专利名称：螺旋转子机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及到一种由齿条所产生的曲线做为转子的轮廓的螺旋转子机构，特别涉及可调整力矩分配及高效率的螺旋转子机构，以及具有此种轮廓的一对螺旋转子。
背景技术：
先前的研究显示螺旋转子轮廓对在螺旋转子机构的效率有很大影响，在20世纪70年代初期，非对称轮廓线形取代对称圆弧轮廓线形后，压缩机效率提高10％，近年来，为了达到降低噪音、节省能源的要求，在线形的设计上更加入了许多考虑，如热变形、受力变形等，一旦成功的设计出高效率的转子轮廓，将使得整组螺旋转子机构的性能在市场上更加有竞争力。目前所广泛使用的螺旋转子机构的转子具有螺旋齿肋以及安插在其间的齿沟，以便在机器的工作空间内绕平行轴旋转，其中的一转子为母转子，其每一齿沟的主要部份位于节圆内部，而其它小部份则位于节圆外侧；另一转子为公转子，其每一齿肋的主要部份则位于节圆外侧，而其它小部份位于节圆内部。
先前已有多项专利显示此种螺旋转子机构的转子轮廓，这些先期技术对此类型轮廓有充分讨论，并且也大大地改进了该等机构的操作性能。例如美国专利第2622787号、第3787154号、第4412796号、第4890992号及第4406602号等。只是这些先期设计均是用传统产生转子线形的程序，即是以在一转子上定义主要齿形曲线，然后根据共轭理论，在另一个转子上创成一个相对应的共轭齿形曲线，然而，这些齿形并非为转子轮廓的最佳设计，而仍然有其实用及制造上的缺点；近来，发展了另外一种齿形产生的方法，即是以在曲率半径无穷大的齿条上定义主要曲线，然后分别创成两转子齿形，例如美国专利第4643654号及英国专利第9610289.2号，其优点在于利用定义齿条线形即可分别创成共轭的公、母转子轮廓，在齿条上的每一点，均可创成出转子线形上相对应的一点，其属于整段曲线创成，且齿条线形上的直线段将会在转子上生成相应的渐开线段，确保两转子在节圆附近的相对运动接近理想的滚动接触，有利于力矩的传递，同时在保持小回吹孔情况下，转子在整个接触长度上维持密封，而利用齿条创成的母转子叶片可比任何其它现有的螺旋式压缩机转子具有更大的截面积与更强壮的叶片，将有助在公、母转子受力矩的分配。
现有的螺旋转子轮廓，其利用公转子齿顶、母转子齿顶及缸壁在压缩时密封气体，但因为在轮廓的设计上母转子的齿厚往往不足而导致抗弯强度太小，或是左、右侧轮廓曲线的压力角不当而造成转子受力不均，再加上压缩时由于转子会受热膨胀以及受到气体高压的推挤容易造成齿叶变形，常会造成公转子齿顶或公、母转子间的磨损和振动噪音的形成，进而影响压缩机的效率。
本发明有鉴在现有的螺旋转子在设计上的不足，积极进行研究改良，经不断的尝试与试验后，发展出确具实用功效的一种可符合最佳啮合设计的转子，以便构成具备最佳效率、力矩分配合理的螺旋转子机构。
发明内容
本发明螺旋转子机构的技术方案为具有一对互相啮合而可在机器的工作空间内绕平行的轴心线旋转的转子，转子上各有数个具有螺旋齿肋以及可互为交插的齿沟，其中的一转子为公转子，其轮廓由一齿条所产生；另一转子为母转子，其轮廓亦由产生公转子轮廓的同一齿条所生成。
本发明是采用以下技术方案实现的一种螺旋转子机构，包括由相互啮合的螺旋齿叶与设在齿叶间的螺旋齿沟所构成的公转子与母转子，其特征在于公转子与母转子的轮廓由一齿条所产生；其中齿条是由多数线段所构成，齿条的起点与终点间所夹的距离为齿节距p1，其公转子的节圆长度除以公转子的齿数，而公转子的节圆半径为两转子中心之间的距离d0乘以公转子齿数再除以两转子的齿数合；母转子的节圆以母转子的转轴为圆心，两转子的中心距d0乘以母转子齿数再除以两转子的齿数合为半径，母转子的齿根圆以其中心为圆心，半径为节圆的半径减0.15～0.35倍的转子中心线的长度d2，母转子的齿项圆则为以其中心为圆心，半径为比节圆的半径大0.005～0.05倍的转子间中心距长度d1所作的圆；公转子的齿顶圆为以其中心为圆心，其节圆半径加0.15～0.35倍的两转子中心长度d2所作的圆；其齿根圆为以其中心为圆心，其节圆半径减0.005～0.05倍的两转子间中心距长度d1所作的圆。
前述的公转子的节圆，齿顶圆与齿根圆分别与母转子的节圆、齿根圆与齿顶圆外切在连接两转子转轴的平面40，而节线为相切在两节圆且垂直在该平面40的线。
前述的齿条的轮廓由下列的多数曲线线段构成第一圆弧71圆弧的圆与母转子的齿顶圆及公转子的齿根圆相切的切线60a，该圆的圆心位于离所述平面一距离处，其半径r1为d1的1～2倍，其起点在切线60a上，圆弧的张开角度为90°减高压侧压力角u；第一曲线或直线段72
其起点为所述第一圆弧的终点，其长度小于2d1-r1，其与水平线间夹着所述高压侧压力角u；第二曲线73以下列步骤求得在第一曲线的终点沿该第一曲线的法线方向延伸一距离k得一点，并在该终点画一垂直在所述第一曲线或直线段73d以在所述节在线得到一个点90；将母转子的节圆初始点移动至该点90，母转子的节圆与节线在点90相切，且与直线73d相交在一点73a，而该点73a对母转子节圆的相对位置维持不变；转动该节圆至在所述节在线的一点100，则获得一对应在所述点73a的轨迹线的曲线73c；求得第一摆线73c的等距线，该等距线并与所述第一曲线或直线段的终点相接；第三曲线74以下列步骤求得在第二曲线73的终点73b画出一长度为l的法线以获得一点74a；移动公转子节圆的起始点至所述点100；连接点74a与100，使得点74a对公转子节圆的相对位置维持不变；在所述节在线转动公转子的节圆，则获得一对应在所述点74a的轨迹的第二摆线74c；求得第二摆线74c的等距线，该等距线并与所述第二曲线的终点相接；第四圆弧曲线75该圆弧的圆的圆心公转子与母转子的节圆相互外切的点，其半径的长度d2；末线段或曲线79其一沿着所述直线60a位于平面40另一侧的段上点所定义的线段或曲线，该点与所述第一圆弧起点之间的距离p1；一末圆弧78圆弧的圆与所述直线60a相切，而圆心与所述平面40的距离为p1-d1，半径r2为d1的1～5倍，圆弧对其圆心所张开的-低压侧压力角v角度大小为90°；一末段曲线或直线段77此曲线起始在上述末圆弧78的终点，其长度小于6d1-r2，其与水平线所夹着的角度与低压侧压力角v相等；中间椭圆弧76其连接所述末段曲线或直线段77与所述第四圆弧曲线75，其满足在其两端点处为保持切线连续与接点连续的条件。
前述的产生第一圆弧的圆的圆心离开所述平面40一段0.3～0.5倍p1的距离，其半径则为l1的1～2倍的长度。
前述的高压侧压力角u为6°～15°；而低压侧压力角v为30°～45°前述的第一曲线或线段的长度为小于2.0d1-r1。
前述的在创生摆线时，母转子与公转子的节圆分别转动1/18圈到1/6圈。
前述的第四圆弧曲线的张开角度小于10°，且其公转子齿顶的保护角β。
前述的椭圆弧的椭圆在设计上先给定0.5～3.5倍中心距的椭圆长轴长度，然后在满足连续条件下求得椭圆圆心的位置、椭圆绕其圆心转动的角度以及椭圆弧区间参数范围。
前述的齿条沿着节线做水平移动而母转子对其转轴做相对转动时，母转子的单一齿形轮廓可由此相对运动关以及啮合条件求得，且齿条上的曲线分别生成相对应的母转子轮廓曲线，每条相对应曲线在运动时完全啮合。
前述的当齿条沿着节线做水平移动而公转子对其转轴做相对转动时，公转子的单一齿形轮廓可由此相对运动关以及啮合条件求得，且齿条上的曲线分别生成相对应的公转子轮廓的曲线，每条相对应曲线在运动时完全啮合。
本发明所提供的螺旋转子机构的优点在于两个相互啮合的公转子和母转子的轮廓曲线都是由一齿条轮廓线所产生，此方法可简化转子线齿形制成过程。其中，齿条的轮廓线包括有一条椭圆弧，此椭圆弧可调整长轴与短轴的比值，在齿条底部增加一段圆弧用以在公转子齿顶生成一段过渡圆弧，用以保护公转子齿顶，且公、母转子轮廓的左右侧齿形压力角以及母转子的齿厚也可调整，这种改进的设计，将使得力矩得以适当分配在公、母转子。同时，更可依照不同的工作状况和不同的螺旋转子机构类型来调整齿条轮廓以得到一对合适的螺旋转子，并可改善转子抗弯强度不足、降低噪音、减少泄漏及提升效率。
本发明与现有技术相比具有明显的优势和有益效果1、齿条70由数条曲线组成，其中每条曲线可依据需要做适当的调整。例如，可改变半径r1及r2的大小、椭圆长轴长度、每条直线的长度、角度β、u、v及延伸长度k、l，藉此，得到适用在各种应用情况下的压缩机(例如冷媒压缩机、空气压缩机、…等)。
2、经由同一齿条70可简易地生成公转子与母转子齿形，且生成的公、母转子间彼此共轭，将使得转子齿形的设计上更加简单。
3、由如1项的调整齿条上的曲线，可应用在不同性质、不同场合下的转子齿形，且若调整适当，将得到高效率且力矩合理分配在公、母转子的转子齿形。
4、公转子10的齿形由齿条70所生成，齿条70上的每条曲线创成公转子齿形上的相对应曲线，相对应的曲线与曲线间在做创成运动(如图5中的上图所示)时为完全啮合，属于整段齿条曲线创成，且整个轮廓介在齿顶圆14a与齿根圆14b之间。
5、母转子30的齿形由齿条70所生成，齿条70上的每条曲线创成母转子齿形上的相对应曲线，相对应的曲线与曲线间在做创成运动(如图5中的下图所示)时为完全啮合，属于整段齿条曲线创成，且整个轮廓介在齿顶圆34a与齿根圆34b之间。
图1、本发明所定义的公转子部份轮廓图。
图2、本发明所定义的母转子部份轮廓图。
图3、本发明螺旋转子啮合的整体轮廓图。
图4、本发明的转子局部放大视图。
图5A与图5B、齿条与公、母转子相对运动坐标图。
图6、齿条的摆线形成图。
具体实施例方式
请参阅以下有关本发明的详细说明与附图。
请参阅图1及图3所示，本发明的螺旋转子机构，包括公转子10与母转子30；其中，公转子10具有五个螺旋形齿肋11(在图1中仅显示一个完整的齿肋)，以及相同数目且安插在其间的螺旋形沟槽12(在图1中仅显示二个)，其具有节圆14及转轴16。与公转子10相啮合的转子为母转子30，母转子30上有可与公转子10啮合的轮廓；如图2所示，母转子30具有六个螺旋形齿肋31(在图2中仅显示二个完整的齿肋)，以及相等数目且安插在其间的螺旋沟槽32(在图2中仅显示一个)相对在公转子10，母转子30具有节圆34及转轴36；如图3所示，当两转子在机壳41内共同作用且互为啮合时，公转子10的转轴16与母转子30的转轴36位于一共同平面40上。
请参照图4，母转子30和公转子10轮廓的形成说明如下定义长度d1为0.005～0.05倍的转子间中心距长度；长度d2为0.15～0.35倍的转子间中心距长度，以母转子30的转轴36作为圆心，转子间中心距乘上母转子齿数再除以两转子齿数合的长度为半径作节圆34，以具有较节圆34半径小d2长度的半径作齿根圆34b，并以具有较节圆34半径大d1长度的半径作齿顶圆34a；另以公转子10的转轴16作为圆心，转子间中心距乘上公转子齿数再除以两转子齿数合的长度为半径作节圆14，以具有较节圆14半径大d2长度的半径作齿顶圆14a，并以具有较节圆14半径小d1的齿根圆14b，其中，圆14、14a、14b分别外切在圆34、34b、34a。齿顶圆14a及齿根圆34b与由转轴16、36所成的平面40在点50相交，在两节圆相切点处画一垂直平面40的直线做为节线60，定义一齿条70，其齿节距p1为公转子10的节圆14圆周长除以公转子10齿数；在齿条70的一侧以1～2倍d1的长度为半径r1作圆71c，圆弧71的起点71a与齿顶线60a相切，其圆心距垂直平面40上方0.3～0.5倍齿节距处，定义高压侧压力角u介在6°～15°之间，圆弧的起点71a、终点71b与圆心的夹角t1定义为90°-u，故终点71b不一定落在节线60上，视u及r1而决定，且r1过大会增加压缩机内部压缩气体的泄漏；过小则将导致加工困难；以点71b为起点，沿与水平线夹u角度的逆时针方向取小于2.0×d1-r1的长度画一直线(曲线)72且得到终点72a；如图6所示，(图中的节圆34为示意，非实际的尺寸)从点72a沿直线72的法线方向延伸一大于r1的距离k得点73a，沿直线72的法线反方向延伸交节线60在点90，将节圆34的初始位置移至点90，将点73a固连在节圆34上，点73a与节圆34的相对位置在滚动中保持不变，将节圆34从初始位置点90开始在节线60上向下滚动1/18～1/6圈的范围至末点100，而固连在节圆34的点73a即可画出一条特定长度的轨迹线，此轨迹线即为摆线73c，求得摆线(曲线)73c法线方向的摆线等距线73，使得摆线等距线(曲线)73与直线(曲线)72在点72a相切，延伸距离k将决定母转子30齿形在节圆34处的曲率半径大小；如图6所示，(图中的节圆14为示意，非实际的尺寸)沿曲线73的终点73b法线方向延伸一大在r1的距离l得点74a，将节圆14的初始位置移至点100，将点74a固连在节圆14上，点74a与节圆14的相对位置在滚动中保持不变，将节圆14从初始位置点100开始在节线60上向上滚动1/18～1/6圈的范围至末点110，而固连在节圆14的点74a即可画出一条特定长度的轨迹线，此轨迹线即为摆线74c，求得摆线(曲线)74c法线方向的摆线等距线74，使得摆线等距线(曲线)74与摆线等距线(曲线)73在点73b相切，延伸距离l将决定公转子齿形在齿顶圆14a处的曲率半径大小；节圆14与节圆34相切在一点80，以点80为圆心，长度d2为半径得到相切在点50及点74b的圆弧(曲线)75，点80至圆弧两端点50、74b间夹有一β角作为齿条创成公转子齿形上的齿顶保护角，角度介于0°～10°；定义摆线等距线(曲线)73与摆线等距线(曲线)74的长度以能够满足在接点73b上相切且曲线74末点74b的法线能通过点80的条件为原则；在齿条70另一侧在齿顶线60a上距点71a一个齿节距的距离取一点79a，沿齿顶线60a取0.02～0.06倍中心距的长度画一直线(曲线)79并得到终点79b，直线(曲线)79的长度将会影响所创成的母转子30齿厚，长度愈长，母转子齿厚愈大，能承受较大负载；长度愈小，母转子齿厚也愈小，所能承受的负载也较小且变形量会较大；以1～5倍d1的长度为半径r2作圆78a，圆弧78的起点79b与齿顶线60a相切，其圆心在垂直平面40下方齿节距扣掉d1距离处，定义低压侧压力角v介于30°～45°之间，圆弧的起点79b、终点78b与圆心的夹角t2定义为90°-v，故终点78b不一定落在节线60上，视v及r2而决定，且过小的半径r2将会使制造困难；以点78b为起点，沿与水平线夹v角度的方向取小于6倍d1减去r2的长度画一直线(曲线)77且得到终点77a。在求得点77a与点50后，选取一最适当的椭圆弧76，此椭圆弧76的选择必需满足其在接点50与点77a处为保持切线连续及接点连续的条件，重要的是，为了满足切线连续与接点连续，需放宽椭圆弧的自由度以满足连续条件，故设计上先给定0.5～3.5倍中心距的椭圆长轴长度，然后在满足连续条件下求得椭圆圆心的位置、椭圆绕其圆心转动的角度以及椭圆弧区间参数范围；如图5所示，当齿条70沿着节线60做水平移动而母转子30对其转轴36做相对转动时，母转子30的单一齿形轮廓可由此相对运动关系及啮合条件求得，且齿条70上的曲线分别生成相对应的母转子30轮廓曲线，每条相对应曲线在运动时为完全啮合；当齿条70沿着节线60做水平移动而公转子10对其转轴16做相对转动时，公转子10的轮廓可由此相对运动关系以及啮合条件求得，且齿条70上的曲线分别生成相对应的公转子10轮廓的曲线，每条相对应曲线在运动时为完全啮合；最后应说明的是以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种螺旋转子机构，包括由相互啮合的螺旋齿叶与设在齿叶间的螺旋齿沟所构成的公转子与母转子，其特征在于公转子与母转子的轮廓由一齿条所产生；其中齿条是由多数线段所构成，齿条的起点与终点间所夹的距离为齿节距p1，其公转子的节圆长度除以公转子的齿数，而公转子的节圆半径为两转子中心之间的距离d0乘以公转子齿数再除以两转子的齿数合；母转子的节圆以母转子的转轴为圆心，两转子的中心距d0乘以母转子齿数再除以两转子的齿数合为半径，母转子的齿根圆以其中心为圆心，半径为节圆的半径减0.15～0.35倍的转子中心线的长度d2，母转子的齿项圆则为以其中心为圆心，半径为比节圆的半径大0.005～0.05倍的转子间中心距长度d1所作的圆；公转子的齿顶圆为以其中心为圆心，其节圆半径加0.15～0.35倍的两转子中心长度d2所作的圆；其齿根圆为以其中心为圆心，其节圆半径减0.005～0.05倍的两转子间中心距长度d1所作的圆。
2.根据权利要求1所述的螺旋转子机构，其特征在于其中公转子的节圆，齿顶圆与齿根圆分别与母转子的节圆、齿根圆与齿顶圆外切在连接两转子转轴的平面(40)，而节线为相切在两节圆且垂直在该平面(40)的线。
3.根据权利要求2所述的螺旋转子机构，其特征在于其中所述齿条的轮廓由下列的多数曲线线段构成第一圆弧(71)圆弧的圆与母转子的齿顶圆及公转子的齿根圆相切的切线(60a)，该圆的圆心位于离所述平面一距离处，其半径r1为d1的1～2倍，其起点在切线(60a)上，圆弧的张开角度为90°减高压侧压力角u；第一曲线或直线段(72)其起点为所述第一圆弧的终点，其长度小于2d1-r1，其与水平线间夹着所述高压侧压力角u；第二曲线(73)以下列步骤求得在第一曲线的终点沿该第一曲线的法线方向延伸一距离k得一点，并在该终点画一垂直在所述第一曲线或直线段(73d)以在所述节在线得到一个点(90)；将母转子的节圆初始点移动至该点(90)，母转子的节圆与节线在点(90)相切，且与直线(73d)相交在一点(73a)，而该点(73a)对母转子节圆的相对位置维持不变；转动该节圆至在所述节在线的一点(100)，则获得一对应在所述点(73a)的轨迹线的曲线(73c)；求得第一摆线(73c)的等距线，该等距线并与所述第一曲线或直线段的终点相接，此即为第二曲线；第三曲线(74)以下列步骤求得在第二曲线(73)的终点(73b)画出一长度为l的法线以获得一点(74a)；移动公转子节圆的起始点至所述点(100)；连接点(74a)与(100)，使得点(74a)对公转子节圆的相对位置维持不变；在所述节在线转动公转子的节圆，则获得一对应在所述点(74a)的轨迹的第二摆线(74c)；求得第二摆线(74c)的等距线，该等距线并与所述第二曲线的终点相接，此即为第三曲线；第四圆弧曲线(75)该圆弧的圆的圆心公转子与母转子的节圆相互外切的点，其半径的长度d2；末线段或曲线(79)其一沿着所述直线(60a)位于平面(40)另一侧的段上点所定义的线段或曲线，该点与所述第一圆弧起点之间的距离为p1；一末圆弧(78)圆弧的圆与所述直线(60a)相切，而圆心与所述平面(40)的距离为p1-d1，半径r2为d1的1～5倍，圆弧对其圆心所张开的-低压侧压力角v角度大小为90°；一末段曲线或直线段(77)此曲线起始在上述末圆弧(78)的终点，其长度小于6d1-r2，其与水平线所夹着的角度与低压侧压力角v相等；中间椭圆弧(76)其连接所述末段曲线或直线段(77)与所述第四圆弧曲线(75)，其满足在其两端点处为保持切线连续与接点连续的条件。
4.根据权利要求3所述的螺旋转子机构，其特征在于其中产生第一圆弧的圆的圆心离开所述平面(40)一段0.3～0.5倍p1的距离，其半径则为l1的1～2倍的长度。
5.根据权利要求3所述的螺旋转子机构，其特征在于其中高压侧压力角u为6°～15°；而低压侧压力角v为30°～45°。
6.根据权利要求3的螺旋转子机构，其特征在于其中所述第一曲线或线段的长度为小于2.0d1-r1。
7.根据权利要求3的螺旋转子机构，其特征在于其中在创生摆线时，母转子与公转子的节圆分别转动1/18圈到1/6圈。
8.根据权利要求3的螺旋转子机构，其特征在于中所述第四圆弧曲线的张开角度小于10°，且其公转子齿顶的保护角β。
9.根据权利要求3的螺旋转子机构，其特征在于其中所述椭圆弧的椭圆在设计上先给定0.5～3.5倍中心距的椭圆长轴长度，然后在满足连续条件下求得椭圆圆心的位置、椭圆绕其圆心转动的角度以及椭圆弧区间参数范围。
10.根据权利要求3的螺旋转子机构，其特征在于其中当齿条沿着节线做水平移动而母转子对其转轴做相对转动时，母转子的单一齿形轮廓可由此相对运动关系以及啮合条件求得，且齿条上的曲线分别生成相对应的母转子轮廓曲线，每条相对应曲线在运动时完全啮合。
11.根据权利要求3的螺旋转子机构，其特征在于其中当齿条沿着节线做水平移动而公转子对其转轴做相对转动时，公转子的单一齿形轮廓可由此相对运动关系以及啮合条件求得，且齿条上的曲线分别生成相对应的公转子轮廓的曲线，每条相对应曲线在运动时亦为完全啮合。
全文摘要
本发明公开了一种由齿条所产生的曲线作为转子轮廓的螺旋转子机构，特别涉及将力矩合理分配且高效率的螺旋转子机构，以及具有此种轮廓的一对螺旋转子。在该螺旋转子机构中设有一对相互啮合的螺旋转子，该对螺旋转子具有螺旋齿肋及安插在其间的齿沟，以便在机器的工作空间内绕平行轴旋转，其中的一转子为母转子，另一转子为公转子，本发明主要目的在提供一种可符合最佳啮合设计的转子，以便构成具备齿形设计简易、效率佳且力矩合理分配在公、母转子的螺旋转子机构。
文档编号F01C1/20GK1746462SQ20041007436
公开日2006年3月15日 申请日期2004年9月10日 优先权日2004年9月10日
发明者李后藤, 冯展华, 吴育仁 申请人:复盛股份有限公司