专利名称：用三面共点构造法构造的单螺杆压缩机的星轮的制作方法
技术领域：
本发明涉及软件开发、机械设计及制造技术领域，特别涉及空间共轭啮合副二次包络面的三面共点构造法及采用该方法构造的单螺杆压缩机的星轮。
背景技术：
空间共轭啮合理论适用的领域非常广泛，如机械加工中的刀具、磨具、磨轮；材料成形中的挤轮、轧辊、模具；机械传动中的凸轮、齿轮、蜗轮蜗杆和环面蜗轮蜗杆；流体机械中的单螺杆压缩机、单螺杆膨胀机、螺杆压缩机和泵类；精密仪器仪表、共轭啮合的机构以及其它需要共轭啮合的装置；等等。空间共轭啮合副的设计和制造可以用包络法来实现。在一个包含三个空间0、I、II的机械系统中，其中0代表参考空间或静止空间， I、II代表运动空间，I、II运动空间相对于0参考空间的运动各为φ、、φ2。设型面A在I 运动空间内，当I运动空间和型面A相对于0参考空间按約运动，II运动空间相对于0参考空间做外运动时，/ =约/約，型面A在II运动空间中包络出曲面B，若满足啮合条件， 这一过程称为空间共轭啮合型面的一次包络，曲面B则称为空间共轭啮合型面的一次包络面B1。当II运动空间包括在II运动空间中已被包络出来的一次包络面B相对于0参考空间按Φ 2运动，I运动空间相对于0参考空间做Φ i运动时，/ =办/么=φλ /φ2，一次包络面 B在I运动空间中包络出曲面2，则这一过程称为空间共轭啮合型面的二次包络，曲面] 则称为空间共轭啮合型面的二次包络面1。经过一、二次包络获得的两型体啮合就是一对空间共轭啮合副，单螺杆压缩机、单螺杆膨胀机以及环面蜗轮蜗杆等就是典型的空间共轭啮合副。目前，空间共轭啮合副如单螺杆压缩机和膨胀机中的螺杆和环面蜗轮蜗杆中的蜗杆等的设计和制造都具有成熟的技术，但如单螺杆压缩机和膨胀机中的星轮和环面蜗轮蜗杆中的蜗轮等二次包络面的设计和制造技术却严重缺乏。工程界涉及这一技术时，要么是回避如“对环面蜗杆副来说，不可能也没有必要对所有的接触线进行计算和研究。通常只对有代表性的接触线进行讨论，如入口接触线、出口接触线、某一瞬时的同时接触线。[2]” 要么是没有真正设计出星轮的型面，只能根据螺杆与星轮的运动原理制造的专机滚切加工得到星轮的型面，“星轮相当于球面蜗轮，其齿面是螺杆齿面的包络面，只能用滚切加工。 [3]"采用滚切加工方法生产单螺杆压缩机(或单螺杆膨胀机)的星轮及环面蜗轮蜗杆的蜗轮的二次包络面存在诸多缺陷，其一是需要专机，因此加工成本很高，生产效率很低； 其二是加工精度很难控制，因为任何机械设备都有间隙，有间隙带误差的滚切加工获得的啮合副精度很难保证；其三是批量生产困难。现在也有按加工螺杆转子时多方位圆柱铣刀的设定位置，取各铣刀圆柱上能接触
3到螺杆转子齿面的表面，把这些窄条状表面按原方位放置，并将每两个相邻表面用外切直线光滑连接，再用计算机按曲线拟合的近似方法进行处理的4。这种方法不能精确得到说明书附图2中的5、10和13接触密封工作区，更得不到6、7、11、12、13和14标示的瞬时接触区，本质上已背离了空间共轭啮合副的啮合规律，不可能得到精确的啮合副。1、陈志新共轭曲面原理及其应用--陈志新论文集中国科学技术出版社2008. 52、周良墉环面蜗杆修型原理及制造技术国防科技大学出版社2005. 93、方宜荣查世梁等单螺杆压缩机技术的全面突破机械开发1997.64、CN100408240C多圆柱铣削包络单螺杆压缩机齿面型线构成方法
发明内容针对空间共轭啮合副设计和制造技术的严重缺失和不足，本发明的目的在于，提供一种空间共轭啮合副二次包络面的三面共点构造法，通过构造两个辅助平面同二次包络面相交产生公共交点构造单螺杆压缩机(或单螺杆膨胀机)的星轮及环面蜗轮蜗杆的蜗轮的型面，然后设计出星轮的三维立体模型，在计算机中实现空间共轭啮合副的精密共轭啮合，再用车铣复合加工中心或五坐标机床等加工出实体。为了实现上述目的，本发明所采用的技术解决方案如下单螺杆压缩机和单螺杆膨胀机的空间共轭啮合副由一根螺杆和两个星轮构成，环面蜗轮蜗杆副由一根蜗杆和一个蜗轮构成，无论是哪一种其原理都是一样的。为叙述方便以单螺杆压缩机为例，单螺杆压缩机由一根螺杆、两个星轮、一个机体以及螺杆轴和星轮轴等组成、螺杆装设在螺杆轴上，螺杆轴用轴承支撑在机体内，两个星轮装设在螺杆两边并分别与螺杆啮合。用向量函数为A = A(u，V)(其中1!和￥为型面A的型面参数)的型面做产形面A代替星轮齿的型面，星轮相对于机体按灼运动，螺杆相对于机体做外运动， / =夠/夠，产形面A在螺杆上包络出一次包络面B，为方便叙述一次包络面B用向量函数 r2 =饵灼,《，VO1,W))表示，满足一次包络的啮合方程N · V = 0，N为一次包络面A上的一点的法向量，V为一次包络面A上同一点的相对运动速度。空间共轭啮合副之一的螺杆的型面已包络生成。以螺杆的一次包络面B做产形面，相对于机体按Φ2运动，星轮相对于机体做Ct1 运动，/ = A /么=φ,/φ2，一次包络面B在星轮上包络出二次包络面3，为叙述方便二次包络面]用向量函数为〒=]队，灼，10表示。利用向量函数& = 病，钓,《)直接在计算机中生成所述星轮的二次包络面2是困难的。为解决此问题，本发明公开了一种三面共点构造法，其特征在于在星轮的坐标空间中构造两个辅助平面，加上向量函数 = 於,钓,Μ)生成的包络面，利用这三个面的一个公共交点在星轮齿的型面上的特点，构造出星轮齿的型面。具体方法如下(1)、构造包络面星轮齿的啮合型面分为前侧面、后侧面和齿顶面，为叙述方便具体涉及到前侧面、后侧面和齿顶面的包络面时则用前侧包络面2ρ、后侧包络面
和齿顶包络面Zi,代替包络面Ii。取钓(i = 1，2，……，η)，由二次包络面3的向量函数孑=身病，仍,《)在星轮空间中生成用向量函数族K =(i = 1,2,……,η)
表示的η个包络面，其中第i包络面简称包络面^。[0019]O)、构造轴向平面以所述星轮和螺杆的中心的连线(a)或平行于星轮和螺杆中心的连线的一条直线(b)做轴线L作同轴平面族，为叙述方便用向量函数为rj = θ ( θ LJ) (j = 1,2,……，m)表示，θ LJ为平面族r」=θ (θ LJ) (j = 1,2,……，m)中第j 平面的特征角，θ LJ由所选基准面和j的值决定，其中第j平面简称轴向平面θ u。(3)、构造径向平面Uk 作垂直于所述轴线L的平面族，为叙述方便用向量函数为 =U(Uk) (k = 1，2，……，W)表示，Uk为平面族= U(Uk) (k = 1，2，……，W)中第k平面与轴线L的交点沿轴线L到星轮或螺杆坐标平面的距离，其中第k平面简称径向平面Uk或构造另一轴向平面θ lk 在星轮的中心平面内，作垂直于所述轴线L的直线1， 以直线1做轴线作过所述轴线1的平面族，为叙述方便用向量函数为!"k= θ (0lk) (k=i, 2，……，w)表示，θ lk为平面族η = θ (0lk) (j = 1,2,……，m)中第k平面的特征角， θ lk由所选基准面和k的值决定，其中第k平面简称轴向平面elk。所述星轮的中心平面是过星轮的中心点且垂直于星轮轴的平面。0)、构造包络面、轴向平面θ u和径向平面Uk或另一轴向平面elk的公共交点duk min 构造所述前侧面的公共交点duk min使用前侧包络面Iqi、轴向平面θ。.和径向平面Uk，构造所述后侧面的公共交点dukmin使用后侧包络面、轴向平面和径向平面 Uk，构造所述齿顶面的公共交点dukmin使用齿顶包络面Ζ/,、轴向平面和轴向平面elk。 构造公共交点duk min有两种方法，即图解法和解析法。图解法以构造星轮齿的前侧面的公共交点duk min为例，首先在计算机系统中，构造出前侧包络面I9/、轴向平面θ U和径向平面Uk;其次绘制包络面和轴向平面9^的交线Iu、轴向平面θ u和径向平面Uk的交线、径向平面Uk和包络面Z7i的交线Iki;第三绘制三条交线lu、Ijk和Iki相交产生的公共交点dijk，包络面族。=2(病,％，《) (i = 1， 2，……，η)与交线‘有η个交点；最后选定沿交线到轴线L的距离|duk|的值为最小的交点dukmin，该点即为二次包络面3上的所求之点，这样的交点有mXw个。用同样的方法可以构造出星轮齿的后侧面和齿顶面。解析法同样，以构造星轮齿的前侧面的公共交点Clijkmin为例，用前侧包络面▲、 轴向平面θ u和径向平面Uk构造出nXmXw组方程组；求解这些方程组求出在星轮中的交点dijk的坐标值；然后求交点dijk到轴线L的距离|dijk| ；再比较确定|dijk|为最小值的交点duk min，交点duk min即为所求之点，这样的交点有mXw个。用同样的方法可以求出后侧面和齿顶面上所有的交点dijk min。(5)、构造星轮齿的二次包络面2 同样以构造星轮齿的前侧面为例，选取前侧包络面^,_、轴向平面θ u和径向平面Uk中任意一个面，如轴向平面θ u，用光滑曲线按顺序连结轴向平面9。_中的所有交点(^1;_&= 1,2,……，W)，再连结轴向平面族= 1， 2，……，m)中m条所述的光滑曲线即构造出二次包络面2。用同样的方法可以构造出后侧面和齿顶面。
1、图1为单螺杆压缩机星轮及星轮齿剖面图在图Ia中，1为星轮，2为星轮齿的前侧面，3为星轮齿齿顶面，4为星轮齿的后侧
5面。图Ib中的左图为星轮齿的橫剖面图，图中5为前侧面的共轭接触密封工作面，6为受压侧瞬时接触面，7为背压侧瞬时接触面，10为后侧面的共轭接触密封工作面，11为受压侧瞬时接触面，12为背压侧瞬时接触面，8为星轮齿的受压面，9为星轮齿的背压面。图Ib中的右图为星轮齿的纵剖面图，图中13为齿顶共轭接触密封工作面，14为齿顶受压侧瞬时接触面，15为齿顶背压侧瞬时接触面。2、图2为三面共点构造法的原理图O-XYZ是星轮的空间坐标系，图2a中曲面A1_A2_A3_A4是前侧包络面或后侧包络面，平面B1-B2-B3-B4是过轴线X或平行于轴线X的构造面即轴向平面，平面 C1-C2-C3-C4是垂直于轴线X的构造面即径向平面uk。图2b中，曲面A1-A2-A3-A4是齿顶包络面，平面B1-B2-B3-B4是过轴线X或平行于轴线X的构造面即轴向平面θ u，平面 D1-D2-D3-D4是过轴线Y的构造面即轴向平面θ lk。3、图3为用三面共点构造法设计的空间共轭啮合副图中1为星轮，16为螺杆，17为螺杆轴，18为星轮轴，19为蜗轮，20为蜗杆。其中图3a为螺杆轴与星轮轴垂直交叉的单螺杆压缩机啮合副，图3b为螺杆轴与星轮轴倾斜交叉的单螺杆压缩机啮合副，图3c为环面蜗轮蜗杆啮合副。4、图4为用三面共点构造法设计的单螺杆压缩机1为星轮，16为螺杆，17为螺杆轴，21、22为端盖，23为机壳，24为星轮支架。星轮
的型面使用三面共点构造法生成。
具体实施方式
为了清楚理解本发明，用一个实施例进一步加以说明1、构造圆柱面在螺杆上的一次包络曲面B。用圆柱面做产形面代替星轮的一个齿，星轮相对于机壳按约运动，螺杆相对于机壳做灼运动，7 =仍Ιφ2。圆柱产形面在螺杆上包络出一次包络面B，一次包络面B的向量函数为r2 = Β{φλ,η,ν{φλ,η))，满足一次包络的啮合方程N · V = 0，N为一次包络面B上的一点的法向量，V为一次包络面B上同一点的相对运动速度。2、用三面共点构造法构造二次包络面B再用螺杆上的一次包络面B做产形面，相对于机体按Φ 2运动，星轮相对于机体做 Φ 运动，/ =病/么=约/灼，一次包络面B在星轮上包络出二次包络面]，二次包络面2 的函数为孑(於,钓,M)，显然用二次包络面]的函数厂=^於,钓,《)在计算机系统中直接生成二次包络面的型面是困难的。因此，用图2a和图2b所述的三面共点构造法在星轮的坐标空间中，构造函数厂=2(病,灼的型面叉首先用三面共点构造法构造星轮齿的前侧面和后侧面(1)、构造包络面星轮齿的啮合型面分为前侧面、后侧面和齿顶面，为叙述方便具体涉及到前侧面、后侧面和齿顶面的包络面^时则用前侧包络面3,,·、后侧包络面
和齿顶包络面代替包络面孓。取Ψχ = , (i = 1，2，……，η)，由二次包络面2的向量函数F = 2(於,钓Α)在星轮空间中生成用向量函数族[二2(於， 幻(i = 1,2,……， η)表示的η个包络面，其中第i包络面简称包络面Z即图2a中的曲面A1_A2_A3_A4。[0042]O)、构造轴向平面以所述星轮和螺杆的中心的连线(a)或平行于星轮和螺杆中心的连线的一条直线(b)做轴线L作同轴平面族，为叙述方便用向量函数为rj = θ ( θ LJ) (j = 1,2,……，m)表示，θ LJ为平面族r」=θ (θ LJ) (j = 1,2,……，m)中第j 平面的特征角，θ。.由所选基准面和j的值决定，其中第j平面简称轴向平面即图加中的平面Β1-Β2-Β3-Β4。(3)、构造径向平面Uk 作垂直于轴线L的平面族，为叙述方便用向量函数为= u (uk) (k = 1,2,……，W)表示，Uk为平面族= U(Uk) (k = 1，2，……，W)中第k平面与轴线L的交点沿轴线L到星轮或螺杆坐标平面的距离，其中第k平面简称径向平面Uk即图 2a 中的平面 C1-C2-C3-C4。0)、构造包络面U向平面和径向平面Uk的公共交点dukmin 构造所述前侧面的公共交点dukmin使用前侧包络面^、轴向平面θ u和径向平面Uk，构造所述后侧面的公共交点dukmin使用后侧包络面,、轴向平面和径向平面Uk。构造公共交点dukmin 有两种方法，即图解法和解析法。图解法以构造星轮齿的前侧面的公共交点dijk min为例，首先在计算机系统中，构造出前侧包络面轴向平面θ U和径向平面Uk;其次绘制包络面和轴向平面9^的交线lu、轴向平面θ u和径向平面Uk的交线、径向平面Uk和包络面I的交线Iki;第三绘制三条交线IijUjk和Iki相交的公共交点dijk，包络面‘5 = 2(於,1幻族(i = 1,2,……， η)与交线‘有！!个交点；最后选定沿交线‘到轴线L的距离|duk|的值为最小的交点dijk min，该点即为二次包络面2上的所求之点，这样的交点有mXw个。用同样的方法可以构造出星轮齿的后侧面。解析法同样，以构造星轮齿的前侧面的公共交点dijk min为例，用前侧包络面Iq,、 轴向平面θ u和径向平面Uk构造出nXmXw组方程组；求解这些方程组求出在星轮中的交点dijk的坐标值；然后求交点dijk到轴线L的距离|dijk| ；再比较确定|dijk|为最小值的交点dijk min，交点dijk min即为所求之点，这样的交点有mXw个。用同样的方法可以构造出星轮齿的后侧面。(5)、构造星轮齿的二次包络面2 同样以构造星轮齿的前侧面为例，选取前侧包络面Zi,、轴向平面θ u和径向平面Uk中任意一个面，如轴向平面θ u，用光滑曲线按顺序连结轴向平面9。_中的所有交点(^1;_&= 1,2,……，W)，再连结轴向平面族= 1， 2，……，m)中m条所述的光滑曲线即构造出二次包络面2。其次用三面共点构造法构造星轮齿的齿顶面(1)、构造星轮齿顶包络面取φ, + (i = 1,2,……,η)，由二次包络面]的向量函数孑=及病,約,《)在星轮空间中生成用向量函数族[ = I(^ay) (i = 1,2,……， η)表示的η个包络面，其中第i包络面简称包络面Idi即图2b中的曲面A1-A2-A3-A4。O)、构造轴向平面以所述星轮和螺杆的中心的连线(a)或平行于星轮和螺杆中心的连线的一条直线(b)做轴线L作同轴平面族，为叙述方便用向量函数为rj = θ ( θ LJ) (j = 1,2,……，m)表示，θ LJ为平面族r」=θ (θ LJ) (j = 1,2,……，m)中第j 平面的特征角，θ。.由所选基准面和j的值决定，其中第j平面简称轴向平面θ u即图2b 中的 B1-B2-B3-B4。[0051](3)、构造另一轴向平面θ lk:在星轮的中心平面内，作垂直于所述轴线L的直线1， 以直线1做轴线作过所述轴线1的平面族，为叙述方便用向量函数为rk= θ (6lk) (k=l, 2，……’w)表示，0lk为平面族rk= θ ( θ lk) (j = 1,2,……，m)中第k平面的特征角，θ lk 由所选基准面和k的值决定，其中第k平面简称轴向平面θ lk即图2b中的D1-D2-D3-D4。 所述星轮的中心平面是过星轮的中心点且垂直于星轮轴的平面。(4)、构造包络面]di、轴向平面θ LJ和另一轴向平面θ lk的公共交点dijk min 构造公共交点duk min有两种方法，即图解法和解析法。图解法首先在计算机系统中，构造出齿顶包络面Zs、轴向平面θ u和另一轴向平面θ lk ；其次绘制包络面和轴向平面θ U的交线Iu、轴向平面θ U和另一轴向平面 911;的交线1」1;、轴向平面9lk和包络面▲的交线Iki;第三绘制三条交线lu、Ijk和Iki相交产生公共交点dijk，包络面族i =(i = 1，2，……，η)与交线Ijk有η个交点； 最后选定沿交线‘到星轮中心的距离|duk|的值为最小的交点dukmin，该点即为二次包络面3上的所求之点，这样的交点有mXw个。解析法同样，用齿顶包络面Oifi、轴向平面和和另一轴向平面elk构造出 nXmXw组方程组；求解这些方程组求出在星轮中的交点dijk的坐标值；然后求交点dijk到星轮中心的距离IdijkI ；再比较确定IdijkI为最小值的交点dijkmin，交点dijkmin即为所求之点，这样的交点有mX W个。(5)、构造星轮齿的二次包络面2 选取齿顶包络面Zii、轴向平面9。_和另一轴向平面θ lk中任意一个面，如轴向平面θ u，用光滑曲线按顺序连结轴向平面0。.中的所有交点dijkmin (k = 1,2,……，w)，再连结轴向平面θ LjJjHj = U,……，m)中m条所述的光滑曲线即构造出二次包络面]。最后，利用以上步骤构造的星轮齿的前侧面、后侧面和齿顶面，应用三维软件绘制出星轮的实体模型。应用三面共点构造法设计空间共轭啮合副的星轮或蜗轮，能一次生成图Ia中前侧面的共轭接触密封工作面5、受压侧瞬时接触面6和背压侧瞬时接触面7，后侧面的共轭接触密封工作面10、受压侧瞬时接触面11和背压侧瞬时接触面12，齿顶面的共轭接触密封工作面13、受压侧瞬时接触面14和背压侧瞬时接触面15，星轮齿的型面同螺杆的型面是完全共轭啮合的，克服了专机包络由机械误差带来的精度问题，采用四坐标或五坐标联动机床加工，其精度完全可控在微米级。太大降低加工难度，提高生产效率，降低生产成本，适合大批量生产。本发明的本质是通过构造两个辅助平面同二次包络面三面相交产生交点，并利用最小距离原理确定交点在空间共轭啮合副的二次包络型面上，此方法不仅仅用于构造单螺杆压缩机的星轮，它具有广泛的适用性，能应用于机械设计或机械制造中的刀具、磨具、磨轮；材料成形中的挤轮、轧辊、模具；机械传动中的凸轮、齿轮、蜗轮蜗杆和环面蜗轮蜗杆； 流体机械中的单螺杆压缩机、单螺杆膨胀机、螺杆压缩机和泵类；精密仪器仪表、共轭啮合的机构以及其它需要共轭啮合的装置等各个行业和领域。
权利要求1. 一种单螺杆压缩机的星轮，其特征在于该星轮的星轮齿由受压面、背压面和采用三面共点构造法构造的前侧面、后侧面和齿顶面构成，前侧面、后侧面和齿顶面都包含一个起密封作用的共轭接触密封工作面、一个受压侧瞬时接触面和一个背压侧瞬时接触面。
专利摘要一种单螺杆压缩机的星轮，星轮齿包含前侧面、后侧面和齿顶面，其特征在于该星轮齿的前侧面、后侧面和齿顶面采用三面共点构造法生成，所述的三面共点构造法是用前侧包络面轴向平面θLj和径向平面uk构造星轮的前侧面，用后侧包络面轴向平面θLj和径向平面uk构造星轮的后侧面，用齿顶包络面轴向平面θLi和轴向平面θlk构造星轮的齿顶面。
文档编号F04C29/00GK202073789SQ20102052602
公开日2011年12月14日 申请日期2010年9月13日 优先权日2010年9月13日
发明者李锦上 申请人:李锦上