專利名稱：波狀凸輪式壓縮機的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是活塞在汽缸內筒中做往復運動而將供給汽缸內筒的流體壓縮的壓縮機。詳細一點說，就是由固定在驅動軸上的波狀凸輪旋轉而使活塞做往復運動的波狀凸輪式壓縮機。
原來的波狀凸輪式壓縮機包括有驅動軸、固定在驅動軸上的波狀凸輪、與波狀凸輪相連結被組裝于汽缸內筒中的活塞。在這種壓縮機里，驅動軸帶動波狀凸輪轉動，并使活塞在汽缸內筒中做往復運動，從而壓縮供給汽缸內筒中的流體。特開昭57—110783號公報與實開昭63—147571號公報公開了關于這種壓縮機的例子。
前一種壓縮機，波狀凸輪的前后兩個凸輪面與雙頭活塞之間夾持著滾柱。這種滾柱可以相對活塞轉動，而且連結安裝得不會脫開。該滾子相對波狀凸輪的凸輪面而轉動，隨著波狀凸輪的旋轉，把凸輪面的周期性的位移傳至活塞。由于傳遞了這種位移，活塞即按凸輪的位移特性而做往復運動。后一種壓縮機，波狀凸輪的前后兩面具有凸輪溝，這種凸輪溝與雙頭活塞間夾有滾珠。在這種壓縮機中，用滾球代替了滾柱，隨著波狀凸輪的旋轉，凸輪溝周期性的位移由滾珠傳遞到活塞，這一點是與前一種壓縮機不同之處。
另外，還有用斜板代替波狀凸輪的斜板式壓縮機。這種壓縮機，由驅動軸帶動斜板使活塞在汽缸內筒中做往復運動來壓縮供給汽缸內筒的流體。在這種壓縮機中，斜板周期性的位移具有正弦波特性。這種壓縮機，驅動軸每轉一周，雙頭活塞的一個活塞頭只有一次壓縮；而在使用波狀凸輪的壓縮機上，驅動同每轉一周，雙頭活塞的每個活塞頭要進行多次壓縮。波狀凸輪的凸輪面具有這樣的位移特性。因而，波狀凸輪式壓縮機比斜板式壓縮機具有每轉一周有著更大壓縮量的優點。
在波狀凸輪式壓縮機上，滾柱或滾珠夾在波狀凸輪與活塞間。這種滾柱或滾珠都能相對波狀凸輪的凸輪面轉動。夾滾柱時，滾動的滾柱外圓面與凸輪面線接觸；夾滾珠時，滾動的滾珠表面與凸輪面點接觸。而從微觀看，滾柱或滾珠在凸輪面上轉動時，凸輪面與滾柱的外圓面或滾珠的表面相接觸的部分，由于接觸滾柱或滾珠受到壓力(以下簡稱“接觸壓”)而產生彈性變形。即滾柱或滾珠一邊使波狀凸輪的凸輪面變形，一邊在凸輪面上滾動，滾柱的外圓面或滾珠的表面與波狀凸輪產生了彈性變形的凸輪面形成了面接觸。這里，希望接觸壓越低越好。因為接觸壓低對提高壓縮機的耐久性至關重要。滾柱的外圓面與波狀凸輪的凸輪面的線接觸的距離越長，或者滾柱或滾珠的曲率越小(即滾柱或滾珠的曲率半徑越大)，這種接觸壓就越低。也就是，在滾柱或滾珠的曲率小的情況下，由于滾柱的外圓面或滾珠的表面與波狀凸輪的凸輪面接觸面積增大，接觸壓即變低。
在波狀凸輪的凸輪面與活塞之間夾有滾柱的情況下，沿滾柱軸心線方向的長度越長，或滾柱的直徑越大，接觸壓就可以越低。在波狀凸輪的凸輪面與活塞間夾有滾珠的情況下，滾珠的直徑越大，接觸壓也可以越低。可是，在波狀凸輪式壓縮機上，滾柱或滾球被嵌裝于雙頭活塞上設置的凹部。因此，滾柱的長度、滾柱的直徑、或滾珠的直徑與活塞的直徑大小相互制約。即，除非活塞直徑加大，否則滾柱的長度、滾柱的直徑或滾珠的直徑不能加大。而加大活塞直徑，勢必加大壓縮機的整體尺寸。
本發明的主要目的是不使波狀凸輪式壓縮機尺寸加大的情況下，而提高其耐久性。另外一個目的，好是減小波狀凸輪式壓縮機的尺寸。
為達到上述目的，在裝于驅動軸上能夠一起轉動的波狀凸輪體的至少一個面上形成適合規定曲線軌跡并成凸狀曲面的凸輪面，通過具有在同一凸輪面上的規定軌跡上做相對移動的球面的滑靴(シュ—/shoe)至少有一個活塞與凸輪面相連；隨著波狀凸輪的旋轉，滑靴在包含了凸輪面的最前位(第一部位)和最后位(第二部位)的前述軌主道上移動；活塞在汽缸內分別對應于第一第二部位的上死點與下死點間做往復運動來壓縮進入汽缸內筒的流體；在這樣的壓縮機里，滑靴球面的中心與驅動軸的中心軸線間的距離要比汽缸內筒中心軸線與驅動軸的中心軸線間的距離大，這是本發明的特征所在。
圖面的簡單說明
圖1所表示的是將本發明具體化的第一實施例的波狀凸輪式壓縮機全貌的斷面圖。
圖2是關于第一實施例圖1的2—2截面圖。
圖3是關于第一實施例由規定的柱面構成波狀凸輪的斜向視圖。
圖4是概念性表示第一實施例規定的拋物柱面的斜向視圖。
圖5是概念性表示第一實施例作為凸輪位移特性的位移曲線(軌道軌跡)模式圖。
圖6是表示關于第一實施例，由規定的柱面構成波狀凸輪的平面圖。
圖7是表示由相同規定柱面構成的波狀凸輪的平面圖。
圖8是第一實施例，表示波狀凸輪的凸輪剖面的周期性位移圖。
圖9是表示第一實施例上的波狀凸輪要部的平面圖。
圖10是表示將本發明具體化的第二實施例的波狀凸輪要部平面圖。
第一實施例以下，以圖1—9詳細說明體現本發明的波狀凸輪式壓縮機的第一實施例。
如圖1所示，相互緊密組合在一起的一對汽缸部件11、12，通過徑向軸承14、15支承著驅動軸13，并可旋轉。沿驅動軸13的軸線方向，11、12兩部件分別形成多個汽缸內筒11a、12a，前后構成一對。各對汽缸內筒11a、12a以驅動軸13為中心等角距配置。在各對汽缸內筒11a、12a中，兩端有頭的雙頭活塞16分別組裝起來，可做往復運動。
波狀凸輪17的中心安裝固定在驅動軸13上。波狀凸輪17與各活塞16間夾有半球狀的滑靴18、19。該半球狀的滑靴18、19在其表面具有球面18a、19a和平面18b、19b。球面18a、19a分別與活塞16上設置的凹部16a、16b相配合；而平面18b、19b則分別與波狀凸輪17的凸輪面17A、17B相滑動配合。各球面18a、19a的中心Q1、Q2與各平面18b、19b的中心相重合。
在波狀凸輪17的前后兩個凸輪面17A、17B上，以對應于各球面18a、19a的中心Q1、Q2的排列劃假想圓C0。這個圓周C0具有在與驅去同13的中心軸線L0和汽缸內筒11a、12a中心軸線L1平行的方向上，前后交互兩次地周期性地反復移動的位移特性。這種位移特性，在圖1—3、5—10上以位移曲線F1、F2表示。該圓周C0的中心與驅動軸13的中心軸線L0相一致。而球面18a、19a的中心Q1、Q2與平面18b、19b的中心相重合。因此，球面18a、19a的中心Q1、Q2常沿位移曲線F1、F2在凸輪面17A、17B上接觸滑動。另外，雙頭活塞16與汽缸內筒11a、12a相配合，并限制其沿著汽缸內筒中心軸線L1的方向往復運動。從而，隨著波狀凸輪17的旋轉，各活塞16在汽缸內筒11a、12a內往復運動，這時，其往復運動的位移與位移曲線F1、F2上的位移相一致。
如圖3所示，波狀凸輪17的兩個凸輪面17A、17B由規定的假想柱體表面(以下簡稱“柱面”)所構成。在汽缸內筒11a、12a內，使活塞16處于其上死點位置，把此時相對應的凸輪面17A上的兩個第一部位17c連結成線，沿此線垂直剖切波狀凸輪17；或者，沿著凸輪面17B的兩個第一部位17a的連線垂直剖切波狀凸輪17。上述的柱面即是這樣剖切形成的沒有斷面形狀(輪廓)變化的曲面；也即相當于把上述曲線作為母線繪出的曲面。所謂母線，就是沿著它移動直線而生成曲面的那個規定的曲線。所以，把在凸輪面17A上與驅動軸13的中心軸線L0相一致的軸線作為Z軸，把與對應活塞16處于上死點位置凸輪17A上的第一部位17C的軸線止交的軸線作為X軸，上述柱面即如式(1)所示Z＝f(x) ……(1)如圖4所示，依下式(2)以X，Z為參數構成拋物線，以圓柱形剖切把該拋物線作為母線的假想的拋物線柱體的表面(以下簡稱拋物柱面)26的一部分，即可得到本實施例的波狀凸輪17的各凸輪面17A、17B上的曲面。
而后，把該曲面前后兩面組合起來，即可得到本實施例的波狀凸輪17。
Z＝-a*X2＋β(α·β為常數)……(2)凸輪面17A的兩個第一部位(拋物柱面26的頂點部位)17c，凸輪面17A的兩個第二部位17e，分別相隔180°的角距設置在凸輪面17A上。即，一方面在凸輪面17A上，凸輪面17A的第一部位17c與第二部位17e分別相隔90°的角距設置；而另一方面，凸輪面17B的第二部位17f與前述凸輪面17A的第一部位17c處于相互背對背位置；而凸輪面17B的第一部位17d與凸輪面17A的第二部位17e相互成背對背關系。凸輪面17A的第一部位17c成了把前部汽缸內筒11a內的活塞置于上死點位置的部位；而第二部位17e成為把同一活塞16置于下死點位置的部位。凸輪面17B的第一部位17d變成把后部汽缸內筒12a內的活塞16處于上死點位置的部位；第二部位17f變成使同一活塞16置于下死點位置的部位。
這里，為使活塞16做往復滑動，要求在兩個滑靴18、19上的球面18a、19a的中心Q1、Q2的間隔為固定值。即要求兩凸輪面17A、17B上的位移曲線F1、F2的間隔在中心軸線L0方向上為定值。為滿足此要求，應確定如下兩個條件第一個條件，波狀凸輪17的兩個凸輪面17A、18B要具有相同的形狀；第二條，為使活塞16在汽缸內筒11a、12a內處于上死點位置的凸輪面17A、17B上的第一部位17c、17d與把同一活塞16處于下死點位置時的凸輪面17A、17B上的第二部位17e、17f應具有對稱的斷面形狀。
這里，第一個條件由前述的以圓柱形剖切拋物柱面26的一部分時形成的形狀組合成波狀凸輪17的兩個凸輪面17A、17B來達到；為滿足第二條件，兩凸輪面17A、17B最好都具有正弦波特性的曲線。在本實施列中，以θ代表波狀凸輪17的旋轉角；H代表活塞16的行程量。是在滑靴18、19的中心Q1、Q2的Z向軸方向的位移與旋轉角θ的關系即可表示為下式(3)Z(θ)＝(H/2)*cos(2θ)……(3)這里，由于波狀凸輪17的兩個凸輪面17A、17B的形狀相同，所以只考慮凸輪面17A一個即可以了。而且，把汽缸內筒11a、12a中的活塞16處于上死點位置定為旋轉角θ的0°；Z軸與旋轉軸13的中心軸線L0一致；Y軸與形成凸輪面17A的拋物柱面26的軸線L3平行；X軸與形成凸輪面17B的拋物柱面26的軸線L3平行。如圖5所示，把上式(3)投影到X—Z平面上，Z(θ)的X坐標即可以下式(4)表示X(θ)＝R1*sinθ……(4)以R1代表圓C0的半徑，由式(3)與式(4)即可得出Z坐標與X坐標的如下關系式(5)Z(θ)＝(H/2)*cos(2θ)＝(H/2)*(1－2sin2θ)∴Z(X)＝(H/2)*(1－2X2/R12)＝H/2－H*X2/R12……(5)(5)式表示的為拋物線，由式(4)與式(5)可導出如下的式(6)α＝H/R12β＝H/2……(6)
即，由于采用了以圓柱形切取滿足上式(6)的拋物線為導線形成的拋物柱面26的一部分得到的形狀作為凸輪面，活塞16即可做圓滑的往復運動。
這里，隨著驅動軸13的旋轉，波狀凸輪17旋轉，由于凸輪的作用，通過滑靴18、19使活塞16在汽缸內筒11a、12a內做往復運動。在汽缸內筒11a、12a內活塞16從上死點向下死點運動是吸入行程，吸入室20中的冷介質氣體一邊推下吸入閥21，一邊被由吸入孔22吸入汽缸內筒11a、12a中。活塞16從下死點向上死點移動謂之壓縮行程，汽缸內筒11a、12a內的冷介質氣體的壓力被壓縮到規定值。這樣，由于其壓力達到規定值，冷介質氣體隨著排氣閥23的推開，即從排氣口24排至排氣室25。
在這樣的壓縮機中的冷介質氣體的吸入、壓縮、排出的一連串的動作，相應于具有位移曲線F1、F2的波狀凸輪17的驅動軸13每轉一周而進行兩次。如圖6、圖7所示，把波狀凸輪17的旋轉運動變成活塞16的往復運動的滑靴18、19，其平面18b、19b常是與波狀凸輪17的凸輪面17A、17B線接觸，而相對17A、17B轉動。圖7是圖6的波狀凸輪17轉了90°的狀態的平面圖。這時，滑靴18、19的球面18a、19a的匠中心Q1、Q2具有圖8所示的凸輪剖面而做周期性的位移，凸輪面17B上的位移曲線F2由于滿足上述條件，相對于圖8上所示的位移曲線F1，在位相上差π/2(圖中未示出)。這樣在位移曲線F1、F2的Z軸方向(即驅動軸13的方向)間隔保持一定。
另外，在本實施例中的波狀凸輪外壓縮機尤其具有以下的結構特點。即如圖1—3所示的那樣，在波狀凸輪17的前后兩凸輪面17A、17B上與汽缸內筒11a、12a的中心線L1的排列相對應劃出假想的圓周C1。該圓周C1的中心與驅動軸13的中心線L0一致；同時，該圓周C1具有與前述球面18a、19a的中心Q1、Q2的排列對應的假想圓周C0相同的位移特性。所以如圖1—3所示，前述圓周C0的半徑R1要比圓周C1的半徑大。即滑靴18、19的球面18a、19a的中心與驅動軸13的中心軸線L0之間的距離要比汽缸內筒11a、12a的中心軸線L1與驅動軸13的中心軸線L0間的距離大。從而，各球面18a、19a的中心Q1、Q2在前后兩凸輪面17A、17B上于前述圓周C1的外側來回移動。尚且，圖9上的位移曲線F3具有滑靴18、19的球面18a、19a的中心Q1、Q2的排列和汽缸內筒11a、12a的中心軸線L1的排列結構上相一致時的位移特性。
波狀凸輪17的凸輪面17A、17B的形狀與活塞16的行程量H之間相對因果關系由前述表達拋物線的式(5)來導出。這里，在使活塞16位于汽缸內筒11a、12a內的上死點所對應的凸輪面17A、17B上的第一部位17c、17d(X＝0)處，曲率半徑ρ由下邊的(7)式表示。而且，在本實施例中的波狀凸輪的前后兩凸輪面17A、17B具有相同形狀，所以以下只就凸輪面17A加以說明。
ρ＝|(1＋Z′(X2))2/3/Z″(x)|……(7)由前述式(5)Z′(x)＝dz/dx＝-2(H/R12)xZ″(x)＝d2z/dx2＝-2H/R12ρ＝|〔1＋{-2(H/R12)X}2〕2/3/(-2H/R12)|＝|R12/2H|……(8)從(8)式還可以導出如下的結果與滑靴18的球面18a的中心Q1的配置相對應的假想圓C0的半徑越大，為使活塞16置于汽缸內筒11a內的上死點位置相應的凸輪面17A的第一部位17C處的曲率半徑ρ就越大。而且，不需為此而改變活塞16的行程量H。
由此，還可以進一步導出球面18a、19a的中心Q1、Q2也會沿著比圓周C1半徑大的圓周C0來往移動。為此，從微觀來看，滑靴18、19的平面18b、19b對凸輪面17A、17B的第一部位17a、17d的接觸面更大。所以，前述的平面18a、19a與第一部位17c、17d之間的接觸壓變小。因此，平面18a、19a與第一部位17c、17d的耐磨性與耐久性得以提高。
另外，滑靴18、19包括有與活塞16相接觸的球面18a、18b和在凸輪面17A、17B上滑動的平面18b、19b，球面18a、19a的中心Q1、Q2位于凸輪面17A、17B上。為此，由于凸輪的作用，活塞16做往復運動時，滑靴18、19在凸輪面17A、17B上圓滑接觸滑動。從而，壓縮機圓滑地壓縮了汽缸內筒11a、12a中的流體。同時，凸輪面17A、17B是只由凸曲面構成的柱面，波狀凸輪的強度得到提高。
第二實施例下面，以圖10來說明具體體現波狀凸輪式壓縮機特征的第二實施例。
在本實施列的壓縮機中，如圖10所示，滑靴18、19的球面18a、19a的中心Q1、Q2也在凸輪面17A、17B。同時，滑靴18、19一邊在凸輪面17A、17B上滑動接觸一邊滑動時，各球面18a、19a的中心Q1、Q2由于比汽缸內筒11a、12a中心軸線L1的排列相對應的假想圓周C1要靠外，所以它沿著圓周C0移動。圖10上的〔P1〕是為把在第一實施例中活塞16的位置與本實施例中活塞的位置進行比較而設的假想線。如圖10所表明的那樣，本實施例中的汽缸內筒11a、12a和活塞16比第一實施例中的相應部件也更靠近驅動軸13的中心線L0。因此，本實施例中的圓周C1比在第一實施例中的直徑要小。從而，僅此一點，即可使得汽缸部件11、12的直徑縮小，整個壓縮機的尺寸也可縮小。
再有，本發明不限于前述各實施例的結構。在不脫離本發明的宗旨的范圍內，可以變更其實施樣式。特別是在下述的情況下把發明具體化，被認為更加優越。
在前述的實施例中，把規定的拋物線作為導線得出的假想拋物面26采用于波狀凸輪17的凸輪面17A、17B上。對此，像上述實施例那樣，導線是凸曲線更好。
在前述波狀凸輪17的凸輪面17A、17B上，置活塞16于汽缸內筒11a、12a內的下死點對應的第二部位17e、17f是平面，而置活塞16于汽缸內筒11a、12a內的上死點相對應的第一部位17c、17d是橢圓柱面或圓柱面為好。
權利要求
1.一種波狀凸輪式壓縮機，其特征在于在安裝于驅動軸上可以一起旋轉的波狀凸輪體的至少一個面上，形成適合規定曲線軌跡并構成凸狀曲面的凸輪面，通過具有在該凸輪面的規定軌道上相對移動的球面的滑靴使凸輪面與至少一個活塞相連，隨著波狀凸輪的旋轉，滑靴在包括了凸輪面最前位的第一部位與前后位的第二部位的前述規定軌道上產生位移，使活塞在汽缸內筒中對應于第一、第二部位的上死點與下死點間做往復運動，以此來壓縮引入汽缸內筒中的流體，在這樣的壓縮機中，滑靴的球面中心與驅動軸中心軸線間的距離比汽缸內筒中心軸線與驅動軸中心軸線間的距離要大。
2.按照權利要求1所述的壓縮機，還具有如下的特征前述的第一部位是一對第一部位，各第一部位以互成180°的位相配置；前述的第二部位也是成對，各第二部位也以互成180°配置，各第一部位與一個和第一部位相鄰的第二部位互成90°的位相配置。
3.按照權利要求1與2記述的壓縮機，其特征還在于前述凸輪面包含假想的拋物線狀的柱體表面的一部分，而假想拋物線狀柱體由規定的拋物線狀曲線的軌跡得到。
4.按權利要求1—3任一項所述的壓縮機，其特征還在于前述拋物線狀的柱體表面是以滿足下式的拋物線為母線所形成的柱面Z＝-(H/(2R12))X2＋(H/2)式中，Z是把驅動軸的中心軸一為Z軸，把與形成凸輪面的拋物柱面的軸線正交的軸定為X軸時X—Z坐標軸上的Z坐標；X把驅動軸的中心軸線定為Z軸，把與形成凸輪面的拋物柱面的軸線正交的軸定為X軸時X—Z坐標軸上的X坐標；H1活塞行程量；R1是以驅動軸的中心軸線為中心，以在凸輪面上的滑靴的球面中心與驅動軸中心軸線間的距離為半徑的假想圓。
5.按權利要求1—4任一項所述的壓縮機，其特征在于還以滑靴包括有在凸輪面上可以滑動接觸的平面與在活塞上可以滑動地連結著的球面。
6.按權利要求1—5任一項所述的壓縮機，其特征在于上述之球面具有位于平面上的中心。
7.按權利要求1—6任一項所述的壓縮機，其特征還在于具有多個汽缸內筒，汽缸內筒分別配置在驅動軸的周圍，分別與各汽缸內筒相對應的活塞連結著凸輪體，各活塞與凸輪面間夾有滑靴。
8.按權利要求1—7任一項所述的壓縮機，還具有如下的特征多對汽缸內筒的各對在驅動軸的周圍沿驅動軸的軸線方向配置，前述的凸輪體具有為驅動活塞有著同樣的外形而相位錯開90°的一對凸輪面，各對汽缸內筒中分別容納的具有一對活塞頭的活塞連結著凸輪體可以工作，各活塞與凸輪面間夾有滑靴。
全文摘要
波狀凸輪的前后兩個凸輪面17A、17B由規定的假想柱體的表面所構成。汽缸內筒11a、12a內包容的雙頭活塞16與凸輪面17A、17B間夾有半球狀的滑靴18、19。滑靴18、19的表面具有球面18a、19a和平面18b、19b。在凸輪面17A、17B上劃出與滑靴18、19的球面18a、19a的中心Q
文檔編號F04B27/08GK1129775SQ9511726
公開日1996年8月28日 申請日期1995年10月5日 優先權日1994年10月5日
發明者村上和朗, 藤井俊郎, 巖間和明, 大山勝矢 申請人:株式會社豐田自動織機制作所