CN100526609C - 爪式转子的单爪及双爪设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种爪式转子的单爪及双爪设计方法，该方法以参数化设计出相互共轭啮合的定义转子与共轭转子，包含：曲线E、圆弧A、圆弧B、圆弧F，及直线Y，以及圆弧C等所组成双爪的定义转子的一半外形曲线，再由相对于节圆的圆心t1的对称关系取得双爪的定义转子，其中该圆弧C的半径，是由如下公式取得：见右下式，式中，r_F的值为两倍定义转子的节圆半径减去定义转子的最大半径(r_F＝2Rp-R)，且该圆弧C的圆心位置是在该定义转子的节圆圆心至圆弧F的端点的直线延伸线上，由该方法取得的两转子运用于须进行周期性循环膨胀、压缩运动的机械上，能够在工作腔室膨胀压缩过程中降低泄漏发生，且更可以提高压缩比与输送容积。

Description

爪式转子的单爪及双爪设计方法

技术领域

本发明涉及一种爪式转子的单爪及双爪设计方法，其是中国台湾发明专利申请案第94124780号(美国发明专利申请第11/214,876号)的追加专利申请，该方法能以参数化取得相互共轭啮合的定义转子与共轭转子的单爪或双爪，且能以不同参数定义并评估求出最佳共轭啮合的转子性能，从而提供具有较高压缩比与输送容积，及使得工作腔室膨胀、压缩运动过程顺畅、降低泄漏，而于转子运动过程不会产生噪音及震动的效果。

背景技术

公知的有关爪式转子的构造可参考美国专利案第1,426,820、4,138,848、4,224,016、4,324,538、4,406,601、4,430,050以及5,149,256号等。该等公知爪式转子的构造共同的瑕疵在于爪式转子的两爪曲线在尖部形成不连续，因而，当运用于须进行膨胀、压缩周期性循环运动的机械上，该定义转子、共轭转子及腔壁间的工作腔室，通过两转子啮合转动产生的膨胀压缩过程，两爪会在该尖部运转不顺畅，而会有噪音与震动的现象产生。简言之，公知爪式转子的两爪在尖部的曲线不顺畅，将造成两爪相互啮合性不佳，而在膨胀压缩过程产生噪音与震动，或造成因不当的啮合所产生的摩耗，而降低使用寿命。

鉴于此，上述中国台湾发明专利申请案第94124780号(美国发明专利申请第11/214,876号)已揭露一种能够由不同参数定义取得相互啮合的定义转子与共轭转子，当运用于须进行膨胀、压缩周期性循环运动的机械上，于膨胀压缩过程通过不同线形作平滑连接，可以解决在运转的过程会有噪音与震动的现象。

发明内容

本发明的目的是提供一种爪式转子的单爪及双爪设计方法，该方法除能以参数化取得相互共轭啮合的定义转子与共轭转子的单爪或双爪，且，依该方法所设计出的单爪或双爪转子，当运用于须进行膨胀、压缩周期性循环运动的机械上，工作腔室于运转过程中可降低泄漏发生，而更可能提高压缩比与输送容积。

本发明爪式转子的单爪及双爪设计方法是包含：曲线E、圆弧A、圆弧B圆弧F，及直线Y，以及圆弧C等定义转子的双爪的一半外形曲线，其中该圆弧C的半径，通过后述公式取得，且该圆弧C的圆心位置是在该定义转子的节圆圆心至圆弧F端点的直线延伸线上：

(注：下列公式中：r_C代表圆弧C的半径；x代表定义转子的节圆圆心至圆弧C的圆心距离；r_F为圆弧F的半径；D为定义转子的厚度；R_p为定义转子的节圆半径)

$r_C=x+r_F=x\sin \mathrm{\β}+\frac{D}{2}$

$\⇒x=\frac{(D/2)-r_F}{1-\sin \mathrm{\β}};$

$r_C=\frac{(D/2)-r_F}{1-\sin \mathrm{\β}}+r_F$

上式中，r_F＝2Rp-R(R为定义转子的最大半径)。

依据上述的方法取得双爪的定义转子一半的外形曲线，以对称关系可取得另一半的外形曲线，而得到双爪的定义转子。

依据本发明的方法取得双爪的定义转子一半的外形曲线后，进一步将圆弧F端点P₄对称于节圆圆心t1，取得圆弧C’的对称端点P₈。并以圆弧C的半径r_C为半径，在圆弧F端点P₄及前述对称端点P₈的直线连接线h3上，取得圆心t4相对于定义转子节圆圆心t1的对称圆心t4’，再以圆弧C的半径r_C为半径，t4’为圆心，取得与圆弧C对称的圆弧C’，圆弧C’与直线Y相切于P₆，圆弧C’的两端点为P₈及P₆。另，以定义转子1的节圆圆心t1为圆心，半径r_F为半径，以圆弧C与圆弧C’的对应端点P₄与P₈为圆弧G的两端点，则可得圆弧G，如此，该圆弧C’平顺的连接于直线Y，而圆弧G平顺的连接圆弧C’，定义转子的单爪外形即可由上述曲线E、圆弧A、圆弧B、圆弧F、圆弧C’、圆弧G、直线Y等组成。

附图说明

图1为本发明爪式转子的单爪及双爪设计方法形成端点共轭曲线的示意图。

图2为本发明爪式转子的单爪及双爪设计方法形成定义转子的双爪外形的示意图。

图3为本发明爪式转子的单爪及双爪设计方法形成共轭转子的双爪外形的示意图。

图4为本发明爪式转子的单爪及双爪设计方法中定义转子的厚度D为55，60.....80mm；圆心角α为5度、圆心角β为5度时，定义转子与共轭转子的双爪外形变化的示意图。

图5为本发明爪式转子的单爪及双爪设计方法形成定义转子的单爪外形的示意图。

图6为本发明爪式转子的单爪及双爪设计方法形成共轭转子的单爪外形的示意图。

附图标记说明：

定义转子1，1’       共轭转子2，2’

最大半径R            定义转子宽度D

节圆半径Rp           直线Y

圆心t1，t2，t3，t4   水平线h1，h2，h3

点P₀，P₁，P₂，P₃，P₄，P₅，P₆，P₇，P₈

圆心角α，β           半径r_B，r_C，r_F

曲线E，E’            圆弧A，B，C，F，C’，G’

具体实施方式

请参阅图1、2、3为本发明双爪式转子的设计方法，图上说明取得双爪的定义转子1与共轭转子2，以先取得定义转子1的双爪外形，再以共轭曲线取得共轭转子2的双爪外形，如图所示，该定义转子1的双爪外形取得包括如下步骤：

1、指定定义转子最大半径R、定义转子宽度D、定义转子及共轭转子的节圆半径Rp，此二节圆的圆心分别为t1及t3，Rp小于R，且定义转子最大半径R与节圆半径Rp的比例采用R＝4Rp/3。

2、请参阅图1，取节圆的圆心t1作为定义转子的圆心，通过一水平线h1，并在该水平线h1上取得一点P₀，此点P₀与圆心t1的水平距离为R(即，定义转子最大半径)，由该点P₀绕节圆圆心t1产生共轭曲线E’，曲线E’相对于节圆交点P₇的对称曲线E，取此曲线E作为转子的叶片一部分。该曲线E在水平线h1上的交点P₃。

3、请参阅图2，圆弧A的另一点P₁，由定义转子圆心t1以半径R及所指定的圆心角α(α＝5°)决定。连接点P₀与P₁可取得圆弧A。

4、取圆心角α的夹边h2，且在该夹边h2上取得一圆心点t2，半径为r_B。

5、该半径r_B由如下公式求得：(其中R＝定义转子的最大半径；即圆心t1至点P₁的长度)

$r_B+(R-r_B)\sin \mathrm{\α}=\frac{D}{2}$

$r_B=\frac{D/2-R\sin \mathrm{\α}}{1-\sin \mathrm{\α}}$

6、求得半径r_B再以圆心t2为圆心，取得圆弧B，该圆弧B的一端点即为点P₁，另一端点为点P₂在圆心t2上方的垂直位置。

7、以节圆的圆心t1为圆心，半径r_F＝2Rp-R，圆弧F的一点P₃在水平线h1上，另一点P₄由通过节圆的圆心t1的圆心角β决定(β＝15°)，连接前述点P₃与点P₄可取得圆弧F。

8、圆弧C的一个端点为P₄，另一端点P₅在圆弧C的圆心t4下方的垂直位置，该圆心t4的位置在节圆圆心t1至圆弧F上点P₄的直线延伸线h3上，其半径r_C可由下式求得：

$r_C=x+r_F=x\sin \mathrm{\β}+\frac{D}{2}$

$\⇒x=\frac{(D/2)-r_F}{1-\sin \mathrm{\β}};$

$r_C=\frac{(D/2)-r_F}{1-\sin \mathrm{\β}}+r_F$

上式中，r_F＝2Rp-R

9、连接点P₂及点P₅的对称点P₆而形成水平直线Y；连接上述的曲线E、圆弧A、圆弧B、圆弧F、圆弧C、直线Y等组成定义转子的双爪的一半外形曲线，相对另一半的外形曲线与上述各定义曲线成对称关系(如图2虚线)，即可取得双爪的定义转子1。

另，该共轭转子2是利用上述步骤决定定义转子1的双爪的外形曲线后，再由定义转子中各定义曲线的共轭曲线组成共轭转子2的双爪外形(图3)。因此，通过上述的步骤，可取得具有两爪的定义转子1与共轭转子2。

续请参阅图4为本发明双爪式转子的设计方法，其中定义转子最大半径R采用60mm、节圆半径Rp采用40mm、定义转子宽度D值分别采用55，60....80mm、圆心角α为5度、圆心角β为5度的双爪的应用例，如图所示在如此条件下，定义转子1与共轭转子2的外形变化，依共轭啮合的特性，该定义转子1的宽度D值最较小者(S1)，所对应的共轭转子2的外形是最大者(L1)，如此类推，实际应用上可以视需要作对应的调整。

另，有关单爪的定义转子的取得，请参阅图5，依据上述本发明的方法取得双爪的定义转子一半的外形曲线后(即，图2的实线部分)，进一步以圆弧F端点P₄对称于节圆圆心t1，取得圆弧C’的对称端点P₈。并在圆弧F端点P₄及前述对称端点P₈的直线连接线h3上，取得圆心t4相对于定义转子节圆圆心t1的对称圆心t4’，再以圆弧C的半径r_C为半径，t4’为圆心，取得与圆弧C对称的圆弧C’，并与直线Y相切于P₆，圆弧C’的两端点即为P₈及P₆。另，以定义转子1的节圆圆心t1为圆心，半径r_F为半径，以圆弧C与圆弧C’的对应端点P₄与P₈为圆弧G的两端点，则可得圆弧G，如此，该圆弧C’平顺的连接于直线Y，而圆弧G平顺的连接圆弧C’，连接上述的曲线E、圆弧A、圆弧B、圆弧F、圆弧C’、圆弧G、直线Y等组成定义转子的单爪的外形曲线。

同理，利用上述步骤决定定义转子1’的单爪的外形曲线后，再由定义转子中各定义曲线的共轭曲线组成共轭转子2’的单爪外形(图6)。

通过本发明的方法所制出的单爪或双爪的定义转子与共轭转子，当运用于须进行膨胀、压缩周期性循环运动的机械上，定义转子与共轭转子及腔壁间的工作腔室通过转子对啮合转动产生的膨胀压缩过程，因为以不同曲线经平滑连接，故而，能够使得两转子在运转的过程不会有噪音与震动的现象产生，且共轭转子外型曲线上相对于定义转子圆弧F或圆弧G所产生的共轭曲线为一圆弧，于转子对运转时可以有效增加工作腔室密封性，更能够在工作腔室膨胀压缩过程中降低泄漏发生，而更可以提高压缩比与输送容积。

惟，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，大凡依据本发明所为的各种修饰与变化，仍应包含于本案专利的权利要求书的保护范围内。

Claims (3)

1.一种爪式转子的单爪及双爪设计方法，该方法用于制造相互共轭啮合的定义转子与共轭转子，以参数化设计出包含曲线E、圆弧A、圆弧B、圆弧F、圆弧C、直线Y的定义转子的双爪的一半曲线外形，再由相对于节圆的圆心t1的对称关系取得双爪的定义转子，由定义转子的单爪或双爪各定义曲线决定后，再由单爪或双爪的定义转子中各定义曲线的共轭曲线组成单爪或双爪的共轭转子，其中取得该定义转子的双爪的一半曲线外形的方法包括：

指定定义转子最大半径R、定义转子的宽度D、定义转子与共轭转子的节圆半径Rp及此二节圆的圆心t1，t3，此二节圆中心距为2Rp，Rp小于R，且R与Rp二者有一适当比例；

取节圆的圆心t1作为定义转子的圆心，通过另一节圆的圆心t3作水平线h1，并在该水平线h1上取得一点P₀，此点P₀与圆心t1的水平距离为R，由该点P₀绕节圆圆心t1产生共轭曲线E’，曲线E’相对于二节圆交点P₇的对称曲线E，并于该曲线E的水平线h1上取得交点P₃；

由该水平线h1及定义转子圆心t1的圆心角α，决定定义转子运动曲线的另一点P₁，连接前述点P₀与P₁可取得定义转子的叶片外形曲线的圆弧A，且与曲线E平顺连接；

于该圆心角α的夹边h2上取得第二圆心点t2，并经由如下公式求得第二圆心点t2的半径r_B，即：

$r_B+(R-r_B)\sin \mathrm{\α}=\frac{D}{2}$

$r_B=\frac{D/2-R\sin \mathrm{\α}}{1-\sin \mathrm{\α}}$

以点P₁作为圆弧B的一端点，依半径r_B取得一圆弧B并以第二圆心点t2上方的垂直位置获得该圆弧B的另一端点P₂，圆弧B即为定义转子的叶片外形曲线一部分；

圆弧F以节圆的圆心t1为圆心，圆弧F的一端点为点P₃，另一端点P₄可由通过节圆的圆心t1的圆心角β决定，半径r_F＝2Rp-R，连接前述点P₃与点P₄可取得圆弧F；

圆弧C的一个端点为P₄，另一端点P₅在圆弧C的圆心t4下方的垂直位置，该圆心t4的位置在节圆圆心t1至圆弧F的点P₄的直线延伸线h3上，其半径r_C可由下式求得：

$r_C=x+r_F=x\sin \mathrm{\β}+\frac{D}{2}$

$\⇒x=\frac{(D/2)-r_F}{1-\sin \mathrm{\β}};$ $r_C=\frac{(D/2)-r_F}{1-\sin \mathrm{\β}}+r_F$

上式中，r_F＝2Rp-R

x是指定义转子的节圆圆心到圆弧C的圆心距离

连接点P₂及点P₅的相对于节圆的圆心t1的对称点P₆而形成水平直线Y；连接上述的曲线E、圆弧A、圆弧B、圆弧F、圆弧C、直线Y组成定义转子的双爪的一半外形曲线。

2.如权利要求1所述爪式转子的单爪及双爪设计方法，其特征是，取得定义转子的单爪的另一部分外形曲线的方法，包括：以圆弧F端点P₄对称于节圆圆心t1，取得圆弧C’的对称端点P₈，并在圆弧F端点P₄及前述对称端点P₈的直线连接线h3上，取得圆心t4相对于定义转子节圆圆心t1的对称圆心t4’，再以圆弧C的半径r_C为半径，t4’为圆心，取得与圆弧C对称的圆弧C’，并与直线Y相切于P₆，圆弧C’的两端点即为P₈及P₆，另，以定义转子1的节圆圆心t1为圆心，半径r_F为半径，以圆弧C与圆弧C’的对应端点P₄与P₈为圆弧G的两端点，则可得圆弧G，如此，该圆弧C’平顺的连接于直线Y，而圆弧G平顺的连接圆弧C’，则可取得包含曲线E、圆弧A、圆弧B、圆弧F、圆弧C’、圆弧G、直线Y的单爪的定义转子。

3.如权利要求2所述爪式转子的单爪及双爪设计方法，其特征是，定义转子最大半径R与节圆半径Rp的比例采用R＝4Rp/3。

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