本發(fā)明涉及雙螺桿真空泵，特別涉及適用于雙螺桿真空泵的一種基于偏心圓漸開線的全光滑螺桿轉(zhuǎn)子。

背景技術(shù)：

雙螺桿真空泵是一種回轉(zhuǎn)式流體機(jī)械，具有結(jié)構(gòu)簡單、運行平穩(wěn)、清潔無油、適應(yīng)多種工況的優(yōu)點，在半導(dǎo)體、化工、電子、核能、食品、醫(yī)藥領(lǐng)域應(yīng)用廣泛；雙螺桿真空泵的關(guān)鍵技術(shù)是平行裝配、相互嚙合的兩個螺桿轉(zhuǎn)子，工作時通過兩個螺桿轉(zhuǎn)子的同步異向雙回轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)泵內(nèi)被抽氣體的吸氣、壓縮和排氣過程；螺桿轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，尤其是端面型線的結(jié)構(gòu)，直接影響雙螺桿真空泵的抽氣量、級間密封和極限真空度。

目前常用的單頭凹齒面雙螺桿真空泵，兩個螺桿轉(zhuǎn)子滿足嚙合和傳動規(guī)律且互為共軛，其端面型線由4段曲線組成，分別為：齒根圓弧、齒頂圓弧、擺線、圓漸開線，其中齒根圓弧、齒頂圓弧的圓心和圓漸開線的基圓圓心重合，該螺桿轉(zhuǎn)子的端面型線存在不參與嚙合的部分，且螺桿轉(zhuǎn)子的空間接觸線不連續(xù)，工作時存在明顯的泄漏通道；對螺桿轉(zhuǎn)子的研究，很多是在此型線的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正和改進(jìn)：專利cn202926637提出了一種干式真空泵轉(zhuǎn)子型線，由5段曲線組成，在齒根圓弧與圓漸開線連接的位置，添加了一段擺線進(jìn)行修正；專利cn103233894提出了一種螺桿轉(zhuǎn)子型線，由6段曲線組成，在齒頂圓弧與圓漸開線和齒根圓弧與漸開線相連的位置，分別添加了一段圓弧和圓弧的包絡(luò)線進(jìn)行修正。

以上專利所提出的螺桿轉(zhuǎn)子的端面型線，都是通過在端面型線上的圓漸開線與齒根圓弧或齒頂圓弧的連接處分別添加修正曲線，改善螺桿轉(zhuǎn)子空間接觸線不連續(xù)、相鄰工作腔間存在泄漏的問題；但添加修正曲線會導(dǎo)致螺桿轉(zhuǎn)子端面型線的組成曲線更加復(fù)雜，影響螺桿轉(zhuǎn)子的加工和裝配精度，同時修正后的螺桿轉(zhuǎn)子仍然有較長的空間接觸線，相鄰工作腔通過空間接觸線的泄漏改善不明顯。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有單頭凹齒面雙螺桿真空泵存在泄漏的問題，為了解決現(xiàn)有型線修正引起的端面型線的組成曲線更加復(fù)雜的問題，為了豐富雙螺桿真空泵轉(zhuǎn)子的種類，本發(fā)明提出了一種基于偏心圓漸開線的全光滑螺桿轉(zhuǎn)子：包括左螺桿轉(zhuǎn)子(501)和右螺桿轉(zhuǎn)子(502)，兩個螺桿轉(zhuǎn)子的端面型線的形狀和組成曲線完全相同；左螺桿轉(zhuǎn)子(501)的左端面型線(201)由5段曲線組成：第一連接曲線ab，第一連接曲線的共軛曲線bc、第一齒頂圓弧cd、第一修正圓弧de、第一變形擺線ef、第一齒根圓弧fa，相鄰組成曲線之間完全光滑連接；右螺桿轉(zhuǎn)子(502)的右端面型線(202)由5段曲線組成：第二連接曲線ac、第二連接曲線的共軛曲線bc、第二齒頂圓弧cd、第二修正圓弧de、第二變形擺線ef、第二齒根圓弧fa，相鄰組成曲線之間也完全光滑連接；由端面型線螺旋展開生成的螺桿轉(zhuǎn)子，側(cè)面上相鄰齒面之間完全光滑連接，左螺桿轉(zhuǎn)子(501)和右螺桿轉(zhuǎn)子(502)能夠在同步異向雙回轉(zhuǎn)運動中完全嚙合；消除了螺桿轉(zhuǎn)子的應(yīng)力集中區(qū)域，改善螺桿轉(zhuǎn)子的力學(xué)性能，兩個螺桿轉(zhuǎn)子有連續(xù)且較短的空間接觸線，消除了泄漏通道，有利于減小相鄰工作腔之間通過空間接觸線的泄漏，提高螺桿轉(zhuǎn)子的極限真空度和抽氣量。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于偏心圓漸開線的全光滑螺桿轉(zhuǎn)子，包括左螺桿轉(zhuǎn)子(501)和右螺桿轉(zhuǎn)子(502)，兩個螺桿平行裝配且相互嚙合；兩個螺桿轉(zhuǎn)子的端面型線的形狀和組成曲線完全相同，在兩個螺桿轉(zhuǎn)子做角速度大小相同，方向相反的同步異向雙回轉(zhuǎn)運動中，左端面型線(201)上的第一連接曲線ab、第一連接曲線的共軛曲線bc、第一齒頂圓弧cd、第一修正圓弧de、第一變形擺線ef、第一齒根圓弧fa，分別與右端面型線(202)上的第二連接曲線的共軛曲線bc、第二連接曲線ab、第二齒根圓弧fa、第二變形擺線ef、第二修正圓弧de、第二齒頂圓弧cd實現(xiàn)完全正確的嚙合。

一種基于偏心圓漸開線的全光滑螺桿轉(zhuǎn)子，由端面型線沿螺桿轉(zhuǎn)子的軸線做螺旋展開生成；左螺桿轉(zhuǎn)子(501)的側(cè)面由6個齒面組成，依次為第一內(nèi)斜齒面(1)、第一外斜齒面(2)、第一齒頂面(3)、第一過渡齒面(4)、第一凹齒面(5)、第一齒根面(6)，這6個齒面依次是由左端面型線(201)上的第一連接曲線ab、第一連接曲線的共軛曲線bc、第一齒頂圓弧cd、第一修正圓弧de、第一變形擺線ef、第一齒根圓弧第一齒根圓弧fa沿螺桿轉(zhuǎn)子的軸線做螺旋展開生成的；所述的第一內(nèi)斜齒面(1)與第一外斜齒面(2)光滑連接，第一外斜齒面(2)與第一齒頂面(3)光滑連接，第一齒頂面(3)與第一過渡齒面(4)光滑連接，第一過渡齒面(4)與第一凹齒面(5)光滑連接，第一凹齒面(5)與第一齒根面(6)光滑連接，左螺桿轉(zhuǎn)子(501)側(cè)面上的相鄰齒面之間都完全光滑連接；右螺桿轉(zhuǎn)子(502)的側(cè)面由6個齒面組成，依次為：第二外斜齒面(7)、第二內(nèi)斜齒面(8)、第二齒根面(9)、第二凹齒面(10)、第二過渡齒面(11)、第二齒頂面(12)，各齒面與端面型線的對應(yīng)生成關(guān)系與左螺桿轉(zhuǎn)子(501)相同，右螺桿轉(zhuǎn)子(502)側(cè)面上的相鄰齒面之間也都完全光滑連接；在兩個螺桿轉(zhuǎn)子做同步異向雙回轉(zhuǎn)運動時，能滿足對應(yīng)齒面的完全嚙合，不存在干涉或者未參與嚙合的部分。

一種基于偏心圓漸開線的全光滑螺桿轉(zhuǎn)子，左端面型線(201)上的8個幾何參數(shù)：齒頂圓弧半徑r1、節(jié)圓半徑r2、齒根圓弧半徑r3、偏心圓漸開線的基圓半徑rb、修正圓弧半徑r、偏心圓漸開線基圓的圓心n與回轉(zhuǎn)中心點o1的距離h、偏心圓漸開線基圓的圓心n的相位角α、偏心圓漸開線的轉(zhuǎn)角β之間滿足以下方程組：

給定端面型線上的4個幾何參數(shù)：齒頂圓弧半徑r1、齒根圓弧半徑r3、偏心圓漸開線的基圓半徑rb、齒尖圓弧半徑r，帶入以上方程組即求出剩余的4個幾何參數(shù)，從而求出端面型線上所有的幾何參數(shù)。

本發(fā)明的有益效果為：

(1)所提出的螺桿轉(zhuǎn)子的端面型線上，相鄰兩段曲線之間完全光滑連接，整個端面型線是全光滑的，由端面型線沿螺桿轉(zhuǎn)子的軸線螺旋展開生成全光滑的螺桿轉(zhuǎn)子，相鄰齒面之間完全光滑連接，不存在應(yīng)力集中區(qū)域，改善了螺桿轉(zhuǎn)子的力學(xué)性能；

(2)所提出的螺桿轉(zhuǎn)子的端面型線用偏心圓漸開線及其包絡(luò)線平滑的連接齒根圓弧和齒頂圓弧，不需要添加額外的修正擺線或圓弧，端面型線的組成曲線較少，結(jié)構(gòu)較簡單，便于加工設(shè)計；

(3)所提出的螺桿轉(zhuǎn)子與現(xiàn)有的單頭凹齒面螺桿轉(zhuǎn)子螺桿轉(zhuǎn)子相比，具有連續(xù)且更短的空間接觸線；相鄰兩個工作腔之間不存在泄漏通道，通過空間接觸線的泄漏較小，進(jìn)而改善了雙螺桿真空泵的密封性能，提高了雙螺桿真空泵的極限真空度。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有的單頭凹齒面螺桿轉(zhuǎn)子端面型線圖。

圖2為第一實施例一種基于偏心圓漸開線的全光滑螺桿轉(zhuǎn)子的端面型線圖。

圖3為第二實施例一種基于偏心圓漸開線的全光滑螺桿轉(zhuǎn)子的端面型線圖。

圖4為第一實施例兩個螺桿轉(zhuǎn)子的端面型線在不同旋轉(zhuǎn)角度的嚙合示意圖。

圖5為第一實施例兩個螺桿轉(zhuǎn)子的嚙合圖。

圖6為第一實施例左螺桿轉(zhuǎn)子上的空間接觸線示意圖。

圖中：

r1—齒頂圓弧半徑；r2—節(jié)圓半徑；r3—齒根圓弧半徑；rb—偏心圓漸開線的基圓半徑；r—齒尖圓弧半徑；α—偏心圓漸開線基圓的圓心n的相位角；β—偏心圓漸開線的轉(zhuǎn)角；θ—直線mo1與x軸所夾的銳角；ω—工作時螺桿轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度；201—左端面型線；202—右端面型線；501—左螺桿轉(zhuǎn)子；502—右螺桿轉(zhuǎn)子；1—第一內(nèi)斜齒面；2—第一外斜齒面；3—第一齒頂面；4—第一過渡齒面；5—第一凹齒面；6—第一齒根面；7—第二外斜齒面；8—第二內(nèi)斜齒面；9—第二齒根面；10—第二凹齒面；11—第二過渡齒面；12—第二齒頂面；13—第一凹齒面接觸線；14—第一齒根面接觸線；15—第一內(nèi)斜齒面接觸線；16—第一外斜齒面接觸線17—第一齒頂面接觸線；18—第一過渡齒面接觸線。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖與實例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

本發(fā)明提到的偏心圓漸開線，指的是第一齒頂圓弧cd、第一齒根圓弧fa的圓心重合，都在左端面型線(201)的回轉(zhuǎn)中心點o1上，但偏心圓漸開線的基圓圓心n不在左端面型線(201)的回轉(zhuǎn)中心點o1上；本發(fā)明提到的端面型線，指的用一個垂直于螺桿轉(zhuǎn)子軸線的平面截斷螺桿轉(zhuǎn)子，斷面處螺桿轉(zhuǎn)子的輪廓曲線。

如圖1所示，為現(xiàn)有的單頭凹齒面螺桿轉(zhuǎn)子端面型線圖，現(xiàn)有的螺桿轉(zhuǎn)子端面型線主要由4段曲線組成：圓漸開線ab、齒頂圓弧bc、擺線cd、齒根圓弧da，其中圓漸開線ab的基圓和齒頂圓弧bc、齒根圓弧ad三者的圓心在o點處重合，圓漸開線ab和齒頂圓弧bc在連接點b處不光滑連接，圓漸開線ab和齒根圓弧da在連接點a處不光滑連接，同時在連接點a附近存在一段不參與嚙合的部分，導(dǎo)致螺桿轉(zhuǎn)子空間接觸線不連續(xù)，工作時存在明顯的泄漏通道。

如圖2所示，為第一實施例一種基于偏心圓漸開線的全光滑螺桿轉(zhuǎn)子的端面型線圖，在該實施例中，左端面型線(201)上的第一連接曲線ab設(shè)計成偏心圓漸開線，對應(yīng)的第一連接曲線的共軛曲線bc設(shè)計成偏心圓漸開線的包絡(luò)線，各段曲線的矩陣方程如下：

①第一連接曲線ab：

②第一連接曲線的共軛曲線bc：

式中：—中間參數(shù)，

③第一齒頂圓弧cd：

④第一修正圓弧de：

式中：(xm,ym)—第一修正圓弧de的圓心m的坐標(biāo)；

確定第一修正圓弧de的圓心m(xm,ym)的坐標(biāo)，首先聯(lián)立以下兩個方程組求取交點(x0,y0)：

x0²+y0²＝(r1-r)²

將上述方程所確定的交點，進(jìn)行以下旋轉(zhuǎn)變換后，得到第一修正圓弧de的圓心m(xm,ym)：

式中：θ—直線mo1與x軸所夾的銳角，

⑤第一變形擺線ef：

首先確定一段初始擺線：

將上述初始擺線的參數(shù)方程沿著法線的正方向，向外等距r的距離，然后再進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換，得到第一變形擺線ef，即：

其中m1表示進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換，變換矩陣為：

其中m2表示進(jìn)行外等距變換，變換矩陣為：

式中：s—初始擺線矩陣求導(dǎo)后的模，即

⑥第一齒根圓弧fa：

在第一實施例中左端面型線(201)與右端面型線(202)的形狀完全相同，左端面型線(201)與右端面型線(202)關(guān)于兩端面型線回轉(zhuǎn)中線點連線o1o2的中點呈180°中心對稱，因此右端面型線(202)上各段組成曲線的矩陣方程不再贅述。

如圖3所示，為第二實施例一種基于偏心圓漸開線的全光滑螺桿轉(zhuǎn)子的端面型線圖，在該實施例中，左端面型線(201)上的第一連接曲線ab設(shè)計成偏心圓漸開線的包絡(luò)線，對應(yīng)的第一連接曲線的共軛曲線bc設(shè)計成偏心圓漸開線，各段曲線的矩陣方程如下：

①第一連接曲線ab：

式中：—中間參數(shù)，

②第一連接曲線的共軛曲線bc：

③第一齒頂圓弧cd：

④第一修正圓弧de：

式中：(xm,ym)—第一修正圓弧de的圓心m的坐標(biāo)；

確定第一修正圓弧de的圓心m(xm,ym)的坐標(biāo)，首先聯(lián)立以下兩個方程組求取交點(x0,y0)：

x0²+y0²＝(r1-r)²

將上述方程所確定的交點，進(jìn)行以下旋轉(zhuǎn)變換后，得到第一修正圓弧de的圓心m(xm,ym)：

式中：θ—直線mo1與x軸所夾的銳角，

⑤第一變形擺線ef：

首先確定一段初始擺線：

將上述初始擺線的參數(shù)方程沿著法線的正方向，向外等距r的距離，然后再進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換，得到第一變形擺線ef，即：

其中m1表示進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換，變換矩陣為：

其中m2表示進(jìn)行等距變換，變換矩陣如下：

式中：s—初始擺線矩陣求導(dǎo)后的模，即

⑥第一齒根圓弧fa：

在第二實施例中左端面型線(201)與右端面型線(202)的形狀完全相同，左端面型線(201)與右端面型線(202)關(guān)于兩端面型線回轉(zhuǎn)中線點連線o1o2的中點呈180°中心對稱，因此右端面型線(202)上各段組成曲線的矩陣方程不再贅述。

如圖4所示，為第一實施例兩個螺桿轉(zhuǎn)子的端面型線在不同旋轉(zhuǎn)角度的嚙合示意圖，(a)圖到(b)圖左端面型線(201)逆時針旋轉(zhuǎn)30°，右端面型線(202)順時針旋轉(zhuǎn)30°；(b)圖到(c)圖左端面型線(201)逆時針旋轉(zhuǎn)30°，右端面型線(202)順時針旋轉(zhuǎn)30°，依此類推；在(a)圖中，左端面型線(201)上的第一連接曲線ab和第一連接曲線的共軛曲線bc的交點b，與右端面型線(202)上的第二連接曲線ab和第二連接曲線的共軛曲線bc的交點b完全嚙合；在(b)～(d)圖中，左端面型線(201)上的第一連接曲線ab與右端面型線(202)上的第二連接曲線的包絡(luò)線bc完全嚙合；在(e)圖中，左端面型線(201)上的第一齒根圓弧fa與右端面型線(202)上的第二齒頂圓弧cd完全嚙合；在(f)～(g)圖中，左端面型線(201)上的第一變形擺線ef與右端面型線上(202)的第二修正圓弧de完全嚙合；(h)～(i)圖中，左端面型線(201)上的第一修正圓弧de和第一齒頂圓弧cd分別與右端面型線(202)上的第二變形擺線ef和第二齒根圓弧fa完全嚙合；由此可見，左端面型線(201)上的第一連接曲線ab、第一連接曲線的共軛曲線bc、第一齒頂圓弧cd、第一修正圓弧de、第一變形擺線ef、第一齒根圓弧fa，分別與右端面型線(202)上的第二連接曲線的共軛曲線bc、第二連接曲線ab、第二齒根圓弧fa、第二變形擺線ef、第二修正圓弧de、第二齒頂圓弧cd實現(xiàn)完全正確的嚙合。

如圖5所示，為第一實施兩個螺桿轉(zhuǎn)子的嚙合圖，兩個螺桿轉(zhuǎn)子分別由各自對應(yīng)的端面型線沿兩個螺桿轉(zhuǎn)子的軸線螺旋展開生成，具體的螺旋展開方式為：左端面型線(201)繞回轉(zhuǎn)中心點o1逆時針勻速旋轉(zhuǎn)的同時，沿著過回轉(zhuǎn)中心點o1且垂直于端面型線的軸線做勻速直線運動，生成左螺桿轉(zhuǎn)子(501)；右端面型線(202)繞回轉(zhuǎn)中心點o2順時針勻速旋轉(zhuǎn)的同時，沿著過回轉(zhuǎn)中心點o2且垂直于端面型線的軸線做勻速直線運動，生成右螺桿轉(zhuǎn)子(502)；左螺桿轉(zhuǎn)子(501)的側(cè)面由6個齒面組成，依次為第一內(nèi)斜齒面(1)、第一外斜齒面(2)、第一齒頂面(3)、第一過渡齒面(4)、第一凹齒面(5)、第一齒根面(6)，這6個齒面依次是由左螺桿轉(zhuǎn)子的端面型線中的第一連接曲線ab、第一連接曲線的共軛曲線bc、第一齒頂圓弧cd、第一修正圓弧de、第一變形擺線ef、第一齒根圓弧fa沿螺桿轉(zhuǎn)子的軸線螺旋展開生成的；所述的第一內(nèi)斜齒面(1)與第一外斜齒面(2)光滑連接，第一外斜齒面(2)與第一齒頂面(3)光滑連接，第一齒頂面(3)與第一過渡齒面(4)光滑連接，第一過渡齒面(4)與第一凹齒面(5)光滑連接，第一凹齒面(5)與第一齒根面(6)光滑連接，左螺桿轉(zhuǎn)子(501)側(cè)面上的相鄰齒面之間都完全光滑連接；右螺桿轉(zhuǎn)子(502)的側(cè)面由6個齒面組成，依次為：第二外斜齒面(7)、第二內(nèi)斜齒面(8)、第二齒根面(9)、第二凹齒面(10)、第二過渡齒面(11)、第二齒頂面(12)，各齒面與端面型線的對應(yīng)生成關(guān)系與左螺桿轉(zhuǎn)子(501)相同，右螺桿轉(zhuǎn)子(502)側(cè)面上的相鄰齒面之間也都完全光滑連接；在兩個螺桿轉(zhuǎn)子做同步異向雙回轉(zhuǎn)運動時，能滿足對應(yīng)齒面的完全嚙合，不存在干涉或者未參與嚙合的部分。

如圖6所示，為第一實施例左螺桿轉(zhuǎn)子上的空間接觸線示意圖，空間接觸線指的是兩個螺桿轉(zhuǎn)子在做同步異向雙回轉(zhuǎn)運動時，左螺桿轉(zhuǎn)子(501)和右螺桿轉(zhuǎn)子(502)側(cè)面上兩個齒面完全嚙合產(chǎn)生的交線；空間接觸線呈周期性變化，相鄰兩組空間接觸線之間即為一個工作腔，同一組空間接觸線兩側(cè)的兩個工作腔，具有不同的氣體壓力；左螺桿轉(zhuǎn)子(501)上同一組空間接觸線由6條首尾相連的空間接觸線組成：13-14-15-16-17-18，其中第一凹齒面接觸線(13)為第一凹齒面(5)和第二過渡齒面(11)完全嚙合產(chǎn)生的交線，第一齒根面接觸線(14)為第一齒根面(5)和第二齒頂面(12)完全嚙合產(chǎn)生的交線，第一內(nèi)斜齒面接觸線(15)為第一內(nèi)斜齒面(1)和第二外斜齒面(7)完全嚙合產(chǎn)生的交線，第一外斜齒面接觸線(16)為第一外斜齒面(2)和第二內(nèi)斜齒面(8)完全嚙合產(chǎn)生的交線，第一齒頂面接觸線(17)為第一齒頂面(3)和第二齒根面(9)完全嚙合產(chǎn)生的交線，第一過渡齒面接觸線(18)為第一過渡齒面(4)和第二凹齒面(10)完全嚙合產(chǎn)生的交線；本發(fā)明提出的螺桿轉(zhuǎn)子，同一組空間接觸線是連續(xù)且較短的，能夠有效阻斷兩側(cè)的兩個工作腔之間的氣體通過空間接觸線的泄漏，進(jìn)而改善了雙螺桿真空泵的級間密封性能，提高了雙螺桿真空泵的極限真空度。

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