一种凸轮泵转子及其设计方法

本发明属于流体机械工程，特别涉及一种凸轮泵转子及其设计方法。

背景技术：

1、随着人们生活水平的提高，对环境保护及市容市貌提出了更高的要求。为了适应城市环境卫生建设的需求，城市环卫车得到广泛应用，水路系统是城市环卫车的核心部位，而水路系统的核心便是凸轮泵。作为一种容积式流体机械，凸轮泵通过一对相互啮合的凸轮转子在同步齿轮的带动下做同步异向双回转运动，实现工作腔容积的周期性变化，从而实现工质的吸入、等容输送和排出。

2、两个相互啮合的凸轮转子直接决定凸轮泵的工作性能，专利cn108916038b提出了一种大功率低脉动凸轮转子泵，减轻了流体的脉动现象，降低振动噪声。专利cn115929632a公开了一种变螺距多级罗茨真空泵及其转子设计方法，能够使转子的整体性能达到最优，提高极限真空度，降低能耗。目前，金属式凸轮转子的设计方面存在以下问题：①在凸轮泵工作过程中，扭叶凸轮转子存在极高的轴向力，加速了转子端面的磨损，影响了转子与泵腔端面之间的间隙，极大缩短了转子的寿命；②在同步异向双回转运动过程中，因金属转子在加工过程中与泵腔之间存在线型接触式间隙，其工作腔泄漏通道短，循环工质泄漏量大。

技术实现思路

1、本发明公开了一种凸轮泵转子及其设计方法，凸轮泵由第一转子、第二转子、泵腔、后端盖和前端盖组成；所公开的第一转子和第二转子具有相同的型线，第一转子的端面型线与第二转子的端面型线均由6n条曲线组成，轴向上，均由2条螺旋线组成；各段曲线光滑连接并且可以实现正确啮合；所公开的凸轮泵转子具有良好的自啮合性，降低了两个转子在工作过程中产生的流量脉动和压力脉动；同时，新型扭曲结构的设计极大减轻了扭叶凸轮泵转子产生的轴向力问题，并减小了凸轮泵金属转子循环工质泄漏大的问题，该转子的设计方法同时适用于二叶、三叶、四叶转子的设计。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、所述的一种凸轮泵转子，包括：第一转子、第二转子，其特征是：第一转子的端面型线的叶数为n，第二转子的端面型线的叶数为n，n＝2、3或4；

4、所述的第一转子的端面型线每个叶由6段曲线光滑连接组成，按逆时针方向依次为：第一渐开线的包络线ra、第一渐开线ab、第一齿顶圆弧bc、第二渐开线cd、第二渐开线的包络线de、第一齿底圆弧ef；

5、所述的第一转子的端面型线存在n条轴对称轴，以任意一条轴对称轴将第一转子的端面型线镜像后，与其自身完全重合；

6、所述的第一转子的端面型线关于其回转中心o1是中心对称的，以回转中心o1为中心将第一转子的端面型线逆时针旋转或后，与其自身完全重合；

7、所述的第二转子的端面型线与第一转子的端面型线完全相同；

8、所述的第二转子的端面型线每个叶由6段曲线光滑连接组成，按顺时针方向依次为：第六齿顶圆弧qr、第七渐开线ra、第七渐开线的包络线ab、第四齿底圆弧bc、第八渐开线的包络线cd、第八渐开线de；

9、所述的第二转子的端面型线存在n条轴对称轴，以任意一条轴对称轴将第二转子的端面型线镜像后，与其自身完全重合；

10、所述的第二转子的端面型线关于其回转中心o2是中心对称的，以回转中心o2为中心将第二转子的端面型线逆时针旋转或后，与其自身完全重合。

11、所述的一种凸轮泵转子，其特征是：第一转子的第一右螺旋线o1o1和第一左螺旋线o1o2构成“人”字形；所述的第一转子的生成过程为：所述的第一转子的端面型线依次沿第一转子的第一右螺旋线o1o1、第一转子的第一左螺旋线o1o2作轴向螺旋展开生成第一转子；

12、第二转子的第二左螺旋线o2o3、第二转子的第二右螺旋线o2o4构成“人”字形；所述的第二转子的生成过程为：所述的第二转子的端面型线依次沿第二转子的第二左螺旋线o2o3、第二转子的第二右螺旋线o2o4作轴向螺旋展开生成第二转子；

13、所述的第一转子的第一右螺旋线o1o1、第一转子的第一左螺旋线o1o2与所述的第二转子的第二左螺旋线o2o3、第二转子的第二右螺旋线o2o4的螺距和圈数相同。

14、所述的一种凸轮泵转子，其特征是：第一转子和第二转子在同步异向双回转的工作过程中，能够实现正确啮合，其啮合关系为：第一转子的端面型线的第一渐开线的包络线ra、第一渐开线ab、第一齿顶圆弧bc、第二渐开线cd、第二渐开线的包络线de，分别与第二转子的端面型线的第七渐开线ra、第七渐开线的包络线ab、第四齿底圆弧bc、第八渐开线的包络线cd、第八渐开线de相互啮合。

15、所述的一种凸轮泵转子的设计方法，其特征是：包括以下步骤：

16、1)给定凸轮叶数n；给定齿顶圆半径r1；给定节圆半径r2；给定第一齿顶圆弧bc的中心角β；求得齿底圆半径r3＝2r2-r1；给定螺旋线半径r；给定转子厚度l；

17、以第一转子的回转中心o1为原点建立坐标系o1xyz，以回转中心o1为圆心分别作出半径为r1的齿顶圆、半径为r2的节圆、半径为r3的齿底圆；

18、2)按以下方程确定第一转子的端面型线的各种组成曲线：

19、①第一齿顶圆弧bc的方程为：

20、

21、②按以下步骤确定第一渐开线ab；

22、确定渐开线在b点处法线与x轴的夹角

23、给定渐开线在a点处法线与x轴的夹角θ2；

24、求得渐开线基圆半径rb为：

25、

26、求得渐开线基圆偏心角α为：

27、

28、求得渐开线基圆圆心的坐标(xo1，yo1)为：

29、

30、得到第一渐开线ab的方程为：

31、

32、③确定第一偏心共轭曲线ra为：

33、

34、式中：φ—包络线的偏心角，

35、④第一齿底圆弧ef的方程为：

36、

37、⑤将第一渐开线的包络线ra、第一渐开线ab沿镜像对称，得到第二渐开线的包络线de、第二渐开线cd；

38、⑥将第一渐开线的包络线ra、第一渐开线ab、第一齿顶圆弧bc、第二渐开线cd、第二渐开线的包络线de、第一齿底圆弧ef以第一转子的回转中心o1为中心进行n个环形阵列，得到第一转子的端面型线；

39、3)将第一转子的端面型线镜像对称得到第二转子的端面型线；

40、4)确定第一转子各种组成螺旋线的方程：

41、①第一右螺旋线o1o1的方程为：

42、

43、

44、

45、②第一左螺旋线o1o2的方程为：

46、

47、

48、

49、5)以第二转子的回转中心o2为原点建立坐标系o2xyz，确定第二转子各种组成螺旋线的方程：

50、①得到第二左螺旋线o2o3的方程为：

51、

52、

53、

54、②得到第二右螺旋线o2o4的方程为：

55、

56、

57、

58、6)根据第一转子的端面型线，沿第一转子的第一右螺旋线o1o1、第一转子的第一左螺旋线o1o2扫描生成第一转子；

59、7)根据第二转子的端面型线，沿第二转子的第二左螺旋线o2o3、第二转子的第二右螺旋线o2o4扫描生成第二转子；

60、以上：t—角度自变量，rad；n—凸轮叶数；r2—节圆半径，mm；r1—齿顶圆弧半径，mm；β—第一齿顶圆弧bc的中心角，rad；(xo1，yo1)—渐开线基圆圆心的坐标，mm；rb—渐开线基圆半径，mm；α—渐开线基圆偏心角，rad；θ1—渐开线在b点处法线与x轴的夹角，rad；θ2—渐开线在a点处法线与x轴的夹角，rad；r3—齿底圆弧半径，mm；φ—包络线的偏心角，rad；r—螺旋线半径，mm；l—转子厚度，mm。

61、一种凸轮泵，其特征是：使用所述的第一转子和第二转子。

62、本发明的有益效果为：

63、①所提出的一种凸轮泵转子，其端面型线各段曲线之间光滑连接，消除了曲线连接处的尖点，降低了转子工作过程中的应力集中；其两个转子型线均采用相同的设计方法，具有自啮合性。

64、②所提出的一种凸轮泵转子，采用双向扭转结构，在降低凸轮泵脉动的同时降低了转子间的轴向力，减轻了转子端面的磨损，提高了转子的使用寿命。

65、③所提出的一种凸轮泵转子，在同步异向双回转运动过程中，转子端面型线中的齿顶圆弧与泵腔具有相同的圆心，延长了转子与泵腔之间的接触，减小了循环工质的泄漏量。

66、④所提出的一种凸轮泵转子及其设计方法，该设计方法同时适用于二叶、三叶、四叶转子的设计。