CN110360114A - 一种复合轮齿压缩机的全啮合转子及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合轮齿压缩机的全啮合转子，该转子由一对能够相互啮合的左凹转子(1)和右凸转子(2)组成；左凹转子(1)包括第一齿槽(101)、第二齿槽(102)和数量为20～42的左传动齿(103)，右凸转子(2)包括第一凸齿(201)、第二凸齿(202)和数量为20～42的右传动齿(203)；第一齿槽(101)由5段曲线组成：3段圆弧和2段摆线；第一凸齿(201)由7段曲线组成：3段圆弧和4段摆线。所提出的全啮合转子提高了复合轮齿压缩机在工作过程中的密封性能，有效减小了气体从高压腔到低压腔的泄漏量；同时该转子齿槽小，减小了余隙容积，使得复合轮齿压缩机具有更高的容积效率。

Description

一种复合轮齿压缩机的全啮合转子及其设计方法
技术领域
本发明属于压缩机工程技术领域，特别涉及一种复合轮齿压缩机的全啮合转子及其设计方法。
背景技术
复合轮齿压缩机是一种新型的容积式压缩机，主要结构由机壳和安装在机壳内的2个相互啮合的左凹转子(1)和右凸转子(2)组成，其中左凹转子(1)由正常啮合的左传动齿(103)上开设第一齿槽(101)和第二齿槽(102)形成，右凸转子(2)由正常啮合的右传动齿(203)上开设第一凸齿(201)和第二凸齿(202)形成；其工作原理是：右凸转子(2)通过传动齿带动左凹转子(1)做同步异向双回转运动，通过左凹转子(1)、右凸转子(2)和机壳形成的密闭工作腔容积的周期性变化，进而实现吸气、压缩和排气的全过程；复合轮齿压缩机具有结构简单、零部件少、体积小和传动力矩大的特点，应用于制冷空调、内燃机和液压马达行业。
复合轮齿压缩机相互啮合的转子对其工作性能的影响极大，美国专利(ErichM.GEAR-TYPE ROTARY MACHINE:U.S.3,574,491[P].1971.)发明了一种齿轮式旋转机器，解决了齿轮泵面积利用系数低、一转中输出的液体量少的缺点；这种机器左轮齿和右轮齿齿廓都为渐开线，工作时工质大量回流，导致容积效率下降。中国专利(廖振宜.啮闭式转子[P]:中国:ZL93111972.3,1997.10.29.)提出了一种啮闭式转子，但是该转子齿槽和凸齿型线存在多个不光滑点，啮合性能差，排气过程高压气体会泄漏到低压腔中，容积效率低。中国专利(沈锦丰,刘荣福,王军,刘基成.复合轮齿式气体压缩机[P].四川：CN1191940,1998-09-02.)采用不对称型线对转子啮合型线进行了设计，但是该转子齿槽内侧型线的一边由渐开线和摆线组成，存在1个不光滑点，凸齿上存在3个不光滑点，运转过程中凸齿与传动齿过渡处型线不完全啮合，导致排气过程高压气体向传动齿齿间泄漏。
现有复合轮齿压缩机存在的问题：齿槽和凸齿的组成型线不能完全啮合，排气过程中排气腔内的气体向低压腔泄漏，齿槽大，造成排气结束后的余隙容积大，容积效率低。
发明内容
针对以上型线不完全啮合、压缩过程的泄漏和余隙容积大的问题，本发明提出一种复合轮齿压缩机的全啮合转子，构建出能够实现全啮合的第一齿槽和第一凸齿的端面型线，并给出第一齿槽和第一凸齿端面型线的方程；本发明采用多段圆弧和摆线构建第一齿槽和第一凸齿的端面型线，使得左凹转子的第一齿槽的端面型线与右凸转子的第一凸齿的端面型线能够实现完全正确的啮合，提高了密封性能，有效减小了气体从高压腔到低压腔的泄漏；所提出的一种复合轮齿压缩机转子能够形成封闭容积的减小过程，且内容积比大；该转子齿槽面积小，余隙容积更小，容积效率更高；而且所提出的复合轮齿压缩机转子型线简单，对于丰富复合轮齿压缩机型线类型和促进复合轮齿压缩机的发展都具有重要的意义。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种复合轮齿压缩机的全啮合转子，包括两个相互啮合的左凹转子和右凸转子；左凹转子包括：第一齿槽、第二齿槽和数量为20～42的左传动齿，右凸转子包括：第一凸齿、第二凸齿和数量为20～42的右传动齿；在同步异向双回转运动的工作过程中，左凹转子的第一齿槽、第二齿槽和左传动齿，分别与右凸转子的第一凸齿、第二凸齿和右传动齿相啮合；
所述的第一齿槽的端面型线由5段曲线和4个点组成，依次为：左第一点A、左第一圆弧AB、左第二点B、左第一摆线BC、左齿底圆弧CD、左第二摆线DE、左第三点E、左第二圆弧EF和左第四点F；第一齿槽的端面型线是轴对称，且第一齿槽的端面型线与第二齿槽的端面型线关于左凹转子的回转中心O1是中心对称的；
所述的第一凸齿的端面型线由7段曲线和2个点组成，依次为：右第一摆线ab、右第一圆弧bc、右第二摆线cde、右第一点e、右齿顶圆弧ef、右第二点f、右第三摆线fgh、右第二圆弧hi和右第四摆线ij；第二凸齿的端面型线是轴对称，且第一凸齿的端面型线与第二凸齿的端面型线关于右凸转子的回转中心O2是中心对称的；
在同步异向双回转运动的工作过程中，左凹转子上的第一齿槽的端面型线与右凸转子上第一凸齿的端面型线能够实现正确的啮合；啮合关系为：左第一点A、左第一圆弧AB、左第二点B、左第一摆线BC、左齿底圆弧CD、左第二摆线DE、左第三点E、左第二圆弧EF和左第四点F，分别与右第一摆线ab、右第一圆弧bc、右第二摆线cde、右第一点e、右齿顶圆弧ef、右第二点f、右第三摆线fgh、右第二圆弧hi和右第四摆线ij能够实现正确的啮合。
所述的一种复合轮齿压缩机的全啮合转子的设计方法，包括以下步骤：
1)给定以下参数：右齿顶圆半径R1；节圆半径R2；左齿底圆弧圆心角α；渐开线基圆半径rb；传动齿的模数m；传动齿的齿顶圆半径R4；
2)以左凹转子的回转中心O1为原点建立坐标系，根据渐开线基圆半径rb、传动齿的模数m、传动齿的齿顶圆半径R4，确定左传动齿；
3)按以下方程确定第一齿槽上的左第一圆弧AB，其方程为：
式中：t为角度参数；
4)按以下方程确定第一齿槽上的左第一摆线BC，其方程为：
式中：MBC为左第一旋转变换矩阵，左第一初始摆线的方程为
5)按以下方程确定第一齿槽上的左齿底圆弧CD，其方程为：
6)按以下方程确定第一齿槽上的左第二摆线DE，其方程为：
式中：MDE为左第二旋转变换矩阵，左第二初始摆线的方程为
7)按以下方程确定第一齿槽上的左第二圆弧EF，其方程为：
根据上述步骤得到左第一齿槽，左第一齿槽以左凹转子的回转中心O1旋转180°得到左第二齿槽，进而得到左凹转子；
8)以右凸转子的回转中心O2为原点建立坐标系，根据渐开线基圆半径rb、传动齿的模数m、传动齿的齿顶圆半径R4，确定右传动齿；
9)按以下方程确定第一凸齿上的右第一摆线ab，其方程为：
式中：Mab为右第一旋转变换矩阵，右第一初始摆线的方程为β为第一角度，其中(x1,y1)是以下两段曲线的交点坐标：
γ为第二角度，
10)按以下方程确定第一凸齿上的右第一圆弧bc，其方程为：
11)按以下方程确定第一凸齿上的右第二摆线cde，其方程为：
式中：Mcde为右第二旋转变换矩阵，右第二初始摆线的方程为
12)按以下方程确定第一凸齿上的右齿顶圆弧ef，其方程为：
13)右按以下方程确定第一凸齿上的第三摆线fgh，其方程为：
式中：Mfgh为右第三旋转变换矩阵，右第三初始摆线的方程为
14)按以下方程确定第一凸齿上的右第二圆弧hi，其方程为：
15)按以下方程确定第一凸齿上的右第四摆线ij，其方程为：
式中：Mij为右第四旋转变换矩阵，右第四初始摆线的方程为
根据上述步骤得到右第一凸齿，右第一凸齿以右凸转子的回转中心O2旋转180°得到右第二凸齿，进而得到右凸转子。
一种复合轮齿压缩机使用所述的左凹转子和右凸转子。
本发明的有益效果为：
①所提出的一种复合轮齿压缩机的全啮合转子，左凹转子的第一齿槽的端面型线与右凸转子的第一凸齿的端面型线能够实现完全正确的啮合，提高了密封性能，在工作过程中，能够有效减小气体从高压腔到低压腔的泄漏。
②所提出的一种复合轮齿压缩机的全啮合转子，齿槽小，在工作中形成的余隙容积小，容积效率高。
附图说明
图1是左凹转子(1)和右凸转子(2)的三维啮合图。
图2是左凹转子(1)的端面型线图。
图3是右凸转子(2)的端面型线图。
图4是左凹转子(1)和右凸转子(2)的端面型线的啮合图。
图5是一种复合轮齿压缩机的压缩过程结束时刻图。
图6是一种复合轮齿压缩机的排气过程图。
图7是一种复合轮齿压缩机的高低压腔无泄漏图。
图8是一种复合轮齿压缩机余隙容积图。
图中：1—左凹转子(1)；2—右凸转子(2)；101—第一齿槽(101)；102—第二齿槽(102)；103—左传动齿(103)；201—第一凸齿(201)；202—第二凸齿(202)；203—右传动齿(203)；R1—右齿顶圆半径；R2—节圆半径；R3—左齿底圆半径；R4—传动齿齿顶圆半径；α—左齿底圆弧圆心角；β—第一角度；γ—第二角度。
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，为左凹转子1和右凸转子2啮合立体图，包括两个相互啮合的左凹转子1和右凸转子2；左凹转子1包括：第一齿槽101、第二齿槽102和数量为20～42的左传动齿103，右凸转子2包括：第一凸齿201、第二凸齿202和数量为20～42的右传动齿203；在同步异向双回转运动的工作过程中，左凹转子1的第一齿槽101、第二齿槽102和左传动齿103，分别与右凸转子2的第一凸齿201、第二凸齿202和右传动齿203相啮合。
如图2所示，为左凹转子1端面型线图，由第一齿槽101、第二齿槽102和数量为20～42的左传动齿103组成；第一齿槽101的端面型线由5段曲线和4个点组成，依次为：左第一点A、左第一圆弧AB、左第二点B、左第一摆线BC、左齿底圆弧CD、左第二摆线DE、左第三点E、左第二圆弧EF和左第四点F；第一齿槽101的端面型线是轴对称，且第一齿槽101的端面型线与第二齿槽102的端面型线关于左凹转子1的回转中心O1是中心对称的；所述的左凹转子1的设计方法如下：
1)给定以下参数：右齿顶圆半径R1；节圆半径R2；左齿底圆弧圆心角α；渐开线基圆半径rb；传动齿的模数m；传动齿的齿顶圆半径R4；
2)以左凹转子1的回转中心O1为原点建立坐标系，根据渐开线基圆半径rb、传动齿的模数m、传动齿的齿顶圆半径R4，确定左传动齿103；
3)按以下方程确定第一齿槽101上的左第一圆弧AB，其方程为：
式中：t为角度参数；
4)按以下方程确定第一齿槽101上的左第一摆线BC，其方程为：
式中：MBC为左第一旋转变换矩阵，左第一初始摆线的方程为
5)按以下方程确定第一齿槽101上的左齿底圆弧CD，其方程为：
6)按以下方程确定第一齿槽101上的左第二摆线DE，其方程为：
式中：MDE为左第二旋转变换矩阵，左第二初始摆线的方程为
7)按以下方程确定第一齿槽101上的左第二圆弧EF，其方程为：
根据上述步骤得到左第一齿槽101，左第一齿槽101以左凹转子1的回转中心O1旋转180°得到左第二齿槽102，进而得到左凹转子1。
如图3所示，为右凸转子2的端面型线图，由第一凸齿201、第二凸齿202和数量为20～42的右传动齿203组成；第一凸齿201的端面型线由7段曲线和2个点组成，依次为：右第一摆线ab、右第一圆弧bc、右第二摆线cde、右第一点e、右齿顶圆弧ef、右第二点f、右第三摆线fgh、右第二圆弧hi和右第四摆线ij；第二凸齿201的端面型线是轴对称，且第一凸齿201的端面型线与第二凸齿202的端面型线关于右凸转子2的回转中心O2是中心对称的；所述的右凸转子2的设计方法如下：
1)给定以下参数：右齿顶圆半径R1；节圆半径R2；左齿底圆弧圆心角α；渐开线基圆半径rb；传动齿的模数m；传动齿的齿顶圆半径R4；
2)以右凸转子2的回转中心O2为原点建立坐标系，根据渐开线基圆半径rb、传动齿的模数m、传动齿的齿顶圆半径R4，确定右传动齿203；
3)按以下方程确定第一凸齿201上的右第一摆线ab，其方程为：
式中：Mab为右第一旋转变换矩阵，右第一初始摆线的方程为β为第一角度，其中(x1,y1)是以下两段曲线的交点坐标：
γ为第二角度，
4)按以下方程确定第一凸齿201上的右第一圆弧bc，其方程为：
5)按以下方程确定第一凸齿201上的右第二摆线cde，其方程为：
式中：Mcde为右第二旋转变换矩阵，右第二初始摆线的方程为
6)按以下方程确定第一凸齿201上的右齿顶圆弧ef，其方程为：
7)右按以下方程确定第一凸齿201上的第三摆线fgh，其方程为：
式中：Mfgh为右第三旋转变换矩阵，右第三初始摆线的方程为
8)按以下方程确定第一凸齿201上的右第二圆弧hi，其方程为：
9)按以下方程确定第一凸齿201上的右第四摆线ij，其方程为：
式中：Mij为右第四旋转变换矩阵，右第四初始摆线的方程为
根据上述步骤得到右第一凸齿201，右第一凸齿201以右凸转子2的回转中心O2旋转180°得到右第二凸齿202，进而得到右凸转子2。
如图4所示，为左凹转子1和右凸转子2端面型线啮合图，左凹转子1上第一齿槽101的型线与右凸转子2上第一凸齿201的型线能够实现正确啮合，且啮合关系为：左第一点A、左第一圆弧AB、左第二点B、左第一摆线BC、左齿底圆弧CD、左第二摆线DE、左第三点E、左第二圆弧EF和左第四点F，分别与右第一摆线ab、右第一圆弧bc、右第二摆线cde、右第一点e、右齿顶圆弧ef、右第二点f、右第三摆线fgh、右第二圆弧hi和右第四摆线ij相互啮合。
如图5所示，为一种复合轮齿压缩机的压缩过程结束时刻图，此时气体容积最小，压力最大，压缩过程气体无外泄漏，所提出的一种复合轮齿压缩机的全啮合转子能够形成封闭容积的减小过程，且内容积比大。
如图6所示，为一种复合轮齿压缩机的排气过程图，排气过程的任意时刻齿槽和凸齿都处于完全啮合状态，高压气体不会泄漏到吸气腔和压缩腔中，提高了密封性能，增大了容积效率。
如图7所示，为一种复合轮齿压缩机的高低压腔无泄漏图，齿槽和凸齿在脱离气缸交线处时，齿槽和凸齿型线仍能保持完全啮合，提高了密封性能，有效减小气体从高压腔到低压腔的泄漏。
如图8所示，为一种复合轮齿压缩机余隙容积图，图中所示阴影部分为所提出的复合轮齿压缩机的余隙容积，在排气过程结束后，形成的余隙容积小，容积效率高。
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)

1.一种复合轮齿压缩机的全啮合转子，包括两个相互啮合的左凹转子(1)和右凸转子(2)；其特征是：左凹转子(1)包括：第一齿槽(101)、第二齿槽(102)和数量为20～42的左传动齿(103)，右凸转子(2)包括：第一凸齿(201)、第二凸齿(202)和数量为20～42的右传动齿(203)；在同步异向双回转运动的工作过程中，左凹转子(1)的第一齿槽(101)、第二齿槽(102)和左传动齿(103)，分别与右凸转子(2)的第一凸齿(201)、第二凸齿(202)和右传动齿(203)相啮合；
所述的第一齿槽(101)的端面型线由5段曲线和4个点组成，依次为：左第一点A、左第一圆弧AB、左第二点B、左第一摆线BC、左齿底圆弧CD、左第二摆线DE、左第三点E、左第二圆弧EF和左第四点F；第一齿槽(101)的端面型线是轴对称的，且第一齿槽(101)的端面型线与第二齿槽(102)的端面型线关于左凹转子(1)的回转中心O1是中心对称的；
所述的第一凸齿(201)的端面型线由7段曲线和2个点组成，依次为：右第一摆线ab、右第一圆弧bc、右第二摆线cde、右第一点e、右齿顶圆弧ef、右第二点f、右第三摆线fgh、右第二圆弧hi和右第四摆线ij；第二凸齿(201)的端面型线是轴对称的，且第一凸齿(201)的端面型线与第二凸齿(202)的端面型线关于右凸转子(2)的回转中心O2是中心对称的；
在同步异向双回转运动的工作过程中，左凹转子(1)上的第一齿槽(101)的端面型线与右凸转子(2)上第一凸齿(201)的端面型线能够实现正确的啮合；啮合关系为：左第一点A、左第一圆弧AB、左第二点B、左第一摆线BC、左齿底圆弧CD、左第二摆线DE、左第三点E、左第二圆弧EF和左第四点F，分别与右第一摆线ab、右第一圆弧bc、右第二摆线cde、右第一点e、右齿顶圆弧ef、右第二点f、右第三摆线fgh、右第二圆弧hi和右第四摆线ij能够实现正确的啮合。
2.如权利要求1所述的一种复合轮齿压缩机的全啮合转子的设计方法，其特征是：包括以下步骤：
1)给定以下参数：右齿顶圆半径R1；节圆半径R2；左齿底圆弧圆心角α；渐开线基圆半径rb；传动齿的模数m；传动齿的齿顶圆半径R4；
2)以左凹转子(1)的回转中心O1为原点建立坐标系，根据渐开线基圆半径rb、传动齿的模数m、传动齿的齿顶圆半径R4，确定左传动齿(103)；
3)按以下方程确定第一齿槽(101)上的左第一圆弧AB，其方程为：
式中：t为角度参数；
4)按以下方程确定第一齿槽(101)上的左第一摆线BC，其方程为：
式中：MBC为左第一旋转变换矩阵，左第一初始摆线的方程为
5)按以下方程确定第一齿槽(101)上的左齿底圆弧CD，其方程为：
6)按以下方程确定第一齿槽(101)上的左第二摆线DE，其方程为：
式中：MDE为左第二旋转变换矩阵，左第二初始摆线的方程为
7)按以下方程确定第一齿槽(101)上的左第二圆弧EF，其方程为：
根据上述步骤得到左第一齿槽(101)，左第一齿槽(101)以左凹转子(1)的回转中心O1旋转180°得到左第二齿槽(102)，进而得到左凹转子(1)；
8)以右凸转子(2)的回转中心O2为原点建立坐标系，根据渐开线基圆半径rb、传动齿的模数m、传动齿的齿顶圆半径R4，确定右传动齿(203)；
9)按以下方程确定第一凸齿(201)上的右第一摆线ab，其方程为：
式中：Mab为右第一旋转变换矩阵，右第一初始摆线的方程为β为第一角度，其中(x1,y1)是以下两段曲线的交点坐标：
γ为第二角度，
10)按以下方程确定第一凸齿(201)上的右第一圆弧bc，其方程为：
11)按以下方程确定第一凸齿(201)上的右第二摆线cde，其方程为：
式中：Mcde为右第二旋转变换矩阵，右第二初始摆线的方程为
12)按以下方程确定第一凸齿(201)上的右齿顶圆弧ef，其方程为：
13)按以下方程确定第一凸齿(201)上的第三摆线fgh，其方程为：
式中：Mfgh为右第三旋转变换矩阵，右第三初始摆线的方程为
14)按以下方程确定第一凸齿(201)上的右第二圆弧hi，其方程为：
15)按以下方程确定第一凸齿(201)上的右第四摆线ij，其方程为：
式中：Mij为右第四旋转变换矩阵，右第四初始摆线的方程为
根据上述步骤得到右第一凸齿(201)，右第一凸齿(201)以右凸转子(2)的回转中心O2旋转180°得到右第二凸齿(202)，进而得到右凸转子(2)。
3.一种复合轮齿压缩机，其特征是：使用权利要求1所述的左凹转子(1)和右凸转子(2)。
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