CN102510952B - 泵转子以及使用该转子的内齿轮泵 - Google Patents

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Abstract

为了在使用同等体型来保持理论排出量的同时通过增加转子上的齿数来改善与排出频率相关的泵性能，构造如下的泵转子(1)：其中，将具有N个齿的内转子(2)与具有(N+1)个齿的外转子(3)以偏心的布置进行组合，从而如果φDmax表示内转子(2)和外转子(3)的最大啮合节圆直径，则φDmax＜1.7e·sin(π/180)/sin{π/(180·N)}，并且内转子(2)和外转子(3)的啮合位置(G)在转子的旋转方向上位于偏心轴线(CL)的后方。

Description

泵转子以及使用该转子的内齿轮泵
技术领域
本发明涉及通过将具有N个齿的内转子和具有(N+1)个齿的外转子组合起来并且将内转子和外转子彼此相对偏心地设置而形成的泵转子、以及使用该泵转子的内齿轮泵。
背景技术
配有齿数相差为一的上述泵转子的内齿轮泵是广泛地用作车辆发动机用或自动变速器(AT)用的油泵。下文的专利文献(PTL)1至3公开了现有技术中的这种内齿轮泵的实例。
在PTL1所公开的内齿轮泵中，内转子和外转子的齿形均利用基圆、与基圆相接触而无滑动地滚动的外滚动圆上的一点的轨迹以及内滚动圆上的一点的轨迹来形成。
在PTL2所公开的内齿轮泵中，齿顶摆线齿形和齿根摆线齿形利用具有不同直径的两个基圆、与一个基圆相接触而无滑动地滚动的外滚动圆以及与另一个基圆相接触而无滑动地滚动的内滚动圆来形成，并且利用渐开线来将上述齿顶摆线齿形和齿根摆线齿形彼此相连。
在PTL3所公开的内齿轮泵中，外转子的齿形利用凸弧形曲线或摆线来形成。然后，通过在外转子的齿形中滚动内转子来确定内转子的齿形。
除了这些实例之外，还已知使用余摆线齿形的内齿轮泵。
引用列表
<专利文献>
PTL1：日本专利No.3293507；
PTL2：日本未审查专利申请公开No.2008-128041；
PTL3：日本已审查专利申请公开No.62-57835。
发明内容
<技术问题>
在使用余摆线齿形或摆线齿形的现有技术泵转子中，内转子和外转子的啮合位置(working position)在转子的旋转方向上位于偏心轴线的前方或者位于与偏心轴线重叠的位置。
这里所使用的术语“偏心轴线”指的是：在设计上内转子和外转子彼此相对偏心地设置的情况下，贯穿内转子的中心和外转子的中心延伸的直线。
此外，当在设计上内转子和外转子彼此相对偏心地设置并且外转子朝与旋转方向相反的方向向内转子旋转时，啮合位置是内转子与外转子之间的第一接触点。假设从内转子的中心至啮合位置的距离定义为r，则啮合节圆直径φD为2r。将在使内转子小量地朝旋转方向旋转时所测得的啮合节圆直径的最小值和最大值分别定义为φDmin和φDmax。
在啮合位置在转子的旋转方向上位于偏心轴线的前方或者位于与偏心轴线重叠的位置的现有技术的内齿轮泵中，排出频率(discharge pulsation)随着转子的齿数的增加而降低。然而，如果在确保必要的排出量的同时增加转子的齿数，则啮合节圆直径变大，从而导致转子的外径增大。
相反地，在配备于车辆中的泵中，因为在这种泵中尤其需要紧凑性以及减轻重量，所以不希望转子的外径增大。由于这些情况，不能满足如下的要求：在转子外径相同的情况下保持理论排出量的同时，增加转子的齿数。
本发明的目的是满足如下的要求：在保持理论排出量和与现有技术中的转子的外径相同的外径的同时，增加转子的齿数，从而由于齿数的增加而增强与排出频率相关的泵性能。
<技术方案>
为了达到上述目的，本发明改进了通过将具有N个齿的内转子和具有(N+1)个齿的外转子组合起来并且将上述转子彼此相对偏心地设置而形成的泵转子以及使用该泵转子的内齿轮泵。具体地说，当以偏心的布置方式设置内转子的中心和外转子的中心时，内转子和外转子的啮合位置在转子的旋转方向上总是位于偏心轴线的后方。
内转子和外转子的啮合节圆直径的最大值φDmax满足如下关系式：
φDmax＜1.7e·sin(π/180)/sin{π/(180·N)} (式1)
从而能够获得如下的构造：内转子和外转子的啮合位置在转子的旋转方向上总是位于偏心轴线的后方。
这里，e表示内转子与外转子之间的偏心量，并且
N表示内转子的齿数。
关于根据本发明的泵转子中的内转子，优选地通过图2(a)和图2(b)中的方法(稍后将详细描述该方法)来形成齿形的齿顶曲线和齿根曲线中的一者或两者。
关于根据本发明的泵转子中的外转子，优选地利用使内转子沿着与外转子同心的圆公转的同时自转而形成的内转子的齿形的包络线，来形成外转子的齿形。稍后也将对此进行详细描述。
<技术效果>
在使用余摆线或摆线作为齿形的现有技术的内齿轮泵的转子中，内转子和外转子的啮合位置在转子的旋转方向上总是位于偏心轴线的前方，或者在转子的旋转方向上位于从偏心轴线的后方位置延伸至偏心轴线的前方位置的区域中。
在啮合位置在转子的旋转方向上位于偏心轴线的前方或者位于与偏心轴线重叠的位置的情况下，啮合节圆直径的最大值φDmax满足如下关系式：
φDmax≥1.7e·sinα/sin(α/N)
其中，e表示内转子与外转子之间的偏心量，N表示内转子的齿数，并且α(弧度)表示微小角度，这里假设α＝π/180。
基于该关系式，当偏心量e固定而内转子中的齿数N增加时，由于啮合节圆直径变大，所以不可避免地需要转子的外径增大。
当啮合节圆直径固定而内转子的齿数N增加时，偏心量e减小，从而导致理论排出量减小。具体地说，采用现有技术中的泵转子，当转子的齿数N增加时，不能满足转子的主体构造的要求或者不能满足理论排出量的要求。
作为应对该问题的对策，当偏心量e固定而内转子的齿数N增加时，满足上式(1)的类型防止了啮合节圆直径变大。此外，当啮合节圆直径φD固定而内转子的齿数N增加时，防止了偏心量e变小。因此，能够增加齿数N而无需使转子的外径增大或排出量减小，从而获得稳定的排出压力并增大排出量。
作为优选实例描述的上述泵转子在设计齿形时具有高度的灵活性，并且能够容易地满足上式(1)。
附图说明
图1是示出根据本发明的泵转子的实例的端面图。
图2(a)示出用于图1的泵转子中所使用的内转子的齿形形成方法。
图2(b)是示出上述方法中齿顶形成圆的中心如何移动的示意图。
图3示出用于图1的泵转子所使用的外转子的齿形形成方法。
图4是示出从使用图1的泵转子的内齿轮泵上将泵壳的盖体移除的状态的端面图。
图5(a)是示出与本发明的实例相对应的样品No.1的泵转子的齿形的端面图。
图5(b)示出内转子从图5(a)的状态旋转6°的位置处的啮合节圆(working pitch)直径。
图5(c)示出内转子从图5(a)的状态旋转15°的位置处的啮合节圆直径。
图5(d)示出内转子从图5(a)的状态旋转18°的位置处的啮合节圆直径。
图5(e)示出内转子从图5(a)的状态旋转24°的位置处的啮合节圆直径。
图5(f)示出内转子从图5(a)的状态旋转30°的位置处的啮合节圆直径。
图6(a)是示出与本发明的实例相对应的样品No.2的泵转子的齿形的端面图。
图6(b)示出内转子从图6(a)的状态旋转10°的位置处的啮合节圆直径。
图6(c)示出内转子从图6(a)的状态旋转20°的位置处的啮合节圆直径。
图6(d)示出内转子从图6(a)的状态旋转30°的位置处的啮合节圆直径。
图6(e)示出内转子从图6(a)的状态旋转35°的位置处的啮合节圆直径。
图6(f)示出内转子从图6(a)的状态旋转40°的位置处的啮合节圆直径。
具体实施方式
下面将参考图1至图6(f)描述根据本发明实施例的泵转子和使用该泵转子的内齿轮泵。图1所示的泵转子1是通过将内转子2和比内转子2多一个齿的外转子3组合起来并且将上述转子彼此相对偏心地设置来形成的。泵转子1的内转子2的齿形通过以下方法来形成。将参考图2(a)和图2(b)详细描述齿形形成方法。
图2(a)和图2(b)的齿形形成方法包括：使分别具有直径Bd、Cd并且圆周上的点j与基准圆A上的基准点J对准的各个形成圆B、C移动，使得满足如下的条件(1)至(3)，并且在移动形成圆B、C期间画出由点j形成的轨迹曲线，其中基准圆A具有直径Ad并且以内转子的中心OI为中心。然后，将上述轨迹曲线相对于从内转子的中心OI向齿顶点TT或齿根点TB延伸的直线L2、L3对称地翻转。相对于直线L2、L3对称的曲线成为内转子2的齿形的齿顶曲线和齿根曲线中的一者或两者。
<形成圆B和C的移动条件>
(1)将各个形成圆(B、C)设置为使形成圆上的点(j)与基准圆(A)上的基准点(J)对准。将此时的形成圆的中心(pa、pb)设置为移动起点(Spa、Spb)。然后，将形成圆(B、C)设置为使形成圆上的点(j)位于齿顶点(TT)或齿根点(TB)，并且将此时的形成圆的中心(pa、pb)设置为移动终点(Lpa、Lpb)。然后，使形成圆的中心(pa、pb)沿着从移动起点(Spa、Spb)延伸至移动终点(Lpa、Lpb)的形成圆中心移动曲线(AC1、AC2)移动，并且形成圆(B、C)朝与该圆的移动方向相同的方向以恒定的角速度旋转。
(2)在形成圆(B、C)从移动起点(Spa、Spb)向移动终点(Lpa、Lpb)移动时，形成圆中心移动曲线(AC1、AC2)使内转子的中心(OI)与用于齿顶曲线的形成圆的中心(pa)之间的距离增大并且使内转子的中心(OI)与用于齿根曲线的形成圆的中心(pb)之间的距离减小。
(3)齿顶点(TT)与内转子的中心OI之间的距离大于基准圆A的半径与开始移动时的形成圆的直径之和，或者齿根点(TB)与内转子的中心OI之间的距离小于基准圆A的半径与开始移动时的形成圆的直径之差。
在使用本方法的内转子2的齿形形成方法中，齿顶形成圆B在以恒定的角速度向直线L2移动时，从移动起点Spa至移动终点Lpa移动了角度θT的范围，并且在此期间沿基准圆A的径向移动了距离R。
齿顶形成圆B在从移动起点Spa移动至移动终点Lpa的移动期间旋转了角度θ。具体地说，该形成圆上的点j旋转了角度θ，从而到达齿顶点TT。以在齿顶形成圆B从移动起点Spa移动至移动终点Lpa的移动期间所形成的点j的轨迹来画出构成内转子的一半齿顶曲线的曲线。
在这种情况下，在角度θT的范围内，齿顶形成圆B的旋转方向与齿顶形成圆B的移动方向相同。
具体地说，当上述旋转方向是顺时针方向时，齿顶形成圆B的移动方向也是顺时针方向。
把以这种方式画出的曲线相对于直线L2翻转。具体地说，使得该曲线呈相对于直线L2对称的形状。从而，形成内转子2的齿顶曲线。
齿根曲线可以以类似的方式画出。具有直径φCd的齿根形成圆C在朝与齿顶形成圆B的旋转方向相反的方向以恒定的角速度旋转时，从移动起点Spb至移动终点Lpb移动了角度θB的范围。齿根形成圆C的圆周上的点j从点j与基准圆A上的基准点J对准的位置移动至设置在直线L3上的齿根点TB，并且该点j的轨迹画出构成内转子的一半齿根曲线的曲线。
本方法中所使用的各个形成圆B和C是在保持直径恒定的同时从移动起点移动至移动终点的圆，或者是在直径减小的同时从移动起点移动至移动终点的圆(优选的是如下的圆：在移动终点处该圆的直径不小于在移动起点处该圆的直径的0.2倍)。
优选地，各条曲线AC1、AC2是采用正弦函数的曲线，并且关于从内转子的中心OI至曲线AC1、AC2的距离的变化量ΔR满足下式：
ΔR＝R×sin((π/2)×(m/s)) (式2)
其中，
R：(从内转子的中心(OI)至形成圆的中心(pa)的移动终点(Lpa)的距离(R1))-(从内转子的中心(OI)至形成圆的中心(pa)的移动起点(Spa)的距离(R0))，或者(从内转子的中心(OI)至形成圆的中心(pb)的移动起点(Spb)的距离(r0))-(从内转子的中心(OI)至形成圆的中心(pb)的移动终点(Lpb)的距离(r1))，
s：段数，并且
m＝0→s。
段数s是指由移动起点(Spa、Spb)、内转子的中心(OI)和移动终点(Lpa、Lpb)形成的角(θT：∠Spa、OI、Lpa，以及θB：∠Spb、OI、Lpb)被相等地分成的段数。
各条曲线AC1、AC2可选地可以是余弦曲线、高阶曲线、弧线、椭圆曲线、或者由这些曲线与具有固定斜率的直线组合起来而形成的曲线。
此外，优选的是使形成圆B、C沿着曲线AC1、AC2移动，其中，变化量ΔR的变化率ΔR′在移动终点Lpa、Lpb处变为零。
通过将图2(a)中的各曲线AC1、AC2构造为使得式2中的变化量ΔR在对应的形成圆的中心的移动终点Lpa、Lpb处变为零，来防止由齿顶形成圆B或齿根形成圆C上的点j的轨迹画出的齿顶或齿根变得尖锐。因此，实现了防止在泵操作期间产生噪声并且提高转子耐用性的优点。
如果形成圆B、C均在直径减小的同时从移动起点(Spa、Spb)移动至移动终点(Lpa、Lpb)，则形成圆B、C的直径的变化量Δr优选地满足下式：
Δr＝((移动起点处的直径)-(移动终点处的直径))×sin((π/2)×(m/s))
(式3)
其中，s表示段数，并且m＝0→s。
参考图2(a)，将基准圆A上的基准点J与内转子的中心OI连接起来的直线定义为L1，齿顶点TT和齿根点TB分别设置在直线L2和直线L3上，直线L2从直线L1旋转角度θT，直线L3从直线L1旋转角度θB。此外，直线L1与直线L2之间的角度θT以及直线L1与直线L3之间的角度θB根据齿数和待设置齿顶与齿根的区域的比率来设定。
齿顶形成圆B和齿根形成圆C的移动起点Spa、Spb设置在直线L1上，然而移动终点Lpa、Lpb分别设置在直线L2、L3上。
对于将利用图2(a)和图2(b)所示的方法形成的曲线应用于齿顶曲线而得到的内转子2的齿根曲线，可以采用利用齿根形成圆C以与用于形成齿顶曲线的方法相同的方法形成的曲线，或者可以将摆线或利用已知的余摆线而形成的曲线用作齿形曲线。同样地，对于将利用图2(a)和图2(b)所示的方法形成的齿形曲线应用于齿根曲线而得到的内转子2的齿顶曲线，可以采用摆线或利用已知的余摆线而形成的曲线。
图3示出形成外转子3的齿形曲线的方法。内转子2的中心OI沿着圆S公转，圆S具有(2e+t)的直径并且以外转子3的中心OO为中心。然后，在内转子的中心OI沿着圆S公转一周时，内转子2自转1/N圈。把以这种方式形成的内转子的齿形曲线的包络线作为用于外转子的齿形曲线。
具体地说，
e：内转子的中心与外转子的中心之间的偏心量；
t：外转子和按压在外转子上的内转子的齿之间的最大间隙；并且
N：内转子的齿数。
在设定内转子和外转子的齿形以及设定啮合节圆直径φD时，以这种方式形成齿形的泵转子具有一定程度的灵活性。
关于内转子和外转子的啮合节圆直径φD，执行设计处理以便满足如下关系式：
φDmax＜1.7e·sin(π/180)/sin{π/(180·N)} (式1)
在以这种方式制造的泵转子中，内转子2和外转子3在如下位置啮合：该位置在转子的旋转方向上位于偏心轴线CL后方。
通过执行满足关于啮合节圆直径的上式(1)的设计处理，使得啮合节圆直径不会变得过大，从而当偏心量e固定并且内转子的齿数N增加时对转子的主体没有影响。此外，当啮合节圆直径固定并且内转子的齿数N增加时，防止偏心量e变小。当式(1)中的偏心量e或啮合节圆直径的最大值φDmax固定时，即使在这种状态下增大N的值，仍然能满足式(1)。因此，可以增加齿数N而无需使转子的主体变大或使理论排出量减小。
使用图1所示泵转子1的内齿轮泵的实例如图4所示。通过将泵转子1容纳在形成于泵壳体5中的转子室6内来形成内齿轮泵4。泵壳体5包括覆盖转子室6的盖体(未示出)。
在设置于泵壳体5中的转子室6的侧面中形成有吸入口7和排出口8。在内转子2与外转子3之间形成有泵室9。在转子旋转时，该泵室9的容量增大或减小。在吸入过程中，泵室9的容量增大，并且经由吸入口7将诸如油等流体吸入泵室9中。
在排出过程中，随着转子的旋转，泵室9的容量减小，从而将泵室9中的流体输送至排出口8。在图4中，附图标记10表示形成在内转子2中的轴孔，并且驱动转子旋转的驱动轴(未示出)延伸穿过该轴孔10。
<实例1>
图5(a)至图6(f)示出根据本发明的泵转子的实例。图5中的泵转子1包括具有十个齿的内转子2和具有十一个齿的外转子3的组合，并且图6中的泵转子1包括具有八个齿的内转子2和具有九个齿的外转子3的组合。
关于图5(a)至图5(f)中的泵转子1，使用图2(a)和图2(b)中的方法形成内转子2的齿顶和齿根两者的齿形曲线。此外，使用正弦曲线，以便从内转子的中心至各曲线AC1、AC2的距离的变化量ΔR在对应的移动终点处变为零。在表I中的样品No.1中示出设计规格。
关于图6(a)至图6(f)中的泵转子1，使用图2(a)和图2(b)中的方法形成内转子2的齿顶和齿根两者的齿形曲线。此外，使用正弦曲线，以便从内转子的中心至各曲线AC1、AC2的距离的变化量ΔR在对应的移动终点处变为零。在表I中的样品No.2中示出设计规格。关于根据各样品No.1、No.2的泵转子中的外转子3，使用图3中利用内转子的齿形的包络线的方法来形成齿形曲线。
关于根据各样品No.3至No.5的内转子2，使用图2(a)和图2(b)中的方法形成内转子2的齿顶和齿根两者的齿形曲线。在表I中示出设计规格。
表I
已将各部件的尺寸和理论排出量四舍五入至第二个小数位(在下文中同样适用)。
表I中的理论排出量是每10mm转子厚度的数值。外转子的大直径表示外转子的齿根直径，外转子的小直径表示外转子的齿顶直径，内转子的大直径表示内转子的齿顶直径，并且内转子的小直径表示内转子的齿根直径。
图5(a)至图5(f)示出泵转子的啮合状态的变化。在图5(a)所示的位置处，当啮合节圆直径φD是42.82mm时，内转子2的齿与外转子3的齿彼此啮合，从而这两个转子的齿之间的间隙为零。
与齿之间的零间隙对应的部分是啮合位置G。
图5(b)至图5(f)分别示出内转子2从图5(a)中的位置旋转6°、15°、18°、24°和30°的状态。啮合节圆直径φD在图5(b)中的位置处是43.14mm，在图5(c)中的位置处是最大值44.18mm，在图5(d)中的位置处是最小值36.08mm，在图5(e)中的位置处是38.40mm，并且在图5(f)中的位置处是41.40mm，并且在所有这些位置中，啮合位置G在转子的旋转方向上位于偏心轴线CL的后方。
在通过啮合节圆直径φD处于最大值的图5(c)中的位置后，啮合位置G移动至啮合节圆直径φD处于最小值的图5(d)中的位置。从而，防止啮合位置G朝转子的旋转方向向前移动而越过偏心轴线CL。
这同样适用于图6中的泵转子1。图6(b)至图6(f)分别示出内转子2从图6(a)中的位置旋转10°、20°、30°、35°和40°的状态。啮合节圆直径φD在图6(a)中的位置处是37.31mm，在图6(b)中的位置处是39.39mm，在图6(c)中的位置处是42.00mm，在图6(d)中的位置处是43.74mm，在图6(e)中的位置处是最大值44.16mm，并且在图6(f)中的位置处是37.39mm。在这种情况下，在通过图6(e)中的位置后，啮合位置G类似地沿转子的旋转方向向后移动，以便防止啮合位置G朝转子的旋转方向向前移动而越过偏心轴线CL。
在表I中的全部样品No.1至No.5中，啮合节圆直径的最大值φDmax满足上式(1)，并且内转子和外转子的啮合位置G在转子的旋转方向上位于偏心轴线的后方。
作为比较例，通过使用余摆线作为内转子2的齿形曲线来形成基于余摆线齿形的内转子。余摆线齿形以如下方式形成。滚动圆B沿着基准圆A无滑动地滚动。利用距滚动圆B的中心的距离等于偏心量e的点画出余摆线。将中心位于余摆线上的轨迹圆C的包络线用作余摆线齿形。使用内转子的齿形的包络线，基于图3中的方法形成外转子3的齿形。在下面的表II中示出齿形的规格。
表II
样品编号No. 比较例
内转子的齿数N 6
内转子的齿顶直径(mm) 45.68
内转子的齿根直径(mm) 31.16
外转子的齿根直径(mm) 52
外转子的齿顶直径(mm) 39.48
偏心量e(mm) 3.14
基准圆A的直径(mm) 47.34
滚动圆B的直径(mm) 7.89
轨迹圆C的直径(mm) 15.79
最大啮合节圆直径φDmax(mm) 42.43
最小啮合节圆直径φDmin(mm) 40.8
理论排出量(cc/rev/cm) 7.6
式1的右边的计算结果(mm) 31.92
尽管比较例中的齿的尺寸与样品No.1、No.2中的齿的尺寸相同，但齿数和理论排出量小于样品No.1、No.2中的齿数和理论排出量。啮合节圆直径的最大值φDmax不满足上式(1)，并且内转子和外转子的啮合位置G有时朝转子的旋转方向向前移动而越过偏心轴线。
<附图标记列表>
1泵转子
2内转子
3外转子
4内齿轮泵
5泵壳体
6转子室
7吸入口
8排出口
9泵室
10轴孔
OI内转子的中心
OO外转子的中心
e内转子与外转子之间的偏心量
N内转子的齿数

Claims (2)

1.一种用于内齿轮泵的泵转子，所述泵转子通过将具有N个齿的内转子(2)和具有(N+1)个齿的外转子(3)组合起来并且彼此相对偏心地设置所述内转子和所述外转子来形成，
其中，所述内转子(2)和所述外转子(3)的啮合位置(G)在所述转子的旋转方向上总是位于偏心轴线(CL)的后方，并且
所述内转子(2)和所述外转子(3)的啮合节圆直径φD的最大值φDmax满足如下关系式：
φDmax＜1.7e·sin(π/180)/sin{π/(180·N)} (式1)
其中，e表示所述内转子与所述外转子之间的偏心量，并且N表示所述内转子的齿数。
2.一种内齿轮泵，包括：
根据权利要求1所述的泵转子(1)；以及
泵壳体(5)，
其中，所述泵壳体具有泵室(9)、吸入口(7)和排出口(8)，所述泵室(9)容纳所述泵转子。
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