CN113027749A - 三齿凸轮泵 - Google Patents

Abstract

三齿凸轮泵的知识范畴：基础物理、力学、机械第系、泵类。技术背景：是最新型的机械泵，利用独特的构造和新颖的工作原理，可设计出各种性能优异的专用泵，利用三齿凸轮泵技术还可以设计出其他机械。本泵的结构与现存泵类相比，有根本的区别，它的主件运动轨迹完全受主轴上的轴承控制，所以摩擦力极小，使用寿命特长，这是本泵的重要技术特征。泵体内的运动件都是旋转运动，没有往复运动，没有间歇运动，没有撞击运动，所以工作非常平稳。本泵的零件较少，且结构简单，流体却能在泵腔内自动完成各种工作状态，这是本泵的又一技术特征。本泵中使用的凹轮，设计图纸比较难画，本文用数学的方法给予破解。

Description

三齿凸轮泵

世界上有各式各样的泵，我现在设计的泵，与现存的泵相比在构造上完全不同。泵的名称叫三齿凸轮泵。

本文是第二版说明书，其内容与第一版基本相同，差异之处以第二版为准，第一版不做参考。

三齿凸轮泵的主要构件是一个三齿凸轮和二个凹轮。图1是他们的形象图。三齿凸轮只有三齿，不足十七齿，所以不能叫它齿轮，那么叫它凸轮吧，又没有光滑的弧线，我暂且叫它为三齿凸轮，用这种组件组成的泵就叫做三齿凸轮泵。

三齿凸轮与二个凹轮是互为配套的，齿尖能在凹轮凹槽内自由运动。三齿凸轮的直径是凹轮的三倍，三齿凸轮转一周，凹轮转三周，且三齿分别经过凹轮的凹槽内。

三齿凸轮与凹轮的互动，靠一组齿轮来带动，见图2。.大齿轮的齿数是小齿轮的三倍。大齿轮与三齿凸轮同轴，二个小齿轮与凹轮同轴。三齿凸轮的外径与大齿轮的分度圆相同，凹轮的外径与小齿轮的分度圆相同。

现在我们把零部件都装配在泵壳内，见图3。齿轮组与三齿凸轮组之间用隔板隔开。三齿凸轮安装在密封的泵壳内。三齿凸轮上凸齿的高度和长度构成了泵腔的载面，两个凹轮把圆环形泵腔分隔成二个独立的腔体。三齿凸轮在泵腔内运转，并能顺利通过凹轮，在通过的过程中两个泵腔始终是互不相通的。

两个泵腔分别有进口和出口，见图4。进口和出口的规格相同，排列位置互相对称。进口和出口都在泵壳上，其形状是长条形，其长度略短于凸齿长，且与凸齿平行。

图5是三齿凸轮的各部分名称，有了此图，许多问题都可以说清楚。

图6是三齿凸轮泵的运行分析图，从此图中我们可以分析一下三齿凸轮泵的工作原理。为了叙述方便，我们把三齿分别标以A、B、C。这里着重介绍A齿的工作情况，当然知道了 A齿的工作情况，B齿C齿也是一样能理解的。

我们假设图6的装置是液流输出泵，主轴上施以顺时针方向扭矩，液流从M1M2进口，从N1N2出口。

当A齿在位置①时，液流从M1M2吸入，从N1N2排出。A齿进入位置②时，将进入凹轮凹槽。A齿进入到位置③时，即将发生重大变化。因为A齿一过了位置③，泵腔的隔离由A齿来完成。这时A、B腔的容积不发生变化，M1不会有液体流入，处于等压状态，当A 齿过了位置⑦时，这种等压状态才结束。A齿从位置③转移到位置⑤时，这个时段的密封完全由A齿与凹轮的凹槽来完成，A齿过了位置⑤后，凹轮与凸轮恢复密封。A齿过了位置⑥后，A齿退出凹轮区。A齿从位置⑥移到位置⑦，是等待凹轮的凹槽完全转入到封闭状态，A 齿过了位置⑦，泵腔开始进油，直到位置⑧，进油结束，因为C齿又进入到等压状态了。A 齿从位置⑦移动到位置⑧的过程，我们称为抽吸状态。在这个过程中，A、B腔内的液流，外在密闭储运状态。B齿位位置⑧时，处在施压排放状态，B齿过了出口后，AB腔内的储油开始施压排放。

三齿凸轮的凸齿伸入到凹轮的凹槽时，凹槽左侧始终有液流存在，这些液流不参加工作，也不影响工作，我们称他们为闲散液流。

从以上讲解我们可以总结出A齿整个运行过程中有四个工作状态：即等压状态，抽吸状态、储运状态、施压排放状态。四个工作状态是自动完成、自动转化的。这就是三齿凸轮泵的技术特征，即是简单的构造能完成复杂的工作，其它泵类是没有这个技术特征的。

三齿凸轮泵的工作是可逆的，我们可以对主轴施以扭矩而作为泵类工作，相反，我们也可以输以压力流体让主轴产生扭矩。下面讲解一下这方面的具体情形。

假设图6是一台液压动力输出机，液压油从M1M2进口推动凸轮旋转，从而使主轴产生扭矩作功。

当A齿在位置①时，B齿C齿在作功，当A齿到位置②时，马上进入凹轮区域，A齿伸入到凹轮凹槽内，到达位置③时，A齿完全担当起了两个泵腔之间的隔离密封任务，同时， AB腔容积不发生变化，M1进油停止进油，这个状态要到A齿过了位置⑦才结束，我们称这种状态叫等压状态。A齿从位置③再经过位置⑤时，A齿在凹槽内的密封任务结束，凹轮与凸轮之间的密封恢复正常。当A齿从位置⑤转移到位置⑥时，A齿退出凹槽区域。A齿从位置⑥转移到位置⑦。是等待凹轮的凹槽完全转入到密闭状态。A齿过了位置⑦转移到位置⑧这一时段里，A齿处在受压状态。AB腔内的液压油在密闭的情况下转移，我们称之为储运状态。B齿把液压油从N1出口排出，当B齿过了N1出口后，AB腔内的储油继续向外排出，我们称之为排放状态。综上所述，液压动力输出机也有四个工作状态，即等压状态、受压状态、储运状态、排放状态。四个状态是自动完成、自动转化的，这是本机的技术特征。

三齿凸轮泵机构，可以正转，也可以反转，只要把进口和出口互换就行。三齿凸轮泵机构，可以使用气体，也可使用液体。使用气体时，凸齿比较长，也就是泵腔载面比较大。使用液体时，凸齿比较短，也就是说泵腔载面比较小，构造上的差别，对两者不能混用。

看完了上述内容，我们知道，三齿凸轮泵的知识范畴是基础物理，力学、机械系、泵类。

技术背景：是新型的机械泵，利用新颖的工作原理及独特的机械结构，还可设计出其他机械设备。

泵体内的运动件都是依附于主轴的旋转运动，没有往复运动，没有撞击运动，没有间歇运动，所以噪音极小，运行非常平稳。摩擦力极小，动摩擦没有正压力，这是本机械设备的重要技术特征。设备的运行寿命，主要取决于滚珠轴承的寿命。维修工作主要是更换轴承。

图3展示了三齿凸轮泵的基本结构和工作原理，实际构造要复杂得多。我们以图3为基础，逐步进行改进，但主要结构和工作原理不变。

第一项改进是取消图3中的隔板，而用一种叫密封圆环的零件来代替，见图7.。其外径与三齿凸轮的齿顶圆相同，内径与三齿凸轮的内径相同，厚度以保证能有良好的，密封度为准。与之配套的是两件圆环密封件，其外径与凹轮相同，厚度与密封圆环相同。中间有圆孔，以便转动轴通过。圆环密封件有凹槽，与密封圆环组成动密封。圆环密封件固定在泵壳上，密封圆环固定在三齿凸轮上，有六个联结孔把两者紧密结合在一起。

第二项改进是取消大齿轮，改用大齿环，大齿环的内径与密封圆环相同，并紧贴在密封圆环上。大齿环的其它数据与原来的大齿轮完全相同。

第三项改进是再增加一套三齿凸轮和凹轮，见图8。.二套凸轮之间用密封圆环隔开，新增加的三齿凸轮与前端盖之间也用密封圆环隔开。这样就使用了三套密封圆环。

在泵壳内，大齿环，三个密封圆环，二个三齿凸轮，是紧密地联结在一起的，每个部件都有六个联结孔，用螺栓固定。

三个密封圆环和二个三齿凸轮的组合，使泵腔的矩形载面，三面都处在静密封状态，只有齿尖处在动密封状态，这样大大提高了泵腔的密封性能。

三个密封圆环和二个三齿凸轮的组合，把三齿凸轮上齿尖在泵腔内的运动变成为泵腔在泵壳内的运动，从概念上来说，前者是齿尖的运动改变着泵腔的容积，后者是泵腔与凹轮的相对运动改变着泵腔的容积。

新增加的一套三齿凸轮，其进出口与原来的相同，两者排列在一起，且进口与进口相连，出口与出口相连。图9是八个进出口联结图，把四个进口，四个出口归拼为一个总进口，有一个总出口。

二组三齿凸轮的进出口完全相同，但两者的工序是不同的。因为两组凹轮的排列方向是完全相反的。每组凹轮的开口方向，在运动中是永远保持一致的。新添的两个凹轮，其开口方向与原来凹轮的开口方向永远是相反的。这种排列，能使二个凸轮上的六个凸轮，在圆周上均匀分布，均衡工作，减少运行中的波动。

第四项改进是把轴承座都转接到泵壳内，使泵壳外表光洁，简化制造工艺。

图10是一台三齿凸轮泵的外形图。图中没有把图9中的联结管子画出，这样泵的外形看起来比较清楚。

三齿凸轮泵的应用，它的应用十分广泛，现在我举几个例子。

空气压缩机是一种十分普遍常用的机器，如果用三齿凸轮泵来替代它，看看效果如何？

三齿凸轮泵没有曲轴、没有连杆、没有飞轮、没进进排气门，相比之下显得十分轻巧。

三齿凸轮泵运行时，振动极小，噪音极小、使用寿命极长，老机器是无法与它比的。

三齿凸轮泵可压缩致冷剂用作制冷机，因为有极长的使用寿命，可广泛应用于空调，冰箱等家用电器。

三齿凸轮泵可用作真空泵，适用于粗抽或精抽。

三齿凸轮泵可用作机动车辆的转动装置。可以省去变速箱、离合器、差速器、且使用非常灵活。

三齿凸轮泵可广泛应用于液压系流中，但高压输出不及柱塞泵。

随着三齿凸轮泵的问世，叶片泵将逐渐淘汰。

三齿凸轮可改造成发动机。把进口处堵死，装上燃料供给装置和火花塞，燃料是硝化甲烷。这种发动机体积小巧，动力强劲，可作为直升机动力，发动机主轴可与旋叶主轴直接相连，免去了齿轮箱和离合器。

三齿凸轮泵可改造成大型低压汽轮机，利用蒸汽轮机尾汽继续发电，提高发电厂的发电效率。

三齿凸轮泵可以改造成石油开采设备，磕头机可退役了。把三齿凸轮泵深入到油层，把石油方便地取出来。

三齿凸轮的制造。

我现在提供的都是三齿凸轮泵的原理图，有了原理图，可以方便绘制出零件图。

现在的问题是凹轮怎样画？关键问题是凹轮上的凹槽怎么画？

为了说明问题，我们举出一个有具体尺寸的三齿凸轮泵来解析。

这个凸轮泵的凸轮半径是120mm，齿高20mm，凹轮半径是40mm，凹槽深20mm。凹槽开口宽度为30°。

现在，我们要为这个凹轮画出具体尺寸的凹槽来。

首先，我们要画一张坐标图。是凸轮在凹轮区的坐标图，见图11.我们只画第一项象限，因为凹槽的形状是轴对称的，所以第二条象限的坐标可以以第一项限为依据画出。凸齿在凹轮区的运行轨迹上，我们选择五个坐标点，分别是E、F、G、H、I。它们的旋转角度分别是 4°、7°、10°、13°20′EO是原点，I是终点。

现在计算这些坐标点的坐标数据。

先算F点。FO长是140mm，sin4°＝0.0698

cos4°＝0.9976 (X)＝140×0.0698＝9.772

(Y)＝140×0.9976＝139.664

其它坐标计算方法相同，我们把计算结果制成表格。

接着我们再画凹轮的坐标图。

各个坐标数据是翻录而来。例如F点坐标是(X)9.772(y)坐标是160-139.664＝20.336 把各个坐标数据整理好制成表格，如图所示。

接下来计算各个坐标点到原点的距离及夹角，见图12。先看坐标F点。

FO²＝9.772²+20.336² FO＝22.54

查表得∠FOY＝25°33′’

其它坐标，也以此法演算。

再接下来我们再要画一张坐标图，把凹轮中心线作为坐标的Y轴，见图13。在这张坐标图上我们要计算出各个坐标点的数值，并标上做标记号。

先看坐标F，其夹角是13°33′坐标到中心点长度是22.54mm，从中计算出坐标的具体数字，并标上记号F。其余坐标的计算方法是一样的，接着，我们把各个坐标点用弧线连起来，并补上第二项象限的弧线，这样凹轮的凹槽曲线就初步形成了。我提供的只有五个坐标点，坐标E是起始点，坐标I是终结点。五个坐标点只是示范点，实际上需要数百个坐标点，可在电脑上操作，使凹槽弧线变得非常光滑正确。电脑有了可靠正确的凹槽弧线数据，可指挥数控机床来加工凹轮。这样非常困难的工作就变得很轻梳容易了。

坐标I为什么是终结点呢，因为IO的长度刚好是凹轮的半径40mm.是凹轮圆周与凸轮齿尖弧线的交点。

齿尖中点到达坐标工时，其齿尖的一半厚度在凹轮区域内，齿尖的另一半厚度在凹轮区域外。

在图13中，IO与凹轮中心线的夹角是13°38′，那么凹轮的凹槽开口宽度是它的一倍，应该是27°16′。但这个宽度是不够的。因为凸齿是有宽度的，另外凹槽侧壁与凸齿之间应留有间隙，所以凹轮的凹槽开口定为30°。如果不留间隙的话，由于有计算误差，制造误差，齿轮之间的传递误差，这些误差的叠加，可能造成凸轮齿尖爬到凹轮圆周面上去了，这种情况是不允许发生的，所以必须留有间隙，以策安全。

所留间隙不会影响凹轮与凸轮的动密封，齿尖过了间隙后，开始与凹轮内凹腔壁动密封啮合，凸齿过了间隙后，间隙消失，间隙溶入到凹轮的凹腔里去了。

三齿凸轮泵的装配

装配应在恒温车间进行，各零件的制造精度，动密封精度都在微米级，表面光洁度都为镜面级。零部件的精度差别，都要涂以色标。轴承建议采用进口的。

接下来要讲解的是各幅说明书附图。

图1，图名：形象图。

图2，图名：三齿凸轮、凹轮与齿轮的互动。

图3，图名：三齿凸轮泵的原始图。

图4，图名：进出口腔道外壳。

图5，图名：三齿凸轮各部名称。

图6，图名：运行分析图。

图7，图名：密封圆环组件。

图8，图名：改进后的三齿凸轮泵。

图9，图名：总进口和总出口与泵壳的联结。

图10，图名：三齿凸轮泵外形图。

图11，图名：坐标图。

图12，图名：凹轮的坐标。

图13，图名：以凹轮中心线为坐标的凹轮坐标。

Claims (1)

1.三齿凸轮泵与现有的泵相比，在构造上完全不同，其独特的构造形成了鲜明的技术特征和优良的运行性能。

三齿凸轮泵的基本结构是一个三齿凸轮和二个凹轮的组合，其简单的机构却能使流体在泵腔内自动完成各种工作状态，这是一个重要的技术特征，其它泵类是没有这个技术特征的。

三齿凸轮在泵腔内运行，与泵腔壁和凹轮形成动密封，动密封没有正压力，且运行轨迹完全受轴承控制，所以摩擦力特别小，使用寿命特别长，这是三齿凸轮泵的又一个技术特征。

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