“复合轮齿机构”在气体压缩机产品中的研究

　　复合轮齿是一种新型的齿轮，复合轮齿是齿轮研究工作中的一个新课题，本文阐述了复合轮齿机构在空气压缩机应用中，针对 “不完全内压缩”、“齿廓曲线设计”及“排气速度偏高”三个方面问题提出的解决措施。

　　一、复合轮齿机构

　　复合轮齿是齿轮研究工作中的一个新课题，也是齿轮研究工作中拓展的一个新领域。

　　在国内外，很早就有人开始轮齿复合的设想与研究工作，如1971年美国专利:“齿轮式旋转机构”(美国专利号US3547491);1991年PCT专利：“旋转式内燃机”(PCT专利号W091/02888);1993年中国廖振宜申请了ZL93111972.3“齿闭式转子”的专利;1995年美国专利“齿轮装置”(美国专利号US5454702)。但是以上发明只停留在原理的设想上，都未解决复合轮齿的啮合型线问题，保证不了齿轮在啮合过程中各瞬时传动比的恒定，即保证不了复合轮齿的正常传动。

　　“复合轮齿机构”就是在普通圆柱齿轮副的基础上按人们的主观需要复合不同齿高及齿厚的大齿、大齿槽，大小轮齿共同满足各瞬时传动比相等，具有传动及啮闭作用，实现即能传递高效可靠的转动又能实现对流体的抽吸、输送及压排功能。

　　复合轮齿的结构型式多样，图1、图2是复合轮齿多种结构型式中的示例。

　　根据不同的用途(如单向传动还是双向传动，压送介质是气体还是液体，以及对重合系数、密封等不同要求)，可以利用渐开线、摆线及圆弧等齿廓曲线来满足不同的组合和设计。

　　二、复合轮齿式气体压缩机

　　利用复合轮齿机构开发的复合轮齿式气体压缩机获发明专利，其发明专利如下：PCT专利号PCT/CN98100322;中国发明专利号ZL98111890.9;美国发明专利号US6352420B1。

　　专利上复合轮齿压缩机由于大齿前的环形空间在转子旋转过程中体积变小，气体受到压缩，而大齿槽内气体在转子旋转过程中体积不变(其体积约占吸气总体积的17%)，在排气前，高低压气体混合，即压缩气体受到了一次膨胀，待继续压缩达到额定压力后进行排气，造成了“不完全内压缩”，经过理论计算其耗功要增加15.78%，这对压缩机性能是很不利的。为了改变“不完全内压缩”，经研究，在大齿边增加一个中齿，以隔断高低压气体的容腔，同时将后一个大齿槽前的全部小齿削低齿高，形成通道，使环形空间的受压气体提前进入大齿槽，这就形成了特殊的大、中、小齿的组合结构，彻底改变了“不完全内压缩”的现象，大大改善了性能和节约了能耗，经国家检测机构测定，改进后的压缩机其比功率小于,优于国家标准。

　　改进后的具有完全内压缩功能的齿轮结构如图3

　　解决齿廓曲线设计，保证曲线的正确、精细和圆滑。

　　齿廓曲线设计时要考虑三点：第一点，要考虑复合轮齿压缩机工作为单向传动，在运转时要保证两转子啮合各瞬时传动比相等，否则就无法保证压缩机高速运转时的平稳和可靠，这就要求设计好大齿、中齿和大齿槽及中齿槽的特殊啮合曲线，使得大、中、小齿的节圆相同，分别啮合时其节点不变，而且它们的周节要匹配。第二点，齿廓曲线设计要考虑压缩气体时，必须保证高低压气体间不能串通、不能泄漏或回流，为此大齿、中齿和大齿槽、中齿槽的齿背曲线要保证必有一点接触且连续相切，从而组成了它们齿廓曲线的不对称齿形。第三点，要考虑应形成较小面积的泄漏三角形。两齿轮齿顶与机壳壁之间常会形成一个空间曲边三角形，通过此三角形气体会从压力较高的齿间容积泄漏至压力较低的邻近齿间容积。

　　经过严谨的数学推导，建立数学模型，列出数学公式，再应用AutoCAD、MATLABLE、Solid Edge等软件生成曲线，解决齿廓曲线的正确、精细和圆滑。

　　图4是复合轮齿压缩机其中一个大齿槽的型线结构图。

　　现以c d段的型线方程求与之啮合的大齿的共轭曲线GH(见图5)为例。其求解方法和过程如下：

　　如图5所示，c d是阴转子的齿槽上一段型线(见图5)，其为一径向直线;A为齿轮副中心线;ω1、ω2分别为阳、阴转子的角速度;R1t、R2t分别为阳、阴转子的节圆半径;P为节点，根据啮合条件，cP(HP)为啮合线在此点的公法线,公法线长度为R;i为传动比，其值等于;设κ= 1+i。

　　按照严谨数学推导建立数学模型，列出数学公式，再应用计算机软件生成曲线的方法解决了精细齿廓曲线的生成，所开发的产品样机，经国家压缩机检测中心测试，高速转动时的振动、噪音及比功率都优于国家标准。同时也为复合轮齿压缩机专用设计软件的创建奠定了良好的基础。

　　三、结束语

　　“复合轮齿机构”开创了齿轮研究和应用的新领域，它简化了曲柄连杆机构的繁杂和庞大，克服了惯性力。这一原理首先在部分流体机械中得到应用，显示了独特的优越性。除了在空气压缩机领域的应用外，利用这一原理还一定能开发出更多的新产品。

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