macho 110 gira en la misma dirección que el miembro hembra 120. El ciclo angular de la máquina de la figura 15 es igual a 180 grados de un giro angular del elemento hembra 120 o del cigüeñal 32.

En las máquinas descritas en las figuras 9 y 15, hay tres grados de libertad de los cuales dos son independientes y la transmisión de energía positiva de conversión actúa a través de los medios de dos canales 131 a través de los dos canales mecánicos de rotación o revolución independiente.

Dos velocidades angulares de movimientos de los tres mencionados (rotación, revolución y giro del miembro macho o hembra, o enlace de enganche sincronizador) puede especificarse como independiente uno del otro. Se definen la fase inicial y dirección de cada rotación, y los valores de dichas velocidades angulares se eligen de acuerdo con las ecuaciones:

k_{1} \omega_{1} + k_{2} \omega_{2} + \omega_{3} = 0,

donde:

\omega_{1}, \omega_{2} representan la velocidad angular de dicho miembros conjugados en torno a su eje;

\omega_{3} representa la velocidad angular del enlace del enganche sincronizador;

k_{1}, k_{2} representan los coeficientes de enganche constante. Con todo esto, los valores de velocidades angulares de rotación de miembros conjugados se definen de la relación:

(z-1)\omega_{1} - z \omega_{2} + \omega_{0} = 0,

\newpage

donde:

\omega_{1} es la velocidad angular del miembro en torno a su eje, cuya superficie envolvente tiene la forma de superficie curvilínea;

\omega_{2} es la velocidad angular de rotación del miembro en torno a su eje, cuya superficie envolvente tiene una forma de envoltura interna y externa de una familia de superficies, formada con dicha superficie curvilínea;

\omega_{0} es la velocidad angular de la revolución orbital del eje del miembro, que realiza el movimiento planetario;

z es un integral, z >1.

La Figura 17 muestra una sección longitudinal de otra versión de la realización de un atornillador rotatorio volumétrico tridimensional contra-rotatorio con tres grados de libertad y medios de rotación de un canal 31. De hecho, esta máquina ha de compararse con la máquina arriba mencionada de la figura 11 en la cual el miembro macho 10 realiza un movimiento planetario y el miembro hembra 20 rota sobre sí mismo, pero ahora el miembro macho 110 tiene un perfil nominal 114 compuesto por dos arcos y el miembro hembra 120 tiene un perfil nominal 124 compuesto por tres arcos (ver figura 18).

Puede colocarse un inversor entre el miembro hembra 120 y el cigüeñal 32 para invertir la dirección del movimiento entre el movimiento rotatorio del miembro hembra 20 sobre sí mismo y el movimiento de revolución orbital del eje macho Xm sobre el eje principal X para definir una máquina contra-rotatoria que tiene una velocidad resultante prácticamente nula.

Esta máquina funciona de modo similar a la máquina mostrada en la figura 11. El miembro macho 110 coopera con el cigüeñal 32 y realiza un movimiento planetario sobre el eje principal X, y el miembro hembra se engancha al cuerpo 30 y es capaz de rotar sobre sí mismo en torno al eje principal X. El miembro hembra 120, a través del inversor de movimiento de dirección 58, se conecta mecánicamente al cigüeñal 32. El inversor 58 crea la misma velocidad para el miembro hembra 120 y para el cigüeñal, es decir, para la revolución orbital del eje macho Xm, pero los dos movimientos ocurren en direcciones opuestas.

Cuando el cigüeñal rota (por medio de los medios de rotación de un canal 31), el miembro macho 110 ejecuta el movimiento planetario; debido a la auto-sincronización que tiene lugar cuando el perfil macho 114 interactúa con el perfil hembra 124, el miembro hembra gira sobre sí mismo. La rotación del cigüeñal 32 a través del inversor 58 causa la rotación del miembro hembra 120 a la misma velocidad angular que la velocidad de rotación del este cigüeñal 32 pero en dirección opuesta. El miembro macho 110 gira en la misma dirección que el miembro hembra 120 rota.

La Figura 19 muestra la versión del atornillador rotatorio volumétrico tridimensional con un movimiento planetario del miembro macho 110, que funciona de manera similar a la máquina mostrada en la figura 9, pero con un radio diferente de velocidades. En la figura 19, hay un grado independiente de libertad, esto es, la rotación del miembro hembra 120. El giro y la revolución del miembro macho 110 son movimientos dependientes. La velocidad angular de un giro del miembro macho 110 es igual a -3 unidades arbitrarias, y la velocidad angular de una revolución de su eje Xm es igual a +3 unidades arbitrarias, es decir, son iguales en valores pero opuestas en dirección. La velocidad angular de rotación del miembro hembra 120 en torno a su eje fijo Xh es igual a -1 unidades arbitrarias. Aquí, la superficie externa 112 del miembro macho 110 tiene la forma de trocoide de dos arcos (Nm = 2) en una sección transversal, donde la superficie interna 122 del miembro hembra 120 tiene forma de envolvente externo de tres arcos (Nh = Nm +1 = 3).

Aquí de nuevo, el miembro macho 110 está mecánicamente y rígidamente conectado con un cigüeñal 59, cuyo principal cigüeñal 59'' está mecánicamente y rígidamente conectado con el miembro macho 110 en un punto 62. El punto 62 tiene unas coordenadas (0;E), cuando el centro macho Om se toma como posición inicial del sistema de coordenadas. Una muñequilla o muñón 59' del cigüeñal 59 se extiende a distancia 2E del principal cigüeñal 59'' y se coloca a lo largo del eje hembra Xh.

Dos resbaladores 60 están enganchados al cigüeñal principal 59'' y al muñón 59', con la posibilidad de deslizarse en ranuras curvilíneas, esto es, en dos soportes 61 provistos en el cuerpo fijo 30. Los ejes longitudinales de estos soportes 61 son perpendiculares.

Tomados en combinación, el cigüeñal 59, los resbaladores 60 y los soportes 61, forman un mecanismo de soporte final que crea un movimiento planetario del cigüeñal 59 junto con el miembro macho 110 relativo al cuerpo 30 en torno al eje fijo hembra Xh. El miembro hembra 120 está enganchado al cuerpo 30 y está mecánicamente conectado con medios de transmisión de un canal 31 y es capaz por lo tanto de rotar por estos medios sobre su eje fijo Xh.

Sin embargo, en este caso, debido al hecho de que el número de arcos con forma es mayor para la superficies hembra 122 que para la superficie macho 112 (Nf = Nm + 1), el miembro hembra 120 y el miembro macho 110 forman un par cinemático con auto-sincronización sólo con la existencia del mecanismo de soporte 59, 60, 61 que proporciona un movimiento planetario del miembro macho 110.

El atornillador rotatorio volumétrico de la figura 19 funciona del siguiente modo. Cuando los medios de rotación de un canal 31 hacen rotar al miembro hembra 120 sobre su eje fijo Xh, a causa de la cooperación de superficies curvilíneas 122 y 112, y cooperación del cigüeñal 59, los resbaladores 60 y los soportes 61, el miembro macho 110 realiza el movimiento planetario, esto es, el eje macho Xm gira en un círculo que tiene un radio E y un centro Oh, los resbaladores 60 realizan un movimiento recíproco con una amplitud 4E en los soportes 61. Como resultado del giro y revolución del miembro macho 110 con las mismas velocidades, tiene lugar un auto engranaje de la superficie macho 112 con la superficie interna 122 del miembro hembra 120, llevando así la misma dirección de giro del miembro macho 110 sobre su eje móvil Xm y rotación del miembro hembra 120 sobre su eje fijo Xh, que coincide con el eje principal X del cuerpo 30.

Un ciclo angular de la máquina de la figura 19 es igual a 90 grados angulares de giro del miembro hembra 120.

Para aumentar la eficacia de tal atornillador rotatorio volumétrico tridimensional, es también posible aumentar el número de miembros macho y hembra, que pueden engancharse mutuamente de manera mecánica o a través de un medio activo. Los adicionales miembros macho y hembra pueden colocarse en línea con dichos miembros macho y hembra o pueden colocarse coaxialmente dentro de dichos miembros macho y hembra como se muestra en la figura 20, de tal modo que sus superficies están en contacto mecánico para formar cámaras adicionales.

En referencia a la figura 20, en la cual por ejemplo, cuatro miembros 500, 600, 700 y 800 se acoplan entre sí. Un primer miembro de dos arcos 500 (macho) está acoplado en el perfil interior de tres arcos 624 (envolvente externo de una familia) de un primer miembro de tres arcos 600. Este primer miembro de tres arcos 600 es un miembro hembra para el primer miembro de dos arcos 500, pero es un miembro macho para el segundo miembro de dos arcos 700 en el perfil interno 724 cuyo perfil externo 614 (envolvente interno de una familia) de este primer miembro hembra 600 se acopla. Ocurre lo mismo con este segundo miembro de dos arcos 700, que es también macho y hembra, y cuyo perfil externo 714 (trocoide inicial de dos arcos) está enganchado con el perfil interno de tres arcos 824 (envolvente externo de una familia) de un final miembro de tres arcos 800. En este caso particular, el miembro 700 puede conectarse de manera mecánica al miembro 500, y el miembro 600 con el miembro 800, y el número de cámaras activas ha aumentado de tres a nueve.

El atornillador rotatorio volumétrico tridimensional puede comprender al menos un adicional miembro macho y hembra dispuesto en línea (no mostrado) y de manera mecánica rígidamente conectado a dichos miembros principales macho y hembra con los que forman cámaras activas adicionales.

Además, todos los atornilladores rotatorios volumétricos tridimensionales arriba descritos pueden tener superficies macho y hembra degenerados en superficies cilíndricas.

Ahora explicaremos cómo el medio se desplaza en las cámaras activas de dicho atornillador rotatorio volumétrico tridimensional.

Se lleva a cabo el movimiento rotatorio interconectado de un enlace de enganche sincronizador y, al menos, dos conjuntos de elementos conjugados de cerramiento y que han sido cerrados. En el estado inicial, los elementos de los conjuntos giran en torno a su eje fijo común relativo entre ellos; con la posibilidad de formar conjuntos de volúmenes entre los miembros macho y hembra, que conjuntamente forman el total de cámaras activas. Estos volúmenes están limitados por las superficies hechas en forma de cicloide o trocoide, o en la forma de fragmentos de dichas superficies, que tomadas en conjunto forma el total de cámaras activas (desplazadas).

Dos movimientos de los tres mencionados (giro y revolución orbital del miembro macho, y rotación del miembro hembra) son independientes entre sí.

Por ejemplo, en referencia a la figura 21, siete elementos 10n fijados juntos para formar los tres arcos del miembro macho 10 de la figura 11 con vértices A_{1}, A_{2}, A_{3}, y el perfil macho 12 está hecho en forma de superficie externa (Nm = 3). Siete elementos 20n forman también juntos el miembro hembra 20, que define la superficie interna. Cada elemento del miembro hembra 20 tiene una sección transversal, que está limitada de forma radial por una superficie cilíndrica que tiene un orden de simetría Nh sobre el eje hembra Xh (p. ej. en la forma de un epitrocoide de dos arcos, Nh = Nm - 1 = 2). El número de puntos de intersección de las superficies interna y externa z es igual a 3 (z = 3). Los ejes Xm y Xh están separados por una distancia E (excentricidad).

La Figura 21 muestra además, en un diagrama, las siete posiciones angulares a, b, c, d, e, f y g de los siete elementos que forman cada miembro macho 10 o hembra 20 de acuerdo a la longitud L de la máquina. Los elementos macho y hembra se giran alrededor de su eje, respectivamente Xm y Xh, en una dirección. El período Pm representado por b-f, donde se hace el total de cámaras activas, es decir, en la sección mencionada se realiza un período de variación total de un área de una sección final de la cámara activa, es decir, corresponde con una completa abertura y cierre de una cámara activa.

El radio de períodos de giro birotatorio de elementos macho y hembra de conjuntos conjugados es igual a Nm/Nh = 3/2. Los elementos macho y hembra forman las tres cámaras activas y definen tres áreas S_{A1A2}, S_{A2A3}, S_{A3A1} cuyas secciones finales varían con un cambio espacial Pm/3.

El radio de los ángulos de giro de los elementos en el período b-h del giro, o el período axial de los volúmenes totales, se elige proporcionales con el radio de los órdenes de simetría de los arcos con forma de los perfiles 14 y 24, para que a los giros z del miembro hembra 20 (trocoide), haya z - 1 giros del miembro macho 10 (envolvente interno), con posibilidad de formar el total de cámaras activas desplazadas con las áreas cerradas S_{A1A2}, S_{A2A3}, S_{A3A1} tomadas en una sección transversal.

En posición b, tomada como posición inicial, el área cerrada S_{A2A3} tiene un valor mínimo. En posición c, los elementos 10n del miembro macho 10, giran en torno a su eje macho Xm en dirección de las agujas del reloj a través de un ángulo \varphi_{m} = 90º, y los elementos 20n del miembro hembra 20 giran en torno al eje Xh a través de un ángulo (\varphif = 135º. El radio de los ángulos de giro \varphi_{f}/\varphi_{m} es igual a 3/2.

En posición d los ángulos de giro, relativos a la posición inicial b son iguales a 180º para el miembro macho 10 y 270º para el miembro hembra 20, etc. Por ejemplo, el área cerrada S_{A2A3} tiene un valor máximo en posición d.

Cuando el miembro macho 10 y el miembro hembra 20 realizan los giros arriba mencionados, todos los elementos de los miembros macho y hembra tomados en combinación en cada giro y en relación con su específico grosor y posición uno junto al otro, forman el total de cámaras activas con un discreto cambio de nivel tridimensional de volúmenes y con la posibilidad de movimiento axial de los volúmenes de las cámaras activas.

Al aumentar el número de elementos hasta el infinito y disminuir su grosor axial hasta 0 definiendo las superficies conjugadas curvilíneas, los cambios tridimensionales a lo largo del eje de los volúmenes del total de cámaras activas entre el macho 10 y la hembra 20 aparecen con facilidad.

De acuerdo al número de elementos, el número de arcos y la velocidad y dirección del movimiento de rotación, el período axial de los volúmenes totales diferirá.

El par conjugado de elementos macho 10n y hembra 20n es autosuficiente. El proceso de un movimiento axial de cámara a cámara, lleva a cabo diferentes transformaciones termodinámicas (compresión, expansión y demás) de diferentes medios activos, por eso el proceso de movimiento axial de los volúmenes de una cámara activa 11 a otra puede realizarse sin usar galerías, cuerpos adicionales, elementos para la distribución de gas, válvulas, etc.

En la Figura 21, hay tres de estos volúmenes y el desplazamiento de fase espacial entre ellos es igual a 120º. El esquema de la Figura 22, explica el método de transformar el movimiento en un atornillador rotatorio volumétrico en el cual el miembro macho 10 está en movimiento planetario en el miembro hembra 20, que está rotando en torno al principal eje de la máquina.

El miembro macho 10 que tiene un orden de simetría Nm gira, esto es, su eje Xm describe un cilindro de porción que tiene un radio igual a E y una velocidad angular \omega_{0} = + \omega a través de un ángulo \theta en torno al eje hembra Xh. Además, en el miembro hembra fijo 20, el miembro macho 10 gira sobre sí mismo a una velocidad angular + \omega/3 sobre su eje Xm en la misma dirección que su movimiento de revolución orbital, para que los tres vértices A_{1}, A_{2} y A_{3} se deslicen sobre el perfil de epitrocoide 24 del miembro hembra 20 en contacto continuo con él. La superficie interna del miembro hembra 20 está limitada de manera radial por una superficie cilíndrica que tiene un orden de simetría Nm - 1 (por ejemplo, epitrocoide de dos arcos).

En un movimiento planetario del miembro macho 10, donde el miembro hembra 20 es estático, los volúmenes activos considerados en una sección transversal describen un círculo y un total de volúmenes activos realizan un movimiento axial a lo largo de los ejes longitudinales de los elementos.

En la posición inicial, el miembro macho 10 tiene un período b-h (Pm) de un giro de tornillo sobre el eje macho Xm, y el miembro hembra 20 tiene un período Pm = 3/2 Pm en torno al eje Xh. En la Figura 21, el período b-h es igual a un período de una completa abertura y cierre de una cámara activa. Cuando el miembro hembra 20 está fijo, una velocidad angular de una revolución del eje del miembro macho Xm es igual a \omega_{0} = \omega, y la velocidad angular de un giro del miembro macho 10 en torno a su eje móvil Xm es igual a

\omega_{2} = \frac{\omega_{0}}{3} = \frac{\omega}{3}

De acuerdo a la invención, con los movimientos independientes se pueden determinar dos de los tres movimientos de los miembros macho y hembra y enlace de enganche sincronizador, determinamos una revolución de contador rotatorio del eje Xm del miembro macho 10 (llevado a cabo por el mecanismo de cigüeñal que no se muestra en la figura 21) a \omega_{0} = + \omega y rotación adicional del miembro hembra 20 en torno al eje fijo Xh a \omega_{1} = - \omega, es decir, la revolución del mecanismo de cigüeñal sobre el eje Xh y un eje Xm del miembro macho 10 a + \omega actúa simultánea-
mente.

\newpage

La velocidad angular dependiente \omega_{2} es giratoria de miembro macho 10 en torno al eje móvil Xm y se determina por la ecuación mencionada arriba (a z = 3): (3-1)(- \omega)-3 \omega_{2} + \omega = 0. De ahí:

\omega_{2} = - \frac{\omega}{3}

Un ciclo angular del movimiento axial de un volumen cerrado entre los miembros macho y hembra en el método planetario de transformar un movimiento a un miembro hembra fijo 20 actúa por 540º de una revolución del eje macho Xm en torno al eje Xh del miembro hembra 20.

De acuerdo a la invención un ciclo angular medido en rotación (elemento 20) o en revolución (cigüeñal) es \theta = 270º, y el ciclo angular medido en el giro (elemento 10) es

\Psi = \frac{\theta}{Nm} = 90º

Hemos visto que el grado independiente adicional de libertad del movimiento rotatorio de los elementos hembra surge cuando se hacen tres movimientos rotatorios, dos de los cuales se eligen independientemente. Se definen la fase y la dirección iniciales de cada rotación, y se eligen los valores de las velocidades angulares de rotación de dichos conjuntos de elementos conjugados de acuerdo a las ecuaciones:

13

donde

\omega_{1}, \omega_{2} son las velocidades de rotación de dichos miembros macho y hembra sobre sí mismos en torno a sus ejes;

\omega_{3} es la velocidad rotatoria del enlace de enganche sincronizador;

K_{1}, K_{2} son coeficientes de enganche constante,

\omega_{0} es la velocidad angular del movimiento de revolución del eje macho Xm que rota en torno al eje hembra Xh;

z es el número de puntos de cruce A_{1}, A_{2}, A_{3}, etc. de los envolventes internos y externos de dichas superficies macho y hembra, y puede se cualquier número entero mayor que la unidad.

Cualquiera de las dos velocidades angulares independientes puede elegirse de manera arbitraria, coeficientes y la tercera velocidad dependiente se determinan mediante la ecuación arriba expuesta.

Después de especificar los valores de las dos velocidades independientes y el valor z, deberían sustituirse en la ecuación arriba mencionada, para obtener los valores de la velocidad dependiente y los coeficientes constantes.

Para crear un grado independiente de libertad adicional del movimiento rotatorio de los elementos conjugados se introduce un movimiento adicionalmente birotatorio de ambos miembros. Como se muestra en la figura 22, el miembro macho 10 y el miembro hembra 20 rotan adicionalmente sobre sus centros Om y Oh en una dirección (opuesta a una revolución de un eje del miembro macho) con las velocidades angulares -2/3 \omega para el miembro macho 10 y \omega_{1} = - \omega para el miembro hembra 20.

En este caso, el miembro macho 10 adquiere la velocidad total de su propio giro periférico en torno a su centro Om, que es igual a

\omega_{2} = \frac{\omega}{3} - \frac{2}{3} \omega = - \frac{\omega}{3} \ y \ el \ ángulo \ de \ giro \ de \Psi = - \frac{\theta}{Nm}

sobre Oh (un ángulo \Psi en la figura 22 denota una vuelta o un giro periférico sobre un eje Xm que cruza el centro macho Om, y el ángulo \theta denota un ángulo de giro del miembro hembra 20 sobre el eje fijo Xh que cruza el centro hembra Oh). El centro del elemento macho Om retiene su velocidad de movimiento orbital en un círculo \omega_{0} = + \omega y un ángulo \theta, y el miembro hembra 20 adquiere la velocidad \omega_{1} = - \omega. Esto indica que en este caso los vértices A_{1}, A_{2}, A_{3} del miembro macho triangular describirá un hipotrocoide y al mismo tiempo se deslizará por el epitocroide del miembro hembra que rota sobre su centro Oh con una velocidad angular - \omega.

Otras versiones de transformar un movimiento con otras combinaciones de movimientos rotatorio, planetario y progresivo circular son posibles. Para la variante contra-rotatoria, determinamos \omega_{0} = +1, \omega_{1} = -1, y el miembro macho con z = 3 envolvente interno. Como consecuencia, la sustitución de estos valores en las ecuaciones mencionadas, da k = -1, \omega_{2} = - 1/3.

Como se muestra en la figura 22, un ciclo angular desciende a - 270º de un ángulo de giro del miembro hembra sobre su eje Xh. Indica el hecho de que la duración angular del ciclo desciende a la mitad en comparación con el análogo más cercano conocido del método planetario de transformar un movimiento con el epitrocoide estático del miembro hembra y el miembro macho con tres vértices, y así el número de ciclos que actúan por el número dado de revoluciones aumenta dos veces, y aumenta también la intensificación de los ciclos termodinámicos de las máquinas volumétricas.

Además, un eje del miembro macho 10 y el miembro hembra 20, como se muestra en la figura 22, rotando en direcciones opuestas con velocidades angulares iguales, es decir, de manera contra-rotatoria, provoca el descenso considerable (hasta cero) del momento combinado de velocidad y el momento de reacción en los soportes de la máquina.

El movimiento planetario del miembro macho 10 puede describirse con la expresión:

\overline{e}_{RV} + \frac{1}{z} \ \overline{e}_{s},

donde \upbar{e}_{RV} y \upbar{e}_{s} son vectores de unidad de las velocidades de revolución y giro del elemento macho.

La bi-rotación de los elementos macho y hembra se describe mediante la siguiente expresión:

k\overline{e}_{R0} + \frac{k(z - 1)}{z} \ \overline{e}_{s}

donde \upbar{e}R0 es una unidad de vector de la rotación de velocidad angular de rotación del elemento hembra 20.

Añadiendo el movimiento birotatorio y el movimiento planetario, obtenemos:

k\overline{e}_{R0} + \frac{(k(z - 1)+1)}{z} \ \overline{e}_{s} \ + \ \overline{e}_{RV}

De las ecuaciones anteriores se deduce que al realizar el perfil de las secciones finales del miembro que ejecuta el movimiento planetario en la forma de envolvente interno o externo de la familia de curvas y el perfil del miembro que rota sobre su eje fijo en la forma de la curva inicial, la relación de la velocidad angular de rotación de éste con la velocidad angular de una revolución de un eje del elemento que ejecuta el movimiento planetario es igual a k, y la relación de la velocidad angular del movimiento de giro del miembro planetario con la velocidad angular de una revolución de su eje es igual a

\frac{(k(z -1) +1)}{z}

De modo que, como en el ejemplo, con z = 3, el movimiento planetario del miembro macho con un envolvente interno y una rotación adicional del epitrocoide del miembro hembra y macho alrededor de sus ejes, obtenemos:

1) \theta = 45º, k = -5, k1 = -5 y k2 = -3 y un ciclo angular igual a = 90º de una revolución del eje del miembro macho sobre el centro hembra Oh.

2) \theta = 135º, k = -1, k1 = -1 y k2 = -1/3 y un ciclo angular igual a y = 90º de un giro del miembro macho sobre su centro macho Om.

Las siguientes versiones de transformación de un movimiento en este mecanismo son posibles:

1) sin transmisión del movimiento entre los miembros hembra y macho; en este caso, sus movimientos se definen por los enlaces de sincronización sin interacción cinemática de elementos conjugados;

2) con la transmisión de rotación por la interacción de miembros conjugados; en este caso, las superficies curvilíneas de los miembros hembra y macho entran en contacto, formando un par cinemático y actúan con dicho par de transmisión de movimiento entre los miembros hembra y macho.

Es posible una conjugación cinemática de un número de miembros adicionales hembra y macho, que están adaptados en medios adicionales de sincronización con la posibilidad de movimientos rotatorios y planetarios, con los elementos principales y adicionales pueden colocarse a lo largo entre sí o en las respectivas cavidades.

Claims (22)

1. Una máquina rotatoria volumétrica que consta de un cuerpo (30) que tiene un eje principal X, dos miembros que consisten en un miembro macho (10; 110; 500; 600; 700) y un miembro hembra (20; 120; 600; 700; 800) que rodea dicho miembro macho, donde una superficie externa del miembro macho (10; 110; 500: 600; 700) define una superficie macho (12; 112) y una superficie interna del miembro hembra define una superficie hembra (22; 122), dichas superficies macho (12; 112) y hembra (22; 122) definen al menos una cámara activa (11) por la formación de contactos lineares (A1, A2, A3) de dichas superficies macho (12; 112) y hembra (22; 122) y un relativo desplazamiento de dichos miembros macho (10; 110; 500; 600; 700) y hembra (20; 120; 600; 700; 800), dichas superficies macho (12; 112) y hembra (22; 122) están además definidas sobre dichos ejes Xm y Xh por un perfil nominal en una sección transversal del mecanismo, dicho perfil de la superficie macho (12; 112) que define un perfil macho (14; 114; 514; 614; 714) que tiene un orden de simetría Nm con respecto a un centro Om situado en dicho eje macho, Xm, dicho perfil de la superficie hembra (22; 122) que define un perfil hembra (24; 124; 624; 724; 824) que tiene un orden de simetría Nh con respecto a su centro Oh situado en dicho eje hembra Xh, dicha máquina rotatoria tiene además un enganche sincronizador principal que consta de un mecanismo similar a un cigüeñal (32; 34; 48; 59) que genera una excentricidad E entre dicho eje principal X y uno de los ejes (Xm, Xh), y un primero de dichos miembros macho (10; 110; 500; 600; 700) y miembros hembra (20; 120; 600; 700; 800) está enganchado en dicho cuerpo (30) y es capaz de rotar sobre sí mismo en torno a su eje fijo (Xh; Xm) de dicho segundo miembro para girar sobre el eje fijo de dicho primer miembro (Xm; Xh) de acuerdo a una revolución orbital que tiene dicha longitud E como radio, y máquina rotatoria que consta de un sincronizado principal (34, 40, 36, 38; 44, 46, 48; 54, 56; 58;) que sincroniza dicho movimiento rotatorio y dicho movimiento de revolución orbital, uno con respecto al otro, para que dichas superficies macho (12; 112) y hembra (22; 122) engranen juntas. Caracterizada por el hecho de que dichas superficies macho (12; 112) y hembra (22; 122) son superficies helicoidales que tienen ejes respectivos Xm y Xh que son paralelos y están espaciados por una longitud E, siendo dicha máquina rotatoria un atornillador rotatorio.

2. Una máquina rotatoria de acuerdo a la reivindicación 1, caracterizada por el hecho de que además consta de medios de transmisión rotatorios (31; 131) conectados con dicho cigüeñal (32; 59) o con dicho primer miembro (10; 110; 500; 600; 700; 20; 120; 600; 700; 800).

3. Una máquina rotatoria de acuerdo a la reivindicación 2, caracterizada por el hecho de que dichos medios de transmisión rotatorios (131) son medios de rotación de dos canales (131).

4. Una máquina rotatoria de acuerdo con las reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho de que dichas superficies macho (12; 112) y hembra (22; 122) entran en contacto mecánico formando un par cinemático que permite la transmisión de movimiento entre dichos primeros (10; 110; 500; 600; 700) y segundos miembros (20; 120; 600; 700; 800).

5. Una máquina rotatoria de acuerdo a las reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho de que además consta de un sincronizador adicional (50, 52), unido a dicho cuerpo y que permite que el segundo miembro (20; 120; 600; 700; 800; 10; 110; 500; 600; 700) rote sobre su eje.

6. Una máquina rotatoria de acuerdo a la reivindicación 5, caracterizada por el hecho de que dicho sincronizador adicional consta de una transmisión de engranaje planetario (50, 52).

7. Una máquina rotatoria de acuerdo a las reivindicaciones 5 y 6, caracterizada por el hecho de que además consta de medios de transmisión rotatorios (31; 131) conectados a dicho cigüeñal (32; 34; 48; 59) y a uno de dicho miembro macho (10; 110; 500; 600; 700) o hembra (20; 120; 600; 700; 800).

8. Una máquina rotatoria de acuerdo a las reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho de que dicho sincronizador además consta de un mecanismo de enganche cinemático (40, 36, 38; 44, 46, 48) de ambos miembros (10; 500; 600; 700; 20; 600; 700; 800) juntos, dicho enganche cinemático consta al menos de una pieza de enganche (36; 46) que está unida a dicho cuerpo (30).

9. Una máquina rotatoria de acuerdo a la reivindicación 8, caracterizada por el hecho de que dicho mecanismo de enganche cinemático consta de una transmisión de engranaje (40, 36, 38; 44; 46, 48).

10. Una máquina rotatoria de acuerdo a las reivindicaciones precedentes, caracterizada por el hecho de que dicho sincronizador consta de una transmisión de engranaje planetario (54, 56).

11. Una máquina rotatoria de acuerdo a las reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho de que dicho sincronizador consta de un inversor (58).

12. Una máquina rotatoria de acuerdo a las reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho de que dicho sincronizador consta de un mecanismo de soporte (59, 60, 61).

13. Una máquina rotatoria de acuerdo a las reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho de que además consta al menos de un miembro adicional macho y hembra (500; 600; 700; 600; 700; 800) dispuestos en línea con dichos miembros macho y hembra.

14. Una máquina rotatoria de acuerdo a las reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho de que además consta de al menos un tercer miembro dispuesto dentro o alrededor de dichos miembros macho y hembra (500; 600; 700; 600; 700; 800), de tal modo que sus superficies están en contacto mecánico para formar cámaras adicionales (11).

15. Una máquina rotatoria de acuerdo a las reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho de que dicho orden hembra de simetría Nh es igual a Nm -1.

16. Una máquina rotatoria de acuerdo a las reivindicaciones 1 a 14, caracterizada por el hecho de que dicho orden hembra de simetría Nh es igual a Nm + 1.

17. Una máquina rotatoria de acuerdo a las reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho de que dichas superficies macho y hembra pueden degenerar en superficies cilíndricas.

18. Un método de transformar un movimiento en una máquina volumétrica, que comprende:

(a) Una creación de un movimiento interconectado de elementos conjugados de tornillo en la forma de miembros macho y hembra y enlaces de enganche sincronizador con la ayuda de flujos positivos convertidos de energía mecánica y energía de sustancia activa en cámaras activas de un atornillador volumétrico; donde una superficie externa del miembro macho (10; 110; 500; 600; 700) define una superficie macho (12; 112) y una superficie interna del miembro hembra define una superficie hembra (22; 122), dichas superficies macho (12; 112) y hembra (22; 122) son superficies helicoidales que tienen respectivos ejes Xm y Xh que son paralelos y están espaciados por la longitud E, dichas superficies macho (12; 112) y hembra (22; 122) definen al menos una cámara activa (11) por la formación de contactos lineales (A1, A2, A3) de dichas superficies macho (12; 112) y hembra (22; 122) y relativo desplazamiento de dichos miembros macho (10; 110; 500; 600; 700) y hembra (20; 120; 600; 700; 800),

(b) llevando a uno de los miembros macho o hembra a un movimiento planetario con dos grados de libertad de rotación mecánica, uno de los cuales es un grado independiente de libertad relativo al eje central fijo del otro miembro y simultáneamente colocado de otros elementos macho o hembra (10; 110; 500; 600; 700; 20; 120; 600; 700; 800) en movimiento rotatorio con el segundo grado independiente de libertad que implica al eje central fijo;

(c) transmisión de dichos flujos de energía positiva de conversión a través de un grado independiente de libertad de rotación mecánica de dicha máquina.

19. El método de acuerdo a la reivindicación 18, en el cual se proporciona la creación de un movimiento diferencialmente conectado de los miembros macho y hembra y enlaces de enganche sincronizador con un segundo grado independiente de libertad de un movimiento rotatorio y la transmisión de flujo de energía positiva de conversión en forma de dos flujos a través de los dos grados independientes de libertad.

20. El método de acuerdo a las reivindicaciones 18 y 19, en el cual el tercero, al menos un grado dependiente de libertad del movimiento rotatorio, puede crearse en el proceso de transformación de un movimiento de miembros macho y hembra y enlaces de enganche sincronizador, y una parte del flujo de energía positiva de conversión dentro de dicha máquina, puede emplearse en la transformación de un movimiento a través de un grado adicional dependiente de libertad de rotación mecánica de dicha máquina con el descenso del número de grados independientes de libertad por unidad.

21. El método de acuerdo a las reivindicaciones de la 18 a la 20, en el cual las velocidades angulares de dichos miembros se determinan mediante la siguiente expresión:

k_{1} \omega_{1} + k_{2} \omega_{2} + \omega_{3} = 0,

donde:

\omega_{1}, \omega_{2} representan la velocidad angular de dichos elementos conjugados sobre sus ejes;

\omega_{3} representa la velocidad angular del enlace de enganche sincronizador;

k_{1}, k_{2} representan los coeficientes de enganche constante;

con ello, los valores de las velocidades angulares de rotación de los elementos conjugados se definen de la expresión:

(z-1) \omega_{1} - z \omega_{2} + \omega_{0} = 0,

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donde:

\omega_{1} representa la velocidad angular del miembro sobre su eje, cuya superficie envolvente tiene la forma de superficie curvilínea;

\omega_{2} representa la velocidad angular de rotación del miembro sobre su eje, cuya superficie envolvente tiene la forma de envolvente interno o externo de una familia de superficies, formado con dicha superficie curvilínea;

\omega_{0} representa la velocidad angular de la revolución orbital del eje del miembro que realiza el movimiento planetario;

z representa un número entero, z > 1.

22. El método de acuerdo a las reivindicaciones de la 18 a la 21, en el cual dos de las tres rotaciones pueden sincronizarse entre sí, es decir, la rotación de uno de los elementos conjugados sobre su eje fijo, la revolución de un eje del miembro que realiza un movimiento planetario con el enlace de enganche sincronizador y el giro del miembro con un eje móvil.