CN102330688A - 一种爪式转子型线 - Google Patents

Abstract

一种爪式转子型线，由5段圆弧和3段摆线的法向等距曲线构成，该转子型线在齿顶处不存在尖点连接，实现齿顶圆弧与其它型线光滑连接，在工作中实现曲线与曲线的啮合，因而该爪式转子具有较高的强度，提高了使用寿命，适用于较高转速、较高压力和较高温度的使用场合，扩大了爪式压缩机和爪式真空泵的应用范围；同时该爪式转子在工作啮合中所形成的余隙容积也较小，提高了容积效率；该爪式转子在工作中可减轻振动和噪音，具有较高的综合性能；将该爪式转子型线通过在节圆圆周上均匀列阵，得到了双爪爪式转子型线和三爪爪式转子型线，对于丰富爪型转子型线的类型和促进爪式压缩机和爪式真空泵的发展具有重要意义。

Description

一种爪式转子型线

技术领域

本发明涉及一种爪式转子型线。

背景技术

爪式转子是爪式压缩机或爪式真空泵的关键部件，包含有2个形状相同且能够实现共轭啮合的爪式转子，在工作中，通过2个爪式转子的同步异向双回转运动，实现2个爪式转子轮廓型线的相互啮合，以提供周期性变化的工作腔容积，实现气体的吸入、压缩和排出。在工作中2个爪式转子型线的啮合特性对其工作性能起到至关重要的作用，而现有的爪式转子型线都存在以下缺点：在爪顶处，爪顶端圆弧与摆线是不光滑连接的，在连接点处存在2个尖点，使得爪式转子型线在工作啮合时，这2个尖点与摆线相啮合，其结果是在尖点处很容易产生应力集中和变形，且依靠点与曲线之间的啮合实现密封的效果也较差，介质在尖点啮合处的泄漏较大，此外在尖点处还易产生磨损，最终降低爪式转子的使用寿命。

本发明提出一种爪式转子型线，在爪顶处采用2段小圆弧将爪顶圆弧与其它型线光滑连接，消除了原有爪式转子型线的2个尖点，工作中实现圆弧与曲线的啮合；该爪式转子型线不但能够实现正确的啮合，而且能够有效地提高爪式转子的强度和啮合密封性，使得该转子型线能够适用于更高转速、更高压力和更高温度的使用场合，提高了转子型线的性能和使用寿命；同时该爪式转子比原有的爪式转子所形成的余隙容积小，进一步提高该爪式转子的性能，对于丰富爪式转子型线类型和促进爪式压缩机和爪式真空泵的发展都具有重要的意义。

发明内容

本发明提供一种爪式转子型线，每个转子由5段圆弧和3段摆线的法向等距曲线连接而成，所构成的转子除与节圆圆弧相连接处不光滑外，其它型线都是光滑连接的。

所提出的爪式转子型线的特点是：该爪式转子型线由圆弧和摆线的法向等距曲线构成，该爪式转子型线在齿顶处不存在不光滑连接点，即不存在尖点连接，齿顶圆弧与其它型线实现光滑连接，工作中实现圆弧与摆线的法向等距曲线相啮合。因而所提出的爪式转子具有较高的强度，提高了使用寿命，适用于较高的转速、较高的压力和较高的温度的使用场合，扩大了爪式压缩机和爪式真空泵的应用范围；同时该爪式转子型线在工作啮合中形成较小的余隙容积，提高了容积效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：根据爪式转子在工作中的同步异向双回转运动规律，根据型线的共轭啮合原理，确定该运动方式下与圆弧共轭啮合的曲线为摆线的法向等距曲线，得到其型线方程，确定圆弧和摆线的法向等距曲线的相对位置，使之光滑连接，得到整个爪式转子型线，该爪式转子型线包括5段圆弧和3段摆线的法向等距曲线，其中3段摆线的法向等距曲线是具有相同的方程形式。

本发明的有益效果是：①该爪式转子型线的爪顶型线和爪底型线部分是光滑连接的，没有尖点；整个爪式转子型线除了与节圆圆弧相连接的两点是不光滑点外，其余型线都是光滑连接的；在爪顶处爪顶圆弧与其它型线实现光滑连接，不存在尖点连接；相互啮合的2个爪式转子完全相同，且在工作中能够实现曲线与曲线的正确啮合。②所提出的爪式转子型线在爪顶与爪顶圆弧相连接处没有尖点，增强了爪式转子型线啮合的密封性能，提高了爪式转子强度和性能，能够适用于较高的工作转速、较高的工作压力和较高的工作温度，扩大了爪式转子的使用范围。③所提出的爪式转子型线在工作啮合时，形成较小的余隙容积，进一步提高了爪式转子的性能。④所提出的爪式转子在工作中可以减轻噪音和振动，具有较高的综合性能。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1是原有的爪式转子型线图。

图2是原有的2个爪式转子的工作啮合图。

图3是所提出的爪式转子型线图。

图4是所提出的2个爪式转子在工作中的相对位置图。

图5是所提出的2个爪式转子在工作中各曲线间的啮合图。

图6是所提出的双爪爪式转子型线图。

图7是所提出的2个双爪爪式转子的啮合图。

图8是所提出的三爪爪式转子型线图。

图9是所提出的2个三爪爪式转子的啮合图。

图中：1-摆线；2-齿顶圆弧；3-摆线；4-节圆圆弧；5-摆线；6-齿底圆弧；201-左侧爪式转子；202-右侧爪式转子；301-摆线的法向等距曲线；302-圆弧；303-爪顶圆弧；304-圆弧；305-摆线的法向等距曲线；306-节圆圆弧；307-摆线的法向等距曲线；308-齿底圆弧；401-左侧爪式转子；402-右侧爪式转子。

具体实施方式

如图1所示，原有的爪式转子型线由3段圆弧和3段摆线构成，从节圆开始按逆时针方向依次为：节圆圆弧FA、摆线AB、爪底圆弧BC、摆线CD、爪顶圆弧DE和摆线EF；其中爪顶圆弧DE的2个连接点D点和E点为不光滑点，即尖点。

如图2所示，为原有的2个爪式转子的工作啮合图；2个爪式转子型线相同，相对旋转错开一定角度，在工作啮合时，2个爪式转子进行同步异向双回转运动。(a)图中左侧转子的摆线AB、摆线CD分别与右侧转子的点e、点d相啮合；(b)图中左侧转子的点E、点D分别与右侧转子的摆线ab、摆线cd相啮合；可见原有的爪式转子型线在工作中进行点与曲线的啮合。

如图3所示，所提出的爪式转子型线由5段圆弧和3段摆线的法向等距曲线构成，从节圆开始按逆时针方向依次为：节圆圆弧HA、摆线的法向等距曲线AB、爪底圆弧BC、摆线的法向等距曲线CD、圆弧DE、爪顶圆弧EF、圆弧FG和摆线的法向等距曲线GH；其中除了与节圆圆弧HA的2个连接点H点和A点以外，该爪式转子的其它各型线之间都能够实现光滑连接，不存在尖点，在工作中实现曲线与曲线的啮合，具有较高的综合性能；每段曲线的方程如下：

曲线301，摆线的法向等距曲线CD的方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1\left(t\right)=X\left(t\right)-R_4\frac{\frac{\mathrm{dY}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}}{\sqrt{{\left(\frac{\mathrm{dX}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{dY}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\right)}^2}}\\ y_1\left(t\right)=Y\left(t\right)+R_4\frac{\frac{\mathrm{dX}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}}{\sqrt{{\left(\frac{\mathrm{dX}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{dY}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\right)}^2}}\end{array}\right.$

其中， $\left\{\begin{array}{c}X\left(t\right)=\frac{L}{2\cos \left(t\right)}-(R_2-\frac{L}{2\cos \left(t\right)})\cos \left(2t\right)+R_4\cos \left(2t\right)\\ Y\left(t\right)=(R_2-\frac{L}{2\cos \left(t\right)})\sin \left(2t\right)-R_4\sin \left(2t\right)\end{array}\right.$

曲线302，圆弧DE的方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_2\left(t\right)=X_{\mathrm{DE}}+R_4\cos \left(t\right)\\ y_2\left(t\right)=Y_{\mathrm{DE}}+R_4\sin \left(t\right)\end{array}\right.$

曲线303，圆弧EF的方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_3\left(t\right)=R_2\cos \left(t\right)\\ y_3\left(t\right)=R_2\sin \left(t\right)\end{array}\right.$

曲线304，圆弧FG的方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_4\left(t\right)=X_{\mathrm{FG}}+R_5\cos \left(t\right)\\ y_4\left(t\right)=Y_{\mathrm{FG}}+R_5\sin \left(t\right)\end{array}\right.$

曲线305，摆线的法向等距曲线GH是将型线CD所在曲线以原点O为基点，逆时针旋转α角后得到的，其方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_5\left(t\right)=\sqrt{x_1{\left(t\right)}^2+y_1{\left(t\right)}^2}\cos (\arctan \left(\frac{y_1\left(t\right)}{x_1\left(t\right)}\right)+\mathrm{\α})\\ y_5\left(t\right)=\sqrt{x_1{\left(t\right)}^2+y_1{\left(t\right)}^2}\sin (\arctan \left(\frac{y_1\left(t\right)}{x_1\left(t\right)}\right)+\mathrm{\α})\end{array}\right.$

曲线306，圆弧HA的方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_6\left(t\right)=R_1\cos \left(t\right)\\ y_6\left(t\right)=R_1\sin \left(t\right)\end{array}\right.$

曲线307，摆线的法向等距曲线AB是将型线CD所在曲线以原点O为基点，顺时针旋转β角后得到的，其方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_7\left(t\right)=\sqrt{x_1{\left(t\right)}^2+y_1{\left(t\right)}^2}\cos (\arctan \left(\frac{y_1\left(t\right)}{x_1\left(t\right)}\right)-\mathrm{\β})\\ y_7\left(t\right)=\sqrt{x_1{\left(t\right)}^2+y_1{\left(t\right)}^2}\sin (\arctan \left(\frac{y_1\left(t\right)}{x_1\left(t\right)}\right)-\mathrm{\β})\end{array}\right.$

曲线308，圆弧BC的方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_8\left(t\right)=R_3\cos \left(t\right)\\ y_8\left(t\right)=R_3\sin \left(t\right)\end{array}\right.$

以上：t-为角度参数，rad；R₁-为节圆半径，mm；R₂-为爪顶圆弧半径，mm；R₃-为爪底圆弧半径，mm；L-为两转子中心距，mm，且L＝2R₁＝R₂+R₃；R₄，R₅-为圆弧半径，mm；(X_DE，Y_DE)-为圆弧DE的圆心点坐标；(X_FG，Y_FG)-为圆弧FG的圆心点坐标；α，β-为角度，rad。

如图4所示，为所提出的2个爪式转子在工作中的相对位置，相互啮合的2个爪式转子型线相同，在工作啮合时，2个爪式转子进行同步异向双回转运动；左侧转子的节圆圆弧HA、摆线的法向等距曲线AB、爪底圆弧BC、摆线的法向等距曲线CD、圆弧DE、爪顶圆弧EF和圆弧FG，分别与右侧转子的节圆圆弧ah、圆弧gf、爪顶圆弧fe、圆弧ed、摆线的法向等距曲线dc、爪底圆弧cb和摆线的法向等距曲线ba相啮合，左侧转子的摆线的法向等距曲线GH和右侧转子的摆线的法向等距曲线hg不参与啮合。

如图5所示，为2个所提出的爪式转子在工作中各曲线间的啮合图，(a)～(i)图中各相邻图所对应的主轴转角相错10°；即(a)图到(b)图左侧转子顺时针旋转10°，右侧转子逆时针旋转10°；(b)图到(c)图左侧转子顺时针旋转10°，右侧转子逆时针旋转10°；以此类推。在(a)、(b)和(c)图中，左侧转子的摆线的法向等距曲线CD与右侧转子的圆弧ed相互啮合；在(c)和(d)图中，左侧转子的圆弧BC与右侧转子的圆弧fe相啮合；在(c)、(d)和(e)图中，左侧转子的摆线的法向等距曲线AB与右侧转子的圆弧gf相啮合；在(e)、(f)和(g)图中，左侧转子的圆弧FG与右侧转子的摆线的法向等距曲线ba相啮合；在(f)和(g)图中，左侧转子的圆弧EF与右侧转子的圆弧cb相啮合；在(g)、(h)和(i)图中，左侧转子的圆弧DE和右侧转子的摆线的法向等距曲线dc相啮合；在(i)图中，左侧转子的节圆圆弧HA和右侧转子的节圆圆弧ah相啮合；左侧转子的摆线的法向等距曲线GH和右侧转子的法向等距曲线hg始终不参与啮合。

如图6所示，为所提出的双爪爪式转子型线，双爪爪式转子型线是单爪爪式转子型线在节圆上通过180°均匀列阵得到的，每个双爪转子上有2组相同爪顶和爪底型线部分，相错180°，其型线与单爪爪式转子型线相同，除了节圆圆弧的连接点以外，双爪爪式转子的其它各组成型线都能够实现光滑连接，在爪顶处不存在尖点，在工作中2个双爪爪式转子能够实现曲线与曲线的啮合，能够实现正确啮合。

如图7所示，为2个所提出双爪爪式转子的啮合图，相互啮合的2个双爪爪式转子型线完全相同，在工作中2个双爪爪式转子进行同步异向双回转运动，能够实现正确啮合。

如图8所示，为所提出的三爪爪式转子型线，三爪爪式转子型线是单爪爪式转子型线在节圆上通过120°均匀列阵得到的，每个三爪转子上有3组相同爪顶和爪底型线部分，相错120°，其型线与单爪爪式转子型线相同，除了节圆圆弧的连接点以外，三爪爪式转子的其它各组成型线都能够实现光滑连接，在爪顶处不存在尖点，在工作中2个三爪爪式转子能够实现曲线与曲线的啮合，能够实现正确啮合。

如图9所示，为2个所提出三爪爪式转子的啮合图，相互啮合的2个三爪爪式转子型线完全相同，在工作中2个三爪爪式转子进行同步异向双回转运动，能够实现正确啮合。

Claims (3)

1.一种爪式转子型线，由5段圆弧和3段摆线的法向等距曲线构成，从节圆开始按逆时针方向依次为：节圆圆弧HA、摆线的法向等距曲线AB、爪底圆弧BC、摆线的法向等距曲线CD、圆弧DE、爪顶圆弧EF、圆弧FG和摆线的法向等距曲线GH；其特征是：该爪式转子型线的爪顶型线和爪底型线部分是光滑连接的，没有尖点；整个爪式转子型线除了与节圆圆弧相连接的两点是不光滑点外，其余型线都是光滑连接的；相互啮合的2个爪式转子型线相同，2个爪式转子进行同步异向双回转运动，能够实现正确啮合；左侧转子的节圆圆弧HA、摆线的法向等距曲线AB、爪底圆弧BC、摆线的法向等距曲线CD、圆弧DE、爪顶圆弧EF和圆弧FG，分别与右侧转子的节圆圆弧ah、圆弧gf、爪顶圆弧fe、圆弧ed、摆线的法向等距曲线dc、爪底圆弧cb和摆线的法向等距曲线ba相啮合，左侧转子的摆线的法向等距曲线GH和右侧转子的法向等距曲线hg不参与啮合。

2.根据权利要求1所述的一种爪式转子型线，各型线方程如下：

曲线301，摆线的法向等距曲线CD的方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1\left(t\right)=X\left(t\right)-R_4\frac{\frac{\mathrm{dY}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}}{\sqrt{{\left(\frac{\mathrm{dX}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{dY}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\right)}^2}}\\ y_1\left(t\right)=Y\left(t\right)+R_4\frac{\frac{\mathrm{dX}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}}{\sqrt{{\left(\frac{\mathrm{dX}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{dY}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\right)}^2}}\end{array}\right.$

其中， $\left\{\begin{array}{c}X\left(t\right)=\frac{L}{2\cos \left(t\right)}-(R_2-\frac{L}{2\cos \left(t\right)})\cos \left(2t\right)+R_4\cos \left(2t\right)\\ Y\left(t\right)=(R_2-\frac{L}{2\cos \left(t\right)})\sin \left(2t\right)-R_4\sin \left(2t\right)\end{array}\right.$

曲线302，圆弧DE的方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_2\left(t\right)=X_{\mathrm{DE}}+R_4\cos \left(t\right)\\ y_2\left(t\right)=Y_{\mathrm{DE}}+R_4\sin \left(t\right)\end{array}\right.$

曲线303，圆弧EF的方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_3\left(t\right)=R_2\cos \left(t\right)\\ y_3\left(t\right)=R_2\sin \left(t\right)\end{array}\right.$

曲线304，圆弧FG的方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_4\left(t\right)=X_{\mathrm{FG}}+R_5\cos \left(t\right)\\ y_4\left(t\right)=Y_{\mathrm{FG}}+R_5\sin \left(t\right)\end{array}\right.$

曲线305，摆线的法向等距曲线GH是将型线CD所在曲线以原点O为基点，逆时针旋转α角后得到的，其方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_5\left(t\right)=\sqrt{x_1{\left(t\right)}^2+y_1{\left(t\right)}^2}\cos (\arctan \left(\frac{y_1\left(t\right)}{x_1\left(t\right)}\right)+\mathrm{\α})\\ y_5\left(t\right)=\sqrt{x_1{\left(t\right)}^2+y_1{\left(t\right)}^2}\sin (\arctan \left(\frac{y_1\left(t\right)}{x_1\left(t\right)}\right)+\mathrm{\α})\end{array}\right.$

曲线306，圆弧HA的方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_6\left(t\right)=R_1\cos \left(t\right)\\ y_6\left(t\right)=R_1\sin \left(t\right)\end{array}\right.$

曲线307，摆线的法向等距曲线AB是将型线CD所在曲线以原点O为基点，顺时针旋转β角后得到的，其方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_7\left(t\right)=\sqrt{x_1{\left(t\right)}^2+y_1{\left(t\right)}^2}\cos (\arctan \left(\frac{y_1\left(t\right)}{x_1\left(t\right)}\right)-\mathrm{\β})\\ y_7\left(t\right)=\sqrt{x_1{\left(t\right)}^2+y_1{\left(t\right)}^2}\sin (\arctan \left(\frac{y_1\left(t\right)}{x_1\left(t\right)}\right)-\mathrm{\β})\end{array}\right.$

曲线308，圆弧BC的方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_8\left(t\right)=R_3\cos \left(t\right)\\ y_8\left(t\right)=R_3\sin \left(t\right)\end{array}\right.$

以上：t-为角度参数，rad；R₁-为节圆半径，mm；R₂-为爪顶圆弧半径，mm；R₃-为爪底圆弧半径，mm；L-为两转子中心距，mm，且L＝2R₁＝R₂+R₃；R₄，R₅-为圆弧半径，mm；(X_DE，Y_DE)-为圆弧DE的圆心点坐标；(X_FG，Y_FG)-为圆弧FG的圆心点坐标；α，β-为角度，rad。

3.根据权利要求1所述的爪式转子型线，将该单爪爪式转子型线在节圆圆周上均匀分布，得到双爪爪式转子型线和三爪爪式转子型线；将单爪爪式转子型线在节圆圆周上通过180°均匀分布，得到双爪爪式转子型线；将单爪爪式转子型线在节圆圆周上通过120°均匀分布，得到三爪爪式转子型线。

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