CN1036290C - 啮闭式转子 - Google Patents

Abstract

本发明是在一对啮合旋转的渐开线齿轮，一个渐开线齿轮上组合有大于齿顶圆直径的工作齿，与另一个渐开线齿轮上连为一体的啮闭齿槽相对应，它们且和渐开线齿轮同样具有等圆周啮合旋转的特性，这种组合结构形式，称为“啮闭式转子”机构，利用“啮闭式转子”机械原理，可以制造转子内燃机、液(气)泵、液(气)马达、液压无级变速机、真空泵、空调/冰箱/及气体压缩机。

Description

啮闭式转子

本发明是一对具有自啮合特性的特殊曲线构成的工作齿和啮闭齿槽，它们分别与一对啮合旋转的渐开线齿轮连为一体组成的一对转子，称作“啮闭式转子”机构。它实用于液体泵/马达、真空泵、计量泵、内燃机、液压有级/无级减速机。

德国专利1973年6月18日公开的专利号为D T 2330992的发明，它仅仅是一种机械原理的设想，没有工作齿形和啮闭齿槽曲线的数学公式，也没有提供啮闭齿槽与工作齿形的具体构成形式。

PCT 1991年3月7日专利号为WO 91/02888专利公开了一种马达，其中的一对转子，它没有工作齿形和啮闭齿槽与渐开线齿形结为一体的设想，没有工作齿形曲线和啮闭齿槽曲线的数学公式，也没有提供啮闭齿槽与工作齿形的具体构成形式。

现有技术美国专利“齿轮式旋转机器”(专利公开号：US30,574,491)中所描述的一对齿轮转子具体形式是该齿轮转子由外置一对齿轮承担传动扭矩和对位，齿轮转子本身不具备自啮合传动功能，该齿轮上的大齿是渐开线齿形，受到渐开线齿啮合特性限制。此外，该专利没有提出所述齿轮上的大齿和齿槽具体构成形式。

因此，本发明的目的在于向社会提供一个优于传统机械原理的“啮闭式转子”机械，本发明提出的啮闭式转子是一种相互自啮合的一对转子，在该一对转子的外圆周上，分别具有可相互啮合转动的渐开线齿，以及有大于渐开线齿轮的工作齿和小于渐开线齿根圆的啮闭齿槽，所述工作齿齿形和啮闭齿槽槽形由特殊函数确定，并且在工作齿和啮闭齿槽相互啮合旋转时，它们和渐开线齿轮同样地具有等圆周啮合旋转的特性。

本发明的特征在于有数学公式(1、5、7)确定的啮闭齿槽曲线构成的啮闭齿槽，由数学公式(2、6、8)确定的工作齿曲线构成的工作齿，公式(1、5、7)确定的啮闭齿槽曲线和公式(2、6、8)确定的工作齿曲线是一对按等圆周啮合旋转，具有自啮合旋转特性的一对曲线。把啮闭齿槽与渐开线齿形(标准齿、短齿压力角为20°、22.5°、15°均可)组合在B轮上，把工作齿与渐开线齿形(标准齿、短齿压力角为20°、22.5°、15°均可)组合在A轮上，形成的原始结构形式(见图3所示)。在实际应用中，有(图7、图8)两种基本结构。

本发明由于采用了上述结构的啮闭式转子，因此它具有以下优点；

它用作泵或马达时：1、它与齿轮泵/马达制造工艺相仿，而单位体积只有齿轮泵/马达的二分之一弱；2、能形成连贯的圆弧形空腔，能够压缩弹性模量大的气体。

与罗茨风机、真空泵比较：1、零件少。“啮闭式转子”是自身啮合旋转，不需要壳体外使之对位旋转的齿轮；2、气闭效果好，“啮闭式转子”机械两转子间是啮合封闭的，罗茨结构两转子之间是切闭。

与叶片泵/马达比较：1、结构强度高；2、磨损小。

与曲轴连杆比较：1、零件少、2、完全对称、质量平衡、振动小；3、逆变性好，泵/马达通用。

图1是啮闭齿槽曲线形成原理图

图2是工作齿曲线形成原理图

图3是原始啮闭齿槽曲线和工作齿曲线示意图

图4是啮闭齿槽曲线增加角φ的原理图

图5是工作齿曲线增加角φ的原理图

图6是增加了角φ的工作齿曲线和啮闭齿槽曲线示意图

图7是啮闭式机械的基本结构形式示例(1.啮闭轮2.工作轮3.啮闭4.工作齿5.渐开线齿)

图8是啮闭式机械的综合结构形式示例(3.啮闭4.工作齿5.渐开线齿)

图9a是i＞1是工作齿和啮闭齿槽啮合旋转各参量间的关系示意图

图9b是i＜1是工作齿和啮闭齿槽啮合旋转各参量间的关系示意图

图10是啮闭轮的结构和尺寸示例

图11是工作轮的结构和尺寸示例

“啮闭式转子”中啮闭齿槽曲线和工作齿曲线，它们的具体形式和数学公式来源由以下文字和图例说明。

一对模数相同，齿数相等、传动比为i，i＝1，啮合旋转的齿轮A、B(为了方便计算，把一对啮合旋转的渐开线齿轮简化为其中一个齿轮固定于直角座标系，以圆心为0点，另一个齿轮绕固定轮作行星公转和自转)(如图1所示)。

在图1直角座标系中，B轮圆心为0点， $\mathrm{\α}=\mathrm{arcCos}\frac{R+a}{R_2};\mathrm{\β}-\mathrm{arcCos}\frac{R+a}{R_1}\mathrm{\γ}=\mathrm{\β}-\mathrm{\α}$

γ——啮闭齿槽原始半角A轮上有大于渐开线齿顶圆半径R₁的线段R₂，顶点为R_d与B轮半径R₁相交，线段R₂与X轴夹角ω＝β-γ+α＝2α。A、B两轮过切点直线00′＝2R，与X轴夹角为β-γ＝α。

当A轮绕B轮作行星公转一个θ角时，线段00′与X轴夹角为α-θ，同时A轮自转一个角θ，∠00′R_d为α-θ，这时线段R₂与X轴夹角为ω′＝(α-θ)+(α-θ)＝2(α-θ)。A轮继续绕B轮行星公转n个角θ，同时A轮自转n个角θ，A轮上线段R₂的顶点R_d在B轮平面上相割的轨迹曲线L的座标由下式确定：

式中：

R₂—工作齿顶圆半径

R₁—渐开线齿轮顶圆半径

R—渐开线齿轮分度圆半径

n—0，1，2，3……k  k为自然数

在公式(1)中，n＝0时，nθ＝0，A轮上线段R₂的顶点R_d与B轮上曲线的始点L_a相交。nθ＝α时，此时线段R₂与X轴重合，点R_d是线段R₂与B轮平面相割曲线L的中点。2nθ＝2α时，A轮上线段R₂的顶点R_d与B轮相割曲线L的终点L_b相交，线段R₂对B轮相割结束(如图3所示)。

设定将A轮固定于直角座标系中，A轮圆心为0′点，线段R₂设定与X轴重合(如图2所示)；在直角座标系中，线段00′与X轴夹角为α，线段R₂的顶点R_d与B轮外径的点L_a相交，线段0L_a与X轴夹角为ω＝α+β。 $\mathrm{\α}=\mathrm{arcCos}\frac{R+a}{R_2};\mathrm{\β}=\mathrm{arcCos}\frac{R-a}{R_1};\mathrm{\γ}=\mathrm{\β}-\mathrm{\α}$

在B轮绕A轮作行星公转和自转，线段R₂与B轮相割的同时，B轮上曲线L的始点L_a和终点L_b在A轮的平面上投下两条轨迹曲线j、j′，由下式确定：

式中：R₂—工作齿顶圆半径

      R₁—渐开线齿轮齿顶圆半径

      R—渐开线齿轮分度圆半径

      θ—设定常数且

n—0，1，2，3……k  k为自然数

在公式(2)中：n＝0时，nθ＝0，A轮上线段R₂的顶点R_d与B轮上曲线L的始点L_a相交，nθ＝α时，B轮上曲线L的中点即中心线，与A轮上线段R₂即X轴重合，由于α＝β-γ，这时公式(2)为：

当B轮上曲线L的始点L_a旋转到与A轮相切位置，nθ＝β，这时公式(2)为：

即B轮上曲线L的始点L_a在A轮平面上投下的轨迹曲线结束(如图3所示)。

在啮闭式转子原理中，A轮绕B轮作行星公转和自转时，A轮上线段R₂的顶点R_d在B轮平面上相割的轨迹曲线L称作啮闭齿槽曲线(公式(1))，B轮绕A轮作行星公转和自转时，B轮上齿槽曲线L的始点L_a和终点L_b在A轮平面上的投影两条反曲线JJ′称作工作齿曲线(公式(2))。

在公式(2)中，点R_d是工作齿齿顶厚S，是两条反曲线JJ′的交点，齿顶厚S趋于零，S→0，而“啮闭式转子”机械主要应用于气体、液体的压缩和压缩能转变为转矩。齿顶厚S与壳体的滑动面越厚，封闭效果越好，为此设定将构成工作齿的两条曲线J、J′各反向位移一个角度φ，获得弦齿厚S＝2R₂Sinφ，与之对应的原始啮闭槽半角γ相应增加一个角φ(如图4所示)：在直角座标系中，A轮绕B轮行星公转一个角φ，A轮上线段R₂的顶点R_d位移到R_d′，要使R_d′与B轮外径相交，使R_d′与B轮外径R₁相交，这时线段00′与X轴夹角为α-φ，∠00′R_d′＝∠00′R_d，线段0′R_d′与X轴夹角ω′＝α+α-φ＝2α-φ，带入公式(1)导出啮闭齿槽曲线公式：

工作齿曲线由公式(2)导出：

由公式(5)、(6)得到了啮闭齿槽深为R₂-R，工作齿高为R₂-R，有齿顶厚S＝2R₂Sinφ，一对具有啮合特性，且按2Rπ等圆周旋转的啮闭齿槽与工作齿的数学模型。它们分别与(压力角为20°、22.5°、15°的标准齿和短齿均可)的渐开线齿形组合在一对轮子上的实用机械(如图6所示)。

啮闭式转子机械是旋转机械，为使质量平衡，设计为完全对称形式(如图7、8所示)，图7、8是啮闭式机械的基本结构形式。

如果A轮与B轮的齿数之比为i，i≠1。根据啮合齿轮等圆周运动特性(如图9a、b所示)，要使A轮绕B轮作行星公转，角β-γ＝0和A轮自转角α＝0时，A轮上线段R₂与B轮曲线L中点X轴重合，必须满足公式：

R_aα＝R_b(β-γ)由于R_a∶R_b＝i 有iα＝(β-γ)即：式中：R_a—A轮渐开线齿分度圆半径

  R_b—B轮渐开线齿分度圆半径

  γ—啮闭齿槽原始半角

  iφ—啮闭齿槽底与工作齿顶厚半角φ对应角。

  φ—工作齿顶厚半角

当i≠1时，要获得工作齿齿顶厚S＝2R₂Sinφ，A轮必须绕B轮转一个角iφ使之对应。啮闭齿槽原始半角γ增大一个角iφ，使R_d′与B轮外径R_b1相交，这时线段00′与X轴夹角为iα-iφ＝i(α-φ)，由于∠00′R_d＝∠00′R_d′＝α，线段0′R_d′与X轴夹角为α+i(α-φ)，A轮绕B轮公转一个角iθ时，线段00′与X轴夹角为i(α-φ-θ)，A轮自转一个角θ，∠ 00′R_d′为α-θ，线段0′R_d′与X轴夹角ω＝(α-θ)+i(α-φ-θ)，当i≠1时啮闭齿槽曲线由公式(5)导出：

工作齿曲线座标由公式(6)导出：

在(图7、图8)中所指的两种基本形式和公式(7、8)中所指传动比1＞i＞1的情况下，必须满足下述要求：

一个渐开线齿轮A的圆周上均布na个工作齿，与之啮合的渐开线齿轮B的圆周上均布nb个啮闭齿槽，A轮上工作齿与工作齿之间的夹角ωna与渐开线齿轮的分度圆半径R_a所决定之弧长，必须与B轮上啮闭齿槽与啮闭齿槽之间的夹角ωnb与渐开线齿轮B的分度圆半径R_b所决定的弧长相等。即满足下述条件： na，nb为正整数

下面详细介绍“啮闭式转子”实施例子，以“啮闭式转子电冰箱压缩机”的一对转子为例。

工作轮A、啮闭轮B

A＝B    i＝1

渐开线齿轮设计为：

齿数Z＝40

模数m＝0.5

压力角α＝20°

分度圆半径： $R=\frac{\mathrm{mZ}}{2}=10$

齿顶圆半径： $R_{b1}=\frac{m(Z+2)}{2}=10.5$

齿根圆半径： $R_f=\frac{m(Z-2)}{2}=9.5$

为了减少齿间残留容积，而忽视齿轮径向间隙C

工作齿顶圆半径R₂＝13.6

考虑到工作齿与啮闭齿槽构成后，B轮渐开线齿形的强度，而使B轮上渐开线齿形完整。因此，设计啮闭齿槽曲线包容4齿、工作齿顶圆半径R₂绕开B轮渐开线齿顶圆半径R_b1，直接与B轮齿根圆半径R_f相割。

在A、B两轮过切点连线00′上，R-a处作一垂直线与工作齿顶圆直径R₂与B轮齿根圆半径R_f相交点，它的高度为H，有：

H²＝R₂ ²-(R+a)²  H²＝R_f ²-(Ra)²  R₂ ²-(R+a)²＝R_f ²-(R-a)²

解得：a＝2.36775

由： $\mathrm{arcCos\α}\frac{R+a}{R_2}=\frac{10+2.36775}{13.6}$

解得：α＝24°34′42.04″

由： $\mathrm{arcCos\β}\frac{R-a}{R_f}=\frac{1.0-2.36775}{9.5}$

解得：β＝36°32′40.17″

设定 K＝6 n＝0，1，2……k  由于有

这时 θ＝4°5′47.01″

γ＝β-α      γ＝11°57′58.13″

工作齿顶厚夹角 φ＝4°2′1.87″

啮闭齿槽半角为 γ+φ＝11°57′58.13″+4°2′1.87″＝16°

将上述数据带入啮闭齿槽公式(7)：

有：

当n＝0时

X₀＝20Cos(20°32′40.17″)-13.6Cos(45°7′22.21″)

Y₀＝13.6Sin(45°7′22.21″)-20Sin(20°32′40.17″)当n＝1时

X₁＝20Cos(16°26′53.16″)-13.6Cos(36°55′48.2″)

Y₁＝13.6Sin(36°55′48.2″)-20Sin(16°26′53.16″)……略当n＝6时

X₆＝20Cos(-4°2′1.87″)-13.6Cos(-4°2′1.87″)

Y₆＝13.6Sin(-4°2′1.87″)-20Sin(-4°2′1.87″)

与齿顶厚夹角φ对应的座标点由(2R-R₂)Cosφ，圆心为0点描述。n    x        y0    9.132    2.6191    8.310    2.5082    7.612    2.2613    7.058    1.9014    6.662    1.4595    6.436    0.9646    6.384    0.450  2°    6.396    0.255   6.4Cos2°   6.4Sin2°0°    6.400    0.000   6.4Cos0°   6.4Sin0°由于啮闭齿槽曲线L是完全对称于X轴的点，连接上表的点，得到啮闭齿槽，将啮闭齿槽组合在渐开线齿轮上(如图10所示)。图10称之为啮闭轮。

在工作齿齿形曲线的公式(6)中： $\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\β}}{n}$ 设定 k＝6 n＝0，1，2…k这时θ＝6°5′26.69″

为了保证B轮上渐开线齿形完整。B轮渐开线齿顶圆半径R_b1由B轮齿根圆半径R_f取代。将上述数据带入公式(8)

有：

当n＝0时

当n＝1时

……略当n＝6时

齿顶厚S＝2R₂Sinφ的座标点，由半径为13.6的圆，圆心为0′点描述

n    x         y

0°  13.6      0        13.6Cos0°    13.6Sin0°

2°  13.592    0.475    13.6Cos2°    13.6Sin2°

0    13.566    0.957

1    12.639    1.715

2    11.795    2.227

3    11.088    2.541

4    10.557    2.714

5    10.223    2.809

6    10.093    2.894

工作齿曲线j、j′是完全对称于X轴的曲线，连接上表的点，得到工作齿，将工作齿组合在渐开线齿轮上(图11所示)，图11称之为工作轮。

渐开线齿轮属传统技术，故略。

设定常数K视所需加工精度而定，K值越小，描述点越多，精度越高，自然数n越大。

“啮闭式转子”机构由壳体、两侧板、啮闭轮和工作轮形成封闭的圆弧空腔，啮闭轮的圆周面作支点。当工作轮旋转时，工作齿将隔开的圆弧形空腔的容积从小到大作周期性变化，因此满足了制造泵类、马达类及内燃机的必备条件。

Claims (1)

1.一种啮闭式转子，它是一对具有自啮合特性，按渐开线齿分度圆等圆周旋转的转子，它们分别由渐开线齿5与啮闭齿槽3组成的啮闭轮1和渐开线齿5与工作齿4组成一体的工作轮2构成；所述转子组成的基本形式：由在一个渐开线齿轮上均布有一个或多个啮闭齿槽3的啮闭轮1和在另一个渐开线齿轮5上均布有一个或多个工作齿4且与上述啮闭轮1啮合旋转的工作轮2构成；所述转子组成的综合形式：由在同一个渐开线齿轮上均布有啮闭齿槽3和工作齿4的两个可啮合旋转的转子构成，其特征是：

所述啮闭轮上具有的啮闭齿槽槽形曲线由下述函数式确定：

所述工作轮上具有的工作齿齿形曲线由下述函数式确定：

在所述啮闭式转子中，啮闭轮1的圆周上均布有nb个啮闭齿槽3，该轮上啮闭齿槽3与啮闭齿槽3之间的夹角ωnb和该轮上的渐开线齿5的分度圆半径R_b所决定之弧长必须和与之啮合的工作轮2上均布的na个工作齿4，该轮上工作齿4与工作齿4之间的夹角ωna和该轮上渐开线齿5的分度圆半径所决定之弧长相等，即满足条件：

在上述函式中：

na，nb为正整数

R_a——A轮渐开线齿轮分度圆半径

R_b——B轮渐开线齿轮分度圆半径

R₂——A轮工作齿顶圆半径

R_b1——B轮渐开线齿顶圆半径

a——过R_d垂直于00′线段上的交点与R_a、R_b两圆切点之间的距离

i——传动比

φ——工作齿顶厚半角

γ——啮闭齿槽原始半角

n——n＝0，1，2，……k  k为自然数

θ——设定常数 $\mathrm{\α}----\mathrm{arcCos}\frac{R_a+a}{R_2}$ $\mathrm{\β}----\mathrm{arcCos}\frac{R_b-a}{R_{b1}}$

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