CN110242560A - 一种齿轮泵的齿轮转子及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种合齿轮泵的齿轮转子，该转子由一对能够相互啮合的左齿轮转子(1)和右齿轮转子(2)组成；齿轮转子包括数量为6～12个齿；左端面型线(101)由4种曲线组成：2段圆弧、1段过渡曲线和1段共轭曲线；右端面型线(201)由4种曲线组成：2段圆弧、1段过渡曲线和1段共轭曲线。所提出的一种齿轮泵的齿轮转子，组成型线简单，便于优化设计，左齿轮转子(1)和右齿轮转子(2)能够实现完全正确的啮合，在工作过程中，能够有效减小流体从高压腔到低压腔的泄漏，不产生封闭容积的减小过程，无困液现象。

Description

一种齿轮泵的齿轮转子及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种容积式回转泵，特别是一种齿轮泵的齿轮转子及其设计方法。

背景技术

一种齿轮泵的齿轮转子，主要包括左齿轮转子(1)和右齿轮转子(2)，其工作原理是左齿轮转子(1)和右齿轮转子(2)是相互啮合的两齿轮转子，当齿轮转动时，液体由入口进入泵体内部，通过齿轮表面传送到出口，在齿轮转子旋转的工作过程中，液体不断地被吸入和排出。齿轮泵具有结构简单、尺寸小、制造简单、工作可靠的特点。主要应用于液压系统、内燃机、工程机械、石油行业。

齿轮泵相互啮合的齿轮转子对其工作性能的影响很大，中国专利(林建明，何平.一种齿轮泵的卸荷装置[P].北京：CN2057970，1990-06-06.)提出了一种齿轮泵的卸荷装置，解决了困液问题，使噪声有所减少但不能彻底消除，由于卸荷槽的存在，削弱了齿轮的端面密封，引起端面泄漏增大，降低了齿轮泵的容积效率。中国专利(查谦，查理，邓谦，查世樑.一种双圆弧齿轮[P].广东：CN108953554A，2018-12-07.)提出了一种双圆弧齿轮，凸圆弧通过直线段与凹圆弧连接，提高了承载能力、传动效率，但是直线段在连接凸圆弧与凹圆弧时，存在不光滑连接点，齿轮转子的型线不完全啮合，存在困液现象。

现有的齿轮泵的齿轮转子存在的问题：齿轮转子的型线不完全啮合，存在困液现象。

发明内容

针对以上齿轮转子的型线不完全啮合，存在困液现象的问题，本发明提出一种齿轮泵的齿轮转子，设计了一种新的齿轮转子的端面型线，由圆弧、高次曲线及其共轭曲线组成，并给出了高次曲线及其共轭曲线的设计方法；左齿顶圆弧AB、左过渡曲线BC、左齿底圆弧CD、左共轭曲线DE，各段相邻曲线之间光滑连接；右齿顶圆弧ab、右共轭曲线bc、右齿底圆弧cd、右过渡曲线de，各段相邻曲线之间光滑连接；本发明提出的一种无困液的外啮合齿轮泵转子，组成型线简单，便于优化设计，在工作过程中，不产生封闭容积的减小过程，无困液现象，丰富了齿轮泵转子型线类型，对促进齿轮泵的发展具有重要的意义。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种齿轮泵的齿轮转子，包括左齿轮转子、右齿轮转子；左齿轮转子的左端面型线包括齿数为6～12个齿，每个齿的型线由4段曲线光滑连接组成，依次为：左齿底圆弧CD、左过渡曲线BC、左齿顶圆弧AB、左共轭曲线AE；左齿轮转子的左端面型线是以上4种曲线首尾依次光滑连接组成，是全光滑的，且呈中心对称；

右齿轮转子的右端面型线包括齿数为6～12个齿，每个齿的型线由4段曲线光滑连接组成，依次为：右齿顶圆弧cd、右过渡曲线bc、右齿底圆弧ab、右共轭曲线ae；右齿轮转子的右端面型线是以上4种曲线首尾依次光滑连接组成，是全光滑的，且呈中心对称；

左齿轮转子的左端面型线与右齿轮转子的右端面型线是镜像对称的；

左齿轮转子的左端面型线上的左共轭曲线AE、左齿顶圆弧AB、左过渡曲线BC分别与右齿轮转子的右端面型线上的右过渡曲线bc、右齿底圆弧ab、右共轭曲线ae能够实现正确的啮合；

所述的左齿轮转子的左端面型线的左齿顶圆弧AB和左齿底圆弧CD的圆心点O₁、O₂都在左齿轮转子的节圆上，节圆半径为R₂，左齿顶圆弧AB和左齿底圆弧CD的圆心角相同，都为2θ，其取值范围为其中z为齿数。

一种所述的齿轮泵的齿轮转子的设计方法，包括以下步骤：

1)确定齿数z；确定齿顶圆半径R₁；确定齿根圆半径R₃；左齿顶圆弧AB和左齿底圆弧CD的圆心角2θ；求得节圆半径

以左齿轮转子的回转中心O点为原点建立坐标系，分别作出半径为R₁的齿顶圆、半径为R₂的节圆、半径为R₃的齿根圆，再以左齿底圆弧CD的圆心O₁(0，R₂)为圆心，以圆弧半径r₁为半径做圆，其中，r₁＝R₁-R₂；再以回转中心O为中心阵列2z个；

2)确定左齿轮转子的左端面型线的各种组成曲线的直角坐标方程：

①按以下方程确定左齿顶圆弧AB，其方程为：

式中y_AB(x)为因变量，x为自变量；

②按以下方程确定左齿底圆弧CD，其方程为：

式中y_CD(x)为因变量，x为自变量；

③按以下方程确定左过渡曲线BC，其方程为：

式中y_BC为因变量，x为自变量，其中a₀、a₁、a₂、a₃为常数，由以下方程组确定：

3)按以下步骤确定左共轭曲线AE

①将过渡曲线BC表示成参数方程为：

②得到转角

③得到坐标变换矩阵M

④得到左共轭曲线AE的方程为：

4)将左齿底圆弧CD、左过渡曲线BC、左齿顶圆弧AB、左共轭曲线AE以回转中心O为中心进行2z个环形阵列，得到左齿轮转子的左端面型线；

5)将左齿轮转子的左端面型线镜像对称得到右齿轮转子的右端面型线；

6)根据左端面型线与右端面型线，沿螺旋线扫描分别生成左齿轮转子和右齿轮转子，其中螺旋角β的范围为10°～30°；

以上：z—齿数；r₁—圆弧半径，mm；R₁—齿顶圆半径，mm；R₂—节圆半径，mm；R₃—齿根圆半径，mm；θ—圆弧齿廓所对圆心角的一半，rad。

一种齿轮泵，使用所述的左齿轮转子和右齿轮转子。

本发明的有益效果为：

①所提出的一种齿轮泵的齿轮转子在工作过程中，无困液现象，不产生封闭容积的减小过程。

②所提出的一种齿轮泵的齿轮转子，左齿轮转子(1)和右齿轮转子(2)能够实现完全正确的啮合，在工作过程中，能够有效减小流体从高压腔到低压腔的泄漏。

③所提出的一种齿轮泵的齿轮转子，组成型线简单，便于优化设计。

附图说明

图1为左齿轮转子(1)的左端面型线(101)图。

图2为右齿轮转子(2)的右端面型线(201)图。

图3为左端面型线(101)和右端面型线(201)的啮合图。

图4为左齿轮转子(1)和右齿轮转子(2)的啮合图。

图中：1—左齿轮转子(1)；2—右齿轮转子(2)；101—左端面型线(101)；201—右端面型线(201)；r₁—圆弧半径，mm；R₁—齿顶圆半径，mm；R₂—节圆半径，mm；R₃—齿根圆半径，mm；θ—圆弧齿廓所对圆心角的一半，rad。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，为左齿轮转子1的左端面型线101图，左端面型线101由4段曲线连接组成，依次为：左齿底圆弧CD、左过渡曲线BC、左齿顶圆弧AB、左共轭曲线AE，左端面型线101是以上4种曲线首尾依次光滑连接组成，是全光滑的，且呈中心对称；左端面型线101的设计方法如下：

1)确定齿数z，如z＝6；确定齿顶圆半径R₁，如R₁＝60mm；确定齿根圆半径R₃，如R₃＝40mm；左齿顶圆弧AB和左齿底圆弧CD的圆心角2θ，如求得节圆半径

以左齿轮转子1的回转中心O点为原点建立坐标系，分别作出半径为R₁的齿顶圆、半径为R₂的节圆、半径为R₃的齿根圆，再以左齿底圆弧CD的圆心O₁(0，R₂)为圆心，圆弧半径r₁为半径做圆，其中，r₁＝R₁-R₂；再以回转中心O为中心阵列2z个；

2)所述的左齿轮转子1的左端面型线101的各种组成曲线的直角坐标方程为：

①按以下方程确定左齿顶圆弧AB，其方程为：

式中y_AB(x)为因变量，x为自变量；

②按以下方程确定左齿底圆弧CD，其方程为：

式中y_CD(x)为因变量，x为自变量；

③按以下方程确定左过渡曲线BC，其方程为：

其中，a₀、a₁、a₂、a₃为常数，由以下方程组确定：

3)按以下步骤确定左共轭曲线AE：

①将过渡曲线BC表示成参数方程为：

②得到转角

③得到坐标变换矩阵M

④得到左共轭曲线AE的方程为：

4)对以上曲线左齿底圆弧CD、左过渡曲线BC、左齿顶圆弧AB、左共轭曲线AE进行环形阵列，得到左齿轮转子1的左端面型线101；

如图2所示，为右齿轮转子2的右端面型线201图，左端面型线101由4段曲线连接组成，依次为：右齿顶圆弧cd、右过渡曲线bc、右齿底圆弧ab、右共轭曲线ae，右端面型线201是以上4种曲线首尾依次光滑连接组成，是全光滑的，且呈中心对称；右端面型线201与左端面型线101是镜像对称的，设计方法相同。

如图3所示，为左端面型线101和右端面型线201的啮合图，左端面型线101与右端面型线201是镜像对称的，左端面型线101上的左共轭曲线AE、左齿顶圆弧AB、左过渡曲线BC，分别与右端面型线201上的右过渡曲线bc、右齿底圆弧ab、右共轭曲线ae能够实现正确的啮合。

如图4所示，为左齿轮转子1和右齿轮转子2的啮合图，根据左端面型线101与右端面型线201，由法向齿形沿分度圆上的螺旋线扫描分别生成左齿轮转子1和右齿轮转子2，其中分度圆螺旋角β的范围为10°～30°，左齿轮转子1和右齿轮转子2之间实现完全正确啮合。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (3)

1.一种齿轮泵的齿轮转子，包括：左齿轮转子(1)、右齿轮转子(2)；其特征是：左齿轮转子(1)的左端面型线(101)包括齿数为6～12个齿，每个齿的型线由4段曲线光滑连接组成，依次为：左齿底圆弧CD、左过渡曲线BC、左齿顶圆弧AB、左共轭曲线AE；左齿轮转子(1)的左端面型线(101)是以上4种曲线首尾依次光滑连接组成，是全光滑的，且呈中心对称；

右齿轮转子(2)的右端面型线(201)包括齿数为6～12个齿，每个齿的型线由4段曲线光滑连接组成，依次为：右齿顶圆弧cd、右过渡曲线bc、右齿底圆弧ab、右共轭曲线ae；右齿轮转子(2)的右端面型线(201)是以上4种曲线首尾依次光滑连接组成，是全光滑的，且呈中心对称；

左齿轮转子(1)的左端面型线(101)与右齿轮转子(2)的右端面型线(201)是镜像对称的；

左齿轮转子(1)的左端面型线(101)上的左共轭曲线AE、左齿顶圆弧AB、左过渡曲线BC分别与右齿轮转子(2)的右端面型线(201)上的右过渡曲线bc、右齿底圆弧ab、右共轭曲线ae能够实现正确的啮合；

所述的左齿轮转子(1)的左端面型线(101)的左齿顶圆弧AB和左齿底圆弧CD的圆心点O₁、O₂都在左齿轮转子(1)的节圆上，节圆半径为R₂，左齿顶圆弧AB和左齿底圆弧CD的圆心角相同，都为2θ，其取值范围为其中z为齿数。

2.一种如权利要求1所述的齿轮泵的齿轮转子的设计方法，其特征是：包括以下步骤：

1)确定齿数z；确定齿顶圆半径R₁；确定齿根圆半径R₃；左齿顶圆弧AB和左齿底圆弧CD的圆心角2θ；求得节圆半径

以左齿轮转子(1)的回转中心O点为原点建立坐标系，分别作出半径为R₁的齿顶圆、半径为R₂的节圆、半径为R₃的齿根圆，再以左齿底圆弧CD的圆心O₁(0，R₂)为圆心，以圆弧半径r₁为半径做圆，其中，r₁＝R₁-R₂；再以回转中心O为中心阵列2z个；

2)确定左齿轮转子(1)的左端面型线(101)的各种组成曲线的直角坐标方程：

①按以下方程确定左齿顶圆弧AB，其方程为：

式中y_AB(x)为因变量，x为自变量；

②按以下方程确定左齿底圆弧CD，其方程为：

(y_CD(x)-R₂)²+x²＝r₁ ²，x∈(0,r₁sin(θ))

式中y_CD(x)为因变量，x为自变量；

③按以下方程确定左过渡曲线BC，其方程为：

y_BC(x)＝a₃x³+a₂x²+a₁x+a₀，

式中y_BC为因变量，x为自变量，其中a₀、a₁、a₂、a₃为常数，由以下方程组确定：

3)按以下步骤确定左共轭曲线AE

①将过渡曲线BC表示成参数方程为：

②得到转角

③得到坐标变换矩阵M

④得到左共轭曲线AE的方程为：

4)将左齿底圆弧CD、左过渡曲线BC、左齿顶圆弧AB、左共轭曲线AE以回转中心O为中心进行2z个环形阵列，得到左齿轮转子(1)的左端面型线(101)；

5)将左齿轮转子(1)的左端面型线(101)镜像对称得到右齿轮转子(2)的右端面型线(201)；

6)根据左端面型线(101)与右端面型线(201)，沿螺旋线扫描分别生成左齿轮转子(1)和右齿轮转子(2)，其中螺旋角β的范围为10°～30°；

以上：z—齿数；r₁—圆弧半径，mm；R₁—齿顶圆半径，mm；R₂—节圆半径，mm；R₃—齿根圆半径，mm；θ—圆弧齿廓所对圆心角的一半，rad。

3.一种齿轮泵，其特征是：使用权利要求1所述的左齿轮转子(1)和右齿轮转子(2)。