CN1192510A - 复模数齿轮转子泵与动力机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有普通渐开线齿与复模齿混合构成的齿轮转子泵,适用于各种流体抽、压泵与高压风机。包括一对有软接触装置的外分力传动齿轮,以适于不同润滑的工况状态,如水泵、水轮机,以减轻或消除内复模数齿轮的齿合磨损。安置两级分别作压力功和扩散功转子组后,可适用于蒸气轮机与燃气轮机。复模数齿轮转子的空间容积比可达55.2～57.4%。比普通齿轮泵的容积比大80～86%。

Description

复模数齿轮转子泵与动力机

本发明涉及一种具有普通标准渐开线齿及复模数齿混合构成的齿轮转子泵，适用于各种流体抽、压泵与高压风机；由于泵与动力机械的可逆性，也适用于水轮机、蒸汽轮机、燃气轮机等。

当代用于工业多种不同类型的转子泵中，以齿轮泵、罗茨泵最为广泛。齿轮泵以结构简单、运行可靠的优点，广泛用于液压油泵与粗真空泵；罗茨泵有外传动齿轮对，内工作轮对由特型转叶构成，拓展了抽、压空间，获得比齿轮泵较大的容积比，广泛用于粗真空泵、高压风机等。由于罗茨泵内工作轮对与外传动齿轮对为刚性联接，运行时产生很大的冲击噪声，严重污染环境。

本发明的目的：取齿轮泵结构简单、运行可靠、罗茨泵具有特型转叶拓展了抽、压空间等优点融为一体，采用渐开线标准模数齿与复模数齿混合构成的一种复模数齿轮转子泵、具有齿轮泵工作轮与传动齿轮为一体的简单结构，并具有相似于罗茨泵特型转叶的渐开线复模数齿型转叶，获得比罗茨泵更大的抽、压空间，省去了外传动齿轮。用于不可润滑的工况状态，如水泵及可逆性的动力机械水轮机、蒸汽轮机、燃气轮机等，本发明还包括一个与内被动工作轮有软接触装置的外分力传动齿轮，用以降低和消除内工作轮在不可润滑工况状态的磨损。

实现本发明的技术方案，是以普通渐开线标准模数齿(后简称标模齿)，其模数为m，与相同基圆的渐开线复模数凸齿(后简称复模齿)，对轮间与渐开线凸齿相互啮合的轨迹线凹齿，有相同的复模数M＝Cm，共同构成复模齿轮对。当C≥2时，即可获得最大的容积比。令Z_o为每个齿轮的名义齿数，Z_m为标模齿数，Z_M ⁺为复模数凸齿数，Z_M ^-为复模数凹齿数，d为分度圆直径，设齿轮模数关系式表为： ${\mathrm{mZ}}_o={\mathrm{mZ}}_m+{\mathrm{MZ}}_M^{+}+{\mathrm{MZ}}_M^{-}=d---\left(1\right)$ ${\mathrm{mZ}}_o={\mathrm{mZ}}_m+{\mathrm{MZ}}_M^{+}={\mathrm{mZ}}_m+{\mathrm{MZ}}_M^{-}=d---\left(2\right)$ (1)式表示两个齿轮由相同的齿数(Z_m+Z_M ⁺+Z_M ^-)构成；(2)式表示一个齿轮由(Z_m+Z_M ⁺)构成，另一个齿轮由(Zm+Z_M ^-)构成，在一对齿轮中 ，因此，计算时可用 ，前式可变为：mZ_o＝mZ_M+2CmZ_M＝d    (3)mZ_o＝mZ_m+CmZ_M＝d     (4)

外分力传动齿轮与内被动工作齿轮的软接触装置，是将外被动齿轮分成齿壳和齿芯两部分，齿壳与齿芯为孔、轴支撑，互有抓式联接机构，留有可转动间隙。该间隙由弹簧力及离心机构的合力使工作齿轮对之间的啮合在公差范围内为软接触。

本发明属于直压泵型，不仅具有直压泵在各种工况下保持90％以上的效率，其过流量亦与使用最广泛的离心泵相当。中、小型离心泵仅60％～80％的效率，随着扬程的增加效率急剧下降。因此离心泵用于高压泵只能多级串联组成，以致多达四级，增加了结构的复杂性及制造成本，降低了效率。离心泵启动吸程低，因空气的比重很小，难以靠离心力产生高的真空吸程，必须先注满比重大的流体，给启动操作带来不便。本发明具有直抽真空泵的性能，具有接近10公尺内(一大气压)的吸程高度。

本发明用于中、小型水轮机，可适应不同水头各工况状态保持90％以上的高效率。现代中、小型水轮机的效率只有60～80％，每系列型号适应的水头高度、流量与转速极为狭窄。本发明其结构比现代水轮机简单，由于集中进水，流量调节容易，总体体积小。由于泵与水轮机可逆效率都极高，是理想的抽水蓄能水机。

本发明用于蒸汽轮机及燃气轮机，只需增加一扩大容积的转子组用作扩散功能组，第一级为压力能组。现代蒸汽、燃气轮机为轴流式涡轮机，制造困难，成本高，最高效率只能限制在特定高转速范围内，增加了变速需求的结构复杂性。

本发明属于直压型驱动，其效率受转速的影响很小。由于结构简单，制造容易，成本低，便于中、小型化作为轮船、车辆发动机应用。

作成蒸汽轮机不仅适用于轮船，可将纯供热系统的锅炉改为高压锅炉，按400℃蒸汽温度发电后，再以200℃蒸汽供热，将有29.7％的热能理论值得到应用，只需极少的投资，即可提供丰富的电力资源。

作成小型燃气轮机，将是汽车最理想的发动机。现代冲程式发动机，不仅功率与发动机重量比值小，由于燃料不能充分燃烧，对空气污染严重，强烈的冲程振动噪声污染环境。此外，对燃料的要求高，结构复杂，故障多。本发明不仅适应汽车转速变化大的特点，由于燃料在高温燃烧室被充分燃烧，对空气的污染小，噪声低，对燃料的要求亦勿需冲程发动机那样苛求，结构较简单，故障少；发动机重量轻，不仅能节省能源，而且对发展陆空两用汽车亦有极广阔的前景，拓展交通空间。

本发明的实施方案由附图示出，从理论上给予证明。令Z_o为名义齿，可以不为整数。标模齿每齿圆周分度角参数为α_m＝2π/Z_o代入(3)式得：

        2π＝α_mZ_m+2cα_mZ_M      (5)由(5)式得复模齿每齿圆周分度角α_M＝Cα_m，得表达式为：

       α_M＝(2π-α_mZ_m)/2Z_M    (6)

如图一所示，分度圆半径为r，压力角为α，两圆内公切线为 基圆半径为r_o＝rcosα。当主动轮(1)复模齿中心线从两齿轮的圆心连线按ω，方向转动θ角时，被动轮(2)凹齿中心线亦按ω₂方向转动θ角。此时，复模齿左边的标模齿与被动轮的标模齿处于深度齿合，复模齿右边渐开线齿弧与被动轮的标模齿的啮合点从K₁经K₂到达啮合终点，即基圆与齿弧的交点K₃位置。K₂点为公切线

在被动轮基圆上的切点。主动轮基圆上的切点为a，线段 为复模齿渐开线发生线ρ，所产生的渐开线弧为

。当啮合点过K₂后，按渐开线在被动轮上的轨迹线沿箭头上移，然后下移至K₃的终点，发生线ρ从主动轮的切点a移至切点d，使发生线ρ_x与K₃点在一条直线上。如果发生线ρ_x与渐开线的交点不与K₃重合，设该交点为K_x，所产生的渐开线弧为

，令与发生线ρ_x相重合的线段

的长度为ρ′_x。按渐开线齿轮的啮合特性，在公切线 的切点a与K₂之间才能满足匀线速转动啮合，过K₂点后发生线变为ρ_x，因ρ_x≠ρ′_x，但只要确定其差值

         Δρ_x＝ρ_x-ρ′_x               (7)在公差范围之内，或在齿弧 段扩展公差求取，即可满足匀线速啮合运行。令复模齿左、右齿弧与分度圆交点及圆心O₁的夹角为α_F＝α_M-2α_m/4＝α_m-α_m/2，将(6)式代入得： ${\mathrm{\α}}_F=\frac{2\mathrm{\π}-{\mathrm{\α}}_m(Z_m+Z_M)}{{2Z}_M}---\left(8\right)$

令复模齿与标模齿齿弧从基圆至分度圆交点的弧段

与圆心O₁的夹角为α_o，按渐开线方程表为：

        α_o＝tanα-α                  (9)令

与两齿轮圆心连线的夹角为：

     β₂＝α_F-α_o                   (10)令R′_x为O₁至K₃点的半径，K₃与

垂线的交点为e，得： $R_x^{\′}=\sqrt{{(2r-r\cos \mathrm{\α}\cos {\mathrm{\β}}_2)}^2+{\left(r\cos \mathrm{\α}\sin {\mathrm{\β}}_2\right)}^2}$ $=\sqrt{4+{\cos }^2\mathrm{\α}-4\cos \mathrm{\α}\cos {\mathrm{\β}}_2}---\left(11\right)$ R′_x与

的夹角为β′₁，则有

     sinβ′₁＝rcosαsinβ₂/R′_x

    β′₁＝sin^-1(rcosαsinβ₂/R′_x)     (12)R′_x与

的夹角为α′_x，cosα′_x＝r_o/R′_x＝rcosα/R′_x，则

    α′_x＝cos^-1(rcosα/R′_x)           (13)

与

的夹角为：

     α₁＝α′_x-β′₁-α                 (14)由发生线ρ_x得渐开线方程为：

    tanα_x＝(α₁+α+α_F+α_o)

    α_x＝tan^-1(α₁+α+α_F+α_o)           (15)从(13)、(15)式得：

   ρ′_x＝rotanα′_x＝rcosαtanα′_x     (16)

   ρ_x＝r.tanα_x＝rcosαtanα_x           (17)将(16)、(17)式代入(7)式得：

Δρ_x＝rcosα(tanα′_x-tanα_x)        (18)

容积比的计算

将分度圆作为齿轮平均实体体积的近似值直径，ρ_x与复模齿中心线的交点为f，则

df＝r.tan(α₁+α+α_F/2)＝rcosαtan(α₁+α+α_F/2)

D,f＝r.sec(α₁+α+α_F/2)＝rcosαsec(α₁+α+α_F/2)以f为圆心，

为半径作圆弧中心线的交点为g，则齿轮的最大空间直径为 令ψ＝α₁+α+α_F/2，将前式代入得：

     R_z＝rcosα(secψ+tanα_x-tanψ)              (19)

设齿轮轴向宽为l，实体体积为V₁＝πr²l，总体积为

则容积比为： $\mathrm{\υ}=(V_2-V_1)/V_2=1-r^2/R_Z^2$

     ＝1-1/cos²α(secψ+tanα_x-tanψ)²           (20)

复模齿齿项厚的计算

令

作半径与复模齿齿弧相交的齿顶弧段为

θ₁为R_x与复模齿中心线的夹角，则

   S_k＝2θ₁R_x＝2(β₁-α_F/2)R_x＝(2β₁-α_F)R_x按渐开线方程得β₁的表达式为：

   tan(α₁+α+β₁)＝α₁+α+α_F+α_o令φ＝α₁+α+α_F+α_o，上式左边按三角函数和角公式得 $\frac{\tan ({\text{\α}}_1+\mathrm{\α})+\mathrm{ten}{\mathrm{\β}}_1}{1-\tan ({\mathrm{\α}}_1+\mathrm{\α})\tan {\mathrm{\β}}_1}=\mathrm{\φ}$ 整理后得： ${\mathrm{\β}}_1={\tan }^{-1}\frac{\mathrm{\φ}-\tan ({\mathrm{\α}}_1+\mathrm{\α})}{1+\mathrm{\φ}\tan ({\mathrm{\α}}_1+\mathrm{\α})}---\left(21\right)$ 用2θ₁表示复模齿齿顶厚的参数

       2θ₁＝2β₁-α_F                (22)

为了使标模齿在与复模齿交替啮合过程中能有较深的啮合，对一般齿项高系数y(1～0.8)中只能取y=1。如图二所示，因∠coc′＝∠BOB′-2C′OB′＝θ_o，所以

     θ_o＝S_o/r_e＝s_f/r-2(θ_e-α_o)

        ＝α_f-2(tanα_e-α_e-tanα+α    (23)式中α_f＝α_m/2，α_e是齿项圆C点的压力角，α_e＝cos^-1r_o/r_e，齿顶圆半径re＝r+m，m＝2r/z_o，Z_o＝2π/α_m，m＝α_mr/π代入α_e中得：

α_e＝cos^-1[rcosα/(r+m)]＝cos^-1[πcosα/(π+α_m)]

对于(22)式中复模齿齿项厚参数2θ，应与标模齿齿厚参数相近或大于后者

       2θ₁≥θ_o                      (24)

根据上述理论公式对各型齿轮进行计算。图三所示为2-6型，即Z_m＝2，Z_M＝6。前数表Z_m，后数表Z_M。图四为3-3型；图五为2-4型；图六是从2-4型按(4)式变换来的，即在凹齿中增加一齿计算，表为2-8型。由此类推，从2-6型可变换为2-10型；3-3型可变换为3-9型。

复模齿分度圆齿厚的参数α_F决定齿轮容积比的大小，在Δρ_x及2θ₁值允许的范围内尽可能增大α_F。从(8)式中给定α_m值可得出各型齿轮的α_F与Z_o及(6)式中的C值由表一(末页)示出。从表中看出：α_M以45°为起点，3-3型Z_o≥24；2-6型Z_o≥16；2-4型Z_o≥12才能获得较大的容积比。因此，3-3型适用于大型设备；2-6型适用于中型设备；2-4型适用于小型设备。

(7)至(24)式以α、α_F为参数对于2-4型得出Δρ_x、υ、2θ₁，θ_o的值由表二(末页>示出。从表中看出：当压力角α给定时，Δρ_x、υ随α_F的增加而增加；给定α_F时，Δρ_x、υ随压力角α增加而减小。设r＝50毫米，当α_F＝45°α＝27°时，Δρ_x＝0.13毫米，υ＝0.552为最小值；当α_F＝47°、α＝24°时，Δρ_x＝0.31毫米，υ＝0.574为最大值。Δρ_x随υ的增加而增加，按直径100毫米的轴公差带考虑，仅在国标12级公差0.35毫米以内，而实际上复模齿只有在K_x点，半径为R_x处Δρ_x才有最大差值。在K₂点则Δρ_x＝0，运行至K_x点才逐渐增加0.31毫米的差值。由此证明了复模数齿轮泵运行的可靠性。

与普通齿轮泵比较，通常取齿数Z＝10，分度圆半径为r，齿顶圆半径r_e＝r+m，m＝2r/z＝r/5，按前述容积比计算： ${\mathrm{\υ}}_1=1-r^2/r_e^2=1-r^2/{(r+m)}^2=1-{1.2}^2=0.306$ 取表二中α_F＝45°，α＝27°，υ＝0.552与υ₁的比值为：

υ/υ₁＝0.552/0.306＝1.8取α_F＝47°，α＝24°，υ＝0.574，其比值为：

υ/υ₁＝0.574/0.306＝1.86

由此看出：复模数齿轮泵比普通齿轮泵容积比大80％～86％。

图三、图四为泵的结构示意图。泵的壳体(3)与一般齿轮泵结构相同，用虚线示意。主动轮(1)和轴(4)由平链(5)联接；被动轮(2)和轴(6)由平键(7)联接。图三为2-6型，Z_o＝15，α_m＝24°，α_F＝42°，α＝25°υ＝0.534；图四为3-3型，Z_o＝18，α_m＝20°，α_F＝40°α＝25，υ＝0.517。当主动轮与被动轮按ω₁，ω₂箭头方向转动时，作为液压泵，液体Q₁按箭头吸入，Q₂按箭头方向压出。

图五为2-4型用于动力机械，流体Q₁按箭头指向将动能直接作用于主动轮(1)，减轻被动轮(2)承受的压力能。用作汽轮机及燃气轮机，图五为扩散能级，图六2-8型为压力能级。图六的Q₂排出后作图五Q₁进入扩散作功。

图七是外分力齿轮图八的A-A剖视图，图九是B-B剖视图。齿芯(8)和复模齿轮(2)与轴(6)由键(9)联接。齿芯(8)左边有圆柱台阶，右边经螺钉(10)螺固的三爪卡盘(11)将三爪齿壳(12)卡住，齿壳(12)与卡盘(11)有供左、右转动的间隙。从螺钉(11)局部剖处看出，卡盘相对于齿芯有左、右可调的间隙，以保证复模齿(2)与齿壳(12)准确地啮合，以及满足齿壳爪与卡盘爪所规定的间隙。卡盘右边由外圆有对称三平面的轴套(13)挡住，轴套由挡圈(14)挡住，经轴端螺杆上的盖形螺母(15)紧固，齿芯左边由轴(6)的台阶挡住。卡盘的爪间有三条对称的径向燕尾槽，槽中有离心燕尾滑块(16)，其上有螺孔支架，设置有螺钉(17)顶住簧挡(18)压缩弹簧(19)，使在轴套上的反作用力将滑块沿径向外推。紧固螺母(20)将螺钉(17)固定。滑块中部为锥形与齿壳爪的锥度槽的边接触。滑块的外端用螺钉(21)将不同厚度的垫片(22)紧固其上。垫片的不同重量，用以调节滑块所需的离心力及齿轮转动的平衡度。

以图五、图六作为动力机，复模齿轮(2)无外分力齿轮作用时，由齿将转矩传给复模齿轮(1)输出；在外分力齿轮的作用下，齿芯上滑块锥形的左边与齿壳爪接触，将复模齿轮(2)的转矩传给齿壳径轴(4)上的普通齿轮输出。滑块上的弹簧力与离心力使齿壳与齿芯为软接触，消除强烈冲击，并减轻复模齿轮之间的磨损。当弹簧力与离心力产生的转矩平衡或超过复模齿轮(2)的转矩时，则复模齿轮运行于无磨损状态。

以图三、图四作为水泵时，齿壳转速ω₂与复模齿轮(2)转速ω₂同方向，原动力通过轴(4)将一部分转矩直接传给复模齿轮(1)，另一部分转矩通过齿壳爪上锥形槽的右边与滑块锥形右边接触，经滑块、齿芯、轴(6)传给复模齿轮(2)，同上述原理，使复模齿轮运行于减轻或无磨损状态。

有了外分力齿轮之后，内工作轮对也可勿需用标模齿作过渡传动啮合。在M＝Cm关系中，此时视c＝∞，m＝0，M为待定系数，即分度圆上除保留复模齿的凸齿和凹齿外，由m＝0而成为圆弧，其基圆与压力角以及复模齿的计算仍按前述公式不变。无标模齿时，流体进出口之间的隔离需由分度圆弧间紧密投触，采用标模齿两轮间则勿需紧密接触，使隔离更为有效。                                         表一

表二

α	24°			25°			26°			27°  ．
													αF	45°	46°	47°	45°	46°	47°	45°	46°	47°	45°	46°	47°
△ρ	0.00475r	0.0055r	0.0062r	0.00397r	0.0046r	0.0053r	0.0033r	0.0038r	0.0045r	0.0026r	0.0031r	0.0037r
													υ	0.563	0.567	0.574	0.557	0.561	0.572	0.554	0.562	0.569	0.552	0.559	0.566
2θ1	5.59°	5.05°	3.94°	4.934°	3.85°	3.85°	4.626°	3.73°	3.18°	3.00°	3.03°	2.48°
													θo	3.92°	3.87°	3.83°	3.60°	3.56°	3.55°	3.28°	3.26°	3.25°	2.94°	2.93	2.92°

Claims (6)

1、一种复模数齿轮转子泵与动力机，包括一对复模数齿轮(1)和(2)及壳体(3)，还包括一对外分力传动齿轮，其特征在于标模齿模数m与复模数齿模数M的关系式为M＝Cm，式中C≥2，外分力传动齿轮的被动轮由齿芯(8)和齿壳(12)构成。

2、按权利要求1所述的复模数齿轮转子泵与动力机，其特征在于名义齿数Z_o，标模齿数Z_m复模齿数Z_M和分度圆直径d的关系式为mz_o＝mZ_m+2CmZ_M＝d。

3、按权利要求1所述的复模数齿轮转子泵与动力机，其特征在于名义齿数Z_o，标模齿数Z_m复模齿数Z_M和分度圆直径d的关系式为mz_o＝mZ_m+CmZ_M＝d。

4、按权利要求1所述的复模数齿轮转子泵与动力机，其特征在于当C＝∞，m＝0时，M为待定系数。

5、按权利要求1所述的复模数齿轮转子泵与动力机，其特征在于与齿芯(8)联接有三爪的卡盘(11)与有三爪的齿壳(12)的爪间有供转动的间隙，齿壳爪有锥度槽，卡盘上有燕尾槽，槽中有燕尾离心滑块(16)，滑块的中部有锥度与齿壳爪锥度槽的边接触。

6、按权利要求1或5所述的复模数齿轮转子泵与动力机，其特征在于滑块(16)上的螺孔支架置有螺钉(21)顶住簧挡(18)压缩弹簧<19>，滑块外端有螺钉(21)将不同厚度的垫片紧固其上。

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