CN104265629B - 一种齿顶圆齿根圆相切配两侧为凸轮弧线的凸轮转子 - Google Patents

一种齿顶圆齿根圆相切配两侧为凸轮弧线的凸轮转子 Download PDF

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Abstract

一种齿顶圆、齿根圆相切运转再加上凸轮弧线切合运转的凸轮转子及其型线生成方法，根据用途特点即转子是作为动力输出、输入还是力传递用以及流体的流动难易程度和转子转速等因素决定，由可调整直径比例、长度的齿顶圆弧线段（n）和齿根圆弧线段（m）以及符合凸 轮切合要求的两侧弧线段（u、v）和（u1、v1）相交或相切连接，共同构成了一个齿角，根据取定的齿角数和各角相同的原则得到整个凸轮转子的型线；其特点是齿顶圆弧与齿根圆弧以及两轮对应的侧弧线之间轮换切合运转；其可以正反向运转，运转时齿顶圆弧线段（n）是转子与壳内圆配合面积的弧长，加上各弧线可调节性强，使转子使用适应能力和专业性很强。

Description

一种齿顶圆齿根圆相切配两侧为凸轮弧线的凸轮转子
技术领域
本发明涉及一种凸轮泵，尤其适合气体、汽体及液体为流体的转子动力输出和流体输出。
背景技术
目前，凸轮泵具有流量大、波动小、压力大、无流动死点、振动小的特点，并且两轴转子间为全程滚动渐进的紧密相切配合，磨损小，密封性好，但是由于其转子弧线与齿顶圆、齿根圆只是相切关系，所以转子与壳体为壳体内大圆与转子每个齿顶的单线性间隙相配，密封性差，缩小了其的使用范围。而齿轮泵具有压力大、波动小、无流动死点的特点，其齿顶与壳体内圆为面相配，有较好的密封性，但其流量小，易磨损，并且由于其齿顶高和齿根高不相等，因此两轴转子的齿合处间隙较大，密封性差，造成其作为泵的使用范围很小。所以要使齿合泵能在流量、压力、振动、磨损、密封性能等要素得到更好兼取，扩大其应用范围，是一个重要的研究课题。
发明内容
本发明目的是提供一种能使凸轮齿合泵在流量、压力、振动、磨损、密封性能及波动等要素可以很好兼取的凸轮转子及其型线设计生成方法。其两轴凸轮配合运转方式是：O1的齿顶圆与O2齿根圆切合运行→两轮侧凸轮弧线切合运行→O1的齿根圆与O2的齿顶圆切合运行→两轮侧凸轮弧线切合运行→两轮下一个齿角的相同顺序运行。其与一般凸轮转子的特点是以可调整比例以及可调整圆弧长度的、两轮分别相切配的齿顶圆弧和齿根圆弧加上按凸轮弧线设计生成的侧弧线组成转子轮廓线，即是在每个齿角的凸轮弧线的顶角和凹角中间加上齿顶圆弧线段和齿根圆弧线段。其具有凸轮转子的优点、齿轮转子与壳内圆的面积配合优点以及调整适应能力强的特点。
本发明是加入齿顶圆和齿根圆相切运行的办法，使凸轮齿合泵在流量、压力、振动、密封性能及波动等要素得到可以很好兼取的凸轮转子及其型线设计生成方法，其特征为分度圆直径d＝（齿根圆直径+齿顶圆直径）÷2，按凸轮弧线设计方法生成凸角左侧交于f点的侧弧线（u1、v1）、右侧交于（g）点的侧弧线（u、v）加上根部齿根圆线段（m），再加上顶端齿顶圆线段（n），圆弧线段（m）、（n）可以是由相同效果的相齿合的小齿（波）形构成整体线段形状，就构成了转子型线一个齿角，根据各角相同的原则复制得到整个凸轮泵转子的型线。
本发明是加入齿顶圆和齿根圆相切运行的办法，使凸轮齿合泵在流量、压力、振动、密封性能及波动等要素得到很好兼取的凸轮转子型线设计及其生成方法，其技术方案和步骤是：
（1）根据给定的流体流量、压力以及速度等条件，确定转子圆基本外径；再根据流体性质和动力是输出或输入等因素确定外径即齿顶圆与齿根圆的比例，并且取齿顶高等于齿根高，以及取定合理的开角角度（a、b）和转子与壳内圆配合面积的齿顶圆弧长度（n）。
（2）生成侧弧线的方法1，取侧弧线与齿顶圆、齿根圆相切或相交时，取（m）的弧角度取＝（n）的弧角度，根据开角角度，按照相同凸轮齿数的凸轮齿合弧线的设计原理，分别过（g）点和（n、m）的端点取得侧弧线（u、v），两端分别与（n）、（m）的端点相切或相交，侧弧线（u、v）整体要顺滑。相同的方法和要求得到另一侧弧线（u1、v1），该侧弧线可以和侧弧线（u、v）不相同。
（3）生成侧弧线的方法2，取侧弧线两端分别与齿顶圆和齿根圆按要求有角度相交时，根据开角角度，按照相同凸轮齿数的凸轮齿合弧线的设计原理，过（n）的端点以及分别过（f、g）点作弧线，其各自的两个端点在凹、凸齿角中心线上与分度圆距离相等并且距离大于d-dα，侧弧线与齿根圆相交得（m）。这两种方法修剪后得（n+u+v+u1+v1+m）共同构成一个齿角的弧线，其中：v、v1是侧弧线从本身与分度圆的交点（g 、f ）至（n）的端点的侧弧线段，u、u 1是侧弧线从本身与分度圆的交点（g 、f ）至（m）的端点的侧弧线段。
（4）齿数的确定：转子为动力输出和流体为流体时，可以根据需要取多一些齿数；转子为动力输入和流体为气体时，要减小齿数。
（5）按照齿厚等于槽宽及各角相同的原则，剪切得到整个凸轮轮廓弧线。
本发明凸轮转子的有益效果是：
（1）其两侧弧线按照凸轮弧线的设计方法取得，继承了凸轮泵具有流量大、压力大、振动小、波动小以及转子间密封的优点。
（2）齿顶圆弧线段（n）是转子与壳内圆配合面积的弧长，决定了转子与壳内圆的密封性能有了很大提高，使其适应扩大到流体为气体方面的应用。
（3）采用可调整比例的齿顶圆直径与齿根圆直径比，再补以按凸轮弧线设计方法生成侧弧线的设计方案，使其适应性更强，更专业，加上在齿顶圆与齿根圆切合运转时，齿合处没有和输出力方向反向的力距点，使输出力距更大，适合在转子动力输出方面的应用。
（4）当两侧弧线设计为的超过360。÷齿数÷2的齿合转角的侧弧线有合理的压力角时，凸轮转子对适合在轮间动力传动的发展。
（5）当齿顶圆直径与齿根圆直径比例较小时，齿顶圆弧线段（n）取较长的同时开角（a、b）也较大，使其适应高速度转动。
附图说明
图1是本发明三齿凸轮齿合齿角作为示例的弧线结构示意图，图2是三齿凸轮泵转子齿合运转的结构示例图。
具体实施方式
1. 在图1中，齿顶圆弧线段n、侧弧线段（u和v）、侧弧线段(u1和v1)、齿根圆弧线段（m）之间相交连接，两条侧弧线段与分度圆分别交于（g、f）点，整条弧线弧度顺滑，在两轮转动中两个齿角的弧线段u-v和另轮弧线段u-v之间、弧线段u1-v1和另轮弧线段u1-V1之间是相互正好全程相切配合的关系，弧线段(m+v+u+v1+u1+n)是一个齿角的弧线，（a、b）是两齿合角的开角，（c）是侧弧线（u、v）与过（g）点中心线的夹角，（e）是另一齿角侧弧线与分度圆的交点，e－f=f－g。
2. 在图2中，（1）是壳体内截面，（2）是流体进口，（3）是流体出口，（11、21）是转子，（12、22）是分度圆，（13、23）是齿根圆，（14、24）是齿顶圆，（4）是流体出口处的齿合开角，（5）是流体进口处的齿合开角。
3. 根据流量和转速等要求，计算出容积，得出基本的转子外径及轴向长度，确定本发明要求为分度圆直径等于齿顶圆直径加上齿根圆直径的一半，即齿顶高＝齿根高。
4. 根据力距的原理，，在一定的流体流量、压力和转子外径，转子作为力动力输出-+-时，减小凸轮转子齿顶圆直径和齿根圆的直径比例，即减小齿顶和齿根高，适当加长轴向长度，以得到的输出力距增大，齿数也可以根据需要增多；而转子作为动力输入和流体由流动性及压缩性越差的液体向流动性及压缩性越好的气体转变时，要减小齿数及轴向长度，加大转子齿顶圆直径和齿根圆直径比例，因为力杠杆长度减小，需要输入的力距就减小。
5. 根据凸轮转子齿合原理，为不使齿合处正负压力过大导致振动、功率损耗及对机件冲击，转子为动力输出时，流体进口处（2）为正高压加上齿合开角（5）为负压吸入、流体出口处（3）为负压加上齿合开角（4）为高压齿合压出流体，齿合处流体流动容易，所以有利于输出转速的提高，和开角可以较小。转子为动力输入时，流体进口处（3）为负压加上齿合开角（5）为负压吸入、而出口处（3）为正高压加上齿合开角（4）为高压压出流体，使齿合处负压处压力更低、高压处压力更高，齿合处流体流动难度增加，所以需要加大齿合开角；还有当流体的流动性和可压缩性越差、转子速度越高时，流体从齿合处流出来的难度也更大，开角（a）和（b）也要越大，并且要开角角度从齿合处向外顺滑扩大，这就需要综合加大弧（u）和弧（v）的半径与改善弧形的平滑度，减小圆弧线（n）的长度，或减小齿顶圆直径与齿根圆直径的比例。因为开角涉及齿合处压力的释放，圆弧线（n）涉及转子与壳内圆的配合密封性能，而齿顶圆直径与齿根圆直径的比例涉及流体在转子截面的可用面积，所以要根据具体条件要求取值这三者的比例关系，或再加入外径和轴向长度综合取值。
6. 取侧弧线与齿顶圆、齿根圆以相切或相交连接时，先按转子与壳内圆的密封要求得到齿顶圆弧线段(n)，再取齿根圆弧线段（m）的弧角度等于齿顶圆弧线段（n）的弧角度；过（g）和（f）点作符合两轮齿合运转时侧弧线之间正好全程切配的侧弧线，使侧弧线与两圆弧线段端点相切连接及弧线弧形符合开角要求。
7. 取侧弧线与齿顶圆、齿根圆有角度或小半径相交时：①按切合凸轮弧线的设计方法设计过（g）点和（f）点符合凸轮齿合的侧弧线，弧线的两端点分别在齿根中心线和齿顶中心线上，并且使弧线一个端点在齿顶圆外侧和齿顶圆的距离与另一个端点在齿根圆内侧和齿根圆的距离相等，修剪两圆外侧的弧线与两中心线外侧的圆弧，得到一个齿角的有角度相交的弧线。取小半径相交时，在上面两角加入小半径弧线，但这两条弧线要保证在两轮齿角齿合运转时正好全程相互切配。各弧线的弧形要综合使开角符合要求。
8. 凸轮转子的齿角数为2齿或2齿以上，齿厚等于槽宽，各个齿角的弧线相同。
9. 上述（1－6）的根据和要求是两轴轮相切配合的设计要求，如凸轮齿顶和齿根有较大的粗糙时，应当防止高低压的流体从两凸轮之间的配合处泄漏，如有分层加工或装配等转子配合的间隙或过盈要求时，可以根据要求调整全转子型线以符合间隙或过盈要求。
10. 转子作为转子间动力传动时，设计侧弧线按照切合凸轮弧线的设计方法，但要保证两轮运转一个齿角角度时，有大于1/2转角的齿合侧弧线有合理的力传递压力角，以及从几何角度使凸轮、齿角有更大承受力。圆弧线段（n、m）长度以及侧弧线段（u、v、u1、v1）弧形弧度的取值不需要考虑齿合开角，而是保证压力角角度、有合理压力角的转角角度、齿轮及齿角的承受力在不同的传动要求能更好地兼顾。
11.以下为图1的设计具体示例：
（1）如根据流量输出、转速、流体特点等条件，取转子齿顶圆直径110－125mm,截面流体可用面积为4000m2左右,一个齿角齿顶弧线段角度约20。－25。，流体为流动性较差的液体，需要较大齿合开角。
（2）本示例取分度圆直径＝90m、齿顶圆直径=116、齿根圆直径＝64、齿顶圆弧线段（n）角度＝22。、齿角数为3。因为一个齿角角度的一半为60。，所以作4条中心线分别是0。、30。、60。、90。，0。中心线交于齿顶圆弧线段（n）中间，30。中心线交于分度圆得（g）点，60。中心线交于齿根圆弧线段（m）中间。
（3）按切配凸轮弧线设计方法作端点分别在0。、60。上，过（g）点和（n）的端点的凸轮侧弧线，弧线在齿顶圆外的端点在0。中心线上与齿顶圆弧线段的距离＝弧线在齿根圆内的端点在60。中心线上与齿根圆弧线段的距离，本例的距离为2mm, 侧弧线与齿根圆相交得齿根圆弧线段（m），两个圆以内的弧线是一侧的弧线段（u）、（v）；同理过（f）点得到另一侧的弧线段（u1）、（v1），其弧形可以和（u）、（v）不相同。也可以先取（n）和（m）相同角度的弧长，作交于或相切于（n）、（m）的端点和过（g）或（f）点生成侧弧线段。
（4）侧弧线（u、v）与过（g）点中心线的夹角（c），可以是在凹过中心线的负角至中心线凹角这边的较大角度，因为夹角（c）越小开角（a、b）就越小越长，所以本例取较大的角度（c）＝25。，得到较大较短的开角。
（5）修剪两条侧弧线以外的圆弧线以及齿顶圆外面和齿根圆里面的侧弧线即得到一个齿角，包括n、u、v、u1、v1、m。因为侧弧线和齿顶圆、齿根圆是有角度相交，m长度是由侧弧线决定，是不确定的值。如果需要在侧弧线与圆弧线的交点加入小半径弧线时，同一侧的两条小半径弧线段符合切合凸轮弧线设计要求在两轮齿合时正好全程切配。再根据各角相同的原则得到整个凸轮转子的型线。

Claims (6)

1.一种齿顶圆、齿根圆相切运转再加上凸轮侧弧线切合运转的凸轮转子，其特征在于，转子的主体型线的生成方法是由根据用途特点调整确定的直径比例、长度以及与分度圆距离相等的齿顶圆弧线段（n）和齿根圆弧线段（m）构成齿顶以及齿根；分度圆半径外的齿顶齿侧弧线段和分度圆半径内的齿根齿侧弧线段由任何符合凸轮切配齿合要求的弧形的弧线段组成齿侧，齿侧两端分别相切或相交于齿顶圆弧线段（n）和齿根圆弧线段（m）的相同一侧的端点，构成齿角的一齿侧弧线段；分度圆半径外的另一条齿顶齿侧弧线段和分度圆半径内的另一条齿根齿侧弧线段也是由任何符合凸轮切配齿合要求的弧形的弧线段组成齿角的另一侧，这侧齿侧的两端分别相切或相交于齿顶圆弧线段（n）和齿根圆弧线段（m）的另一端点，构成齿角的另一齿侧弧线段；这两条齿侧弧线段和两条圆弧线段（n）、（m）共同构成了一个齿角，根据取定的齿角数和各角相同的原则得到整个凸轮转子的型线。
2.根据权利要求1所述的一种齿顶圆、齿根圆相切运转再加上凸轮侧弧线切合运转的凸轮转子，其特征在于，所述的任何符合凸轮切配齿合要求的弧形的弧线段组成的齿侧弧线段是由任何弧形的弧线和线段组成，齿角两侧的齿侧弧线段可以相同也可以不相同。
3.根据权利要求1所述的一种齿顶圆、齿根圆相切运转再加上凸轮侧弧线切合运转的凸轮转子，其特征在于，所述的两齿侧弧线段的端点分别相切或相交于齿顶圆弧线段（n）和齿根圆弧线段（m）的端点,是任何相切半径和任何相交角度。
4.根据权利要求1所述的一种齿顶圆、齿根圆相切运转再加上凸轮侧弧线切合运转的凸轮转子，其特征在于，所述的整个凸轮转子的型线可以根据两凸轮之间有间隙或过盈要求的差值生成或调整。
5.根据权利要求1所述的一种齿顶圆、齿根圆相切运转再加上凸轮侧弧线切合运转的凸轮转子，其特征在于，所述的由齿顶圆弧线段和齿根圆弧线段以及两齿侧弧线段构成的凸轮齿角数为等于2齿或多于2齿。
6.一种齿顶圆、齿根圆相切运转再加上凸轮侧弧线切合运转的凸轮转子，其特征在于，包括上述权利要求1、2、3、4、5所述的一种齿顶圆、齿根圆相切运转再加上凸轮侧弧线切合运转的凸轮转子，在相配齿合的凸轮转子对转动时，两轴凸轮之间形成的配合运转方式是：其中任何一个凸轮的齿角齿顶的圆弧线段（n）全段与另一凸轮齿根的圆弧线段（m）的全段对应地相配齿合滚动→两轮的齿侧凸轮弧线段切合运行→这一凸轮齿根的圆弧线段（m）的全段与另一个凸轮的齿角齿顶的圆弧线段（n）全段对应地相配齿合滚动→两轮另一侧的齿侧凸轮弧线段切合运行→两轮下一个齿角的相同顺序循环运行。
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