CN102094811B - 非直线型产形面二次包络型线单螺杆啮合副 - Google Patents
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Abstract
一种单螺杆啮合副，包含一根螺杆(13)以及两个星轮(18)，所述两星轮分布在螺杆两边同螺杆啮合。其特征在于：螺杆的螺槽面是代替星轮齿啮合面的非直线型产形面按照空间啮合规律包络螺杆的一次包络面，对应的星轮齿的啮合面是螺杆的螺槽面包络星轮的二次包络面。这种单螺杆啮合副是组成单螺杆压缩机、单螺杆膨胀发动机及单螺杆内燃发动机的核心部分。将这种单螺杆啮合副装配在单螺杆压缩机的机体内就制造出非直线型产形面二次包络型线单螺杆压缩机，同样能制造出非直线型产形面二次包络型线单螺杆膨胀发动机及非直线型产形面二次包络型线单螺杆内燃发动机。
Description
技术领域
本发明涉及流体机械设备和内燃动力设备等领域，特别涉及单螺杆压缩机、单螺杆膨胀发动机和单螺杆内燃发动机等设备的非直线型产形面二次包络型线单螺杆啮合副。
背景技术
单螺杆压缩机、单螺杆膨胀发动机和单螺杆内燃发动机等，主要包含三个运动部件，即一根螺杆以及两个星轮，螺杆通过螺杆轴支承在机体内，两星轮分布在螺杆两边，经星轮轴支承在所述同一机体内并同螺杆啮合。螺杆和星轮是一对共轭啮合副，它们的型线是该装置的核心技术，目前发明的型线有以下几种：
第一种是原始型线和“直线二次包络型”型线，原始型线是法国人Zimmern1960年发明的，“直线二次包络型”型线是对原始型线的改进。无论是原始型线还是“直线二次包络型”型线，啮合副的螺杆齿曲面都是星轮齿侧直线所形成的轨迹面。这种单直线接触的型线比较容易磨损其工作寿命小于八千小时。
第二种是圆柱(台)包络型线和“圆柱(台)二次包络型”型线。圆柱(台)包络型线也是法国人Zimmern1975年发明的，“圆柱(台)二次包络型”型线是对圆柱(台)包络型线的改进。该齿形的螺杆和星轮的齿曲面的接触线是移动的，但齿侧面与齿底面的连接处是一棱角线，要用专机加工且很困难，密封性较差。
第三种型线是“连续兼游离式接触线单螺杆压缩机啮合副”。这种啮合副的螺杆螺槽两侧面是圆柱(台)包络面，底面是以轨迹面为母面，按螺杆与星轮的啮合规律生成。该轨迹面(螺槽面)为：两端是球面，将两球心用任何曲线(圆弧线除外)连接起来，球面的球心沿着曲线移动时，球面所形成的轨迹面。发明者这样做的目的是要解决圆柱(台)包络型线和“圆柱(台)二次包络型”型线侧面与底面连接处的加工问题。这种啮合副在螺槽两侧面及底面过渡连接处同星轮啮合时实际上无法密封，出现较大的泄漏三角形。这种型线发明多年没有产品上市。
第四种是“三线接触”式啮合副。这种啮合副的齿侧面由直线、半个包络面以及一个“特形面”组成，特形面与螺杆之间是线接触，在半个啮合区内参与啮合，这样啮合过程中，三个接触区同时参与啮合，形成三线啮合。实际上三线接触在理论上是不存在的。单螺杆压缩机啮合副的星轮齿的每个型面都是曲三个曲面组成，其中起密封作用的面叫工作面、直线二次包络型的工作面退化为一条直线，在工作面的两边各有一个包络面称为瞬时接触面，每个面上都有一条接触线，但它们并不同时接触。这种型线实质是对“直线二次包络型”型线的改进。这种型线的滚刀要求高，需用专机生产，加工难度大。
第五种是“多直线包络”啮合副型线。这种型线的基本原理为多段啮合、分散磨损，通过多方位直线进刀加工螺杆，使星轮齿面多条特征线与螺杆槽面保持均等接触磨损的机会，从而提高机器效率与寿命。这种型线的设计方法即符合从原始型线到圆柱包络型线分散磨损的原则，又满足“多边啮合副”减少齿侧与螺槽面之间间隙的思想。该啮合副与Zimmern发明的“多边啮合副”有相同的地方，即“多边”与“多段”，其区别在于在星轮齿侧与螺杆的任一啮合位置，多直线包络啮合副中，星轮齿侧面只存在一条直线与螺槽面啮合，只有在两条直线过渡时，会出现与“多边”啮合副类似的啮合状态。因此，两种啮合副星轮齿侧面的形状也大不相同，“多边啮合副”的边并不贯穿整个星轮齿长，而“多直线包络”啮合副的“多直线”贯穿整个星轮齿长。这种改进将使星轮的加工变得容易，但为提高效果，需增加特征线，而过多增加特征线将使加工难度增大或者加工效率降低。实际工程中与上述设想有很大差距，正因为如此，还没有这种型线实现产业化的的机器。
第六种是“多圆柱包络”啮合副。“多直线包络”啮合副的一个缺点是，采用直线包络，其啮合副加工仍只能通过车削加工，“直线”越多加工效率越低，因此发明人提出了一种“多圆柱包络”啮合副型线。其基本设计思想与“多直线包络”如出一辙，但是将直线换成了圆柱。这种型线的本质是一种组合型线，也存在加工困难，组合面的精度控制要求高，工程实现难度大等问题，特别是该型线的发明者设计星轮型面的方法背离了空间啮合副的啮合原理，对啮合副的性能会产生负面影响。(以上资料参考了《单螺杆压缩机啮合副技术进展与趋势》西安交通大学压缩机研究所 吴伟烽)
直线或多直线包络型线是按照单螺杆压缩机的螺杆与星轮的空间啮合规律，以直线刀具沿平行于星轮径向的直线进刀或者是以平行于星轮径向的直线刀刃包络螺杆生成螺杆槽面，再用螺杆槽面做成滚刀直接范成法滚切星轮生成星轮齿的啮合型面；圆柱(圆台)是直母线绕定轴旋转产生的旋转面，圆柱(圆台)或多圆柱(圆台)包络型线是按照单螺杆压缩机的螺杆与星轮的空间啮合规律，用圆柱(圆台)柱面或者是圆柱(圆台)铣刀柱面包络螺杆生成螺杆槽面，再用螺杆槽面做成滚刀直接范成法滚切星轮生成星轮齿的啮合型面。这两种型线都是与直线有关的型线，本方案统称它们为直线型产形面二次包络型线。直线型产形面二次包络型线的第一个致命缺点是星轮齿前侧面与齿顶面的棱角处极易产生根切、磨损而失效，使用寿命短，第二个致命缺点是只能用非金属星轮在100℃左右或100℃以下运行，用金属星轮容易出现咬死现象。
发明内容
从以上背景技术可以发现，经历了半个多世纪的发展，单螺杆压缩机的各种技术方案只能用专机加工生产，星轮只能用滚切法加工，并且无法走出从直线包络研究到圆柱(圆台)包络研究再回到直线包络的研究怪圈，究其原因是空间啮合理论没有突破或者说现有空间啮合理论存在严重错误的结果。本发明是在发现了“空间啮合基本定理”后，应用基本定理研究空间啮合副取得的系列重大科研成果之一。本发明公开的非直线型产形面二次包络型线单螺杆啮合副，率先走出以上怪圈，取得单螺杆啮合副研究的重大进展，技术方案如下：
一种单螺杆啮合副，包含一根螺杆以及两个星轮，所述两星轮分布在螺杆两边，同螺杆啮合。其特征在于：螺杆的螺槽面是按照单螺杆啮合副的螺杆与星轮的空间啮合规律，用非直线型产形面代替星轮齿的啮合面包络螺杆生成的一次包络面，星轮齿的啮合面是螺杆的螺槽面包络星轮生成的二次包络面；螺杆的螺槽由两个侧面构成，两槽面之间向槽底收缩最后相交，对应的星轮齿的啮合面也由两个齿侧面构成，两个齿侧面之间的宽度从齿根部到齿顶部逐渐变小最后为零；或螺杆的螺槽由两个侧面和一个底面构成，两侧面之间的距离向槽底收缩，到底面相交处最窄，对应的星轮齿的啮合面由两个齿侧面和一个齿顶面构成，两个齿侧面之间的宽度从齿根部到齿顶部逐渐变小，到齿顶面相交处最小。
所述非直线型产形面是指：(1)以圆、椭圆、双曲线、抛物线等的中心、焦点或其它定点沿圆弧线、椭圆线、抛物线、双曲线、渐开线、螺旋线或组合曲线等引导线移动扫描生成的曲面；或者是(2)以球面、椭球面、双曲面、抛物面等的中心、焦点或其它定点沿圆弧线、椭圆线、抛物线、双曲线、渐开线、螺旋线或组合曲线等引导线移动包络生成的曲面；或者是(3)母线是圆弧线、椭圆线、双曲线或抛物线等，引导线是圆弧线、椭圆线、抛物线、双曲线、渐开线、螺旋线或组合曲线等，母线所在的平面即母线平面和引导线所在的平面即引导线平面相互垂直，母线平面绕垂直于引导线平面且在或不在母线平面内的定轴旋转，母线上的一定点沿引导线移动所扫描出的空间曲面；或者是(4)母面是母线为圆弧线、椭圆线、双曲线或抛物线等的旋转曲面，引导线是圆弧线、椭圆线、抛物线、双曲线、渐开线、螺旋线或组合曲线等，母线所在的平面即母线平面和引导线所在的平面即引导线平面相互垂直，母线平面绕垂直于引导线平面且在或不在母线平面内的定轴旋转，母线的中心或焦点或其它一定点沿引导线平面中的引导线移动，母面包络生成的曲面。
在计算机系统中采用解析法和数字曲面法生成单螺杆啮合副的螺槽面和螺杆，采用空间共轭啮合副二次包络面三面共点构造法或称为锦上构造法设计单螺杆啮合副的星轮齿的啮合面和星轮。在车铣复合加工中心或五轴联动机床上采用球状刀具、磨具或指状刀具、磨具铣削加工或磨削加工螺杆的螺槽面和星轮齿的啮合面。
该单螺杆啮合副的螺杆的槽数与星轮齿数对应为：
| 螺杆槽数 | 2 | 3 | 3 | 4 | 4 | 5 | 5 | 5 | 5 | 6 | 6 |
| 星轮齿数 | 3 | 4 | 5 | 5 | 7 | 6 | 7 | 8 | 9 | 7 | 11 |
该单螺杆啮合副的星轮为浮动星轮或整体星轮，星轮材料为金属或非金属。
该单螺杆啮合副是单螺杆压缩机的一部分，一台单螺杆压缩机内装设一套啮合副、或多套串联、并联或混联的啮合副，啮合副的螺杆用螺杆轴经轴承支承在单螺杆压缩机的机体内，星轮通过星轮轴由轴承支承在同一机体内且装设在所述螺杆两边同螺杆啮合。
该单螺杆啮合副是单螺杆膨胀发动机的一部分，一台单螺杆膨胀发动机内装设一套啮合副、或多套串联、并联或混联的啮合副，啮合副的螺杆用螺杆轴经轴承支承在单螺杆膨胀发动机的机体内，星轮通过星轮轴由轴承支承在同一机体内且装设在所述螺杆两边同螺杆啮合。
该单螺杆啮合副是单螺杆内燃发动机的一部分，一台单螺杆内燃发动机内装设一套啮合副、或多套串联、并联或混联的啮合副，啮合副的螺杆用螺杆轴经轴承支承在单螺杆内燃发动机的机体内，星轮通过星轮轴由轴承支承在同一机体内且装设在所述螺杆两边同螺杆啮合。
图例说明
如图1为非直线型产形面在螺杆上一次包络生成的螺槽面：图1a为有6个槽的螺杆，图中螺杆的螺槽由三个非直线型产形面一次包络生成的螺槽面12-1、12-3、12-4构成，槽面12-1、12-4之间的距离向槽底收缩，与槽底面12-3相交处最窄；图1b为有4个槽的螺杆，图中螺杆的螺槽由两个非直线型产形面一次包络生成的螺槽面12-1、12-4构成，槽面12-1、12-4向槽底收缩最后相交。
如图2为非直线型产形面一次包络生成的螺槽面再二次包络星轮生成的星轮齿的啮合面：图2a为有11个齿的星轮，图中星轮18的型面由三个非直线型产形面一次包络生成的螺槽面再二次包络星轮生成的星轮齿的啮合面11-1、11-3、11-4组成，啮合面11-1、11-4向星轮齿顶收缩、星轮齿宽度从齿根部向齿顶部逐渐变小A＞B，与齿顶面11-3相交处最小；图2b为有7个齿的星轮，图中星轮18的型面由两个非直线型产形面一次包络生成的螺槽面再二次包络生成星轮的啮合面11-1、11-4组成，啮合面11-1、11-4向星轮齿顶收缩、星轮齿宽度A从齿根部向齿顶部逐渐变小，最后变为零。
如图3为非直线型产形面一次包络图：图中10为星轮的坐标空间。非直线型产形面11代替星轮的一个齿的啮合面，从X轴向Y轴方向随星轮坐标空间绕Z轴旋转，按照空间啮合规律非直线型产形面11在螺杆13上一次包络生成螺槽面12。
如图4为非直线型产形面形成原理图。图中母线平面ABCD绕旋转轴14旋转，在母线平面内的母线16上一定点17沿引导线平面EFGH中的引导线15移动，母线16扫描生成的曲面；或者在母线平面ABCD内的母线16是旋转曲面(即母面)的母线，母线16随母线平面ABCD绕旋转轴14旋转，旋转曲面的中心或焦点或母线16上任意一定点17沿引导线15移动即得到以非直线为母线的旋转面沿引导线移动的包络面。这两种曲面都是非直线型产形面，用这种非直线型产形面代替星轮的一个齿的啮合面如图3，按照空间啮合规律非直线型产形面在螺杆13上一次包络生成螺槽面12。
如上图4非直线型产形面11是指：(1)以圆、椭圆、双曲线或抛物线等母线16沿圆弧线、椭圆线、抛物线、双曲线、渐开线、螺旋线或组合曲线等引导线15移动扫描生成的曲面；或者是(2)以球面、椭球面、双曲面、抛物面等的中心、焦点或其它定点沿圆弧线、椭圆线、抛物线、双曲线、渐开线、螺旋线或组合曲线等引导线15移动包络生成的曲面；或者是(3)母线16是圆弧线、椭圆线、双曲线或抛物线等，引导线15是圆弧线、椭圆线、抛物线、双曲线、渐开线、螺旋线或组合曲线等，母线所在的平面即母线平面和引导线所在的平面即引导线平面相互垂直，母线平面绕垂直于引导线平面且在或不在母线平面内的定轴旋转，母线上的一定点沿引导线移动所扫描出的空间曲面；或者是(4)母面是母线16为圆弧线、椭圆线、双曲线或抛物线等的旋转曲面，引导线15是圆弧线、椭圆线、抛物线、双曲线、渐开线、螺旋线或组合曲线等，母线所在的平面即母线平面和引导线所在的平面即引导线平面相互垂直，母线平面绕垂直于引导线平面且在或不在母线平面内的定轴旋转，母线上一定点或母面的中心或焦点沿引导线平面中的引导线移动，母面包络生成的曲面。
如图5为螺杆上的一次包络面螺槽面与星轮齿的二次包络面相互包络过程图，图中为螺杆是4个槽星轮是7个齿的啮合副，当螺杆13和星轮18按空间啮合规律啮合运动时，螺杆13的一次包络面即螺槽面12-1与星轮18的二次包络面即星轮齿的啮合面11-1相互包络，螺杆13的一次包络面即螺槽面12-4与星轮18的二次包络面即星轮齿的啮合面11-4相互包络。
如图6为非直线型产形面二次包络型线单螺杆啮合副：图中螺杆是4个槽星轮是7个齿的啮合副，螺杆13装配在螺杆轴20上、两个星轮18装配在星轮轴21上，星轮18分布在螺杆13两边，并同螺杆13啮合。
如图7为一个包含三个空间O、Ⅰ、Ⅱ的单螺杆啮合副机械系统的空间坐标系，螺杆13的轴线与星轮18的轴线空间交叉交错。
具体实施方式
在一个包含三个空间O、Ⅰ、Ⅱ的非直线型产形面二次包络型线单螺杆啮合副机械系统中如图7，其中O代表静止空间，Ⅰ代表星轮18的运动空间，星轮18随Ⅰ运动空间旋转，Ⅱ代表螺杆13的运动空间，螺杆13随Ⅱ运动空间旋转。星轮18和螺杆13相对于O静止空间的运动各为
设非直线型产形面A代替星轮的一个齿的啮合面，当星轮18及其运动空间相对于O静止空间按
运动，螺杆13及其运动空间相对于O静止空间做
运动时，非直线型产形面A在螺杆13中一次包络出曲面B即图1a和图1b中标号为12-1、12-3、12-4的曲面。
当螺杆13包括在螺杆13中已被包络出来的一次包络面B相对于O静止空间按φ2运动，星轮18相对于O静止空间做φ1运动时，
一次包络面B在星轮18中二次包络出曲面
即图2a和图2b中标号为11-1、11-3、11-4的曲面。
工程实际中，按以上方式实现二次包络是非常困难和不现实的，因此，本发明根据以上包络方法和原理，在计算机系统中，采用三维软件(1)用一种解析法和数字曲面方法设计出非直线型产形面包络螺杆的一次包络面和螺杆；(2)利用空间共轭啮合副二次包络面三面共点构造法或称为锦上构造法设计出螺杆的螺槽面包络星轮的二次包络面和星轮；(3)最后在车铣复合加工中心或五轴联动的机床上采用球状刀具、磨具或指状刀具、磨具，按螺杆和星轮的三维模型铣削加工或磨削加工出螺杆和星轮。一条螺杆与两个星轮啮合构成非直线型产形面二次包络型线单螺杆啮合副。
非直线型产形面二次包络型线单螺杆啮合副的发明是在空间啮合理论取得重大突破后实现的，彻底解决了单螺杆啮合副的密封性、耐磨性和加工工艺性问题。具有如下显著的特点：
(1)、一条在二次包络面的密封面或称工作面上移动量非常小甚至不移动的接触线同一次包络面始终接触保证了接触面的密封性；
(2)、二次包络面的密封面或称工作面两边的型面上同一次包络面具有不同时接触的瞬时接触线，分散了密封面或称工作面上的接触压力，保证了接触面的耐磨性；
(3)、星轮齿前侧和齿后侧与螺杆上的一次包络面的接触线具有同向移动的特性，两型面气体压差小，保证了星轮齿受力的均衡性；
(4)、啮合副的型面能在车铣复合加工中心或五轴联动机床上高效铣削和磨削加工，能大幅降低加工难度、提高加工精度、提高生产效率、缩短生产时间、减少生产成本。
(5)、克服了直线型产形面二次包络型线单螺杆啮合副的星轮齿前侧面与齿顶面的棱角处极易磨损而失效使用寿命短的缺点。
(6)、克服了直线型产形面二次包络型线单螺杆啮合副金属星轮容易出现咬死现象的缺陷，用金属星轮能在100℃以上较大温度范围运行。
(6)、降低了星轮与螺杆装配对误差的敏感性。
以上图例仅为举例，非直线型产形面是相对于直线型产形面而言的，它是除直线以及以直线为母线的旋转面以外的曲面，包括但不限于以上示例，所有非直线型产形面代替星轮齿的啮合面，按照空间啮合规律经两次包络生成的单螺杆啮合副，无论是装在单螺杆压缩机的机体内还是装在单螺杆膨胀发动机的机体内或是单螺杆内燃发动机的机体内、甚至是构造成环面蜗轮蜗杆副等，都在本发明方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种单螺杆啮合副，包含一根螺杆以及两个星轮，所述两星轮分布在螺杆两边，同螺杆啮合，其特征在于：螺杆的螺槽面是按照单螺杆啮合副的螺杆与星轮的空间啮合规律，用非直线型产形面代替星轮齿的啮合面，包络螺杆生成的一次包络面，星轮齿的啮合面是螺杆的螺槽面包络星轮生成的二次包络面；螺杆的螺槽由两个侧面构成，两槽面之间向槽底收缩最后相交，对应的星轮齿的啮合面也由两个齿侧面构成，两个齿侧面之间的宽度从齿根部到齿顶部逐渐变小最后为零；或螺杆的螺槽由两个侧面和一个底面构成，两侧面之间的距离向槽底收缩，到底面相交处最窄，对应的星轮齿的啮合面由两个齿侧面和一个齿顶面构成，两个齿侧面之间的宽度从齿根部到齿顶部逐渐变小，到齿顶面相交处最小；
非直线型产型面是除直线以及以直线为母线的旋转面以外的曲面。
2.根据权利要求1所述的单螺杆啮合副，其特征在于：所述非直线型产形面是指：以圆、椭圆、双曲线、抛物线的中心、焦点或其它定点沿圆弧线、椭圆线、抛物线、双曲线、渐开线、螺旋线或组合曲线引导线移动扫描生成的曲面。
3.根据权利要求1所述的单螺杆啮合副，其特征在于：所述非直线型产形面是指：以球面、椭球面、双曲面、抛物面的中心、焦点或其上的定点沿圆弧线、椭圆线、抛物线、双曲线、渐开线、螺旋线或组合曲线引导线移动包络生成的曲面。
4.根据权利要求1所述的单螺杆啮合副，其特征在于：所述非直线型产形面是指：母线是圆弧线、椭圆线、双曲线或抛物线，引导线是圆弧线、椭圆线、抛物线、双曲线、渐开线、螺旋线或组合曲线，母线所在的平面即母线平面和引导线所在的平面即引导线平面相互垂直，母线平面绕垂直于引导线平面且在或不在母线平面内的定轴旋转，在母线平面内的母线上一定点沿引导线平面中的引导线移动，母线扫描生成的曲面。
5.根据权利要求1所述的单螺杆啮合副，其特征在于：所述非直线型产形面是指：母面是母线为圆弧线、椭圆线、双曲线或抛物线的旋转曲面，引导线是圆弧线、椭圆线、抛物线、双曲线、渐开线、螺旋线或组合曲线，母线所在的平面即母线平面和引导线所在的平面即引导线平面相互垂直，母线平面绕垂直于引导线平面且在或不在母线平面内的定轴旋转，母线上一定点沿引导线平面中的引导线移动，母面包络生成的曲面。
6.根据权利要求1所述的单螺杆啮合副，其特征在于：该单螺杆啮合副的螺杆的槽数与星轮齿数对应为：
7.根据权利要求1所述的单螺杆啮合副，其特征在于：该单螺杆啮合副的星轮为浮动星轮或整体星轮，星轮材料为金属或非金属。
8.根据权利要求1所述的单螺杆啮合副，其特征在于：该单螺杆啮合副是单螺杆压缩机的一部分，一台单螺杆压缩机内装设一套啮合副、或多套串联、并联或混联的啮合副，啮合副的螺杆用螺杆轴经轴承支承在单螺杆压缩机的机体内，星轮通过星轮轴由轴承支承在同一机体内且装设在所述螺杆两边同螺杆啮合。
9.根据权利要求1所述的单螺杆啮合副，其特征在于：该单螺杆啮合副是单螺杆膨胀发动机的一部分，一台单螺杆膨胀发动机内装设一套啮合副、或多套串联、并联或混联的啮合副，啮合副的螺杆用螺杆轴经轴承支承在单螺杆膨胀发动机的机体内，星轮通过星轮轴由轴承支承在同一机体内且装设在所述螺杆两边同螺杆啮合。
10.根据权利要求1所述的单螺杆啮合副，其特征在于：该单螺杆啮合副是单螺杆内燃发动机的一部分，一台单螺杆内燃发动机内装设一套啮合副、或多套串联、并联或混联的啮合副，啮合副的螺杆用螺杆轴经轴承支承在单螺杆内燃发动机的机体内，星轮通过星轮轴由轴承支承在同一机体内且装设在所述螺杆两边同螺杆啮合。
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