CN104405830A - 一种星轮齿的两侧面圆柱包络型线的协同构成 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星轮齿的两侧面圆柱包络型线的协同构成，其特征在于：当按星轮的直径和齿根圆尺寸确定了星轮的齿宽B以后，星轮所有的齿前后两个侧面的位置和形状用两个轴线平行且直径相等的基准圆柱来进行几何上的表征，该两个基准圆柱的轴线与该星轮齿的中心线平行；在星轮齿的齿顶截面上，靠近齿前侧面的基准圆柱的局部投影显现在星轮齿前侧面投影的最下部；靠近齿后侧面的基准圆柱的局部投影显现在星轮齿后侧面投影的最上部。该两基准圆柱中心距L、基准圆柱直径d₀与星轮齿宽度B、齿根节圆处的星轮齿面倾角λ之间有定量数学关系。

Description

一种星轮齿的两侧面圆柱包络型线的协同构成

技术领域

本发明涉及一种用于齿轮啮合副的型面结构，特别涉及一种用于单螺杆压缩机星轮齿两侧面型线的构造。

背景技术

单螺杆式压缩机或泵(图1)是由一个单螺杆转子和两个星轮及机壳构成，它被公认为是一种总体结构性能优秀的回转流体机械。自从1960年代在法国问世以来，已经有多种产品进入工业市场。在世界主要工业国家，也有多家制造商近年来开发制造这种压缩机产品。现在市场上销售的单螺杆压缩机的星轮啮合型线都是单个棱线结构，即星轮齿侧啮合面上有一根棱线从齿根沿径向伸向齿顶，这根棱线是两个倾角渐变直面的相交线。为了提高这种型线的抗磨损性能。中国专利200610042414.1和中国专利201010293319.X分别给出了一种多圆柱包络型线的设计方法和一种多圆柱非等长铣削包络型线的设计方法。这两个文献只是分别举例给出星轮齿前侧的型面是三个圆柱的包络面，星轮齿后侧面是三个圆柱的包络面，文献还给出了这三个圆柱的表示公式。但并没有把星轮齿前和齿后侧面的型线协同考虑，没有建立两者之间的相互限制和影响的关联条件和关联设计构造。实际上，对一台给定工作条件的单螺杆压缩机，如果星轮齿面前后侧型线各自独立设计，一般会造成星轮齿两侧的液膜承载水平差距较大，造成其一侧的明显磨损。

发明内容

如果能对一个星轮齿两侧的型面进行合理的协同设计，就可以实现与之相配合的螺杆齿槽两侧受力大小接近，且实现星轮齿两侧啮合副的液膜承载能力接近或相等的最优化目标，并能防止某一侧可能发生的异常磨损；另外在加工螺杆齿槽两侧型面时，容易调整刀具位置和方便齿槽的尺寸检测等工艺过程。另外，如果把参与包络螺杆齿槽侧壁的棒铣刀相互方位按照星轮的两侧圆柱复合型面的位置给定，就可以用该棒铣刀在螺杆加工专机上实施对螺杆齿槽的加工，实现螺杆与星轮之间的共轭啮合。

本发明的目的在于，提供一种协同考虑的星轮两侧齿型面构造，可实现在齿两侧的油膜厚度都比较充分，且不致发生材料的直接接触的条件。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种星轮齿的两侧面圆柱包络型线的协同构成，其特征在于：当按星轮的直径和齿根圆尺寸确定了星轮的齿宽B以后，星轮所有的齿前后两个侧面的位置和形状用两个轴线平行且直径相等的基准圆柱来进行几何上的表征，该两个基准圆柱的轴线与该星轮齿的中心线平行；齿宽B、两基准圆柱中心距L、基准圆柱直径d₀、星轮齿根节圆处的星轮齿面倾角λ之间的关系为：

B＝d₀sinλ+Lcosγ

$\mathrm{\γ}=\arcsin \left(\frac{d_0}{L}\cos \mathrm{\λ}\right)$

其中，γ为两基准圆柱中心距L的水平倾角。

在星轮齿的齿顶截面上，靠近齿前侧面的基准圆柱的局部投影显现在星轮齿前侧面投影的最下部；靠近齿后侧面的基准圆柱的局部投影显现在星轮齿后侧面投影的最上部。

上述方案中，在靠近星轮齿前侧面的基准圆柱的上方设置一个直径与基准圆柱相同的副前圆柱来进一步表征星轮齿前侧面的构造特征，该副前圆柱的局部投影显现在星轮齿前侧面投影的上部，该副前圆柱与所述基准圆柱的轴心连线的水平倾角为42°～47°。在星轮齿根截面上，所述副前圆柱部分投影上只有一个点与星轮齿前侧面投影的最上端重合。

在靠近星轮齿后侧面的基准圆柱的下方设置一个直径与基准圆柱相同的副后圆柱来进一步表征星轮齿后侧面的构造特征，该副后圆柱的局部投影显现在星轮齿后侧面投影的下部，该副后圆柱与所述基准圆柱的轴心连线的水平倾角为56°～61°。在齿根截面上，所述副后圆柱部分投影上只有一个点在星轮齿后侧面投影的最下端重合。

与现有技术相比，本发明的优点是星轮齿侧型面的协同设计可以明显减少和降低齿侧发生的异常磨损，有效提高星轮和螺杆的使用寿命；另外在加工螺杆齿槽和星轮齿两侧型面时，更容易调整刀具位置，并且使螺杆齿槽和星轮齿的尺寸检测等工艺过程更为简单准确。

附图说明

图1是单螺杆压缩机构造图。图中：101-机壳，102-星轮，103-机壳上的排气孔口，104-罗转转子，105-螺杆轴，106-排气通道。

图2是星轮的齿前侧与齿后侧的图示定义。图中：按星轮的旋转方向，处在一个星轮齿齿前方的啮合面称齿前侧面109；处在一个星轮齿齿后方的啮合面称齿后侧面110。

图3是星轮齿根圆的几何图示。

图4是星轮齿中心线和包络切削的基准圆柱在星轮齿上的几何表示。其中：a)图为星轮齿中心线图示；b)图为基准圆柱中心在齿根截面A-A上的投影关系；c)图为基准圆柱中心在齿顶截面B-B上的投影关系。

图5是星轮齿宽的几何表示。其中：a)图为截面A-A位置图示，B₁齿前侧交点；B₂齿后侧交点；b)图为齿根截面A-A上的星轮齿宽B的图示。

图6是棒铣刀轴线做平面圆周摆动的中心与被加工螺杆的相对几何位置。图中：111-棒铣刀(相当于基准圆柱)；112-刀套；113-电机；114-摆动中心(星轮圆心)。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

参考图3，星轮齿根圆是星轮齿啮合面与螺杆外径啮合的圆，又称星轮节圆，星轮齿根圆的直径为D_j，半径为r_g；D₁为星轮齿顶圆直径。

参考图4，a)图中，一个星轮齿的前、后两侧面在星轮片厚度中性面上与齿根圆各有一个交点，取这两个交点连线的中点，从星轮片圆心过该连线中点做射线，该射线就是星轮齿中心线。

图4的b)、c)中，基准圆柱O₃、O₄部分表面被用来构造星轮齿的一部分齿侧面，该圆柱轴线与所对应星轮齿的中心线相平行。星轮齿齿根截面A-A[图4的b)]和齿顶截面B-B[图4的c)]上分别有自身的基准圆柱面呈现。从螺杆-星轮啮合与包络原理来看，基准圆柱就相当于特定方位下的加工对应螺杆齿槽的棒形铣刀111(图6)。基准圆柱O₃、O₄的直径d₀

一般取为相等，d₀按星轮直径选择如下：

表1

星轮直径D1	80～120	121～150	151～200	201～280	280～400
						基准圆柱直径d0	10～12	12～14	14～16	16～18	18～20
O3’O3轴心连线的水平倾角	46°	45°	44°	43°	42°
						O4’O4轴心连线的水平倾角	61°	60°	59°	58°	57°

图4的c)中，在星轮齿的齿顶截面B-B投影处，基准圆柱O₃的局部柱面投影相切于齿前侧面109投影的下部；基准圆柱O₄的局部柱面投影相切于齿后侧面110投影的上部。在基准圆柱O₃的上方设置一个副前圆柱O₃’(直径与基准圆柱O₃相同)来进一步表征齿前侧面109的构造特征，该副前圆柱O₃’的局部柱面投影相切于齿前侧面109投影的上部。该副前圆柱O₃’与基准圆柱O₃的轴心连线的水平倾角为42°～47°。在基准圆柱O₄的下方设置一个副后圆柱O₄’(直径与基准圆柱O₄的直径相同)来进一步表征星轮齿后侧面的构造特征，副后圆柱O₄’的局部柱面投影相切于齿后侧面110投影的下部。该副后圆柱O₄’与基准圆柱O₄的轴心连线倾角为56°～61°。

图4的b)中，在星轮齿的齿根截面A-A的投影处，副前圆柱O₃’柱面投影只有一个点与齿前侧面投影最上端重合；副后圆柱O₄’柱面投影只有一个点与齿前侧面投影的最下端重合。

参考图5，过星轮齿中心线，垂直于星轮轴作假想平面(也就是齿根圆截面A-A)，该假想平面与齿前侧面109和齿后侧面110相交，特别在星轮节圆处的齿侧面上，各有一个交点B₁、B₂(图5)，这两个交点之间的距离被定义为星轮齿宽度B。星轮前、后两齿面在星轮节圆处与假想平面的倾角都是λ，对于常用的螺杆-星轮齿数比为6/11，则λ数值可表达为：

$\tan \mathrm{\λ}=\frac{11D}{6D_j}$

式中，D——螺杆半径，m；

D_j——星轮节圆直径，m；

参见图6，下面通过加工过程对本发明构造进行辅助阐述：

(1)螺杆齿槽前后侧面型线的协同构造与加工

首先，按照中国专利200810150033.9“一种用于加工单螺杆压缩机转子的铣床”的技术制作螺杆转子加工铣床一台，将要加工的螺杆安装在工件转轴上，根据星轮的直径大小按表1选定基准圆柱直径，该基准圆柱即就是用于包络加工螺杆齿槽的棒铣刀111。把选定的棒铣刀装夹在螺杆专用铣床的刀套内，棒铣刀轴线做平面圆周摆动的中心就是星轮轴的回转中心O₂，先将棒铣刀的轴线调整到与被加工螺杆的轴线垂直相交。

单螺杆压缩机结构设计中既定的星轮表面相对螺杆轴线的位置，调整棒铣刀到与齿前侧基准圆中心重合位置，当把六个螺杆齿槽的侧面都铣削完成后，再把铣刀的中心轴线调到相当于星轮齿后侧的特征圆柱中心，轴向进刀对螺杆齿槽后侧的表面进行铣削。

(2)星轮齿前后侧面型线的构造与实施

按照中国专利200610042414.1“多圆柱铣削包络的单螺杆压缩机齿面型线构造方法”制作一台加工星轮齿面的专用磨床，其磨床所配的砂轮为盘型砂轮。盘形砂轮除了绕自身中心轴旋转进行切削之外，盘形砂轮的盘平面绕一个与该平面平行的轴线X进行回转，该轴线可以在盘平面之内(也可在盘平面之外)，当把星轮工件装夹在公家台上进行加工时，轴线X实际就是基准圆柱(基准位置的棒铣刀)的轴心。协同加工星轮齿的两个侧面时，先将星轮转动，让其中一个要加工的齿中心线与轴线X共线，再相对地移动该轴线X到星轮齿前侧的设计基准圆柱轴心的位置。

如前所述，把棒铣刀的侧刃及其回转的刀架假想成为一个星轮齿面的工作过程，过星轮齿中心线，垂直于星轮轴作假想平面，该假想平面与齿前侧面和齿后侧面相交，按图5原理确定星轮齿宽度B，并按图4原理，星轮齿前、后两个侧面的位置和形状特征可以用两个轴线平行、直径相等的基准圆柱来进行几何上的表征。该基准圆柱的轴线与该星轮齿的中心线平行。齿宽B、两基准圆柱中心距L、基准圆柱直径d₀、星轮齿根节圆处的星轮齿面倾角λ之间的关系为：

B＝d₀sinλ+Lcosγ

$\mathrm{\γ}=\arcsin \left(\frac{a_0}{L}\cos \mathrm{\λ}\right)$

其中，γ为两基准圆柱中心距L的水平倾角。

相对径向进给星轮的同时，调整盘铣刀摆动的角度.这样一来,就在星轮齿前侧面上加工成基准圆柱的部分包络面。然后相对移动该直线X到星轮齿后侧的设计基准圆柱轴心的位置，相对径向进给星轮的同时，调整盘铣刀摆动角度，这样就在星轮齿后侧面上加工成基准圆柱的部分包络面。

Claims (5)

1.一种星轮齿的两侧面圆柱包络型线的协同构成，其特征在于：当按星轮的直径和齿根圆尺寸确定了星轮的齿宽B以后，星轮所有的齿前后两个侧面的位置和形状用两个轴线平行且直径相等的基准圆柱来进行几何上的表征，该两个基准圆柱的轴线与该星轮齿的中心线平行；齿宽B、两基准圆柱中心距L、基准圆柱直径d₀、星轮齿根节圆处的星轮齿面倾角λ之间的关系为：

B＝d₀sinλ+Lcosγ

$\mathrm{\γ}=\arcsin \left(\frac{d_0}{L}\cos \mathrm{\λ}\right)$

其中，γ为两基准圆柱中心距L的水平倾角；

在星轮齿的齿顶截面上，靠近齿前侧面的基准圆柱的局部投影显现在星轮齿前侧面投影的最下部；靠近齿后侧面的基准圆柱的局部投影显现在星轮齿后侧面投影的最上部。

2.根据权利要求1所述的星轮齿的两侧面圆柱包络型线的协同构成，其特征在于：在靠近星轮齿前侧面的基准圆柱的上方设置一个直径与基准圆柱相同的副前圆柱来进一步表征星轮齿前侧面的构造特征，该副前圆柱的局部投影显现在星轮齿前侧面投影的上部，该副前圆柱与所述基准圆柱的轴心连线的水平倾角为42°～47°。

3.根据权利要求2所述的星轮齿的两侧面圆柱包络型线的协同构成，其特征在于：在星轮齿根截面上，所述副前圆柱部分投影上只有一个点与星轮齿前侧面投影的最上端重合。

4.根据权利要求1所述的星轮齿的两侧面圆柱包络型线的协同构成，其特征在于：在靠近星轮齿后侧面的基准圆柱的下方设置一个直径与基准圆柱相同的副后圆柱来进一步表征星轮齿后侧面的构造特征，该副后圆柱的局部投影显现在星轮齿后侧面投影的下部，该副后圆柱与所述基准圆柱的轴心连线的水平倾角为56°～61°。

5.根据权利要求4所述的星轮齿的两侧面圆柱包络型线的协同构成，其特征在于：在齿根截面上，所述副后圆柱部分投影上只有一个点在星轮齿后侧面投影的最下端重合。