CN1129775A - 波状凸轮式压缩机 - Google Patents

Abstract

波状凸轮的前后两个凸轮面17A、17B由规定的假想柱体的表面所构成。汽缸内筒11a、12a内包容的双头活塞16与凸轮面17A、17B间夹有半球状的滑靴18、19。滑靴18、19的表面具有球面18a、19a和平面18b、19b。在凸轮面17A、17B上划出与滑靴18、19的球面18a、19a的中心Q₁、Q₂的排列相对应的假想圆周C₀以及与各汽缸内筒11a、12a的中心轴线L₁的配置相对应的假想圆周C₁。两圆周C₀、C₁的中心与驱动轴13的中心轴线L₀相一致，而圆周C₀的半径R₁比圆周C₁的半径要大。

Description

波状凸轮式压缩机

本发明涉及的是活塞在汽缸内筒中做往复运动而将供给汽缸内筒的流体压缩的压缩机。详细一点说，就是由固定在驱动轴上的波状凸轮旋转而使活塞做往复运动的波状凸轮式压缩机。

原来的波状凸轮式压缩机包括有驱动轴、固定在驱动轴上的波状凸轮、与波状凸轮相连结被组装于汽缸内筒中的活塞。在这种压缩机里，驱动轴带动波状凸轮转动，并使活塞在汽缸内筒中做往复运动，从而压缩供给汽缸内筒中的流体。特开昭57—110783号公报与实开昭63—147571号公报公开了关于这种压缩机的例子。

前一种压缩机，波状凸轮的前后两个凸轮面与双头活塞之间夹持着滚柱。这种滚柱可以相对活塞转动，而且连结安装得不会脱开。该滚子相对波状凸轮的凸轮面而转动，随着波状凸轮的旋转，把凸轮面的周期性的位移传至活塞。由于传递了这种位移，活塞即按凸轮的位移特性而做往复运动。后一种压缩机，波状凸轮的前后两面具有凸轮沟，这种凸轮沟与双头活塞间夹有滚珠。在这种压缩机中，用滚球代替了滚柱，随着波状凸轮的旋转，凸轮沟周期性的位移由滚珠传递到活塞，这一点是与前一种压缩机不同之处。

另外，还有用斜板代替波状凸轮的斜板式压缩机。这种压缩机，由驱动轴带动斜板使活塞在汽缸内筒中做往复运动来压缩供给汽缸内筒的流体。在这种压缩机中，斜板周期性的位移具有正弦波特性。这种压缩机，驱动轴每转一周，双头活塞的一个活塞头只有一次压缩；而在使用波状凸轮的压缩机上，驱动同每转一周，双头活塞的每个活塞头要进行多次压缩。波状凸轮的凸轮面具有这样的位移特性。因而，波状凸轮式压缩机比斜板式压缩机具有每转一周有着更大压缩量的优点。

在波状凸轮式压缩机上，滚柱或滚珠夹在波状凸轮与活塞间。这种滚柱或滚珠都能相对波状凸轮的凸轮面转动。夹滚柱时，滚动的滚柱外圆面与凸轮面线接触；夹滚珠时，滚动的滚珠表面与凸轮面点接触。而从微观看，滚柱或滚珠在凸轮面上转动时，凸轮面与滚柱的外圆面或滚珠的表面相接触的部分，由于接触滚柱或滚珠受到压力(以下简称“接触压”)而产生弹性变形。即滚柱或滚珠一边使波状凸轮的凸轮面变形，一边在凸轮面上滚动，滚柱的外圆面或滚珠的表面与波状凸轮产生了弹性变形的凸轮面形成了面接触。这里，希望接触压越低越好。因为接触压低对提高压缩机的耐久性至关重要。滚柱的外圆面与波状凸轮的凸轮面的线接触的距离越长，或者滚柱或滚珠的曲率越小(即滚柱或滚珠的曲率半径越大)，这种接触压就越低。也就是，在滚柱或滚珠的曲率小的情况下，由于滚柱的外圆面或滚珠的表面与波状凸轮的凸轮面接触面积增大，接触压即变低。

在波状凸轮的凸轮面与活塞之间夹有滚柱的情况下，沿滚柱轴心线方向的长度越长，或滚柱的直径越大，接触压就可以越低。在波状凸轮的凸轮面与活塞间夹有滚珠的情况下，滚珠的直径越大，接触压也可以越低。可是，在波状凸轮式压缩机上，滚柱或滚球被嵌装于双头活塞上设置的凹部。因此，滚柱的长度、滚柱的直径、或滚珠的直径与活塞的直径大小相互制约。即，除非活塞直径加大，否则滚柱的长度、滚柱的直径或滚珠的直径不能加大。而加大活塞直径，势必加大压缩机的整体尺寸。

本发明的主要目的是不使波状凸轮式压缩机尺寸加大的情况下，而提高其耐久性。另外一个目的，好是减小波状凸轮式压缩机的尺寸。

为达到上述目的，在装于驱动轴上能够一起转动的波状凸轮体的至少一个面上形成适合规定曲线轨迹并成凸状曲面的凸轮面，通过具有在同一凸轮面上的规定轨迹上做相对移动的球面的滑靴(シュ—/shoe)至少有一个活塞与凸轮面相连；随着波状凸轮的旋转，滑靴在包含了凸轮面的最前位(第一部位)和最后位(第二部位)的前述轨主道上移动；活塞在汽缸内分别对应于第一第二部位的上死点与下死点间做往复运动来压缩进入汽缸内筒的流体；在这样的压缩机里，滑靴球面的中心与驱动轴的中心轴线间的距离要比汽缸内筒中心轴线与驱动轴的中心轴线间的距离大，这是本发明的特征所在。

图面的简单说明

图1所表示的是将本发明具体化的第一实施例的波状凸轮式压缩机全貌的断面图。

图2是关于第一实施例图1的2—2截面图。

图3是关于第一实施例由规定的柱面构成波状凸轮的斜向视图。

图4是概念性表示第一实施例规定的抛物柱面的斜向视图。

图5是概念性表示第一实施例作为凸轮位移特性的位移曲线(轨道轨迹)模式图。

图6是表示关于第一实施例，由规定的柱面构成波状凸轮的平面图。

图7是表示由相同规定柱面构成的波状凸轮的平面图。

图8是第一实施例，表示波状凸轮的凸轮剖面的周期性位移图。

图9是表示第一实施例上的波状凸轮要部的平面图。

图10是表示将本发明具体化的第二实施例的波状凸轮要部平面图。

第一实施例

以下，以图1—9详细说明体现本发明的波状凸轮式压缩机的第一实施例。

如图1所示，相互紧密组合在一起的一对汽缸部件11、12，通过径向轴承14、15支承着驱动轴13，并可旋转。沿驱动轴13的轴线方向，11、12两部件分别形成多个汽缸内筒11a、12a，前后构成一对。各对汽缸内筒11a、12a以驱动轴13为中心等角距配置。在各对汽缸内筒11a、12a中，两端有头的双头活塞16分别组装起来，可做往复运动。

波状凸轮17的中心安装固定在驱动轴13上。波状凸轮17与各活塞16间夹有半球状的滑靴18、19。该半球状的滑靴18、19在其表面具有球面18a、19a和平面18b、19b。球面18a、19a分别与活塞16上设置的凹部16a、16b相配合；而平面18b、19b则分别与波状凸轮17的凸轮面17A、17B相滑动配合。各球面18a、19a的中心Q₁、Q₂与各平面18b、19b的中心相重合。

在波状凸轮17的前后两个凸轮面17A、17B上，以对应于各球面18a、19a的中心Q₁、Q₂的排列划假想圆C₀。这个圆周C₀具有在与驱去同13的中心轴线L₀和汽缸内筒11a、12a中心轴线L₁平行的方向上，前后交互两次地周期性地反复移动的位移特性。这种位移特性，在图1—3、5—10上以位移曲线F₁、F₂表示。该圆周C₀的中心与驱动轴13的中心轴线L₀相一致。而球面18a、19a的中心Q₁、Q₂与平面18b、19b的中心相重合。因此，球面18a、19a的中心Q₁、Q₂常沿位移曲线F₁、F₂在凸轮面17A、17B上接触滑动。另外，双头活塞16与汽缸内筒11a、12a相配合，并限制其沿着汽缸内筒中心轴线L₁的方向往复运动。从而，随着波状凸轮17的旋转，各活塞16在汽缸内筒11a、12a内往复运动，这时，其往复运动的位移与位移曲线F₁、F₂上的位移相一致。

如图3所示，波状凸轮17的两个凸轮面17A、17B由规定的假想柱体表面(以下简称“柱面”)所构成。在汽缸内筒11a、12a内，使活塞16处于其上死点位置，把此时相对应的凸轮面17A上的两个第一部位17c连结成线，沿此线垂直剖切波状凸轮17；或者，沿着凸轮面17B的两个第一部位17a的连线垂直剖切波状凸轮17。上述的柱面即是这样剖切形成的没有断面形状(轮廓)变化的曲面；也即相当于把上述曲线作为母线绘出的曲面。所谓母线，就是沿着它移动直线而生成曲面的那个规定的曲线。所以，把在凸轮面17A上与驱动轴13的中心轴线L₀相一致的轴线作为Z轴，把与对应活塞16处于上死点位置凸轮17A上的第一部位17C的轴线止交的轴线作为X轴，上述柱面即如式(1)所示：

            Z＝f(x)           ……(1)如图4所示，依下式(2)以X，Z为参数构成抛物线，以圆柱形剖切把该抛物线作为母线的假想的抛物线柱体的表面(以下简称抛物柱面)26的一部分，即可得到本实施例的波状凸轮17的各凸轮面17A、17B上的曲面。

而后，把该曲面前后两面组合起来，即可得到本实施例的波状凸轮17。

            Z＝-a*X²＋β(α·β为常数)    ……(2)

凸轮面17A的两个第一部位(抛物柱面26的顶点部位)17c，凸轮面17A的两个第二部位17e，分别相隔180°的角距设置在凸轮面17A上。即，一方面在凸轮面17A上，凸轮面17A的第一部位17c与第二部位17e分别相隔90°的角距设置；而另一方面，凸轮面17B的第二部位17f与前述凸轮面17A的第一部位17c处于相互背对背位置；而凸轮面17B的第一部位17d与凸轮面17A的第二部位17e相互成背对背关系。凸轮面17A的第一部位17c成了把前部汽缸内筒11a内的活塞置于上死点位置的部位；而第二部位17e成为把同一活塞16置于下死点位置的部位。凸轮面17B的第一部位17d变成把后部汽缸内筒12a内的活塞16处于上死点位置的部位；第二部位17f变成使同一活塞16置于下死点位置的部位。

这里，为使活塞16做往复滑动，要求在两个滑靴18、19上的球面18a、19a的中心Q₁、Q₂的间隔为固定值。即要求两凸轮面17A、17B上的位移曲线F₁、F₂的间隔在中心轴线L₀方向上为定值。为满足此要求，应确定如下两个条件：第一个条件，波状凸轮17的两个凸轮面17A、18B要具有相同的形状；第二条，为使活塞16在汽缸内筒11a、12a内处于上死点位置的凸轮面17A、17B上的第一部位17c、17d与把同一活塞16处于下死点位置时的凸轮面17A、17B上的第二部位17e、17f应具有对称的断面形状。

这里，第一个条件由前述的以圆柱形剖切抛物柱面26的一部分时形成的形状组合成波状凸轮17的两个凸轮面17A、17B来达到；为满足第二条件，两凸轮面17A、17B最好都具有正弦波特性的曲线。在本实施列中，以θ代表波状凸轮17的旋转角；H代表活塞16的行程量。是在滑靴18、19的中心Q₁、Q₂的Z向轴方向的位移与旋转角θ的关系即可表示为下式(3)：

    Z(θ)＝(H/2)*cos(2θ)    ……(3)

这里，由于波状凸轮17的两个凸轮面17A、17B的形状相同，所以只考虑凸轮面17A一个即可以了。而且，把汽缸内筒11a、12a中的活塞16处于上死点位置定为旋转角θ的0°；Z轴与旋转轴13的中心轴线L₀一致；Y轴与形成凸轮面17A的抛物柱面26的轴线L₃平行；X轴与形成凸轮面17B的抛物柱面26的轴线L₃平行。如图5所示，把上式(3)投影到X—Z平面上，Z(θ)的X坐标即可以下式(4)表示：

    X(θ)＝R1*sinθ    ……(4)

以R1代表圆C₀的半径，由式(3)与式(4)即可得出Z坐标与X坐标的如下关系式(5)：

    Z(θ)＝(H/2)*cos(2θ)

         ＝(H/2)*(1－2sin²θ)

   ∴Z(X)＝(H/2)*(1－2X²/R1²)

          ＝H/2－H*X²/R1²    ……(5)

(5)式表示的为抛物线，由式(4)与式(5)可导出如下的式(6)：

    α＝H/R1²

    β＝H/2    ……(6)

即，由于采用了以圆柱形切取满足上式(6)的抛物线为导线形成的抛物柱面26的一部分得到的形状作为凸轮面，活塞16即可做圆滑的往复运动。

这里，随着驱动轴13的旋转，波状凸轮17旋转，由于凸轮的作用，通过滑靴18、19使活塞16在汽缸内筒11a、12a内做往复运动。在汽缸内筒11a、12a内活塞16从上死点向下死点运动是吸入行程，吸入室20中的冷介质气体一边推下吸入阀21，一边被由吸入孔22吸入汽缸内筒11a、12a中。活塞16从下死点向上死点移动谓之压缩行程，汽缸内筒11a、12a内的冷介质气体的压力被压缩到规定值。这样，由于其压力达到规定值，冷介质气体随着排气阀23的推开，即从排气口24排至排气室25。

在这样的压缩机中的冷介质气体的吸入、压缩、排出的一连串的动作，相应于具有位移曲线F₁、F₂的波状凸轮17的驱动轴13每转一周而进行两次。如图6、图7所示，把波状凸轮17的旋转运动变成活塞16的往复运动的滑靴18、19，其平面18b、19b常是与波状凸轮17的凸轮面17A、17B线接触，而相对17A、17B转动。图7是图6的波状凸轮17转了90°的状态的平面图。这时，滑靴18、19的球面18a、19a的匠中心Q₁、Q₂具有图8所示的凸轮剖面而做周期性的位移，凸轮面17B上的位移曲线F₂由于满足上述条件，相对于图8上所示的位移曲线F₁，在位相上差π/2(图中未示出)。这样在位移曲线F₁、F₂的Z轴方向(即驱动轴13的方向)间隔保持一定。

另外，在本实施例中的波状凸轮外压缩机尤其具有以下的结构特点。即如图1—3所示的那样，在波状凸轮17的前后两凸轮面17A、17B上与汽缸内筒11a、12a的中心线L₁的排列相对应划出假想的圆周C₁。该圆周C₁的中心与驱动轴13的中心线L₀一致；同时，该圆周C₁具有与前述球面18a、19a的中心Q₁、Q₂的排列对应的假想圆周C₀相同的位移特性。所以如图1—3所示，前述圆周C₀的半径R1要比圆周C₁的半径大。即滑靴18、19的球面18a、19a的中心与驱动轴13的中心轴线L₀之间的距离要比汽缸内筒11a、12a的中心轴线L₁与驱动轴13的中心轴线L₀间的距离大。从而，各球面18a、19a的中心Q₁、Q₂在前后两凸轮面17A、17B上于前述圆周C₁的外侧来回移动。尚且，图9上的位移曲线F₃具有滑靴18、19的球面18a、19a的中心Q₁、Q₂的排列和汽缸内筒11a、12a的中心轴线L₁的排列结构上相一致时的位移特性。

波状凸轮17的凸轮面17A、17B的形状与活塞16的行程量H之间相对因果关系由前述表达抛物线的式(5)来导出。这里，在使活塞16位于汽缸内筒11a、12a内的上死点所对应的凸轮面17A、17B上的第一部位17c、17d(X＝0)处，曲率半径ρ由下边的(7)式表示。而且，在本实施例中的波状凸轮的前后两凸轮面17A、17B具有相同形状，所以以下只就凸轮面17A加以说明。

ρ＝|(1＋Z′(X²))^2/3/Z″(x)|……(7)

由前述式(5)：

Z′(x)＝dz/dx＝-2(H/R₁ ²)x

Z″(x)＝d²z/dx²＝-2H/R₁ ²

ρ＝|〔1＋{-2(H/R₁ ²)X}²〕^2/3/(-2H/R₁ ²)|

  ＝|R₁ ²/2H|    ……(8)

从(8)式还可以导出如下的结果：与滑靴18的球面18a的中心Q₁的配置相对应的假想圆C₀的半径越大，为使活塞16置于汽缸内筒11a内的上死点位置相应的凸轮面17A的第一部位17C处的曲率半径ρ就越大。而且，不需为此而改变活塞16的行程量H。

由此，还可以进一步导出：球面18a、19a的中心Q₁、Q₂也会沿着比圆周C₁半径大的圆周C₀来往移动。为此，从微观来看，滑靴18、19的平面18b、19b对凸轮面17A、17B的第一部位17a、17d的接触面更大。所以，前述的平面18a、19a与第一部位17c、17d之间的接触压变小。因此，平面18a、19a与第一部位17c、17d的耐磨性与耐久性得以提高。

另外，滑靴18、19包括有与活塞16相接触的球面18a、18b和在凸轮面17A、17B上滑动的平面18b、19b，球面18a、19a的中心Q₁、Q₂位于凸轮面17A、17B上。为此，由于凸轮的作用，活塞16做往复运动时，滑靴18、19在凸轮面17A、17B上圆滑接触滑动。从而，压缩机圆滑地压缩了汽缸内筒11a、12a中的流体。同时，凸轮面17A、17B是只由凸曲面构成的柱面，波状凸轮的强度得到提高。

第二实施例

下面，以图10来说明具体体现波状凸轮式压缩机特征的第二实施例。

在本实施列的压缩机中，如图10所示，滑靴18、19的球面18a、19a的中心Q₁、Q₂也在凸轮面17A、17B。同时，滑靴18、19一边在凸轮面17A、17B上滑动接触一边滑动时，各球面18a、19a的中心Q₁、Q₂由于比汽缸内筒11a、12a中心轴线L₁的排列相对应的假想圆周C₁要靠外，所以它沿着圆周C₀移动。图10上的〔P1〕是为把在第一实施例中活塞16的位置与本实施例中活塞的位置进行比较而设的假想线。如图10所表明的那样，本实施例中的汽缸内筒11a、12a和活塞16比第一实施例中的相应部件也更靠近驱动轴13的中心线L₀。因此，本实施例中的圆周C₁比在第一实施例中的直径要小。从而，仅此一点，即可使得汽缸部件11、12的直径缩小，整个压缩机的尺寸也可缩小。

再有，本发明不限于前述各实施例的结构。在不脱离本发明的宗旨的范围内，可以变更其实施样式。特别是在下述的情况下把发明具体化，被认为更加优越。

在前述的实施例中，把规定的抛物线作为导线得出的假想抛物面26采用于波状凸轮17的凸轮面17A、17B上。对此，像上述实施例那样，导线是凸曲线更好。

在前述波状凸轮17的凸轮面17A、17B上，置活塞16于汽缸内筒11a、12a内的下死点对应的第二部位17e、17f是平面，而置活塞16于汽缸内筒11a、12a内的上死点相对应的第一部位17c、17d是椭圆柱面或圆柱面为好。

Claims (8)

1.一种波状凸轮式压缩机，其特征在于：在安装于驱动轴上可以一起旋转的波状凸轮体的至少一个面上，形成适合规定曲线轨迹并构成凸状曲面的凸轮面，通过具有在该凸轮面的规定轨道上相对移动的球面的滑靴使凸轮面与至少一个活塞相连，随着波状凸轮的旋转，滑靴在包括了凸轮面最前位的第一部位与前后位的第二部位的前述规定轨道上产生位移，使活塞在汽缸内筒中对应于第一、第二部位的上死点与下死点间做往复运动，以此来压缩引入汽缸内筒中的流体，在这样的压缩机中，滑靴的球面中心与驱动轴中心轴线间的距离比汽缸内筒中心轴线与驱动轴中心轴线间的距离要大。

2.按照权利要求1所述的压缩机，还具有如下的特征：前述的第一部位是一对第一部位，各第一部位以互成180°的位相配置；前述的第二部位也是成对，各第二部位也以互成180°配置，各第一部位与一个和第一部位相邻的第二部位互成90°的位相配置。

3.按照权利要求1与2记述的压缩机，其特征还在于：前述凸轮面包含假想的抛物线状的柱体表面的一部分，而假想抛物线状柱体由规定的抛物线状曲线的轨迹得到。

4.按权利要求1—3任一项所述的压缩机，其特征还在于：前述抛物线状的柱体表面是以满足下式的抛物线为母线所形成的柱面：

Z＝-(H/(2R₁ ²))X²＋(H/2)

式中，Z：是把驱动轴的中心轴一为Z轴，把与形成凸轮面的抛物柱面的轴线正交的轴定为X轴时X—Z坐标轴上的Z坐标；

X：把驱动轴的中心轴线定为Z轴，把与形成凸轮面的抛物柱面的轴线正交的轴定为X轴时X—Z坐标轴上的X坐标；

H₁：活塞行程量；

R₁：是以驱动轴的中心轴线为中心，以在凸轮面上的滑靴的球面中心与驱动轴中心轴线间的距离为半径的假想圆。

5.按权利要求1—4任一项所述的压缩机，其特征在于：还以滑靴包括有在凸轮面上可以滑动接触的平面与在活塞上可以滑动地连结着的球面。

6.按权利要求1—5任一项所述的压缩机，其特征在于：上述之球面具有位于平面上的中心。

7.按权利要求1—6任一项所述的压缩机，其特征还在于：具有多个汽缸内筒，汽缸内筒分别配置在驱动轴的周围，分别与各汽缸内筒相对应的活塞连结着凸轮体，各活塞与凸轮面间夹有滑靴。

8.按权利要求1—7任一项所述的压缩机，还具有如下的特征：多对汽缸内筒的各对在驱动轴的周围沿驱动轴的轴线方向配置，前述的凸轮体具有为驱动活塞有着同样的外形而相位错开90°的一对凸轮面，各对汽缸内筒中分别容纳的具有一对活塞头的活塞连结着凸轮体可以工作，各活塞与凸轮面间夹有滑靴。

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