一种摆线型齿轮爪式转子及其设计方法

本发明属于流体机械工程，特别涉及一种摆线型齿轮爪式转子及其设计方法。

背景技术：

1、爪式流体机械作为一种容积式流体机械，可作为真空泵和压缩机使用；爪式流体机械通过两个互相啮合的爪式转子作同步异向双回转运动，在周期性转动过程中实现工作腔容积的周期性变化，完成进气-压缩-排气过程；与其他容积式流体机械相比，具有干式无油、结构简单紧凑、运行平稳等优点，广泛应用于半导体、石油化工行业。

2、作为爪式流体机械的关键零部件，爪式转子的型线和啮合性能决定着爪式流体机械的工作性能；齿轮爪式转子能够有效的增加两转子间的泄漏线长度，提高转子的密封性能。文献(中国专利：cn202210208853.9)中给出了一种直爪式转子的型线结构，所提出的干式真空泵领域的直爪式转子型线设计复杂；所设计的直爪式转子型线组成繁多，加工难度大；所设计的直爪式转子虽通过去锐角尖点的方式，提高了转子的强度，但存在多处不光滑连接点，工作过程中依旧产生应力集中。

技术实现思路

1、基于以上问题，提供了一种爪式流体机械的转子设计方案，采用高次曲线光滑连接爪顶圆弧和节圆凹槽；采用摆线和摆线的共轭曲线生成节圆凸齿和节圆凹槽，实现两转子的正确啮合；上下两转子型线完全相同，降低加工成本。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种摆线型齿轮爪式转子，包括下摆线型齿轮爪式转子和上摆线型齿轮爪式转子，下摆线型齿轮爪式转子的端面结构由下转子爪头、下转子爪槽、下节圆凹槽和下节圆凸齿组成；

4、下节圆凹槽和下节圆凸齿的数量相同，为n个，n＝7～21；

5、下摆线型齿轮爪式转子的下转子爪头和下转子爪槽由5段曲线组成，依次为：下第一摆线ab、下爪顶圆弧bc、下高次曲线cd、下高次曲线的共轭曲线hi、下爪底圆弧ia；

6、下摆线型齿轮爪式转子下节圆凸齿和下节圆凹槽由2段曲线组成，依次为：下第二摆线ef和下第二摆线的共轭曲线fg；

7、下摆线型齿轮爪式转子的下转子爪头与下节圆凹槽、下节圆凹槽与下节圆凸齿、下节圆凸齿与下转子爪槽、下转子爪槽与下转子爪头之间光滑连接；

8、上摆线型齿轮爪式转子与下摆线型齿轮爪式转子的端面型线完全相同；

9、下摆线型齿轮爪式转子与上摆线型齿轮爪式转子在绕各自的互相平行的旋转轴进行同步异向旋转过程中，下摆线型齿轮爪式转子和上摆线型齿轮爪式转子的端面型线能够实现正确啮合，其啮合关系为：下摆线型齿轮爪式转子的端面型线中的下第一摆线ab、下尖点b、下爪顶圆弧bc、下高次曲线cd、下第二摆线ef、下第二摆线的共轭曲线fg、下高次曲线的共轭曲线hi、下爪底圆弧ia，分别与上摆线型齿轮爪式转子的端面型线中的上尖点b、上第一摆线ab、上爪底圆弧ia、上高次曲线的共轭曲线hi、上第二摆线的共轭曲线fg、上第二摆线ef、上高次曲线cd、上爪顶圆弧bc相互啮合。

10、一种摆线型齿轮爪式转子的设计方法，包括以下步骤：

11、①给定以下参数的数值：爪顶圆弧半径r1、节圆半径r2、爪底圆弧半径r3、摆线动圆半径r4、齿轮齿数z，爪顶圆弧角α；

12、②以下摆线型齿轮爪式转子的回转中心o1为原点建立坐标系，分别作出半径为r1的爪顶圆、半径为r2的节圆、半径为r3的爪底圆；

13、③按以下方程确定下摆线型齿轮爪式转子的下第一摆线ab、下爪顶圆弧bc、下高次曲线cd、下高次曲线的共轭曲线hi、下爪底圆弧ia；

14、下第一摆线ab的方程：

15、

16、式中：r1—为爪顶圆弧半径，mm；r2—为节圆半径，mm；t—为角度自变量，rad；

17、下齿顶圆弧bc的方程：

18、

19、下高次曲线cd的方程：

20、

21、式中：a0，a1，a2，a3—为高次曲线的系数；

22、下高次曲线cd的共轭曲线hi的方程：

23、

24、式中：—为第一中间变量，是角度自变量t的函数，由如上方程确定：

25、

26、下爪底圆弧ia的方程：

27、

28、式中：r3—为爪底圆弧半径，mm；

29、④按以下方程确定下摆线型齿轮爪式转子的端面型线的下第二摆线ef和下第二摆线的共轭曲线fg：

30、下第二摆线动圆半径：

31、

32、式中：z—为齿轮齿数；

33、下第二摆线ef的方程：

34、

35、下第二摆线的共轭曲线fg的方程：

36、

37、式中：—为第二中间变量，是角度自变量t的函数，由如上方程确定：

38、

39、⑤下节圆凸齿和下节圆凹槽由下第二摆线ef和下第二摆线的共轭曲线fg绕回转中心o1旋转得到；

40、⑥根据以上步骤，得到下摆线型齿轮爪式转子，由于下摆线型齿轮爪式转子的端面型线与上摆线型齿轮爪式转子的端面型线完全相同，得到上摆线型齿轮爪式转子的端面型线。

41、应用该转子的爪式真空泵或爪式压缩机包括下摆线型齿轮爪式转子、右摆线型齿轮爪式转子、前端盖、气缸、后端盖；前端盖下开设有轴向吸气口和轴向排气口。

42、工作过程中，下摆线型齿轮爪式转子与上摆线型齿轮爪式转子同步异向旋转两周，形成周期变化的3组工作腔：吸气腔、压缩腔和排气腔，对应完成气体的吸气、压缩和排气过程：

43、①吸气过程：当吸气腔与轴向吸气口相连通时，吸气过程开始，随着转子旋转，当吸气腔与吸气口相隔断，吸气过程结束，随后进入压缩过程；

44、②压缩过程：当轴向吸气口和轴向排气口均关闭时，形成压缩腔，封闭容积逐渐减小，压缩过程持续进行；

45、③排气过程：当压缩腔与轴向排气口相连通时，进入排气过程，形成排气腔，排出压缩气体。

46、本发明的有益效果为：

47、①所提出的一种摆线型齿轮爪式转子，采用齿轮结构代替传统节圆圆弧，能够有效的增加两转子间的泄漏线长度，提高转子的密封性能，丰富了爪式流体机械转子型线的类型。

48、②所提出的一种摆线型齿轮爪式转子，采用了高次曲线连接爪顶圆弧与节圆凹槽摆线的共轭曲线，消除了转子的不光滑连接点，改善了转子应力集中的问题。

49、③所提出的一种摆线型齿轮爪式转子，采用摆线和摆线的共轭曲线生成节圆凸齿和节圆凹槽，实现两转子的正确啮合。

50、④所提出的一种摆线型齿轮爪式转子，左右两爪式转子的端面型线完全相同，形成的工作腔对称，工作腔内气体压力相同，在工作腔合并时，气体混合产生损失减小，进而提高了爪式流体机械的工作效率，并能节约加工成本。

技术特征：

1.一种摆线型齿轮爪式转子，包括下摆线型齿轮爪式转子(1)和上摆线型齿轮爪式转子(2)，其特征是：下摆线型齿轮爪式转子(1)的节圆上存在光滑的下节圆凸齿(104)和下节圆凹槽(103)；下节圆凹槽(103)和下节圆凸齿(104)的数量相同，为n个，n＝7～21；所述的下摆线型齿轮爪式转子(1)的下节圆凸齿(104)由下第二摆线ef组成；所述的下摆线型齿轮爪式转子(1)的下节圆凹槽(103)由下第二摆线的共轭曲线fg组成；

2.如权利要求1所述的一种摆线型齿轮爪式转子，其特征是：所述的下摆线型齿轮爪式转子(1)与上摆线型齿轮爪式转子(2)在绕各自的互相平行的旋转轴进行同步异向旋转过程中，下摆线型齿轮爪式转子(1)和上摆线型齿轮爪式转子(2)的端面型线能够实现正确啮合，其啮合关系为：下摆线型齿轮爪式转子(1)的端面型线中的下第一摆线ab、下尖点b、下爪顶圆弧bc、下高次曲线cd、下第二摆线ef、下第二摆线的共轭曲线fg、下高次曲线的共轭曲线hi、下爪底圆弧ia，分别与上摆线型齿轮爪式转子(2)的端面型线中的上尖点b、上第一摆线ab、上爪底圆弧ia、上高次曲线的共轭曲线hi、上第二摆线的共轭曲线fg、上第二摆线ef、上高次曲线cd、上爪顶圆弧bc相互啮合。

3.一种如权利要求1所述的摆线型齿轮爪式转子的设计方法，其特征是：包括以下步骤：

4.一种爪式真空泵，其特征是：使用如权利要求1所述的下摆线型齿轮爪式转子(1)和上摆线型齿轮爪式转子(2)。

5.一种爪式压缩机，其特征是：使用如权利要求1所述的下摆线型齿轮爪式转子(1)和上摆线型齿轮爪式转子(2)。

技术总结
本发明公开了一种摆线型齿轮爪式转子及其设计方法，包括下摆线型齿轮爪式转子和上摆线型齿轮爪式转子，下摆线型齿轮爪式转子的端面型线由下转子齿头、下转子凹槽、下节圆凹槽和下节圆凸齿组成；下摆线型齿轮爪式转子的下节圆凹槽和下节圆凸齿数量相同；上摆线型齿轮爪式转子的端面型线与下摆线型齿轮爪式转子相同，形成减小气体损失的对称工作腔，提高了爪式流体机械的工作效率，并能节约加工成本；下摆线型齿轮爪式转子的端面型线除爪尖外全光滑连接，改善了爪式转子的力学性能和摩擦磨损问题；下摆线型齿轮爪式转子与上摆线型齿轮爪式转子全啮合，齿轮结构有效地增加两转子间的泄漏线长度，提高转子的密封性能和爪式流体机械的工作效率。

技术研发人员：王君,赵亦敬,任纯吉,辛远杰,曾凡辉,刘笑宇,李杰杰
受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）
技术研发日：
技术公布日：2024/8/15