本實(shí)用新型涉及一種全光滑的直爪爪式轉(zhuǎn)子。

背景技術(shù)：

爪式流體機(jī)械是一種在生產(chǎn)中廣泛使用的新型干式流體機(jī)械，其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是爪式轉(zhuǎn)子的型線設(shè)計(jì)；爪式轉(zhuǎn)子由一對形狀相同且能夠?qū)崿F(xiàn)共軛嚙合的轉(zhuǎn)子組成，通過同步齒輪實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的同步異向雙回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使工作腔容積發(fā)生周期性變化，完成氣體的吸入、壓縮和排出。

爪式轉(zhuǎn)子型線的嚙合特性直接決定著爪式轉(zhuǎn)子的工作性能，現(xiàn)有的直爪轉(zhuǎn)子型線包括：3段圓弧、2段擺線、1段線段、1段線段的包絡(luò)線。中國專利(專利號：ZL201510400518.9)提出了一種直爪轉(zhuǎn)子，由5段圓弧、2段擺線的等距曲線、1段線段和1段線段的包絡(luò)線組成的直爪轉(zhuǎn)子，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子曲線的嚙合，但該爪式轉(zhuǎn)子型線存在著以下缺點(diǎn)：①左側(cè)轉(zhuǎn)子爪背EF和右側(cè)轉(zhuǎn)子爪背ef存在完全不參與嚙合的部分，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的嚙合性能變差，密封性降低，會產(chǎn)生較大泄漏和噪聲，降低了爪式流體機(jī)械的工作效率；②線段的包絡(luò)線GH和擺線的等距曲線HI的連接處存在1個(gè)尖點(diǎn)H，且這個(gè)尖點(diǎn)又不參與曲線嚙合，尖點(diǎn)處易造成泄漏磨損、應(yīng)力集中和受力變形，降低了爪式轉(zhuǎn)子的使用壽命和穩(wěn)定性。中國專利(專利號：ZL201610321238.3)提出了一種曲爪轉(zhuǎn)子，由6段圓弧和3段擺線的等距曲線組成，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子型線的全光滑連接，但該爪式轉(zhuǎn)子型線存在以下缺點(diǎn)：①受力性能比直爪轉(zhuǎn)子差，爪背處應(yīng)力集中現(xiàn)象高于直爪轉(zhuǎn)子；②曲爪轉(zhuǎn)子的余隙容積比直爪轉(zhuǎn)子的大，較大的余隙容積會造成較大的噪聲、振動(dòng)和能耗，降低爪式轉(zhuǎn)子的實(shí)用性能和可靠性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型為了解決上述問題，提出了一種全光滑的直爪爪式轉(zhuǎn)子和構(gòu)建方法，在爪尖處采用一段圓弧IJ，將線段的包絡(luò)線HI和擺線的等距曲線JK光滑連接，在爪背處采用1段擺線的等距曲線EF，與第二爪尖圓弧DE和線段FG光滑連接，實(shí)現(xiàn)了爪式轉(zhuǎn)子的全光滑連接，消除了現(xiàn)有爪式轉(zhuǎn)子存在尖點(diǎn)和不光滑連接的缺陷，解決了爪背處線段不完全嚙合的問題；該爪式轉(zhuǎn)子型線不但能夠?qū)崿F(xiàn)全部型線的光滑連接，而且能夠有效地避免應(yīng)力集中、受力變形和磨損泄漏，提高了爪式轉(zhuǎn)子的受力特性和嚙合密封性，使得該轉(zhuǎn)子型線能夠適用于更高轉(zhuǎn)速、更高壓力和更高溫度的使用場合，提高了轉(zhuǎn)子的性能和使用壽命；對于豐富爪式轉(zhuǎn)子型線類型和促進(jìn)爪式真空泵、爪式壓縮機(jī)和爪式膨脹機(jī)的發(fā)展都具有重要的意義。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：

一種全光滑的直爪爪式轉(zhuǎn)子，其組成型線包括：6段圓弧、3段擺線的等距曲線、1段線段和1段線段的包絡(luò)線，其特征是：從節(jié)圓開始按逆時(shí)針方向依次為：節(jié)圓圓弧GH、線段的包絡(luò)線HI、第三爪尖圓弧IJ、擺線的等距曲線JK、爪底圓弧KA、擺線的等距曲線AB、第一爪尖圓弧BC、爪頂圓弧CD、第二爪尖圓弧DE、擺線的等距曲線EF和線段FG，相鄰曲線均光滑連接，一種全光滑的直爪爪式轉(zhuǎn)子的組成型線不存在不光滑的連接點(diǎn)。

兩個(gè)全光滑的直爪爪式轉(zhuǎn)子完全相同且相互嚙合，且左側(cè)爪式轉(zhuǎn)子(轉(zhuǎn)子1)和右側(cè)爪式轉(zhuǎn)子(轉(zhuǎn)子2)完全相同，左側(cè)爪式轉(zhuǎn)子(轉(zhuǎn)子1)的擺線的等距曲線AB、第一爪尖圓弧BC、爪頂圓弧CD、第二爪尖圓弧DE、擺線的等距曲線EF、線段FG、節(jié)圓圓弧GH、線段的包絡(luò)線HI、第三爪尖圓弧IJ、擺線的等距曲線JK、爪底圓弧KA，分別與右側(cè)爪式轉(zhuǎn)子(轉(zhuǎn)子2)的第一爪尖圓弧bc、擺線的等距曲線ab、爪底圓弧ka、擺線的等距曲線jk、第三爪尖圓弧ij、線段的包括線hi、節(jié)圓圓弧gh、線段fg、擺線的等距曲線ef、第二爪尖圓弧de、爪頂圓弧cd相嚙合，實(shí)現(xiàn)爪式轉(zhuǎn)子全部型線的正確嚙合。

一種全光滑的直爪爪式轉(zhuǎn)子，爪頂圓弧CD和爪底圓弧KA對應(yīng)的圓心角相等，為α；

線段的包絡(luò)線HI，是初始線段的包絡(luò)線H₁I₁以原點(diǎn)O為旋轉(zhuǎn)中心，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)α+β角度后得到，初始線段的包絡(luò)線H₁I₁的方程為：

角度β由以下公式確定：

其中，R₁為爪頂圓弧半徑，R₂為節(jié)圓半徑，R₅為第二爪尖圓弧半徑；

擺線的等距曲線AB的方程為：

其中，矩陣R₄為第一爪尖圓弧半徑；

擺線的等距曲線JK，是初始擺線的等距曲線J₁K₁以原點(diǎn)O為旋轉(zhuǎn)中心，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)α角度后得到，初始擺線的等距曲線J₁K₁的方程為：

其中，矩陣

擺線的等距曲線EF，是初始擺線的等距曲線E₁F₁以原點(diǎn)O為旋轉(zhuǎn)中心，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)γ+ζ角度后得到，初始擺線的等距曲線E₁F₁的方程為：

其中，矩陣R₆為第三爪尖圓弧半徑；

角度γ由以下公式確定：

其中坐標(biāo)(x₀,y₀)是下面兩條曲線的交點(diǎn)：

角度ζ由以下公式確定：

其中坐標(biāo)(x₁,y₁)是下面兩條曲線的交點(diǎn)：

將擺線的等距曲線AB向外等距偏移R₄，得到的等距曲線與圓心為O，半徑為R₁-R₄的圓的交點(diǎn)，就是第一爪尖圓弧BC的圓心(X_BC,Y_BC)，以該點(diǎn)為圓心，作半徑為R₄的圓，同時(shí)與擺線的等距曲線AB和爪頂圓弧CD相切，切點(diǎn)分別是：B點(diǎn)和C點(diǎn)，得到第一爪尖圓弧BC；第二爪尖圓弧DE的圓心(X_DE,Y_DE)位于圓心為O，半徑為R₁-R₅的圓上，且圓心(X_DE,Y_DE)與圓心O的連線，與x正半軸的夾角為α+γ，以該點(diǎn)為圓心，作半徑為R₅的圓，同時(shí)與爪頂圓弧CD和擺線的等距曲線EF相切，切點(diǎn)分別是：D點(diǎn)和E點(diǎn)，得到第二爪尖圓弧DE；將擺線的等距曲線JK向外等距偏移R₆，再將線段的包絡(luò)線HI向內(nèi)等距偏移R₆，得到的兩條曲線的交點(diǎn)，就是第三爪尖圓弧IJ的圓心(X_IJ,Y_IJ)，以該點(diǎn)為圓心，作半徑為R₆的圓，與線段的包絡(luò)線HI和擺線的等距曲線JK相切，切點(diǎn)分別是：I點(diǎn)和J點(diǎn)，得到第三爪尖圓弧IJ；

以上：t—角度參數(shù)，rad；R₂—節(jié)圓半徑，mm；R₁—爪頂圓弧半徑，mm；R₃—爪底圓弧半徑，mm；且2R₂＝R₁+R₃；R₄,R₅,R₆—爪尖圓弧半徑，mm；且R₄＝R₅＝R₆；α、β、γ、ζ—角度，rad。

全光滑的直爪爪式轉(zhuǎn)子型線的構(gòu)建過程：①以O(shè)為原點(diǎn)，根據(jù)以上方程，得到節(jié)圓圓弧GH、初始線段的包絡(luò)線H₁I₁、第三爪尖圓弧IJ、初始擺線的等距曲線J₁K₁、爪底圓弧KA、擺線的等距曲線AB、第一爪尖圓弧BC、爪頂圓弧CD、第二爪尖圓弧DE、初始擺線的等距曲線E₁F₁和初始線段F₂G₂；②將初始擺線的等距曲線J₁K₁以原點(diǎn)O為旋轉(zhuǎn)中心，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)α角度后，得到擺線的等距曲線JK；③將初始線段的包絡(luò)線H₁I₁以原點(diǎn)O為旋轉(zhuǎn)中心，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)α+β角度后，得到線段的包絡(luò)線HI；④將初始擺線的等距曲線E₁F₁以原點(diǎn)O為旋轉(zhuǎn)中心，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)γ+ζ角度后，得到擺線EF；⑤將初始線段F₂G₂以原點(diǎn)O為旋轉(zhuǎn)中心，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)α+β+γ角度后，得到線段FG。

一種全光滑的直爪爪式轉(zhuǎn)子，其轉(zhuǎn)子型線如一種全光滑的直爪爪式轉(zhuǎn)子所述的型線一致。

一種爪式真空泵，使用上述的一種全光滑的直爪爪式轉(zhuǎn)子。

一種爪式壓縮機(jī)，使用上述的一種全光滑的直爪爪式轉(zhuǎn)子。

一種爪式膨脹機(jī)，使用上述的一種全光滑的直爪爪式轉(zhuǎn)子。

本實(shí)用新型的有益效果為：

①該爪式轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)了爪背段曲線的全嚙合，除擺線的等距曲線AB和第一爪尖圓弧BC外，其余曲線上所有的點(diǎn)都參與嚙合，解決了爪式轉(zhuǎn)子中線段不完全參與嚙合的問題，避免了爪背處因嚙合不完全而造成的泄漏，優(yōu)化了爪式型線的組成；

②該爪式轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)了組成型線全光滑，不存在不光滑點(diǎn)，改善了爪式轉(zhuǎn)子的受力特性和嚙合密封性，提高了爪式轉(zhuǎn)子的使用性能和壽命；

③減小了爪式轉(zhuǎn)子工作時(shí)的余隙容積，降低了使用功耗，提高了爪式流體機(jī)械的工作效率。

附圖說明

圖1是所提出的全光滑的直爪爪式轉(zhuǎn)子初始型線圖。

圖2是所提出的全光滑的直爪爪式轉(zhuǎn)子型線圖。

圖3是2個(gè)所提出的全光滑的直爪爪式轉(zhuǎn)子的嚙合關(guān)系圖。

圖4是2個(gè)所提出的全光滑的直爪爪式轉(zhuǎn)子在工作中各曲線的嚙合圖。

圖中：AB為擺線的等距曲線；BC為第一爪尖圓弧；CD為爪頂圓弧；DE為第二爪尖圓弧；EF為擺線的等距曲線；FG為線段；GH為節(jié)圓圓??；HI為線段的包絡(luò)線；IJ為第三爪尖圓??；JK為擺線的等距曲線；KA為爪底圓??；轉(zhuǎn)子1—左側(cè)爪式轉(zhuǎn)子；轉(zhuǎn)子2—右側(cè)爪式轉(zhuǎn)子。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。

如圖1所示，為一種全光滑的直爪爪式轉(zhuǎn)子的型線的生成過程，按照各型線方程直接生成各型線：節(jié)圓圓弧GH、初始線段的包絡(luò)線H₁I₁、第三爪尖圓弧IJ、初始擺線的等距曲線J₁K₁、爪底圓弧KA、擺線的等距曲線AB、第一爪尖圓弧BC、爪頂圓弧CD、第二爪尖圓弧DE、初始擺線的等距曲線E₁F₁、初始線段F₂G₂；

如圖2所示，為一種全光滑的直爪爪式轉(zhuǎn)子，由6段圓弧(BC、CD、DE、GH、IJ、KA)、3段擺線的等距曲線(AB、EF、JK)、1段線段(FG)和1段線段的包絡(luò)線(HI)連接而成，所構(gòu)成的爪式轉(zhuǎn)子的全部型線都是光滑連接的。

將圖1中的初始擺線的等距曲線J₁K₁以原點(diǎn)O為旋轉(zhuǎn)中心，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)α角度后，得到圖2中的擺線的等距曲線JK；將初始線段的包絡(luò)線H₁I₁以原點(diǎn)O為旋轉(zhuǎn)中心，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)α+β角度后，得到線段的包絡(luò)線HI；將初始線段F₂G₂以原點(diǎn)O為旋轉(zhuǎn)中心，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)α+β+γ角度后，得到線段FG；將初始擺線的等距曲線E₁F₁以原點(diǎn)O為旋轉(zhuǎn)中心，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)γ+ζ角度后，得到擺線的等距曲線EF。

所提出的爪式轉(zhuǎn)子型線的特點(diǎn)是：該爪式轉(zhuǎn)子型線由圓弧、擺線的等距曲線、線段和線段的包絡(luò)線構(gòu)成，該爪式轉(zhuǎn)子型線不存在不光滑連接點(diǎn)，即不存在尖點(diǎn)連接，除擺線的等距曲線AB和第一爪尖圓弧bc的嚙合外，全部曲線都能夠完全嚙合。因而所提出的爪式轉(zhuǎn)子具有更高的密封性，改善了使用性能，適用于較高轉(zhuǎn)速、較高壓力和較高溫度的使用場合，擴(kuò)大了爪式壓縮機(jī)和爪式真空泵的應(yīng)用范圍。

本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：根據(jù)爪式轉(zhuǎn)子在工作中的同步異向雙回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，根據(jù)型線的共軛嚙合原理，確定該運(yùn)動(dòng)方式下與圓弧共軛嚙合的曲線為擺線的等距曲線，得到其型線方程，確定圓弧和擺線的等距曲線的相對位置，使之光滑連接，得到整個(gè)爪式轉(zhuǎn)子型線。

如圖3所示，為2個(gè)所提出的全光滑的直爪爪式轉(zhuǎn)子型線的嚙合關(guān)系圖，相互嚙合的2個(gè)爪式轉(zhuǎn)子型線相同，在工作嚙合時(shí)，2個(gè)爪式轉(zhuǎn)子進(jìn)行同步異向雙回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；左側(cè)爪式轉(zhuǎn)子(轉(zhuǎn)子1)的擺線的等距曲線AB、第一爪尖圓弧BC、爪頂圓弧CD、第二爪尖圓弧DE、擺線的等距曲線EF、線段FG、節(jié)圓圓弧GH、線段的包絡(luò)線HI、第三爪尖圓弧IJ、擺線的等距曲線JK和爪底圓弧KA，分別與右側(cè)爪式轉(zhuǎn)子(轉(zhuǎn)子2)的第一爪尖圓弧bc、擺線的等距曲線ab、爪底圓弧ka、擺線的等距曲線jk、第三爪尖圓弧ij、線段的包括線hi、節(jié)圓圓弧gh、線段fg、擺線的等距曲線ef、第二爪尖圓弧de和爪頂圓弧cd相嚙合。

如圖4所示，為2個(gè)所提出的全光滑的直爪爪式轉(zhuǎn)子在工作中各曲線間的嚙合圖，(a)～(i)圖中各相鄰圖所對應(yīng)的主軸轉(zhuǎn)角相錯(cuò)10°；即(a)圖到(b)圖左側(cè)爪式轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)10°，右側(cè)爪式轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)10°；(b)圖到(c)圖左側(cè)爪式轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)10°，右側(cè)爪式轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)10°；以此類推。在(a)圖中，左側(cè)爪式轉(zhuǎn)子的線段的包絡(luò)線HI與右側(cè)爪式轉(zhuǎn)子的線段fg相互嚙合；在(b)、(c)和(d)圖中，左側(cè)爪式轉(zhuǎn)子的擺線的等距曲線AB與右側(cè)爪式轉(zhuǎn)子的第一爪尖圓弧bc相互嚙合，左側(cè)爪式轉(zhuǎn)子的第三爪尖圓弧IJ與右側(cè)爪式轉(zhuǎn)子的擺線的等距曲線ef相嚙合；在(c)和(d)圖中，左側(cè)爪式轉(zhuǎn)子的擺線的等距曲線JK與右側(cè)爪式轉(zhuǎn)子的第二爪尖圓弧de相嚙合；在(e)圖中，左側(cè)爪式轉(zhuǎn)子的第一爪尖圓弧BC與右側(cè)爪式轉(zhuǎn)子的擺線的等距曲線ab相嚙合；在(f)和(g)圖中，左側(cè)爪式轉(zhuǎn)子的擺線的等距曲線EF與右側(cè)爪式轉(zhuǎn)子的第三爪尖圓弧ij相嚙合；在(h)和(i)圖中，左側(cè)爪式轉(zhuǎn)子的線段FG與右側(cè)爪式轉(zhuǎn)子的線段的包絡(luò)線hi相嚙合。

上述雖然結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對本實(shí)用新型保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本實(shí)用新型的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍以內(nèi)。