CN102808771B - 等齿顶宽的单头变螺距螺杆转子 - Google Patents

Abstract

等齿顶宽的单头变螺距螺杆转子，该螺杆转子的齿型面由齿根面、斜齿面、齿顶面和过渡齿面依次连接构成，转子螺旋导程随轴向坐标由排气端向吸气端成线性增大，斜齿面的轴向宽度随之逐渐变大，而齿顶面的宽度始终保持不变。与已有的各种单头变螺距螺杆转子相比，该型线转子在吸气端的齿顶宽度相对较小，从而形成更大的级间吸气容积，有较大的容积利用系数，因此在相同的结构参数下具有更大的理论抽速；反之，该型线转子在排气端的齿顶宽度却相对较大，具有更强的级间泄漏阻挡能力，能够使气体级间泄漏返流量降低，从而有利于提高真空泵的极限真空度和实际有效抽速。

Description

等齿顶宽的单头变螺距螺杆转子

技术领域

本发明涉及螺杆式无油真空泵技术领域，特别涉及一种等齿顶宽的单头变螺距螺杆转子。

背景技术

无油螺杆泵具有抽速范围宽、结构简单紧凑、抽气腔元件无摩擦、寿命长、能耗低、无油污染等特点，广泛应用于半导体、医药、食品、化工等工业领域。螺杆转子是螺杆真空泵中最关键的抽气部件，直接决定着泵的工作性能和使用寿命，其加工制造成本约占整个螺杆泵总成本近一半。螺杆转子的型线设计则是整个螺杆泵设计中的最关键技术。其中单头变螺距的螺杆转子，因其具有内部预压缩的排气方式，与等螺距螺杆转子相比，具有突出的节能降噪优点，因此备受无油螺杆真空泵的设计者和使用者的青睐。已有许多技术人员设计出了多种结构形式的单头变螺距螺杆转子型线。

尽管已有的单头变螺距螺杆转子型线的结构构成多种多样，但其共同的结构特征是：随着螺杆转子的导程(节距)由吸气端向排气端逐渐变小的过程中，转子齿型中的齿顶宽(以及对应的齿根宽)也随之等比例地逐渐变窄。由于转子齿顶面与泵体内表面之间的间隙是转子排气过程中气体级间返流的最主要泄漏通道，而转子齿型的齿顶宽则相当于该泄漏通道的深度，齿顶宽越宽，泄漏通道越深，对级间泄漏的阻挡能力越强，则相邻两级之间的气体返流量就越小。已有的单头变螺距螺杆转子型线的齿顶宽由吸气端向排气端逐渐变窄，则对级间泄漏的阻挡能力越来越弱。而螺杆真空泵在工作过程中，越靠近排气端，气体压力和级间压力差就越大，结果出现在吸气端级间压力差小时，齿型齿顶宽不必要地很大，反而导致泵的容积利用系数偏小；而在排气端级间压力差很大时，齿型齿顶宽反倒变小导致气体返流量增大的不合理状况。这直接造成螺杆真空泵的吸气容积利用系数小和总体返流泄漏量大，从而导致螺杆真空泵的主要性能指标极限真空度降低和实际抽气速率下降的后果。

如果在螺杆转子型线设计过程中，有意保持转子齿型齿顶宽始终不变，则可以有效地避免上述问题的出现，从而提高螺杆真空的抽气性能指标。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种等齿顶宽的单头变螺距螺杆转子，保证在转子导程由排气端的最小值随轴向坐标线性增大的过程中，转子的齿顶宽始终保持不变，以使转子具有更强的级间泄漏阻挡能力，降低气体级间泄漏返流量，从而达到有利于提高真空泵的极限真空度和实际有效抽速的目的。

本发明的技术方案是这样实现的：一种等齿顶宽的单头变螺距螺杆转子，该螺杆转子的齿型面由齿根面、斜齿面、齿顶面和过渡齿面依次连接构成，转子螺旋导程随轴向坐标由排气端向吸气端成线性增大，斜齿面的轴向宽度随之逐渐变大，而齿顶面的宽度始终保持不变。

所述的齿根面、斜齿面、齿顶面和过渡齿面，是由齿根圆曲线、渐开线曲线、齿顶圆曲线和过渡段曲线依次连接构成的端面型线作右旋变螺距螺旋展开而生成。

以螺杆转子排气端面的轴心作为坐标原点，以转子轴线指向转子吸气端方向为Z轴正向，建立描述转子型线的圆柱坐标系Orθz，齿根圆曲线、渐开线曲线、齿顶圆曲线和过渡段曲线满足如下条件：

齿根圆曲线，满足如下公式：

r＝d/2

                                                                     (1)

θ＝t₁+τ

式中，r为矢径坐标，θ为转角坐标，d为齿根圆直径，τ为螺旋展开角，t₁为形式参数；渐开线线曲线，满足如下公式：

$\begin{array}{c}r=t_2\\ \mathrm{\θ}=\mathrm{\τ}+\sqrt{{\left(\frac{{2t}_2}{a\left(z\right)}\right)}^2-1}-\arctan \sqrt{{\left(\frac{{2t}_2}{a\left(z\right)}\right)}^2-1}+\mathrm{\π}-\sqrt{{\left(\frac{e}{a\left(z\right)}\right)}^2-1}+\arctan \sqrt{{\left(\frac{e}{a\left(z\right)}\right)}^2-1}\end{array}---\left(2\right)$

式中，a(z)为渐开线基圆直径，e为转子节圆直径，且有e＝(d+D)/2；t₂为形式参数；齿顶圆曲线，满足如下公式：

r＝D/2

                                                                      (3)

θ＝t₃+τ

式中，D为齿顶圆直径，t₃为形式参数；

过渡段曲线为具有自啮合特性的连接齿顶圆与齿根圆的任意一种曲线，该曲线的最优选择方案包括单一摆线过渡曲线和双摆线过渡曲线，其中，

单一摆线过渡曲线，满足如下公式：

$\begin{array}{c}r=t_{41}\\ \mathrm{\θ}=\mathrm{\τ}+\arccos \frac{e^2+D^2/4-t_{41}^2}{\mathrm{eD}}-\arccos \frac{e^2-D^2/4+t_{41}^2}{{2\mathrm{et}}_{41}}\end{array}---\left(4\right)$

式中，t₄₁为形式参数；；

双摆线过渡曲线，包括内摆线和外摆线，其中，内摆线满足如下公式：

$\begin{array}{c}r=t_{421}\\ \mathrm{\θ}=\mathrm{\τ}+\arccos \frac{e^2+D^2/4-t_{421}^2}{\mathrm{eD}}-\arccos \frac{e^2-D^2/4+t_{421}^2}{{2\mathrm{et}}_{421}}+{\mathrm{\β}}_{421}\end{array}---\left(5\right)$

式中，t₄₂₁为形式参数，β₄₂₁为调节角；

外摆线满足如下公式：

$\begin{array}{c}r=t_{422}\\ \mathrm{\θ}=\mathrm{\τ}-\arccos \frac{{5e}^2-{4t}_{422}^2}{{4e}^2}+\arccos \frac{{3e}^2+{4t}_{422}^2}{{8\mathrm{et}}_{422}}\end{array}---\left(6\right)$

式中，t₄₂₂为形式参数；

齿根圆曲线、渐开线曲线、齿顶圆曲线和过渡段曲线轴向螺旋展开过程，轴向坐标满足如下公式：

$z=\frac{p_{1}L}{p_2-p_1}[\exp \left(\frac{p_2-p_1}{2\mathrm{\πL}}\mathrm{\τ}\right)-1]=\frac{p_1}{2\mathrm{\π\λ}}[\exp \left(\mathrm{\λ\τ}\right)-1]---\left(7\right)$

式中，p₁为转子排气端面处的转子初始导程，p₂为转子吸气端面处的转子终止导程，L为转子的总长度，λ为变螺距系数，且

所述的螺旋导程p与轴向坐标z，满足如下公式：

$p=p_1+\frac{p_2-p_1}{L}z---\left(8\right)$

式中，p₁为转子排气端面处的转子初始导程，p₂为转子吸气端面处的转子终止导程，L为转子的总长度；

本发明所提供的以上型线公式属于理论型线，其实际型线应该在该型线的基础上预留必要的啮合间隙。

直角坐标系形式或者其它形式坐标系，所表述的上述型线的计算公式亦属于本发明之列。

所述的端面型线中的渐开线曲线连接于齿根圆曲线和齿顶圆曲线之间，该渐开线曲线的发生圆直径a(z)由排气端向吸气端随轴向坐标z逐渐变小，满足如下公式：

$\begin{array}{c}\arctan \sqrt{{\left(\frac{D}{a\left(\mathrm{\τ}\right)}\right)}^2-1}-\arctan \sqrt{{\left(\frac{e}{a\left(\mathrm{\τ}\right)}\right)}^2-1}-\sqrt{{\left(\frac{D}{a\left(\mathrm{\τ}\right)}\right)}^2-1}+\sqrt{{\left(\frac{e}{a\left(\mathrm{\τ}\right)}\right)}^2-1}\\ =3\mathrm{\π}-\mathrm{\τ}+\frac{1}{\mathrm{\λ}}\ln [\exp \left(\mathrm{\λ\τ}\right)-\frac{2\mathrm{\πB\λ}}{p_1}]\end{array}---\left(9\right)$

式中，a(τ)为随螺旋展开角τ变化的渐开线基圆直径。

所述转子螺旋展开方向为左旋或右旋。

本发明的有益效果：本发明所提供的单头变螺距螺杆转子型线，具有如下特点：在转子导程由排气端的最小值p₁随轴向坐标线性增大至吸气端的最大值p₂的过程中，转子的齿顶宽始终保持不变。与已有的各种单头变螺距螺杆转子相比，该型线转子在吸气端的齿顶宽度相对较小，从而形成更大的级间吸气容积，有较大的容积利用系数，因此在相同的结构参数下具有更大的理论抽速；反之，该型线转子在排气端的齿顶宽度却相对较大，具有更强的级间泄漏阻挡能力，能够使气体级间泄漏返流量降低，从而有利于提高真空泵的极限真空度和实际有效抽速。

附图说明

图1是以单一摆线为过渡曲线的等齿顶宽单头变螺距螺杆转子的排气端端面型线视图；

图2是依据图1所示转子端面型线所生成的螺杆转子主视图；

图3是以双摆线为过渡曲线的等齿顶宽单头变螺距螺杆转子的排气端端面型线视图；

图4是依据图3所示转子端面型线所生成的螺杆转子主视图；

图中，1.齿根圆曲线；2.渐开线曲线；3.齿顶圆曲线；4.单一摆线构成的过渡曲线；5.齿根面；6.斜齿面；7.齿顶面；8.凹齿面；9.双摆线构成的过渡曲线；10.直齿面。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例一：

本实施方式给出一种等齿顶宽的单头变螺距螺杆转子，在其某一横截面处的端面型线如图1所示。曲线abc段为齿根圆曲线1，曲线cde段为渐开线曲线2，曲线efg段为齿顶圆曲线3，曲线gha段为由单一摆线构成的过渡曲线4，四段曲线按顺序相接(如齿根圆曲线abc的末端c与渐开线曲线cde的起始端c连接，渐开线曲线cde的末端e与齿顶圆曲线efg的起始端e连接，齿顶圆曲线efg的末端g与单一摆线构成的过渡曲线gha的起始端g连接，单一摆线构成的过渡曲线gha的末端与齿根圆曲线abc的起始端a连接，构成端面型线)。

基于该端面型线作右旋变螺距螺旋展开所生成的等齿顶宽单头变螺距螺杆转子的结构图如图2所示。由图2中可以看出，该螺杆转子的齿型面包括齿根面5、斜齿面6、齿顶面7和凹齿面(由单一摆线所生成的过渡曲面)8。转子的螺旋导程(节距)由右侧排气端向左侧吸气端逐渐变大，如图2中所示P3＞P2＞P1，与轴向坐标成正比；但其齿顶面7的宽度B却始终不变，如图2中所示B4＝B3＝B2＝B1＝B；而斜齿面6所占据的轴向长度则越来越长，如图2中所示L4＞L3＞L2＞L1。

依据公式(1)～公式(9)的计算公式，本实施例给出某种型号无油螺杆真空泵的等齿顶宽单头变螺距螺杆转子的结构参数如下：齿顶圆直径D＝186mm；齿根圆直径d＝62mm；节圆直径e＝(d+D)/2＝124mm；排气端面处的转子初始导程p₁＝70mm；吸气端面处的转子终止导程p₂＝160mm；齿顶宽B＝28mm；转子工作区总长度L＝480mm。其结构图如图2所示，其螺旋圈数为4.4圈。

实施例二：

本实施方式给出一种等齿顶宽的单头变螺距螺杆转子，在其某一横截面处的端面型线如图3所示，曲线abc段为齿根圆曲线1，曲线cde段为渐开线曲线2，曲线efg段为齿顶圆曲线3，曲线gha段为由双摆线构成的过渡曲线9，四段曲线按顺序相接(如齿根圆曲线abc的末端c与渐开线曲线cde的起始端c连接，渐开线曲线cde的末端e与齿顶圆曲线efg的起始端e连接，齿顶圆曲线efg的末端g与单一摆线构成的过渡曲线gha的起始端g连接，单一摆线构成的过渡曲线gha的末端与齿根圆曲线abc的起始端a连接，构成端面型线)。

基于该端面型线作左旋变螺距螺旋展开所生成的等齿顶宽单头变螺距螺杆转子的结构图如图4所示。由图4中可以看出，该螺杆转子的齿型面包括齿根面5、斜齿面6、齿顶面7和直齿面(由双摆线所生成的过渡曲面)10。转子的螺旋导程(节距)由右侧排气端向左侧吸气端逐渐变大，如图4中所示P4＞P3＞P2＞P1，与轴向坐标成正比；但其齿顶面7的宽度B却始终不变，如图2中所示B4＝B3＝B2＝B1＝B；而斜齿面6所占据的轴向长度则越来越长，如图2中所示L4＞L3＞L2＞L1。

依据公式(1)～公式(9)的计算公式，本实施方式给出某种型号无油螺杆真空泵的等齿顶宽单头变螺距螺杆转子的结构参数如下：齿顶圆直径D＝188mm；齿根圆直径d＝66mm；节圆直径e＝(d+D)/2＝127mm；排气端面处的转子初始导程p₀＝80mm；吸气端面处的转子终止导程p₂＝160mm；齿顶宽B＝28mm；转子工作区总长度L＝520mm。其结构图如图4所示，其螺旋圈数为4.5圈。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域内的熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (3)

1.一种等齿顶宽的单头变螺距螺杆转子，该螺杆转子的齿型面由齿根面(5)、斜齿面(6)、齿顶面(7)和过渡齿面(8)依次连接构成，转子螺旋导程(P1，P2，P3)随轴向坐标由排气端向吸气端成线性增大，斜齿面(6)的轴向宽度(L1，L2，L3)随之逐渐变大，而齿顶面(7)的宽度(B1，B2，B3)始终保持不变；所述的齿根面(5)、斜齿面(6)、齿顶面(7)和过渡齿面(8)，是由齿根圆曲线(abc)、渐开线曲线(cde)、齿顶圆曲线(efg)和过渡段曲线(gha)依次连接构成的端面型线作变螺距螺旋展开而生成；所述的螺旋导程p与轴向坐标z，满足如下公式： 

式中，p₁为转子排气端面处的转子初始导程，p₂为转子吸气端面处的转子终止导程，L为转子的总长度； 

其特征在于：所述的端面型线中的渐开线曲线(cde)连接于齿根圆曲线(abc)和齿顶圆曲线(efg)之间，该渐开线曲线(cde)的发生圆直径a(z)由排气端向吸气端随轴向坐标z逐渐变小，满足如下公式： 

式中，D为转子齿顶圆直径，a(τ)为随螺旋展开角τ变化的渐开线基圆直径，e为转子节圆直径，B为齿顶宽，λ为变螺距系数，且 。

2.根据权利要求1所述的等齿顶宽的单头变螺距螺杆转子，其特征在于：所述的端面型线中连接齿顶圆曲线(efg)和齿根圆曲线(abc)的过渡曲线(gha)为具有自啮合特性的任意曲线。 

3.根据权利要求1所述的等齿顶宽的单头变螺距螺杆转子，其特征在于：转子螺旋展开方向为左旋或右旋。