多凸轮或齿轮平分转角同轴装配同步平衡的转子应用

本发明涉及一种凸轮转子对和齿轮转子对，尤其是使转子作为泵转子用时达到力同步平衡的状态和作为同步装置用时达到减小磨损和精密同步的状态。

目前，凸轮泵和齿轮泵具有输出压力高、波动小、无流动死点的优点，它们有一个共同的弱点是，两转子的受力方向变化频率大造成易磨损和振动。主要是由齿角齿合处最高的正负齿合压力引起，即是某时某轮的一个齿角在转向后面与另轮的齿角齿合时，这一轮的齿角受到齿合流体很大的向后推力，当这一齿角转过两轴中心线时变为在转向前面齿合而受到流体很大的向前推力，每一个齿角的转角两轴都受到较大的力向前和向后各推一次，这个迅速正反变化的推力对部件影响较大，特别是使同步装置和转子很快磨损和造成振动，而且齿合处流体高压推开相齿合的齿角，使间隙较快增大，容易造成效率低和碰齿。

   如今，精密物件需求日益扩大，对正反精密同步传动又耐磨的同步装置有很大的需求和要求，在凸轮泵和齿轮泵的同步装置中，普遍采用人字或斜齿轮，由于其齿角小、传动中含摩擦成分大以及同步兼传动，造成易磨损，连带引起转子的磨损和间隙。

   一般的齿轮对传动在广泛的机械应用中，很多故障是由齿顶磨损引起的，主要是由于齿顶齿合的面积小，与另一齿合面的配合角度相近于力的方向形成楔角，使齿合点非传动的弹性位移较大，而且力点距离长发生弹性变形，再加上齿合力点转移中含摩擦成分较多，所以容易磨损。

为了克服凸轮泵和齿轮泵的转子对因为齿合流体的迅速变化正反作用力造成同步传动装置和自身易磨损和振动，以及以齿轮作为传动或同步传动装置齿顶易磨损的影响，本发明提供了综合有效的技术措施消除了这个正反作用力和齿顶易磨损的影响，能使两轴稳定同步密封运行，合力反向相等平衡。

   本发明解决技术问题的技术方案是，凸轮泵转子或齿轮泵转子两轴都采用同形状的（2×M）个轮同轴平分转角装配，同轴的每一个轮与另轴的相配轮单独分为一个腔室（M为整数），各个腔室串联或并联相通；同步传动装置是每轴采用形状相同的凸轮或齿轮以N个轮同轴平分转角装配，N为1以上的整数；同步装置两轴同轴或联轴连接泵转子的两轴，再在两轴各加上转向相反以及力距和速度相同的动力，就能使泵组消除齿合流体反作用力的影响，稳定同步密封运行，处在全滚动非摩擦状态运行。

本发明的凸轮或齿轮泵组的有益效果是，

   ⒈ 凸轮或齿轮泵的转子对同轴以同类型的双数轮平分转角分腔装配，一齿的异形凸轮为反向装配，一齿和二齿的转子能有平衡重心力和齿合力的作用，对三齿和三齿以上的转子，不仅能平衡重心力和齿合力，还能平衡两轴的各种力，使两转子相互约束正反方向的线速度同步转动，并能防止齿合流体将相齿合的两个齿角撑开形成间隙漏液。

   ⒉ 同步装置在任何时候任何方向的转角都有一对齿角处在合理的压力角处齿合，达到正反方向都精密同步，承受力较大，并且可以防止齿顶单独磨损快的状况，变为各轮全弧线同步磨损，从而延长了其寿命。

   同步装置采用多凸轮或齿轮装配的方法，设计和加工容易，适应性强，同步精度高，更耐用。

   ⒊凸轮或齿轮泵的两轴各自配上转向相反以及力距和速度相同的动力，可以有效防止传统中因主、从传动齿轮磨损给同步装置和转子带来同步磨损，使泵组效率下降和防止其他故障发生。

   图1是泵组结构原理图。

   图2是三齿凸轮或齿轮泵转子对两轮同轴装配齿合的端面示例图。

   图3是三齿凸轮转子对的15。转角和平分角同轴装配的示例图。

   图4是四个八齿轮同轴装配齿合的实体及端面视图。

   在图1中，（1）是联接在一泵轴上的动力装置，其和另一轴上的动力装置转向相反；（2）是分腔隔离板或泵体端盖；（3）是凸轮或齿轮泵的两轴中 ［2×2×M ］个平分角同轴装配的其中一轮，M为整数；（4）是同步装置的两轴中［2×N］个凸轮或齿轮之一，N为整数；（5）是同步装置中两轮间的同步隔离装置，同步装置两轴的两端分别与泵转子、动力装置同轴或联轴连接。

  在图 2 中，是两个轮平分转角同轴装配的齿轮或凸轮转子，（01）和（02）、（03）和（04）分别是两轴间的齿合轮；（01）与（03）、（02）与（04）分别是同轴平分转角装配轮，即是轮（01）相对于轮（03）和轮（02）相对于轮（04）的转角角度=360。÷同轴轮总齿角数=360。÷（2轮×每轮3齿）=60。；（01）与（04）、（02）与（03）相当于两轴间水平镜像复制反向相同。

在作泵转子时，因为各轮形状相同，所以（01）轮和（04）轮的齿合受力反向相同，（02）轮和（03）轮的齿合受力也反向相同，成为同轴（01）+（03）轮的受力＝同轴（02）+（04）轮的反作用受力；在同轴的（01）和（03）之间、（02）和（04）之间受齿合流体以齿合齿角的反向作用力相反，即是在轴（O1）中轮（01）的齿合角此时在转向前受齿合流体推的向前力而同轴的轮（03）的齿合角在转向后受齿合流体的向后推力，轮（01）与轮（03）的受力因方向相反基本同轴相互抵消了，而在轴（O2）中的轮（02）的齿合角此时在转向后受齿合流体的向后推力而同轴的轮（04）的齿合角在转向前受齿合流体的向前推力，轮（02）与轮（04）也因齿合受力方向相反基本相互抵消了。可能有一部分的力因为同轴两轮受力点距离轴心不相同而抵消不了；从图2和图3的凸轮转子齿合中看出受力点距离不相同时，是力距离长的外凸角和力距离短的内弯凹角在齿合，根据力距＝力的长度×力的大小，这力距长的外凸角受力分散和齿合区域内受齿合流体力面积小＝受力小，而力距短的凹角受力集中和齿合区域内受齿合流体作用力面积大＝受力大，在设计凸轮弧线时只要使小受力×长距离＝大受力×短距离，就能同轴消除齿合流体在不同转角变化的正反作用力。如齿轮或凸轮转子就算有部分作用力不能抵消，由于两轴的各轮等于两边镜像反向相同，所以两轴都有这小部分的作用力，大小反向平衡相同，转为在不同转角需要动力大小略有不同，其相对于两轴齿合流体输出力比例很小，这很容易被惯性和速度均化掉了。

  随着泵转子继续转动，因为两轴轮的转速一样，所以无论转到任何角度，如图3中的分别转角0。、15。、30。、45。一样，在图2中的轴（O1）的（01）轮与轴（O2）的（04）轮都是等于两轮的水平镜像反向相同，而轴（O1）的另一平分角装配轮（03）与轴（O2）的另一平分角同轴装配轮（02）也都是等于两轮的水平镜像反向相同，加上两轴各轮的形状是相同的，这就成了两轴轮总是反向相同的，只是同轴轮上下位置的调换，因为两轴的作用力和转向是相反齿合的，所以两轴在任何转角的受力都是反向相同，从而消除了凸轮或齿轮的齿合齿角在两轴中心线前后分别受向前向后推拉变化的齿合流体反作用力影响。

      在凸轮或齿轮泵转子以一对以上的双数轮同轴平分转角装配中，任何一轮都有和其二分之一分角的轮正处在齿角反向状态，即任何一轮的齿顶中心与其二分之一分角的轮齿根中心正对，而另一轴与它们相配的两轮也是相同的齿角反向状态，只是两轮的位置调换了。这四个轮中在任何转角中都能使两轴齿合反锁，如图2，（01）轮的齿角在转向前和（02）轮齿的角在转向后面齿合，而与（01）同轴的（03）轮是齿角在转向后面和（04）轮齿角在转向前齿合，即是四个轮中的各同轴两轮分别有一轮中在转向前和另一轮在转向后齿合，限制了自身轴和另一相配轴的转动而形成互锁关系，这样互锁加上两轴齿合力的反向相同和同轴两轮反向抵消，使两个齿合点处的流体对各自两齿合齿角推开的力也反向相同抵消了；成为既可以防止流体推开齿合的齿角形成间隙回流而加强密封性能，又能互相约束另轴的转动达到同步的功能。

  当同轴以两对双数轮即同轴四轮平分转角装配时，以图3的三齿轮为例，同轴总齿角数=轮数4×单轮齿数3=12，同轴各轮的相邻齿角角度=360。÷同轴总齿角数12=30。，即同轴四轮的每一个轮都与其相近转角的同轴另两轮有30度的转角差。如图3-1与图3-2或图3-3与图3-4之间为转角30度，叠加在一起正好是四轮平分角同轴装配在某一状态的端面视图。

  当同轴以三对双数轮即同轴六轮平分转角装配时，以三齿轮为例，同轴总齿角数=轮数6×单轮齿数3=18，同轴各轮的相邻齿角角度=360。÷同轴总齿角数18=20。，即同轴六轮的每一个轮都与其相近转角的同轴另两轮有20度的转角差。

  当同轴以两对双数轮即同轴四轮平分转角装配时，以四齿轮为例，如图4-1，同轴总齿角数=轮数4×单轮齿数4=16，同轴各轮的相邻齿角角度=360。÷同轴总齿角数16=22.5。，即同轴四轮的每一个轮都与其相近转角的同轴另轮有2２.５度的转角差。……。

  泵转子同轴以任何双数轮平分转角装配的轮可以是任何齿数、齿形的凸轮或齿轮，只要使各同轴装配的任何一轮与其相近转角的同轴另轮转角=360。÷同轴轮总齿角数，就能使泵转子运行在任何转角和转向都为两轴力的反向平衡，消除传统单对泵转子在不同转角所受推拉变化力的影响。

   泵转子同轴以双数轮平分转角装配的缺点是：需要用分腔隔板（3）将同轴的每一个轮和其的另一轴相配轮单独分成一个腔室，或每一对相配轮单独装配为一个泵体再平分转角联轴装配，防止高压流体从同轴两轮的齿角空间区域往负压处回流。分开的各个腔室或泵体可以并联相通增加流量，也可以串联相通递增压力。腔室过多时会使加工和装配成本提高，也成为每轴每增加一个轮就增加多两个端面，而增加了流体回漏的可能性。

  在图3中图3－1→图3－3→图3－2→图3－4分别递增转角15。，如再转15。就到图3－1的反向齿合状态继续循环。图3－1（11－14）轮的齿合点和齿根、齿顶角中心线在两轴线中心线上，作为力传递时承受力最小；图3－2相对图3－1为转角30。，（21－24）轮的齿合点在分度圆和两轴中心线上，作为力传递时承受力最大，因为平分角同轴装配的相邻齿角角度＝（360。/轮齿数）/同轴轮数＝（360。/3）/4＝30。，所以两图叠在一起正是四轮平分角同轴装配图；图3－3与图3－4也是相对转角30。，两图叠在一起也是四轮平分角同轴装配图，图3－3（31－34）轮和图3－4（41－44）轮的齿合点距离相邻的齿侧分度圆交点和齿顶或齿根中心点＝15。＝a=b=e=f＝一个齿角角度的八分之一转角。

   在一轮以上任何整数的凸轮或齿轮同轴平分转角装配的同步装置中，可以根据输出要求，同轴的各轮形状相同，不同轴间的形状可以不相同或相同，使两轴可以以相同或不相同的角速度传动。这样装配从端面视图上，各轴的相邻的齿角角度＝（360。÷齿数）÷同轴轮数。两轴间的齿合点都在一个齿角的角度范围内，如将各齿合点绘在相应的一个齿角上，各齿合点均布在齿角的弧线上，相邻的齿合点角度＝一个齿角角度÷同轴轮数。因为决定同轴装配的轮数是凸轮或齿轮在转动一个齿角的角度中，一个齿角的齿合侧弧线有合理压力角的转角占有多大比例，即一侧齿角弧线有合理齿合压力角弧线段的转角角度÷一个齿角角度，如是1/3取3轮、1/4取4轮、1/5取5轮……，这样的装配使凸轮或齿轮转子对在任何转角都有一对轮在合理的压力角状态齿合。

  以下以图3的三齿的凸轮四轮同轴平分转角装配的同步装置为例具体说明，

在设计凸轮时，凸轮齿角两侧弧线对称，使一侧弧线有合理齿合压力角的弧线段转角≥一个齿角角度的1/4，因为泵的两轴分度圆相同，这里也要取两轴分度圆和泵的分度圆相同。将各形状相同的轮分两轴各4轮同轴平分转角装配，装配顺序要使两轴的各对配对轮相配。当两轴运行至图3－1和图3－2叠加的状态时，（11）轮和（12）轮以及（13）轮和（14）轮齿合齿角的凸角和凹角中心正对在两轴线上，这时齿合对轮的承受力最小，齿顶角受力点距离轴心最长，加上齿合面和力的方向最相近而形成楔角受力，容易发生不合理的受力点位移受损；而这时两轴的另两对齿合轮(21)和(22)以及(23)和(24)的齿合受力点正在分度圆上，分别作正反方向齿合，受力面积较大，为齿角侧最正齿合，是齿合轮的最大可受力点，其齿合弹性变形最小，阻止了前两对齿合轮齿顶不合理位移的发生，也因此受力增加，减小了齿顶的受力，防止齿顶发生损伤，这时候两轴各正反方向总的可承受力等于一轮在分度圆处的最大可承受力加上一轮在齿顶处最小可承受力。随着两轴的转动，各个齿合点也滚动渐进，原来齿顶和齿根中心处在两轴线的齿角离开两轴线承受力加大，原来处在分度圆齿合的齿角也离开分度圆交点承受力逐渐减小；转角到15。时设侧齿角弧线有合理齿合压力角弧线段的转角角度＝一个齿角的1/4，则这时两轴的四对齿合轮处在刚好有合理压力角的齿合点齿合，如图3－3和图3－4叠加在一起，正反方向各有两对轮承受传递力，两轴各正反方向的总承受力等于一轮在分度圆交点和齿顶的一半角度处的承受力×2，因为刚好处在合理压力角齿合，承受力也较大。两轴继续转时，等于从这里回到原来两对轮在分度圆齿合和另两对轮齿顶、齿根的中心在两轴线上齿合，不再重述了。从上述看出两轴正反方向在任何转角都有较大的承受力，并且都有一轮在有合理压力角的侧面运转，防止了齿顶单独磨损的发生。

   确定凸轮的同轴装配的轮数是一侧齿角弧线齿合时有合理压力角的弧线段转角除以一个齿角的角度，如1/5时，一般取5轮，也可以取5轮以上，获得更好的压力角齿合，或接近1/5时取5轮，根据具体要求取定。无论取多少个轮同轴平分转角装配，其原理和4轮一样，只是齿角侧的齿合点多或小的不相同，同轴双数轮时两轴任何转角方向承受力同时正反相等，奇数轮时承受力随着方向和转角改变而改变。这里也不再重述了。

 在采用1以上的任何数量的齿轮同轴平分转角装配同步装置时，是以齿角一个侧面齿合的转角角度÷一个齿角角度，如1/3可以取3轮或3轮以上，其基本原理和凸轮相同，因为齿轮很多是一轮已经具有正反向可以同步的功能，多轮同轴平分角装配时，可能有尺寸公差不同发生运转时相互干涉，可以取消齿顶齿合或加大间隙量等的方法解决。

   在设计和装配同步装置时，如图4中，应当使同轴的轮与轮之间有同步功能，在轮与轮之间加入同步隔离片，使每一轮的齿合力先传到其他轮再传到轴，增加轮片的承受力，保护轮片和轮与轴的配合。或直接加工轮的齿合部位的端部，使轮与轮之间能同步并且齿顶圆到齿根圆部位要有一定的距离，有利于润滑、泄润滑油以及有轴向串动时防止碰齿。

     在设计同步装置的凸轮侧弧线的压力角时，不需要和齿轮一样取固定的值，因为齿数越小，单个齿角的齿合运动距离和角度越大，所以不需要有固定的值，而是要在任何齿合转角能有更好的力传递、增加滚动渐进的成份和减小齿合点摩擦移动的成份；在设计泵转子的凸轮弧线时，要有符合要求的齿合开角，以免齿合处流出难度过大造成振动和耗能。

   上述的凸轮或齿轮泵转子具有同步密封的功能以及两轴任何转角受力平衡反向相等；同步装置具有很好的同步功能，还可以防止齿顶先受损而耐用、耐摩擦；在两轴分别联轴或同轴加入符合两轴转向相反以及力距和速度相同的动力，可以是电动机、发动机或齿轮等动力输入装置。因为泵转子已经是受力反向平衡，同步装置的功能变为非正常状况时同步泵转子的线转速，防止转子损伤，使泵转子在材料或构造上更适应使用要求。