CN111120328B - 一种爪式泵转子齿形 - Google Patents

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Abstract

现有爪式氢循环泵气密性不高、效率低下、面积利用较差。本申请提供了一种爪式泵转子齿形包括从动转子和主动转子，从动转子与主动转子配合使用；从动转子包括第一转子部和第二转子部，第一转子部与第二转子部中心对称，第一转子部包括相互连接的第一齿根和第一齿尖，第一齿根包括第一圆弧段，第一齿尖包括第一销齿圆弧段，主动转子包括第三转子部和第四转子部，第三转子部与所述第四转子部中心对称，第三转子部包括相互连接的第二齿根和第二齿尖，第二齿根包括第二销齿圆弧段，第二齿尖包括第一圆弧包络线段，第一销齿圆弧段与第二销齿圆弧段共轭，第一圆弧段与第一圆弧包络线段共轭。提高爪式氢循环泵气密性，减少氢气内泄露，实现良好的进排气。

Description

一种爪式泵转子齿形
技术领域
本申请属于机械零件技术领域，特别是涉及一种爪式泵转子齿形。
背景技术
氢循环泵作为氢燃料电池汽车技术的核心部件之一，对于泵的性能和使用环境有着特殊的要求。一方面，为了保证质子交换膜具有良好的工作特性，要求供气系统供给燃料电池堆的氢气绝对干净，并且具有一定湿度；另一方面，为了保证质子交换膜燃料电池具有较好的综合性能，要求供气子系统能够根据燃料电池输出功率的大小及时调整供气量与供气压力，并具有结构紧凑、重量轻、噪声低、可靠性高、能量可回收等特点。
爪式泵是一种回转容积式机械，由一对平行安装且相互啮合的直双齿转子、一对同步齿轮、一个8字形气缸、两端的墙板、齿轮箱等组成；两转子结构关于各自的轴线成中心对称，理论上可以实现对惯性力的完全平衡；两转子间及转子与机壳间均留有一定间隙以避免安装误差及热变形引起各部件接触；两转子由一对同步齿轮驱动，作旋转方向相反的转动，形成周期性变化的工作容积，从而实现气体的吸入、压缩和排出。爪式泵的优点在于，由于两转子间的相对旋转由同步齿轮实现，而两转子间并不接触，故可实现对工质的无油输送以保证工质的洁净度；无需吸、排气阀等易损部件使其运转可靠、结构简单；通过对其吸、排气口的合理设计，可使得爪式泵具有一定的内压缩过程；具有流量调节能力，其回流能力可以根据不同功率进行响应。
作为爪式氢循环泵核心部件的双齿转子，其齿形的设计好坏直接影响到爪式氢循环泵的性能，如气密性、效率、面积利用系数、加工成本和使用寿命等。爪式泵转子齿形研究既是进行爪式氢循环泵热动力性能研究的基础，也是提高整机性能的关键。而现有的爪式氢循环泵气密性不高、效率低下、面积利用较差。
发明内容
1.要解决的技术问题
基于作为爪式氢循环泵核心部件的双齿转子，其齿形的设计好坏直接影响到爪式氢循环泵的性能，如气密性、效率、面积利用系数、加工成本和使用寿命等。爪式泵转子齿形研究既是进行爪式氢循环泵热动力性能研究的基础，也是提高整机性能的关键，而现有的爪式氢循环泵气密性不高、效率低下、面积利用较差的问题，本申请提供了一种爪式泵转子齿形。
2.技术方案
为了达到上述的目的，本申请提供了一种爪式泵转子齿形，包括从动转子和主动转子，所述从动转子与所述主动转子配合使用；
所述从动转子包括第一转子部和第二转子部，所述第一转子部与所述第二转子部中心对称，所述第一转子部包括相互连接的第一齿根和第一齿尖，所述第一齿根包括第一圆弧段，所述第一齿尖包括第一销齿圆弧段，所述主动转子包括第三转子部和第四转子部，所述第三转子部与所述第四转子部中心对称，所述第三转子部包括相互连接的第二齿根和第二齿尖，所述第二齿根包括第二销齿圆弧段，所述第二齿尖包括第一圆弧包络线段，所述第一销齿圆弧段与所述第二销齿圆弧段共轭，所述第一圆弧段与所述第一圆弧包络线段共轭。
本申请提供另一种实施方式：所述第一转子部齿形包括依次连接的第一对滚圆弧段、所述第一圆弧段、第二圆弧包络线段、第二对滚圆弧段、第三圆弧包络线段、所述第一销齿圆弧段、第三对滚圆弧段和第一点啮合摆线段。
本申请提供另一种实施方式：所述第三转子部齿形包括依次连接的第四对滚圆弧段、所述第一圆弧包络线段、第一直线段、第五对滚圆弧段、第二圆弧段、所述第二销齿圆弧段、第六对滚圆弧段和第二点啮合摆线段。
本申请提供另一种实施方式：所述第一对滚圆弧段与所述第一圆弧段相切，所述第一圆弧段与所述第二圆弧包络线段相切，所述第二圆弧包络线段与所述第二对滚圆弧段相切，所述第二对滚圆弧段与所述第三圆弧包络线段相切，所述第三圆弧包络线段与所述第一销齿圆弧段相切，所述第一销齿圆弧段与所述第三对滚圆弧段相切，所述第三对滚圆弧段与所述第一点啮合摆线段相交于齿尖点。
本申请提供另一种实施方式：所述第四对滚圆弧段与所述第一圆弧包络线段相切，所述第一圆弧包络线段与所述第一直线段相切，所述第一直线段与所述第五对滚圆弧段相切，所述第五对滚圆弧段与所述第二圆弧段相切，所述第二圆弧段与所述第二销齿圆弧段相切，所述第二销齿圆弧段与所述第六对滚圆弧段相切，所述第六对滚圆弧段与所述第二点啮合摆线段相切。
本申请提供另一种实施方式：所述第四对滚圆弧段与所述第一对滚圆弧段共轭。
本申请提供另一种实施方式：所述第一直线段与所述第二圆弧包络线段共轭。
本申请提供另一种实施方式：所述第五对滚圆弧段与所述第二对滚圆弧段共轭。
本申请提供另一种实施方式：所述第二圆弧段与所述第三圆弧包络线段共轭。
本申请提供另一种实施方式：所述第六对滚圆弧段与所述第三对滚圆弧段共轭。
本申请提供另一种实施方式：所述第一点啮合摆线段与主动转子齿尖点共轭。
本申请提供另一种实施方式：所述第二点啮合摆线段与从动转子齿尖点共轭。
3.有益效果
与现有技术相比，本申请提供的爪式泵转子齿形的有益效果在于：
本申请提供的爪式泵转子齿形为爪式氢循环泵的转子，齿形的对称性优于单齿转子，易平衡，不需要另加平衡块，使得轴向长度可大幅增加。
本申请提供的爪式泵转子齿形，爪式泵转子齿形的齿顶具有较大角度的圆弧段，具有良好的密封作用，能够明显提高爪式氢循环泵的气密性，减少氢气的内泄露，实现良好的进排气。
本申请提供的爪式泵转子齿形，爪式泵转子齿形从其齿形构成上提高了面积利用系数，进一步提升了使用效率，降低了能量的浪费，还能提升压缩面积的利用率，降低制造成本。
附图说明
图1是本申请的从动转子结构示意图；
图2是本申请的主动转子结构示意图；
图3是本申请的爪式泵转子齿形结构示意图；
图4是本申请的爪式泵转子齿形第一工作过程示意图；
图5是本申请的爪式泵转子齿形第二工作过程示意图；
图6是本申请的爪式泵转子齿形第三工作过程示意图；
图7是本申请的爪式泵转子齿形第四工作过程示意图；
图8是本申请的爪式泵转子齿形第五工作过程示意图；
图9是本申请的爪式泵转子齿形第六工作过程示意图；
图10是本申请的爪式泵转子齿形第七工作过程示意图；
图11是本申请的爪式泵转子齿形第八工作过程示意图；
图中：1-第一转子部、2-第二转子部、3-第一齿根、4-第一齿尖、5-第三转子部、6-第四转子部、7-第二齿根、8-第二齿尖。
具体实施方式
在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。
早在上世纪90年代，国外就开始了爪式泵的研究，经过不断发展，国外已有一些厂家成功将爪式泵推向市场，其中较为著名的有Rietschle公司生产的ZEPHYR系列产品，AtlasCopco公司生产的ZR/ZT系列产品，以及BUSCH公司生产的Mink-MI系列产品；并且BUSCH公司已经推出了爪式氢循环泵产品。目前国内对于爪式氢循环泵的研究刚刚起步，生产尚属空白。
参见图1～11，本申请提供一种爪式泵转子齿形，包括从动转子和主动转子，所述从动转子与所述主动转子配合使用；
所述从动转子包括第一转子部1和第二转子部2，所述第一转子部1与所述第二转子部2中心对称，所述第一转子部1包括相互连接的第一齿根3和第一齿尖4，所述第一齿根3包括第一圆弧段，所述第一齿尖4包括第一销齿圆弧段，所述主动转子包括第三转子部5和第四转子部6，所述第三转子部5与所述第四转子部6中心对称，所述第三转子部5包括相互连接的第二齿根7和第二齿尖8，所述第二齿根7包括第二销齿圆弧段，所述第二齿尖8包括第一圆弧包络线段，所述第一销齿圆弧段与所述第二销齿圆弧段共轭，所述第一圆弧段与所述第一圆弧包络线段共轭。
如图所示主动转子齿根的第一销齿圆弧段与从动转子的齿尖第二销齿圆弧段共轭，此处销齿圆弧的存在使得从动转子的齿尖更为细瘦；主动转子齿尖的第一圆弧包络线段与从动转子齿根的第一圆弧段共轭，此处齿形的存在使得主动转子的齿尖更为细瘦。
通过上述齿形的过渡作用，使得转子的面积利用系数从构成上进一步提高，并且在周向的刚度及力、热变形更为均匀。
进一步地，所述第一转子部1齿形包括依次连接的第一对滚圆弧段、所述第一圆弧段、第二圆弧包络线段、第二对滚圆弧段、第三圆弧包络线段、所述第一销齿圆弧段、第三对滚圆弧段和第一点啮合摆线段。
进一步地，所述第三转子部5齿形包括依次连接的第四对滚圆弧段、所述第一圆弧包络线段、第一直线段、第五对滚圆弧段、第二圆弧段、所述第二销齿圆弧段、第六对滚圆弧段和第二点啮合摆线段。
这里的齿形是指转子端面轮廓。
进一步地，所述第一对滚圆弧段与所述第一圆弧段相切，所述第一圆弧段与所述第二圆弧包络线段相切，所述第二圆弧包络线段与所述第二对滚圆弧段相切，所述第二对滚圆弧段与所述第三圆弧包络线段相切，所述第三圆弧包络线段与所述第一销齿圆弧段相切，所述第一销齿圆弧段与所述第三对滚圆弧段相切，所述第三对滚圆弧段与所述第一点啮合摆线段相交于齿尖点。
进一步地，所述第四对滚圆弧段与所述第一圆弧包络线段相切，所述第一圆弧包络线段与所述第一直线段相切，所述第一直线段与所述第五对滚圆弧段相切，所述第五对滚圆弧段与所述第二圆弧段相切，所述第二圆弧段与所述第二销齿圆弧段相切，所述第二销齿圆弧段与所述第六对滚圆弧段相切，所述第六对滚圆弧段与所述第二点啮合摆线段相切。
进一步地，所述第四对滚圆弧段与所述第一对滚圆弧段共轭。
进一步地，所述第一直线段与所述第二圆弧包络线段共轭。
进一步地，所述第五对滚圆弧段与所述第二对滚圆弧段共轭。
进一步地，所述第二圆弧段与所述第三圆弧包络线段共轭。
进一步地，所述第六对滚圆弧段与所述第三对滚圆弧段共轭。
进一步地，所述第一点啮合摆线段与主动转子齿尖点共轭。
进一步地，所述第二点啮合摆线段与从动转子齿尖点共轭。
如图所示：所述主动、从动转子分别关于自身的转轴中心O1，O2中心对称，所述主动、从动转子的齿形包括直线、圆弧、圆弧包络线、点啮合摆线、对滚圆弧和销齿圆弧。
所述主动转子的所述齿形包括对滚圆弧A1B1段、圆弧包络线B1C1段、直线C1D1段、对滚圆弧D1E1段、圆弧E1F1段、销齿圆弧F1G1段、对滚圆弧G1H1段、点啮合摆线H1A1'段。
所述从动转子的所述齿形包括对滚圆弧A2B2段、圆弧B2C2段、圆弧包络线C2D2段、对滚圆弧D2E2段、圆弧包络线E2F2段、销齿圆弧F2G2段、对滚圆弧G2H2段、点啮合摆线H2A2'段。
所述对滚圆弧A1B1段是以O1为圆心、以R为半径的齿顶圆弧，后切圆弧包络线于B1点，并且与从动转子上的对滚圆弧A2B2段共轭，其中，A1点为尖点；所述圆弧包络线B1C1段后切直线于C1点，与从动转子上的圆弧B2C2段共轭；所述直线C1D1段与以O1为圆心、以r1为半径的对滚圆弧后切于D1点，与从动转子上的圆弧包络线C2D2段共轭；所述对滚圆弧D1E1段以O1为圆心、以r1为半径，后切圆弧于E1点，与从动转子上的对滚圆弧D2E2段共轭；所述圆弧E1F1段以P5为圆心、以(r1-l5)为半径，后切销齿圆弧于F1点，与从动转子上的圆弧包络线E2F2段共轭；所述销齿圆弧F1G1段的圆心在节圆上、半径为(R-rt)，后切对滚圆弧于G1点，与从动转子上的销齿圆弧F2G2段共轭；所述对滚圆弧G1H1段是以O1为圆心、以(A-R)为半径的齿根圆弧，后切点啮合摆线于H1点，与从动转子上的对滚圆弧G2H2段共轭；所述点啮合摆线H1A1'段与齿顶圆相交于A1'点，与从动转子上的H2点共轭，其中，A1'点为尖点。
所述对滚圆弧A2B2段是以O2为圆心、以(A-R)为半径的齿根圆弧，后切圆弧于B2点，并且与主动转子上的对滚圆弧A1B1段共轭；所述圆弧B2C2段的圆心P2在齿顶圆上、半径为(2R-A)，后切圆弧包络线于C2点，与主动转子上的圆弧包络线B1C1段共轭；所述圆弧包络线C2D2段与以O2为圆心、以(A-r1)为半径的对滚圆弧后切于D2点，与主动转子上的直线C1D1段共轭；所述对滚圆弧D2E2段以O2为圆心、以(A-r1)为半径，后切圆弧包络线于E2点，与主动转子上的对滚圆弧D1E1段共轭；所述圆弧包络线E2F2段后切销齿圆弧于F2点，与主动转子上的圆弧E1F1段共轭；所述销齿圆弧F2G2段的圆心在节圆上、半径为(R-rt)，后切对滚圆弧于G2点，与主动转子上的销齿圆弧F1G1段共轭；所述对滚圆弧G2H2段是以O2为圆心、以R为半径的齿顶圆弧，后交于点啮合摆线于H2点，与主动转子上的对滚圆弧G1H1段共轭，其中，H2点为尖点；所述点啮合摆线H2A2'段与以O2为圆心、以(A-R)为半径的齿根圆弧后切于A2'点，与主动转子上的A1'点共轭。
这样，采用这种齿形的转子在结构上完全中心对称，运转时无偏心力矩产生；并且在转子进行相对旋转啮合的过程中，可以形成有容积变化的封闭工作容积，因而有一定的内压缩过程。
所述主动转子的B1、C1、D1、E1、F1、G1、H1、H1'点为公切点，A1、A1'点为尖点；所述从动转子的A2'、A2、B2、C2、D2、E2、F2、G2点为公切点，H2、H2'点为尖点；尖点与点啮合摆线处于啮合时形成的转子齿间工作容积能达到零。
主动转子的B1、C1、D1、E1、F1、G1、H1、H1'点和从动转子的A2'、A2、B2、C2、D2、E2、F2、G2点均为公切点，齿形圆滑过渡，便于加工；主动转子的A1、A1'点(A1、A1'关于O1中心对称)和从动转子H2、H2'点(H2、H2'关于O2中心对称)为尖点，与点啮合摆线处于啮合时形成的转子齿间工作容积能达到零，能够避免形成排气封闭容积；尖点A1、A1'、H2、H2'不需要和对应的点啮合摆线啮合，可以脱开，但不能干涉。采用这种爪式泵转子齿形设计出的爪式氢循环泵的气密性明显提升、效率较高、压缩面积利用率较高。
其中，主动、从动转子的齿形虽不同，但都关于自身的转轴中心成中心对称，将上述主动、从动转子的齿形分别绕自身的转轴中心旋转180°即可得到完整的爪式双齿主动、从动爪式泵转子齿形，在爪式泵运转时无偏心力矩产生，省去通过挖孔或配平衡重的方法解决转子旋转时的偏心问题。
A1B1是半径为R的齿顶对滚圆弧，方程为：
Figure GDA0002572820750000061
A2B2是半径为(A-R)齿根对滚圆弧，方程为：
Figure GDA0002572820750000071
B2C2是圆心在齿顶圆上、半径为(2R-A)的圆弧，方程为：
Figure GDA0002572820750000072
B1C1是B2C2的共轭圆弧包络线，根据平面啮合条件，B1C1的方程为：
Figure GDA0002572820750000073
C1D1是与B1C1相切的直线段，方程为：
Figure GDA0002572820750000074
C2D2是C1D1的共轭圆弧包络线，方程为：
Figure GDA0002572820750000075
D1E1是以圆心为O1，半径为r1的对滚圆弧，方程为：
Figure GDA0002572820750000076
D2E2是以圆心为O2，半径为(A-r1)的对滚圆弧，方程为：
Figure GDA0002572820750000077
E1F1是与对滚圆弧D1E1及销齿圆弧F1G1同时相切的圆弧，据此即可得圆弧E1F1的圆心P5，其方程为：
Figure GDA0002572820750000078
E2F2是与E1F1共轭的圆弧包络线，方程为：
Figure GDA0002572820750000079
F1G1和F2G2是圆心在节圆上，半径为(R-rt)的销齿圆弧，F1G1和F2G2的方程为：
Figure GDA00025728207500000710
Figure GDA00025728207500000711
G1H1是以(A-R)为半径的齿根对滚圆弧，方程为：
Figure GDA0002572820750000081
G2H2是以R为半径的齿顶对滚圆弧，方程为：
Figure GDA0002572820750000082
H1A1'是伸长外摆线，与H2啮合，方程为：
Figure GDA0002572820750000083
H2A2'也是伸长外摆线，与A1'啮合，方程为：
Figure GDA0002572820750000084
优选地，其中，上述方程中：R＝ξrt，A＝2rt，α5＝π/2-arcsin[(rt/l1)sin(α2+θ1-α1)]，θ1＝arcsin[(R/rt)sinα2]-α2+α1，
Figure GDA0002572820750000085
l4＝(2R-A)-l3，
Figure GDA0002572820750000086
α3＝θ1+arccos(l1 2+rt 2-l4 2)/(2l1rt)，α4＝π/2-α5，l2＝l1sinα4，r1＝l1sinα5，l5＝[(R-rt+r1)2-rt 2]/[2(R-rt+r1-rtcosα8)]，α7＝arctan[rtsinα8/(rtcosα8-l5)]-α8，γ＝arccos(1/ξ)；其中，rt、ξ、α1、α2、α6、α8为已知。
将主动、从动转子的上述齿形分别绕O1、O2旋转180°即可得到完整的双齿主动、从动爪式泵转子齿形。
下面结合附图4～11说明爪式泵中双齿转子的工作过程，采用该齿形的爪式氢循环泵能够实现在轴向端面吸、排气。其中，主动转子逆时针旋转，从动转子顺时针旋转。以工作腔V为例说明工作过程：图4表示工作腔V刚刚形成并与吸气口连通开始吸气；如图5所示，随转角的增大，工作腔V的容积不断变大，并且不断向工作腔中吸气；直至转子转至图6所示位置，此时工作腔V离开吸气口并且被分割为两部分，吸气过程结束；转子继续旋转至图7位置，工作腔V的容积开始减小，压缩过程开始；图8表示工作腔V的两部分逐渐开始连通，并进一步压缩气体；如图9所示，此时从动转子旋转到排气口位置，压缩过程结束，排气过程即将开始；转子继续旋转至如图10所示位置，工作腔V的容积不断减小，通过与之相通的排气口将气体排出；当转子旋转至图11所示位置时，从动转子已经完全挡住排气口，工作腔V与之脱离，排气过程结束，此时工作腔V内的容积也减小至零；转子继续旋转，新的工作腔开始形成，由此开始了往复循环过程。
本申请提供的爪式泵转子齿形，爪式泵转子齿形除用于氢循环泵以外，还能够作为罗茨鼓风机的节能替代产品广泛应用于鼓风及气力运输等领域。
尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。

Claims (10)

1.一种爪式泵转子齿形，其特征在于：包括从动转子和主动转子，所述从动转子与所述主动转子配合使用；
所述从动转子包括第一转子部和第二转子部，所述第一转子部与所述第二转子部中心对称，所述第一转子部包括相互连接的第一齿根和第一齿尖，所述第一齿根包括第一圆弧段，所述第一齿尖包括第一销齿圆弧段，所述主动转子包括第三转子部和第四转子部，所述第三转子部与所述第四转子部中心对称，所述第三转子部包括相互连接的第二齿根和第二齿尖，所述第二齿根包括第二销齿圆弧段，所述第二齿尖包括第一圆弧包络线段，所述第一销齿圆弧段与所述第二销齿圆弧段共轭，所述第一圆弧段与所述第一圆弧包络线段共轭。
2.如权利要求1所述的爪式泵转子齿形，其特征在于：所述第一转子部齿形包括依次连接的第一对滚圆弧段、所述第一圆弧段、第二圆弧包络线段、第二对滚圆弧段、第三圆弧包络线段、所述第一销齿圆弧段、第三对滚圆弧段和第一点啮合摆线段。
3.如权利要求2所述的爪式泵转子齿形，其特征在于：所述第三转子部齿形包括依次连接的第四对滚圆弧段、所述第一圆弧包络线段、第一直线段、第五对滚圆弧段、第二圆弧段、所述第二销齿圆弧段、第六对滚圆弧段和第二点啮合摆线段。
4.如权利要求3所述的爪式泵转子齿形，其特征在于：所述第一对滚圆弧段与所述第一圆弧段相切，所述第一圆弧段与所述第二圆弧包络线段相切，所述第二圆弧包络线段与所述第二对滚圆弧段相切，所述第二对滚圆弧段与所述第三圆弧包络线段相切，所述第三圆弧包络线段与所述第一销齿圆弧段相切，所述第一销齿圆弧段与所述第三对滚圆弧段相切，所述第三对滚圆弧段与所述第一点啮合摆线段相交于齿尖点。
5.如权利要求3所述的爪式泵转子齿形，其特征在于：所述第四对滚圆弧段与所述第一圆弧包络线段相切，所述第一圆弧包络线段与所述第一直线段相切，所述第一直线段与所述第五对滚圆弧段相切，所述第五对滚圆弧段与所述第二圆弧段相切，所述第二圆弧段与所述第二销齿圆弧段相切，所述第二销齿圆弧段与所述第六对滚圆弧段相切，所述第六对滚圆弧段与所述第二点啮合摆线段相切。
6.如权利要求3所述的爪式泵转子齿形，其特征在于：所述第四对滚圆弧段与所述第一对滚圆弧段共轭。
7.如权利要求3所述的爪式泵转子齿形，其特征在于：所述第一直线段与所述第二圆弧包络线段共轭。
8.如权利要求3所述的爪式泵转子齿形，其特征在于：所述第五对滚圆弧段与所述第二对滚圆弧段共轭。
9.如权利要求3所述的爪式泵转子齿形，其特征在于：所述第二圆弧段与所述第三圆弧包络线段共轭；所述第六对滚圆弧段与所述第三对滚圆弧段共轭。
10.如权利要求3所述的爪式泵转子齿形，其特征在于：所述第一点啮合摆线段与主动转子齿尖点共轭，所述第二点啮合摆线段与从动转子齿尖点共轭。
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