По самим спиралям ничего нового узнать не удалось. Может быть они давно известны, а может быть мне действительно повезло наткнуться на что-то новое. Может быть они по формальному признаку и не относятся к спиралям поскольку начинаются не из начала координат, а из точки на начальной окружности? Ладно, попробую задать этот вопрос на сайте dxdy, может там получу ответ. Сейчас не об этом. В первой своей статье я уже отметил передаточные свойства спирали, то есть если саму спираль рассматривать как входное звено, массив радиально расположенных отрезков (радиально - частный случай, можно и по другому) как опорное звено, то массив наклонных отрезков, числом на единицу больше чем опорных (это тоже частный случай) будет выходным звеном с передаточным числом -
Это для данной статьи я выбрал спираль с такими параметрами. Вот кстати о формуле, примерно год назад я вывел её интуитивно, когда вплотную рисовал спирали с разными параметрами, а теперь приходится вспоминать. Непреложный закон природы - информация имеет свойство довольно быстро "улетучиваться" из места своего возникновения, никуда не денешься. В первой статье я упоминал о том, что если отрезки заменить канавками для шариков, то получилась бы механическая передача. Но тогда это была еще не оформившаяся догадка, да было бы и странно если бы она не возникла. Ведь сейчас ШРУСЫ (шарниры равных угловых скоростей) практически вытеснили традиционные карданные шарниры. Видимо с тех пор мысль сидела в подсознании и в этой статье я попытаюсь изложить как удалось прийти к на мой взгляд реальной схеме редуктора. Излагаю по свежей памяти, стало быть где-то примерно так и было. Абсолютно точно отобразить процессы происходящие даже в своей собственной голове, вряд ли возможно. В изложении буду использовать гифки, с ними хоть и много возни, но на мой взгляд объяснить кинематику статическими рисунками и описанием практически невозможно. Вот первая гифка -
На ней спираль образованная точками пересечения 11 опорных звеньев (отрезки черного цвета), 12 выходных звеньев (отрезки красного цвета). Сама спираль проведённая по точкам пересечения синего цвета. Изображения зеркально отображенные. Передаточное число в соответствии с формулой приведённой выше здесь равно I=12. То есть полагая спираль входным звеном вращающимся с угловой скоростью ω, выходное звено (массив красных отрезков) будет вращаться с угловой скоростью ω/12. Точки пересечения находятся на опорных звеньях (то есть по определению они именно там и должны находиться) и движутся на левом рисунке к центру, а на правом от центра. Замечаем, что число точек пересечения пожалуй избыточно. Попробуем сократить спираль следующим образом, оставим ту её часть которую радиус-вектор (вектор проведённый из начала координат к текущей точке спирали) проходит за половину полного угла → 180°. Вот так -
Сама спираль со своими параметрами построения остаётся на месте, а внутренняя окружность расширяется стирая "лишние" витки. Число точек пересечения остаётся вполне достаточным. Теперь повращаем оставшиеся части спиралей аналогично тому как на первой гифке -
Ощутимой разницы нет, то есть нет необходимости "таскать" полную спираль. А вот дальше возникла неожиданная трудность. Вроде как нужно соблюдать ритуал рассказа о чайнике с накипью при объяснении теплопроводности. Не закипал, не закипал, но вот отчистили от накипи и ка-а-а-а-к начал закипать! Все понимают, что никакого чайника и в помине не было, но ведь ритуал!
Изначально эти "половинки" спиралей и задумывались для совмещения, а то что из этого получится представлялось туманно. Смотрим на гифке совмещения
И если образование кулачка из двух "половинок" спиралей было вполне ожидаемым, так и задумывалось, то образование двенадцати остроугольных зубчиков стало если и не совсем-совсем, но всё же неожиданностью. Посмотрим как вращается то что получилось -
К самому вращению претензий нет. На один поворот кулачка приходится 1/12 часть оборота выхода, то есть поворот на один зубчик. Кружочки здесь обозначают шарики которые движутся возвратно-поступательно в прорезях опорного звена (диска с прорезями). Кулачок - это осевая линия канавки под шарики на входном звене. Красные зубчики - тоже осевая линия канавки под шарики на выходном звене (выходе). Слева полное число опорных прорезей - 11, а справа их число сокращено до четырёх. Про возможность сокращения я писал во второй статье о спиралях, главное чтобы оставшиеся оставались на том же месте, что и при первоначальном делении. Далее будет показано, что сокращать надо осторожно (до одной прорези или двух на одной линии нельзя). Что же касается сокращения красных линий (линий выходного звена), то здесь придётся сформулировать по другому. Смотрим на верхний зуб нарисованный тонкими линиями -
Шарик движется как бы по канавке зуба, хотя его в этом месте и нет. Поэтому сформулируем так; при прохождении шариком прослабленного места зубчатой канавки, нагрузка передачи крутящего момента перераспределяется на другие участки (шарики соответственно). Да, всё вроде хорошо получилось кроме одного, если мы посмотрим на прохождение кружочком верхней точки зуба (и нижней тоже, но там не так заметно), то можно заметить, что направление движения и скорость мгновенно меняются на противоположное. С кружочком-то оно и ничего, предмет нематериальный, всяко можно, а вот с материальным шариком так не выйдет. Неужели получилось так как говорил тов. Огурцов из к/ф "Карнавальная ночь" - работа проделана большая, но так дело не пойдёть! Да, ничего не поделаешь, именно так и получилось. Что ж, будем искать выход из создавшейся ситуации. Во первых замечаем, что кулачок из двух "половинок" спиралей у нас получился с двумя точками излома на профиле. Для неударного механизма такое не годится, поэтому недолго думая заменяем его на эксцентрик - окружность со смещённым центром по тем же размерам. Более простого решения нет, а неоправданная сложность тут ни к чему. Дополнительное преимущество - трения меньше. Далее сделаем вот что; используем уже известные параметры вращения для получения профиля кривой зубчатой канавки, но уже под эксцентрик. То есть эксцентрик вращающийся с угловой скоростью ω задает положение точки на радиальном (опорном отрезке), а на вращающейся под ним с угловой скоростью ω/12 (для данного случая) заготовке (или бумаге как в самописце) выписывается осевая линия зубчатой канавки. Тот самый случай когда слова надо подкрепить гифкой, вот так -
Черточка была задумана как пометка движущейся точки, но на готовой гифке скорее воспринимается как пишущий инструмент (ручка, карандаш). Это ничего, так даже понятнее. Сравниваем то что получилось в результате замены с первоначальным вариантом -
Ну вот, казавшееся непреодолимым препятствие устранено, стало даже лучше. Вершины и впадины на зубчатой канавке проходятся плавно, а трение на эксцентрике который не вращается со скоростью входа (вращается центр окружности), в отличие от кулачка будет меньше. Если обозначить число зубьев на зубчатой канавке Z, то число радиальных направляющих будет Z-1 для совпадающего с направлением вращения входа вращения выходного звена и Z+1 для противоположного. Покажу на примерах -
На этих примерах заодно видно, что по другому опорные звенья (пазы для шариков) и не расставишь. Таким образом передаточное число I=±Z в зависимости от числа направляющих. Отдельно посмотрим на передачи с Z=2 и Z=3.
Вращение из начального положения (когда шарик находится на вершине или во впадине зубчатой канавки) может начаться в любую сторону. Нет поддержки вращения на промежуточных участках. Для Z=3 можно сказать тоже самое. Одной направляющей или двух на одной линии, недостаточно для уверенного задания направления вращения.
Но в принципе это не очень большая потеря, тем более что вращение в обратную сторону можно задать вполне уверенно -
Посмотрим на другие передаточные числа. Про i=3 уже сказано, а начиная с i=4 проблема отпадает.
I=3 I=4
I=5 I=6
I=7 I=8
I=9 I=10
Здесь (для i=9 и i=10) пришлось немного уменьшить эксцентриситет иначе зубья получались слишком вытянутые. Посмотрим как i=10 вращается в обратную сторону, то есть на i=-10.
Слева 11 опорных звеньев как "положено" справа их число сокращено до трёх, но они остались на тех же местах что и при делении полного угла на 11 частей. Это обязательное условие сокращения (по другому не получится).
Ну ладно, с показом кинематики движения пока хватит, надо показать хотя бы примерно общий вид предполагаемого редуктора с передаточным числом i=5
Ну пусть будет вот так, предельно схематично, пропорции размеров деталей выдержаны "на глазок" как в ШРУСах. Да, возможно кого-то "распирает" подсказать, что условия работы шариков в ШРУСах иные, они там перекатываются, а промежуточная деталь выполняет вспомогательную роль "выстраивая" их в биссекторную плоскость. Не надо этого делать. Почему? А вот не надо и всё! Схема передачи усилий шариками пока что "за кадром" осталась, не занимался пока, но дойдёт дело и до неё.
О том, что не вошло в данную статью.
- При не радиальном расположении опорных пазов форма зубьев будет несимметричной, но все остальные параметры скорее всего сохранятся (не прорисовывал пока).
- Силовые зависимости. Дойдёт дело и до них.
О ближайших планах.
- Перенести всю описанную в этой статье кинематику на цилиндрическую поверхность (применить к цилиндрической поверхности). Вместо эксцентрика качающийся диск, вместо шариков цилиндрические штыри. Предположительно будет много сходного с аксиально-поршневыми моторами (насосами).
- Еще более интересный случай перенести кинематику на часть сферической поверхности (вырезанный двумя параллельными относительно плоскости проходящей через центр сферы плоскостями участок сферы). Роль эксцентрика опять же выполняет качающийся диск с жестко закреплёнными цилиндрическими штырями, центр диска совпадает с центром сферы, а сам диск шарнирно соединён с опорой. Да, труднопредставимо, но как-нибудь постепенно уляжется.
О патентовании.
Патентовать свои изобретения конечно надо. А может и не надо. Я прикинул, мне 69 лет и лезть в такую процедуру? Лет тридцать назад .еще может быть. А она ещё и немалых денег стоит, на пенсионерские "доходы" что ли? Она чересчур замудрённая и справиться с этими формальностями могут только специально обученные люди - патентоведы. Причем патентоведы могут быть как угодно далеки от понимания технической сущности изобретения, главное наловчиться формальности соблюдать. Выбрать что-нибудь отдалённо похожее, назвать его "отличающееся от" и тут же приняться его критиковать - это называется "критика прототипа". На мой взгляд это ерунда какая-то, от заявителя должно требоваться только заполнить официальный бланк заявления и предоставить подробные чертежи с описанием, а уж проверка на новизну должна производиться в самом патентном ведомстве по его патентным фондам. Ожидать добросовестности от заинтересованного лица в юридическом действии вроде бы не принято. Ещё один момент, изобретателю одиночке как правило нужно только признание его приоритета. Что такое приоритет? Да вы знаете если читали сказку В.М. Гаршина "Лягушка-путешественница". Это вот что
«Знают ли они, что это придумала я, а не утки?» — подумала квакушка.— Смотрите, смотрите! — кричали в третьей деревне. — Экое чудо! И кто это придумал такую хитрую штуку? Тут лягушка уже не выдержала и, забыв всякую осторожность, закричала изо всей мочи:— Это я! Я!
Да, это он самый и есть. Такая форма в патентном законе есть, но она не предлагается по умолчанию, по умолчанию предлагается наоборот получение патента в его первоначальном значении - привилегия на выпуск продукции, с уплатой ежегодных пошлин на поддержание патента в силе. Где изобретатель одиночка и где выпуск продукции? Нда-с! В итоге повыплачивая несколько лет пошлины (возрастающие с каждым годом) изобретатель осознает, что делает что-то не то и бросает это занятие. Патент-то с признанием авторства всё равно остаётся. Вот еще что, почитав статью 4 патентного закона, я пришёл в состояние немалого изумления. То место я выделил жирным шрифтом.
Статья 4. Условия патентоспособности изобретения
1. Изобретению предоставляется правовая охрана, если оно является новым, имеет изобретательский уровень и промышленно применимо.
Изобретение является новым, если оно не известно из уровня техники.
Изобретение имеет изобретательский уровень, если оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники.
Уровень техники включает любые сведения, ставшие общедоступными в мире до даты приоритета изобретения.
При установлении новизны изобретения в уровень техники включаются при условии их более раннего приоритета все поданные в Российской Федерации другими лицами заявки на изобретения и полезные модели (кроме отозванных), а также запатентованные в Российской Федерации изобретения и полезные модели.
Изобретение является промышленно применимым, если оно может быть использовано в промышленности, сельском хозяйстве, здравоохранении и других отраслях деятельности.
Не признается обстоятельством, препятствующим признанию патентоспособности изобретения, такое раскрытие информации, относящейся к изобретению, автором, заявителем или любым лицом, получившим от них прямо или косвенно эту информацию, при котором сведения о сущности изобретения стали общедоступными, если заявка на изобретение подана в Патентное ведомство не позднее шести месяцев с даты раскрытия информации. При этом обязанность доказывания данного факта лежит на заявителе.
**************************************************************************************
На моей памяти иная формулировка (за точность не ручаюсь). Сведениями порочащими новизну изобретения (да, именно так) считаются, публикация в открытых источниках... и еще что-то такое. Какая-то неточная формулировка с фиксацией на "не позднее шести месяцев". А если заявитель или любое лицо ни каким боком к созданию изобретения? Ну ладно, спишем это на "неотточенность" формулировки, вряд ли имеются в виду посторонние лица, которые просто рядом крутились.
Проверял ли я на новизну это вот своё изобретение? Ну, без доступа к патентным фондам не проверишь. Да и людей технических много на Земле жило в разные времена, может и придумали уже. А в поисковик заглядывал по запросу "шариковый редуктор", похожего ничего не нашёл, а вот интересных механизмов там много. Вот эта картинка понравилась -
Хоть она к теме и не относится, это самоблокирующийся дифференциал, но вот наглядность шариков, канавок, отлаженность конструкции порадовали.
Волновой редуктор не очень традиционной конструкции.
Предыдущие статьи по этой теме.