共轭螺旋转动体轮廓 齿轮与螺旋转动体之间有一些共性，而其主要区别则在于螺旋转动体的流体密封要求。如同齿轮的情况一样，螺旋转动体具有表示用于共轭成对转动体的切向速度相等的位置的节圆。转动体中的螺旋槽为由于一共轭成对转动体与一密闭壳体的共同作用而被封闭在内并被压缩的气体量的所在位置。因此，螺旋槽的容积是主要的设计考虑，其设计参数为宽度、深度、长度及槽数。螺旋槽的横截面形状包括宽度和深度参数以及用于共轭成对转动体之间驱动/被驱动的协同工作的形状要求。此外，由于线接触在驱动/被驱动协同工作中沿转动体轮廓向前移动，并且转动体尖端和端面与密闭壳体协同工作，故共轭成对转动体必须满足密封要求。该线接触随转动体轮廓的参数而变化，故它是在一变化的切向速度处并具有相当大的径向分量。另外，螺旋槽的形状和横截面必须满足要求以便于制造和有利于切削工具的使用寿命。与传统的螺旋转动体设计有关的的一个问题是压力角和齿瓣厚度相互关联。最好是减小压力角，即靠近或在节圆处的接触区域中转动体之间的接触角，以减少接触负荷。然而，在减少压力角的同时会减少齿瓣厚度，而这是不希望地，故传统设计表示的是所需压力角与所需齿瓣厚度之间的一种折衷。
假定每个转动体的每个相应齿瓣尖端在每一转期间的一点处均与其它转动体的一根部切向接触，当沿该两个转动体中心的一连接线测量时，一个转动体的齿瓣的齿顶高将与另一转动体的齿瓣的齿根高一致。如不考虑运行间隙、加工公差、磨损、热膨胀等，则在共轭成对转动体之间有三个名义切向点，即在节圆之间、每个转动体的齿顶圆之间以及另一转动体的齿根圆之间。
本发明的目标是提供一种用于共轭成对螺旋转动体的改进的结构。本发明的结构应带来以下好处：通过采用起程角而减少粘性阻力；通过控制沿节圆的厚度增强雌齿瓣；打开雄转动体的根部以增强制造能力并延长工具使用寿命；一用于气体从高压部分泄漏的曲折的流动路径；对根部直径的更好的控制；与其它变量无关、独立地控制压力角。
本发明的一个目的是提高螺旋机器的效率。
本发明的又一个目的是提供一种具有减少泄漏的共轭螺旋转动体轮廓。
本发明的另一个目的是在实现以所揭示性能为基础的目的的同时又改进螺旋转动体轮廓的制造性能。这些目的和其后将变得明显的其它目的均可通过本发明加以实现。
基本上，采用雄转动体的齿顶圆和雌转动体的齿根圆的相切点作为产生一系列限定雌雄共轭转动体轮廓的曲线的起始点。另外，压力角与雌齿瓣厚度无关。
附图简单说明。
图1为穿过一采用本发明的螺旋机器的横剖面图；
图2为构成雌转动体的曲线段的线图；
图3为构成雄转动体的曲线段的线图；
图4为本发明的转动体的起程段放大示意图；
图5为现有技术装置的转动体的起程段的一放大示意图；
图6为雌转动体的一改型段的一放大部；
图7为雌转动体的一第二改型段的一放大部；
图8为雌转动体的一第三改型段的一放大部；
图9为雌转动体的一第四改型段的一放大部；
图10为雌转动体的一第五改型段的一放大部；
图11为雌转动体的一第六改型段的一放大部；
图12为雄转动体的一第一改型段的一放大部；
图13为雄转动体的一第二改型段的一放大部；
图14为雌转动体的一第七改型段的一放大部；以及
图15为与图14的结构共轭的雄转动体的一第三改型段的一放大部。
在图1中，标号10总的表示一螺旋机器例如一螺旋压缩机。螺旋机器10具有一其中设置有两个重叠孔12-1和12-2的壳体12。雌转动体14具有一节圆PF并设置在孔12-1中。雄转动体16具有一节圆PM并设置在孔12-2中。点A和B所指的两轴线垂直于图1的平面并相互平行，并隔开一等于雌转动体14的节圆PF的半径RF与雄转动体16的节圆PM的半径RM之和的距离。点A所指的轴线是雌转动体14和其直径通常与雌转动体14的齿顶圆TF相应的孔12-1的中心。相似地，点B所指的轴线是雄转动体16和其直径通常与雄转动体16的齿顶圆TM相应的孔12-2的中心。不考虑运转间隙，则通过与孔12-2的叠合部的孔12-1的延伸部将在与雄转动体16的齿根圆RMR相切点处与直线A-B相交。相似地，通过与孔12-1的叠合部的孔12-2的延伸部将在与雌转动体14的齿根圆RFR相切点处与直线A-B相交，并将该共同点标记为相对于雌转动体14为F1，而相对于雌转动体16为M1。
如图所示，雌转动体14具有6个由6个槽14-2隔开的齿14-1，而雄转动体16则具有5个由5个槽16-2隔开的齿16-1。因此，转动体16的旋转速度将为转动体14的6/5或120％。雌转动体14或雄转动体16均可与一主运动物(未示)连接并作为驱动马达。也可采用其它雌雄齿数和槽数的组合。
如图1所示，转动体14和16的轮廓线形成系从共同点F1、M1开始。参见图1-3，雌转动体14上的曲线F1-F2系在它围绕轴线B转动时由雄齿顶上的点M1生成的，此时转动体14和16具有相同的节圆速度。曲线F1-F2从雌转动体14的齿根延伸到一靠近雌节圆PF的点F2。
曲线F2-F3是雌转动体14上的一段圆弧，并从点F2延伸到节圆PF。将曲线F2-F3的中心设置成使曲线F2-F3在与曲线F1-F2相交的同时并在相交点与曲线F1-F2相切。调节曲线F2-F3的半径以在最小吹孔区域之间提供所需的平衡，因为它影响到下述的曲线F3-F4与节圆PF相交处的角度，并易于制造，这是因为当曲线F2-F3的半径减少时，工具使用寿命即降低。
曲线F2-F3在雄转动体16上生成曲线M1-M2。如上所述，点M1生成曲线F1-F2，故F2是在转动体转动中一个点处与点M1的一共同点。曲线M1-M2代表当转动体14和16以相同的节圆速度转动时由曲线F2-F3从F2到F3向前接触而在雄转动体16上扫出的路径。
曲线F3-F4是雌转动体14上的一段圆弧，其长度或角度范围被调节成使其生成的雄部M2-M3落在雄转动体16的节圆PF内。曲线F3-F4的中心设置成使曲线F3-F4在与曲线F2-F3相交的同时并在相交点处与曲线F2-F3相切。曲线F3-F4影响到由孔12-1与12-2以及转动体14与16之间的交点所限定的泄漏区域的吹孔区域，并通过减小该吹孔区域(泄漏区域)，从而来减少泄漏，因此有助于改进螺旋机器10的效率。调节曲线F3-F4的半径以在最小吹孔区域和易于制造之间提供一所需的平衡。
曲线M2-M3是由曲线F3-F4在雌转动体14上生成的，并代表当转动体14和16以相同的节圆速度转动时由曲线F3-F4从F3到F4向前接触而在雄转动体16上扫出的路径。
雌转动体14上的曲线F4-F5为一段从点F4延伸到其在点F5处与齿顶圆TF(孔12-1)相交的圆弧。曲线F4-F5的半径和位置调节成使曲线F4-F5在相交点处与曲线F3-F4一致并相切，故它与齿顶圆TF(孔12-1)在点F5处相切。
雄转动体上的曲线M3-M4是由曲线F4-F5生成的，并代表当转动体14和16以相同的节圆速度转动时由曲线F4-F5从F4到F5向前接触而在雄转动体16上扫出的路径。
曲线F5-F5’是一段沿雌转动体14的齿顶圆TF(孔12-1)延伸的圆弧。当转动体14和16以相同的节圆速度转动时曲线F5-F5’在从F5至F5’向前接触时生成曲线M4-M5。由于曲线F5-F5’是一段在雌转动体14的齿顶圆TF(孔12-1)上的圆弧，故与雌转动体中心A对中，所生成的曲线M4-M5也为一段与雄转动体中心B对中并为雄转动体16的齿根圆RMR的圆弧。M4-M5的这些性质使它在加工制造性能方面特别适于容易形成和检查，并可提供对于雄转动体齿根的更好的控制。
点F5”和M5’分别与点F5’和M5对应而位于一邻近转动体齿瓣面上，并被用作说明转动体14和16的轮廓的其它部分的起始点。直线或不定半径F5”-F6的曲线从F5”沿雌转动体14的齿顶相对于F5”处的雌转动体齿顶圆TF(孔12-1)处的切线成一角度Δ1延伸。线F5”-F6延伸到一与雌转动体的节圆PF相交的点。角度Δ1为雌转动体的起程角，并且它还有减少粘性阻力的好处。
雄转动体16上的曲线M5’-M6是由曲线F5”-F6生成的，并代表转动体14和16以相同的节圆速度转动时由曲线F5”-F6从M5’到M6向前接触而在雄转动体16上扫出的路径。
曲线F6-F7为一段在雌转动体14上的圆弧。线F5”-F6和曲线F6-F7协同工作以：(1)控制沿节圆PF测量的雌转动体14的齿瓣的厚度t，以保持雌转动体齿瓣14-1的刚度，减少加工过程中的挠曲；(2)在雄转动体齿瓣的底部16-2处提供足够的空间，以能使用强而大的切削工具改善加工精度和速度；以及(3)使泄漏路径曲折更多。
雄转动体16上的曲线M6-M7是由曲线F6-F7生成的，并代表转动体14和16以相同的节圆速度转动时由曲线F6-F7从M6到M7向前接触而在雄转动体16上扫出的路径。
雄转动体16上的曲线M7-M8是一在所需压力角处的圆的渐开线。雄转动体的节圆PM和雌转动体的节圆PF在一称为节点的共同点处相遇并在该节点处具有一共同切线。在雄转动体轮廓与雌转动体轮廓之间的任何接触点处，均能在该接触点与节点之间画一共同法线。该接触点处的共同法线与节点处的共同切线之间的角度称为压力角。
雌转动体14上的曲线F7-F8也是一在所需压力角处的圆的渐开线。对于该两个转动体，渐开线基圆小于、但分别与雌转动体14和雄转动体16的节圆PF和PM成比例。因此该两个渐开线固有地共轭，并且一个表面并不需要另一个来生成。点F7和F8不在节圆PF的同一侧，但这些点中的一个可位于该节圆上。驱动转动体与被驱动转动体之间的扭矩传递发生在或靠近该节圆处，该两个转动体之间有一些滑动，但主要是滚动接触。如前所述，点F7位于节圆PF上。
曲线M9-M1为一段在雄转动体14的齿顶圆TM(孔12-2)上的圆弧。雌转动体14上的曲线F9-F1是由曲线M9-M1生成的，并代表转动体14和16以相同的节圆速度转动时由曲线M9-M1从F9到F1向前接触而在雌转动体14上扫出的路径。由于曲线M9-M1是一段在雄转动体16的齿顶圆TM(孔12-2)上的圆弧，故与雄转动体中心B对中，所产生的曲线F9-F1也为一段与雌转动体中心A对中并为雌转动体14的齿根圆RFR的圆弧。F9-F1的这些性质使它在加工制造性能方面特别适于容易产生和检查，且还可对于雄转动体齿根更好地控制。
雄转动体16上的曲线M8-M9为一可变长度和半径的曲线，该曲线连接点M8和M9之间的间隙，并相对于雄转动体16的齿顶圆TM(孔12-2)处的切线以起程角Δ2接近点M9。曲线M8-M9可为一生成的渐开线或由两个或多个具有不同半径的圆弧组成。雌转动体14上的曲线F8-F9系由曲线M8-M9生成，并代表转动体14和16以相同的节圆速度转动时由曲线M8-M9从F8到F9向前线接触而在雌转动体14上扫出的路径。
或者，雌转动体14上的曲线F8-F9可以是一可变长度和半径的曲线，该曲线连接点F8与F9之间的间隙，并相对于雄转动体16的齿顶圆TM(孔12-2)处的切线以一控制起程角Δ2的角度接近点F9。曲线F8-F9可为一生成的渐开线或由两个或多个具有不同半径的圆弧组成。雄转动体16上的曲线M8-M9系反过来由曲线F8-F9生成，并代表转动体14和16以相同的节圆速度转动时由曲线F8-F9从M8到M9向前线接触而在雄转动体16上扫出的路径。
曲线F5”-F6、M5’M6、F6-F7、M6-M7、、M8-M9和F8-F9协同工作以独立于其它轮廓变量、如分别独立于雌雄转动体起程角Δ1和Δ2而提供对于压力角以及雌齿瓣厚度t的控制。
参照图4，点W和X分别相应于雌转动体14的点F5和F5’以及雄转动体16的点M1和M9。雌转动体14的起程角Δ1和雄转动体16的起程角Δ2位于点X处曲线W-X的切线与起程段S之间，该起程段为转动体14或16从点X处开始并相应于雌转动体14上的线F5”-F6和雄转动体16上的曲线M8-M9的部分。应注意，起程段S很快地从对于转动体14是12-1而对于转动体16是12-2的孔移开。相应地，由于油膜100取决于相邻零件之间的紧密距离，其长度大致上被减少到和限制在相应于限定在W和X之间并略为超过X的表面的小间隙区域。油膜100长度的减少引起粘性剪切应力区域的减少，并因此而减少总的阻力。
参照图5，点V和Z相应于图4中的点W和X。起程段S’具有一现有技术结构并与转动体孔12-1’、12-2’大致开始相切并与之靠近而保持相当距离。油膜100’比油膜100长得多，并在转动体齿顶相对于孔运动时与图4的结构相比引起更大的粘性阻力。
如上所述，本发明能独立于其它轮廓变量、如分别独立于雌雄起程角Δ1、Δ2而控制压力角以及雌齿瓣厚度t。因此可对上述转动体轮廓进行修改以实现所需的设计特点。
图2的线段F5”-F6如上所述为一直线或一无限大半径的曲线。实际上，如考虑到制造公差和F5”-F6的长度，则F5”-F6为一直线或一半径很大的曲线段并无实际区别，在以很大的放大比例没有变形时，图中没有可见的区别。在与齿顶圆在F5”处相切并且Δ1为0°处，线段F5”-F6为一个点。
参照图6，直线或半径很大的曲线段F5”-F6被一在F5”处与雌转动体齿顶圆TF(孔12-1)相切的半径较大的曲线段F5”-F6-1代替。曲线端F6-1-F7的半径小于曲线段F5”-F6-1。该实施例的优点在于，雌转动体的起程角Δ1为0°而仍能对压力角和雌齿瓣厚度t进行独立的控制。曲线段F5”-F6-1和F6-1-F7将在雄转动体16上分别相应于M5’-M6和M6-M7生成图1-3中所述的修改的曲线段。
图7示出一第二个改型的雌转动体轮廓。具体地说，点F5”和F7是由三个曲线段而不是两个曲线段连接而成。曲线段F5”-F6-2为一与雌转动体齿顶圆TF(孔12-1)相交的半径较小的部分。曲线段F6-2-F6-3为一半径较大部分，而曲线段F6-3-F7为一半径较小部分。角度Δ1为雌转动体的起程角并在点F6-2的切线与雌转动体齿顶圆TF(孔12-1)之间进行测量。曲线段F5”-F6-2、F6-2-F6-3和F6-3-F7将在雄转动体16上生成与M6-M7之间的部分相应的修改的曲线段。图7的实施例的优点是消除了F5”处的尖锐拐角，否则，这是难以用给定的加工过程如齿瓣和齿顶圆的精铣或磨削在一单一工序中制成的。
图8示出一第三个改型的雌转动体轮廓。具体地说，点F5”和F7是由三个曲线段连接而成。曲线段F5”-F6-4为一与雌转动体齿顶圆TF(孔12-1)相交的半径较大的部分。曲线段F6-4-F6-5的半径小于曲线段F5”-F6-4而曲线段F6-5-F7的半径小于曲线段F6-4-F6-5。曲线段F5”-F6-4、F6-4-F6-5和F6-5-F7将在雄转动体16上生成与M5’-M7之间的部分相应的修改的曲线段。图8的实施例的优点是提高了独立选择雌转动体齿瓣厚度、压力角和代替图2中曲线段F6-F7的、并可根据制造要求在一定所需范围内加以限制的曲线段F6-4-F6-5和F6-5-F7的灵活性。
图9示出一第四个改型的雌转动体轮廓。具体地说，点F5”和F7是由一从点F5”到F7半径减少的单根变化半径曲线如渐开线连接而成。曲线段F5”-F7将在雄转动体16上生成与M5’-M7之间的部分相应的修改的曲线段。图9的实施例的优点是扩展了维持恒定压力角的接触带的宽度。
曲线M8-M9或F8-F9由两个或多个曲线组成的情况另外还有一些变型，所述这些曲线之一可位于曲线M8-M9部分而另一根所述曲线则可位于曲线F8-F9部分，两根所述曲线设置成不相互共轭。
图10示出一第五个改型的雌转动体轮廓。具体地说，点F8和F9是由两段曲线连接而成。该两段曲线为每段均为圆弧的F8-F8’和F8’-F9。曲线段F8-F8’和F8’-F9将协同工作以在雄转动体16上生成一与曲线段M8-M9相应的修改的曲线段。图10的实施例的优点是作为一种在雌转动体上通过简化的圆弧代替较复杂的生成渐开线而分别生成图2和3中的曲线F8-F9和M8-M9的替代方法。
图11示出一第六个改型的雌转动体轮廓。具体地说，点F8和F9是由两段曲线连接而成。该两段曲线为半径连续变化的曲线、例如一渐开线的F8-F8”和一圆弧F8”-F9。曲线段F8-F8”和F8”-F9将协同工作以在雄转动体16上生成一与曲线段M8-M9相应的修改的曲线段。图11的实施例的优点是作为一种在雌转动体上通过一简化的圆弧和一低阶渐开线代替较复杂的生成渐开线而分别生成图2和3中的曲线F8-F9和M8-M9的替代方法。
图12示出一第一个改型的雄转动体轮廓。具体地说，点M8和M9是由两段曲线连接而成。该两段曲线M8-M8’和M8’-M9每段均为在其共同点M8’处相切的圆弧。图12的实施例的优点是作为一种在雄转动体上通过简化的圆弧代替较复杂的生成渐开线而生成图2和3中的曲线F8-F9和M8-M9的替代方法。
图13示出一第二个改型的雄转动体轮廓。具体地说，点M8和M9是由两段曲线连接而成。曲线M8-M8”为一圆弧而曲线M8”-M9为一半径连续变化的曲线、例如一渐开线。该两曲线在其共同点M8”处相切。图13的实施例的优点是作为一种在雄转动体上通过一简化的圆弧和一低阶渐开线代替较复杂的生成渐开线而生成图2和3中的曲线F8-F9和M8-M9的替代方法。
图14和15分别示出在一雌转动体和一雄转动体上的共轭曲线段。图14的修改与图2实施例的区别在于点F7和F9通过一单根半径连续变化的曲线例如一生成的渐开线连接。相似地，图15的修改与图3实施例的区别在于点M7和M9通过一单根半径连续变化的曲线例如一生成的渐开线连接。图14和15的实施例的优点是消除了点F8和M8的过渡以及与此相关的曲率半径方面的突然变化，这种突然变化在一些情况下会增加设计的复杂性。