一种单螺杆压缩机啮合副的包络齿型面.pdf

1、10申请公布号CN102338091A43申请公布日20120201CN102338091ACN102338091A21申请号201110314977722申请日20111017F04C29/0020060171申请人西安交通大学地址710049陕西省西安市咸宁西路28号72发明人吴伟烽冯全科李挺刘飞龙赵忖74专利代理机构西安通大专利代理有限责任公司61200代理人朱海临54发明名称一种单螺杆压缩机啮合副的包络齿型面57摘要本发明涉及一种单螺杆压缩机啮合副的包络齿型面，包络星轮齿面与对应的螺杆齿槽型面，其整个星轮齿侧面能与螺杆齿槽面啮合，且星轮齿面的啮合区域为连续啮合曲面。啮合过程中，星轮齿侧

2、面和螺杆齿槽面的接触线在整个连续啮合曲面内移动。采用这种啮合副齿面可使星轮受到稳定的油膜力作用，提高单螺杆压缩机的寿命和效率。且可以通过合理设计齿前侧和齿后侧的型面，均匀分布星轮齿前侧和齿后侧的油膜承载力，在工作过程中保持星轮齿前、后侧与齿槽间的间隙相等。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书6页附图3页CN102338104A1/1页21一种单螺杆压缩机啮合副的包络齿型面，包括星轮齿的侧面和螺杆齿槽的侧面，其螺杆齿槽侧面是星轮齿侧面的包络面，其特征在于啮合副的星轮齿侧面与螺杆齿槽侧面的啮合区域为连续啮合曲面，星轮齿侧面由连续啮合曲面和非连续啮合曲面

3、两种曲面组成；其中，连续啮合曲面至少一个，除连续啮合曲面之外的表面则是非连续啮合曲面；在齿根位置，连续啮合曲面宽度缩小为零；啮合过程中，星轮齿侧面与螺杆齿槽侧面的接触线在连续啮合曲面内移动；其中，与星轮齿垂直的平面和连续啮合曲面相交形成交线，该交线在所述星轮齿垂直的平面内的切线的特点为从该交线的上端点至下端点，切线与平行于星轮上、下表面的水平面的夹角是单调变化的；从该交线的上端点至下端点，其曲率是逐渐变化的。2如权利要求1所述的单螺杆压缩机啮合副的包络齿型面，其特征在于所述从该交线的上端点至下端点，切线与平行于星轮上、下表面的水平面的夹角的取值范围在按下式所确定的范围MIN，MAX之内式中SW

4、为星轮齿的转角范围，P为星轮的齿数与螺杆的槽数的比值，X2，Y2，Z2为交线上某点的坐标；SW的转角范围是交线上的点能与螺杆齿槽面发生啮合的星轮齿转角的取值范围，在这个范围内根据上式求取出角的范围MIN，MAX。3如权利要求1所述的单螺杆压缩机啮合副的包络齿型面，其特征在于星轮齿侧面与垂直于星轮齿的平面相交形成的交线分为两种，一种是连续啮合曲面与垂直于星轮齿平面的交线L，另外一种是非连续啮合曲面与垂直于星轮齿平面的交线LF，两种交线段在连续啮合曲面和非连续啮合曲面的交界处相互连接，并成为星轮齿侧面的一整条交线段；在与星轮齿垂直的平面过同一个连接点分别作前述两部分交线的切线，并将LF的切线与水平

5、面X2O2Y2的夹角记作JF，将L的切线与水平面X2O2Y2的夹角记作J，定义Z2轴的正方向为上方，Z2轴的负方向为下方，对于齿后侧，若L在LF的下方，则在它们的交点处，JFJ；若L在LF的上方，则在它们的交点处，JJF；对于齿前侧，若L在LF交线的下方，则在它们的交点处，JJF；若L在LF的上方，则在它们的交点处，JFJ。4如权利要求1所述的单螺杆压缩机啮合副的包络齿型面，其特征在于所述平行于星轮上、下表面的水平面与星轮齿侧面相交形成一条交线，该交线分为两部分，一部分为平面与连续啮合曲面的交线L，另一部分为平面与非连续啮合曲面的交线LG，在平面内过交线L上任意点B作交线L的切线，该切线与竖直

6、平面X2O2Z2的夹角为B，B介于0和MAXZ2之间。5如权利要求1所述的单螺杆压缩机啮合副的包络齿型面，其特征在于所述非连续啮合曲面是齿槽侧面包络星轮齿面所形成的二次包络曲面，即星轮齿面中的非连续啮合曲面是二次包络面。6如权利要求1所述的单螺杆压缩机啮合副的包络齿型面，其特征在于所述螺杆齿槽的侧面是由星轮齿侧面中的啮合曲面包络成型的，即螺杆齿槽侧面与星轮齿侧面的啮合曲面满足包络啮合条件。权利要求书CN102338091ACN102338104A1/6页3一种单螺杆压缩机啮合副的包络齿型面技术领域0001本发明涉及机械零部件的结构，特别是涉及一种单螺杆压缩机啮合副的齿型面结构。背景技术0002

7、压缩机广泛应用于铁路、轮船、矿山、建筑、化工、纺织、冶金机械、军工仪表、舰艇等行业。单螺杆压缩机与往复式活寒压缩机、双螺杆压缩机相比，具有结构简单、运转可靠、体积小、重量轻、噪音低等优点。0003国外能生产单螺杆空压机的有法、日、英、美、荷兰等十余家公司，近年来我国一些厂家也开始生产单螺杆压缩机，但其性能指标普遍不及进口产品。特别是在使用同样材料的情况下，而日本星轮寿命是我国的2倍左右。目前，普遍认为这是由单螺杆压缩机啮合副的加工精度造成的差异。据中国压缩机协会的不完全统计，2005年国内整个单螺杆产品年产量约30004000台，而双螺杆压缩机的年销售量国外公司的主机占70以上已达到80000

8、100000台之多。上海的台湾复盛公司是一家国际型压缩机制造公司，现在一直以高价钱从日本三井公司购买单螺杆压缩机的主机配备其辅机系统后供应国内外市场。因此，单螺杆压缩机在国内有巨大的发展空间。但星轮齿磨损快，使用寿命短的问题成了国内二十多年来始终难以逾越的障碍。0004单螺杆压缩机的核心部件是由螺杆、星轮构成的啮合副图1，它的加工是单螺杆压缩机零件加工中难度最大的地方。而啮合副的型线对加工方法和加工难度影响很大。国外已公开的单螺杆压缩机型线有直线包络和圆柱包络两种。国内曾有人提出二次包络类型的型线，但均由于加工问题尚未实现。发明内容0005本发明所要解决的问题是提供一种连续啮合的星轮齿面和对应

9、的齿槽型面，可实现整个星轮齿侧面能与螺杆齿槽面啮合，且星轮齿面的啮合区域是连续的一个整体。0006为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的0007一种单螺杆压缩机啮合副的包络齿型面，包括星轮齿的侧面和螺杆齿槽的侧面，其螺杆齿槽侧面是星轮齿侧面的包络面，其特征在于啮合副的星轮齿侧面与螺杆齿槽侧面的啮合区域为连续啮合曲面，星轮齿侧面由连续啮合曲面和非连续啮合曲面两种曲面组成，其连续啮合曲面拓展至整个星轮齿侧面大部分，非连续啮合曲面只占据整个星轮齿侧面的小部分；其中，连续啮合曲面至少一个，除连续啮合曲面之外的表面则是非连续啮合曲面；在齿根位置，连续啮合曲面宽度缩小为零；啮合过程中，星轮齿侧

10、面与螺杆齿槽侧面的接触线在所有连续啮合曲面内移动；其中，与星轮齿垂直的平面和星轮齿侧面的连续啮合曲面相交形成交线，该交线在所述星轮齿垂直的平面内的切线的特点为从该交线的上端点至下端点，切线与平行于星轮上、下表面的水平面的夹角是单调变化的；从该交线的上端点至下端点，其曲率是逐渐变化的。说明书CN102338091ACN102338104A2/6页40008上述方案中，所述从该交线的上端点至下端点，切线与平行于星轮上、下表面的水平面的夹角的取值范围在按下式确定的范围MIN，MAX之内00090010式中SW为星轮齿的转角范围，P为星轮的齿数与螺杆的槽数的比值，X2，Y2，Z2为交线上某点的坐标；S

11、W的转角范围是交线上的点能与螺杆齿槽面发生啮合的星轮齿转角的取值范围，在这个范围内根据上式求取出角的范围MIN，MAX。0011所述的交线分为两种，一种是连续啮合曲面与垂直于星轮齿平面的交线L，另外一种是非连续啮合曲面与垂直于星轮齿平面的交线LF，两种交线段在连续啮合曲面和非连续啮合曲面的交界处相互连接，所有交线段前后相连构成星轮齿侧面的一整条交线；在与星轮齿垂直的平面过同一个连接点分别作前述两部分交线的切线，并将LF的切线与水平面X2O2Y2的夹角记作JF，将L的切线与水平面X2O2Y2的夹角记作J，定义Z2轴的正方向为上方，Z2轴的负方向为下方，对于齿后侧，若L在LF的下方，则在它们的交点

12、处，JFJ；若L在LF的上方，则在它们的交点处，JJF；对于齿前侧，若L在LF交线的下方，则在它们的交点处，JJF；若L在LF的上方，则在它们的交点处，JFJ。0012所述平行于星轮上、下表面的水平面与星轮齿侧面相交形成另一条交线，该交线分为两部分，一部分为平面与连续啮合曲面的交线L，另一部分为平面与非连续啮合曲面的交线LG，在平面内过交线L上任意点B作交线L的切线，该切线与竖直平面X2O2Z2的夹角为B，B介于0和MAXZ2之间。0013所述非连续啮合曲面是齿槽侧面包络星轮齿面所形成的二次包络曲面，即星轮齿面中的非连续啮合曲面是二次包络面。所述螺杆齿槽的侧面是由星轮齿侧面中的啮合曲面包络成型

13、的，即螺杆齿槽侧面与星轮齿侧面的啮合曲面满足包络啮合条件。0014采用本发明的星轮齿侧型面和螺杆齿槽型面的优点是，在啮合过程中，星轮齿侧面和螺杆齿槽面之间的接触线在星轮齿侧面的连续啮合曲面内移动，这种啮合副齿面可使星轮受到稳定的油膜力作用，且可以通过合理设计齿前侧和齿后侧的型面，均匀分布星轮齿前侧和齿后侧的油膜承载力，在工作过程中保持星轮齿前、后侧与齿槽间的间隙相等，使星轮齿前、后侧间隙内形成有效的流体动力润滑，从而提高单螺杆压缩机的可靠性与效率，延长使用寿命。附图说明0015以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。0016图1为单螺杆压缩机螺杆与星轮配合立体图。0017图2为单

14、螺杆压缩机啮合副的星轮齿与螺杆齿槽间的运动关系和相应的坐标系统。0018图3为星轮齿面任意点星轮与螺杆的相对速度在星轮坐标系S2中的表达。0019图4为本发明星轮齿侧面与垂直于星轮齿的平面相交的情景。0020图5为本发明星轮齿侧面与平行于星轮齿的平面相交的情景。0021图6为本发明实施例2中齿后侧啮合曲面与垂直于星轮齿的平面的交线。说明书CN102338091ACN102338104A3/6页50022图7为本发明实施例2中齿后侧曲面。0023其中图2、图4图7中的附图标记为1、螺杆；2、星轮；3、星轮齿；4、星轮齿侧面；5、齿槽；6、星轮齿上表面；7、齿顶；8、连续啮合曲面；9、非连续啮合曲

15、面；10、齿根；11、星轮下表面；12、代表啮合区域的椭圆线I；13、代表啮合区域的椭圆线II；14、椭圆线的切线；15、连续啮合曲面边界。具体实施方式0024单螺杆压缩机星轮齿侧型面应与螺杆齿槽侧面满足共轭啮合关系，即在星轮齿侧面与螺杆齿槽面的接触点上，星轮与螺杆的相对速度与齿侧面或齿槽面在该点相切，可表示为在接触点先对速度与接触面的法向量垂直0025VN010026上式中，V为接触点处星轮与螺杆的相对速度，N为星轮齿侧面或者螺杆齿槽面在接触点处的法向量。0027星轮与螺杆的运动关系如图2所示，定坐标系S1，S3分别表示星轮齿3、螺杆齿槽5的初始位置，动坐标系S2和S4分别表示星轮齿和螺杆齿

16、槽的运动位置。星轮齿与螺杆齿槽之间的转速比为，00280029其中P为星轮2与螺杆1的齿数比，一般为11/6。0030可求出在该点螺杆与星轮的相对速度矢量在S2坐标系中00310032如图3所示，A点相对速度在X2O2Z2平面的分速度V与水平面X2O2Y2的夹角为，00330034A点相对速度在水平面X2O2Y2的分速度V与竖直平面X2O2Z2的夹角为，00350036啮合过程中星轮齿的转角范围SWIN，OUT是给定的，当给出A点Y2坐标后，夹角的大小随着SW、X2和Z2变化，其范围可确定为MINY2，MAXY2；当给出A点Z2坐标后，夹角的大小随着SW、X2和Y2变化，其范围可确定为MINZ

17、2，MAXZ2。这表明，A点相对速度矢量的大小和方向都是在一定范围内变化的。根据单螺杆压缩机的结构特点，在齿顶7位置即Y2值为星轮半径夹角的取值区间宽度MAXMIN约为17。从齿顶到齿根，这一区间逐渐减小至零，即在齿根位置MAXMIN。0037通常，星轮齿面上点的|X2|坐标在1/2齿宽左右，比|Y2|要小得多；由于星轮的厚度在58MM左右，|Z2|亦比|Y2|和螺杆星轮的中心距A小得多。夹角的最小值MINZ2可近似取为零。故在星轮齿面的精确设计中，夹角应介于0和MAXZ2之间。0038对于其它形式的单螺杆压缩机，当单螺杆压缩机的星轮轴与螺杆轴夹角小于说明书CN102338091ACN1023

18、38104A4/6页690时，上述相对速度的关系依然成立，仍然可以确定MINY2，MAXY2和MINZ2，MAXZ2。0039换而言之，只要星轮齿面在A点的切面与水平面X2O2Y2的夹角在MINY2，MAXY2区间内，则在啮合过程中，必定存在某一星轮转角SW，使A点的相对速度与齿面法向向量垂直满足式1，即A点必定能与螺杆齿槽面啮合。实际工程中可根据式4和5计算A点相对速度的方向，并构造相应的齿面A点的齿面切线或法向矢量方向，并使之满足式1。0040由上，可构思如下齿面结构对于齿后侧，在接近星轮上表面处，齿面与水平面夹角为MINY2；在接近星轮下表面处，齿面与水平面夹角为MAXY2；从上表面至下

19、表面，星轮齿面与水平面之间的夹角由MINY2渐变为MAXY2。对于齿前侧，则相反设置，从上表面至下表面，星轮齿面与水平面之间的夹角由MAXY2渐变为MINY2。显然，对于任意一个星轮齿转角SW，齿面必定存在一点A满足式1；或者对于齿面任意一点A，必定存在一星轮齿转角SW，使其满足式1。这样，整个齿面在啮合过程中均有与螺杆齿槽面接触的机会。且，啮合过程中，星轮齿侧面和螺杆齿槽面之间的接触线在这一啮合区域内连续移动。0041根据上述设计原理，本发明单螺杆压缩机啮合副的连续包络齿面结构设计方案如下0042星轮齿侧型面分为连续啮合曲面和非连续啮合曲面两部分；每个星轮齿侧面中可以有多个相连或不相连的连续

20、啮合曲面，也可以只有一个连续啮合曲面，其它部分则是非连续啮合曲面；连续啮合曲面可以分布至整个星轮齿侧面，亦可分布在星轮齿侧面中间，其它区域则是非连续啮合曲面。螺杆齿槽曲面和星轮齿侧啮合曲面满足共轭原理，是星轮齿侧啮合曲面的包络面，可根据共轭啮合的条件由星轮齿侧啮合曲面获得。啮合过程中，连续啮合曲面8与齿槽面之间存在接触线，且随着啮合位置的不同这一接触线在整个连续啮合曲面内游动。星轮齿侧的连续啮合曲面和非连续啮合曲面的特征如下00431设星轮齿上、下表面的Z2坐标分别为ZU和ZD。在星轮齿某高度处在星轮坐标系S2过0，Y2，0点，作一垂直于Y2轴即垂直于星轮齿的平面，与星轮齿侧面相交形成一条交线

21、，该交线分为两部分LF、L，如图4所示。其中，L部分为平面与连续啮合曲面8相交形成的交线。由于星轮齿侧面上可以有一个或者多个连续啮合曲面，交线L部分可以是一条线段，也可以是多条线段。当连续啮合曲面分布至整个星轮齿侧面时，只存在L部分交线。故，L部分交线上任意点的Z2坐标Z的取值范围为ZDZZU。当交线L部分为多条线段时，将相邻线段用直线段首尾连接。在平面内过交线L上任意点A作交线L的切线，并记该切线与水平面夹角为A。该夹角A是沿着交线单调变化的。对于齿后侧，将A点在交线L靠近星轮上表面的端点处切线与水平面的夹角记为UY2，将A点在交线L靠近星轮下表面的端点处切线与水平面的夹角记为DY2，当A点

22、从交线L靠近星轮上表面的端点往最靠近星轮下表面的端点移动时，其切线与水平面的夹角A从UY2单调变化为DY2；对于齿前侧，当A点从交线L靠近星轮上表面的端点往另一端点移动时，其切线与水平面X2O2Y2的夹角A从DY2单调变化为UY2。前述夹角满足如下关系MINY2UY2DY2MAXY2，可用4式计算确定。00442本发明啮合曲面的形状即不是圆柱面也不是圆台锥面。从交线L的上说明书CN102338091ACN102338104A5/6页7端点至下端点，其曲率是变化的。00453上述两部分交线中，LF部分为平面与非连续啮合曲面9的交线。考虑到星轮齿侧存在一个或多个连续啮合曲面，非连续啮合曲面亦可能存

23、在一个或者多个。因此，LF部分交线也可能由一条或者多条线段组成。在连续啮合曲面和非连续啮合曲面的交界处，存在LF交线和L交线的交点。在平面内过交点分别作LF交线和L交线的切线，并将该LF的切线与水平面X2O2Y2的夹角记作JF，将该L的切线与水平面X2O2Y2的夹角记作J。定义Z2轴的正方向为上方，Z2轴的负方向为下方。对于齿后侧，若L交线在LF交线的下方，则在它们的交点处，JFJ；若L交线在LF交线的上方，则在它们的交点处，JJF。对于齿前侧，若L交线在LF交线的下方，则在它们的交点处，JJF；若L交线在LF交线的上方，则在它们的交点处，JFJ。00464当平面从齿顶7向齿根10移动时，上述

24、两部分交线的长度比例发生如下变化在齿顶，LF的总长度较L的长度小，最小可为零；在齿根处，LF的长度较齿顶处大或相等，最小亦可为零；在齿顶与齿根之间，LF的长度均介于其在齿顶和齿根处的长度之间。即，星轮齿侧面连续啮合曲面的宽度从齿顶往齿根方向逐渐减小。00475设齿根处齿侧面的Y2的坐标为YG，齿顶处齿侧面的Y2的坐标为YD，则从星轮齿根至齿顶，齿侧面Y2坐标从YG增大至YD。在星轮齿某厚度处在星轮坐标系S2过0，0，Z2点，作一垂直于Z2轴即平行于星轮的平面，与星轮齿侧面相交形成一条交线，该交线分为两部分，一部分为平面与连续啮合曲面的交线L，另一部分为平面与非连续啮合曲面的交线LG，如图5所示

25、。在平面内过交线L上任意点B作交线L的切线，该切线与竖直平面X2O2Z2的夹角为B，且B介于0和MAXZ2之间。0048确定星轮齿侧的连续啮合曲面后，根据包络啮合条件，确定螺杆齿槽型面。满足上述条件的各种形状的曲面均可作为星轮齿侧的非连续啮合曲面。该曲面可用各种方式构造，如用曲线扫略、放样等方法。特别的，还可以通过二次包络的方式构造，即确定螺杆齿槽型面后，用螺杆齿槽面包络星轮齿侧面，在星轮齿侧面的连续啮合曲面之外形成二次包络面，所形成的二次包络面可作为星轮齿侧的非连续啮合曲面，与原来的连续啮合曲面共同组成星轮齿侧面。0049本发明采用的上述方案，其星轮齿侧型面可用数控铣床加工成型，其螺杆齿槽型

26、面可由数控铣床或数控车床加工成型，亦可以设计专用数控铣床或车床加工星轮齿侧型面和螺杆齿槽型面。0050以下为本发明单螺杆压缩机啮合副的包络齿型面两个具体设计实例不构成对本发明保护范围的限制。0051实施例10052参见图4、图5。设星轮上、下表面的Z2坐标分别为ZU，ZD；星轮齿根和齿顶的Y2坐标分别为YG，YD。本发明星轮齿侧面连续啮合曲面与垂直于星轮齿的平面的交线L可表示为，00530054上式曲线的切线与水平面的夹角为，满足，说明书CN102338091ACN102338104A6/6页80055MINYDMAXYD，ZDZZU0056且，当ZZD和ZU时分别取最大值和最小值的等号；其中

27、，取值范围MINYD和MAXYD是根据式4确定的。0057在齿根处，0058MAXYGMINYG0059对于齿前侧与齿后侧，分别构造曲线函数FZ，Y。这一曲线的形式可以是椭圆线、双曲线、抛物线、指数曲线、自然对数曲线等等任何形式曲线，也可以是各种形式曲线的组合。0060根据星轮齿啮合曲面的数学表达，根据包络啮合条件获得齿槽侧面的几何参数，可按照这些参数建立齿槽型面的三维模型，编制数控加工程序。0061实施例20062参见图6、图7，本发明星轮齿后侧面的连续啮合曲面有两个，每个啮合曲面都是椭圆线沿星轮齿Y2方向扫掠成的椭圆面的一部分。在给定星轮齿高度位置Y2，垂直于星轮齿的平面与每啮合曲面的交线

28、都是椭圆线的一部分，两个椭圆位置、形状不同，将椭圆线1靠近星轮上表面的端点处切线与水平面的夹角记为U1Y2，椭圆线1靠近星轮下表面的端点处切线与水平面的夹角记为D1Y2，椭圆线2靠近星轮上表面的端点处切线与水平面的夹角记为U2Y2，椭圆线2靠近星轮下表面的端点处切线与水平面的夹角记为D2Y2，这些角度满足如下关系MINY2U1Y2D1Y2U2Y2U2Y2MAXY2。其中范围MINY2，MAXY2按照式4计算求得。0063按本发明啮合副型面制造的实际产品，经试验表明，在运行200小时以上的时间后，星轮齿侧面的连续啮合曲面区域比非连续啮合曲面的区域光滑、光亮，能在光照条件下直接辨认出星轮齿侧面的连续啮合区域。说明书CN102338091ACN102338104A1/3页9图1图2说明书附图CN102338091ACN102338104A2/3页10图3图4说明书附图CN102338091ACN102338104A3/3页11图5图6图7说明书附图CN102338091A