徑向活塞緩衝扭轉耦合器以及使用它的機械裝置製造方法
2023-08-11 16:11:31
徑向活塞緩衝扭轉耦合器以及使用它的機械裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種徑向活塞緩衝扭轉耦合器以及使用它的機械裝置，緩衝扭轉耦合器（30）是用於耦合驅動軸（12）與工作軸，同時允許由於扭轉振動導致的一些相對旋轉。耦合器（30）包括第二聯接器（50）,第二聯接器定位為圍繞通過從負到正的力矩方位的連續區域的軸線（80）相對於第一聯接器（40）旋轉。第一聯接器（40）限定有凹槽的周界表面（41），帶有多數為非圓形的凹槽（42），凹槽圍繞軸線（80）以徑向對稱的方式分布。第二聯接器（50）包括多個活塞（52），活塞往復式地接納在相應的機筒（53）中，以限定容量可變腔（60），容量可變腔流體地連接到緩衝通道。彈簧（63）使得活塞(52）和機筒（53）偏移以朝向這樣的位置伸出，因此與凹槽（42）之一接觸。接觸端（55）可以是滾柱（56）的邊緣（57），滾柱在有凹槽的周界表面（41）上在所述凹槽（42）之一中滾動，響應在聯接器（40，50）之間傳輸的扭矩。
【專利說明】徑向活塞緩衝扭轉耦合器以及使用它的機械裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型通常涉及扭轉耦合器，尤其是涉及利用徑嚮導向的活塞和機筒組合物用於傳遞扭矩同時用於緩衝扭矩振動的扭轉耦合器。
【背景技術】
[0002]扭轉耦合器通常交會在兩個旋轉的組件之間，其必須能夠提供一些相對的旋轉以調和扭轉振動。例如，引擎可以在破裂鑽機泵送應用中用於驅動液壓活塞泵。扭轉耦合器可能是必需的以調和由於連續的發動機缸點火導致的引擎諧波激勵引起的扭轉振動，而且扭轉振動也可能來自於利用每個缸的每個泵衝程的泵。另外，在傳動線路中的不同的元件的自然的扭轉頻率也可能被激發，並且這需要被吸收和緩衝。
[0003]共有的美國專利編號7，335，107教導了一種扭轉耦合器，其中扭矩從第一連接元件經由第一連接元件的徑嚮導向的活塞之間的交互作用傳輸到第二連接元件，活塞被偏壓以與在第二連接元件上的圓弧表面接觸。扭轉振動通過活塞接觸面在圓弧上的前後移動調和。在第一和第二連接元件之間的這樣的相對旋轉導致活塞在其相應的機筒裡移入和移出。由於潤滑液和摩擦的存在，在活塞與第二連接元件以及它的相應的機筒接觸時產生了一些緩衝。儘管該』 107專利教導了一種創新型的扭轉耦合器，但是還有相對於緩衝、磨損和設計可變性的改進的餘地，以考慮不同應用的扭轉需求。
[0004]本實用新型的目的在於利用徑嚮導向的活塞和機筒組合物改進扭轉耦合器。
【發明內容】
[0005]在一方面，徑向活塞緩衝扭轉耦合器包括第一聯接器和第二聯接器，該第二聯接器定位為相對於第一聯接器圍繞通過負的、中間的和正的力矩方位的連續區域的軸線旋轉；第一和第二聯接器之一包括多個凹槽，限定有凹槽的周界表面，凹槽至少為三個，以圍繞從軸線徑向對稱的方式分布；第一和第二聯接器之一包括與凹槽數量相同的活塞，活塞往復式地接納在相應的機筒中，以限定容量可變腔，該容量可變腔流體地連接緩衝通道；彈簧，其使得活塞和機筒偏壓以朝向一個位置伸出，在所述位置處，接觸端與凹槽之一接觸；接觸端為滾柱的邊緣，滾柱在有凹槽的周界表面上在所述凹槽之一中滾動。
[0006]在另一個方面，一種機械裝置，包括帶有驅動軸的引擎，和帶有泵軸的液壓活塞泵；驅動軸通過徑向活塞緩衝扭轉耦合器可轉動地與泵軸連接；阻尼液源流體地連接到徑向活塞緩衝扭轉耦合器的容量可變腔；徑向活塞緩衝扭轉耦合器包括第一聯接器，其與驅動軸連接，第二聯接器，其與泵軸連接，並且第一聯接器和第二聯接器之一包括多個徑嚮導向的活塞和機筒組合物，活塞和機筒組合物利用接觸端與在第一聯接器和第二聯接器之一的有凹槽的周界表面上的相應的非圓形的凹槽接觸；還包括抗扭剛度調節器，所述抗扭剛度調節器包括阻尼液壓力調節器。
[0007]在又一個方面，一種方法，該方法驅使工作軸圍繞一軸線旋轉，包括從驅動軸通過徑向活塞緩衝扭轉耦合器施加力矩到工作軸；施加力矩的步驟包括相對於第二聯接器旋轉第一聯接器，離開中間的力矩方位；第一聯接器和第二聯接器之一的一個滾柱感應扭轉振動在第一聯接器和第二聯接器的另一個的有凹槽的周界表面的非圓形的凹槽中前後滾動；第一聯接器相對於第二聯接器的相對旋轉，通過由從軸線沿著徑向線路相對於機筒移動活塞來排擠阻尼液以緩衝。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]圖1是根據本實用新型的一個方面的機械裝置的示意圖；
[0009]圖2是根據本實用新型的另一個方面的徑向活塞緩衝扭轉耦合器的部分前部剖視圖；
[0010]圖3是圖2的徑向活塞緩衝扭轉耦合器的側面剖視圖；
[0011]圖4是本實用新型的徑向活塞緩衝扭轉耦合器的一種替換結構。
【具體實施方式】
[0012]參考圖1，其顯示了根據本實用新型的一個示意性的實施例的機械裝置10。機械裝置10可以包括引擎11，引擎帶有驅動軸12，驅動軸12可操作地經由徑向活塞緩衝扭轉耦合器30連接，以驅動從動元件13的工作軸15旋轉，和傳動/齒輪箱14。從動元件13可以在不脫離本實用新型的範圍的情況下採樣多種形式，包括液壓活塞泵，此時，機械裝置10涉及破碎鑽機泵送應用；推進器，此時機械裝置10是海上的應用；軸杆，此時機械裝置10是機動車輛，等等。力矩從引擎11經由驅動軸12傳輸，通過徑向活塞緩衝扭轉耦合器30傳輸到輸出軸16。隨後，輸出軸16也可以被認為是用於傳動/齒輪箱14的輸入軸，以驅動工作軸15旋轉。在示例性的實施例中，機械裝置10可以是破碎鑽機泵送應用，其中從動元件13是液壓活塞泵，而工作軸15是泵軸。利用或者不利用傳動/齒輪箱14，驅動軸12可以被認為是可旋轉地通過徑向活塞緩衝扭轉耦合器30與泵軸15連接。
[0013]機械裝置10也包括抗扭剛度調節器20，其包括流體地連接到泵22的阻尼液源21，其通過供給通道25將阻尼液供給到扭轉耦合器30。返回通道26可以包括閥24。取決於單獨的元件，泵22和閥24可以認為是阻尼液壓力調節器27，其具有這樣的能力，即設定在扭轉耦合器30內的要求的阻尼液的壓力。本領域技術人員應當領會的是，儘管圖示了泵22和閥24用於調節阻尼液壓力，但是還有許多其他已知的機構和管道連接可用於控制阻尼液的壓力。在圖示的實施例中，阻尼液可以是潤滑油或者液壓流體。在另一個實施例中，扭轉耦合器30可以以這樣的方式構造，以從傳動箱14獲得液壓傳動液體，並且在不脫離本實用新型的情況下以任何現有技術中已知的方式對供給的液體壓力進行調節。
[0014]現在參考圖2和3，徑向活塞緩衝扭轉耦合器30包括第一聯接器40，該第一聯接器40定位為相對於第二聯接器50圍繞通過負的、中間的和正的力矩方位的連續區域的軸線80旋轉。在圖2和3中，顯示了第一和第二聯接器40，50位於它們的中間的力矩方位。第一聯接器40可以以常規的方式連接引擎11的驅動軸12，這樣通過輪緣螺釘連接到飛輪。第二聯接器50可以連接到泵軸15，例如通過花鍵和傳動箱14。第一聯接器40限定向內導向的有凹槽的周界表面41，具有多個凹槽42，凹槽42以圍繞軸線80徑向對稱的方式分布。在本實用新型的所有實施例中，凹槽42的數量至少為三個，但是圖示的實施例僅顯示了具有8個凹槽42的形式，凹槽42圍繞軸線80以徑向對稱的方式分布，每個凹槽42通過徑向擋塊46分隔。第二聯接器50包括與凹槽42的數量相同的活塞和機筒結構51。特別地，第二聯接器50包括活塞52，活塞52往復式地接納在相應的機筒53中，以限定容量可變腔60，容量可變腔60通過阻尼節流孔66流體地連接到緩衝通道35。緩衝通道35可以流體地連接到阻尼液供給通道25，阻尼節流孔66可以設置為提供要求的緩衝量，使得阻尼液響應活塞52和機筒53的運動而在其中移除，從而增加或者減小容量可變腔60的容積。這樣，每個容量可變腔60可以由來源於阻尼液源21 (圖1)的阻尼液填充。在本實用新型的所有實施例中，每個活塞和機筒結構51相對於從軸線80起始的半徑32保持固定不變的方位，半徑32與每個相應的活塞和機筒結構51的中心線一致。
[0015]一個或多個彈簧63可以放置在容量可變腔60中，或者放置在其他位置，以朝向這樣的位置偏壓活塞和機筒，其中接觸端55與凹槽42之一接觸。在圖示的實施例中，機筒53相對於第二聯接器50固定，活塞52響應兩個卷簧63的偏壓以保持在接觸端55和有凹槽的周界表面41之間的接觸。然而，本領域技術人員應當領會的是，活塞52可以是固定的，而機筒53可以被偏壓以在固定的活塞52上移動，這沒有脫離本實用新型的範圍。換句話說，滾柱56可以在它們的內徑(ID)上以滑動接觸的方式連接到運動組件(〃機筒〃)，而在它們的外徑上與固定組件(〃活塞〃)接觸。接觸端55可以是滾柱56的邊緣57，邊緣與各個相應的活塞52的一端連接。
[0016]在圖示的實施例中，在相當於延伸的活塞和機筒結構51的中心44，每個凹槽42圍繞從軸線80起始的半徑對稱，如圖所示。一對偏心位置45相當於降至最低點的活塞和機筒結構51的位置。這樣，圖2和3顯示了每個活塞和機筒結構51處於它們最大的延伸位置，利用接觸端55與在相應的凹槽的中心44與凹槽42接觸，這相當於中間力矩位置。偏心位置45標誌在第一聯接器40和第二聯接器50之間的可允許的最大相對旋轉角度，因為活塞52已經在它們相應的機筒53中降至最低點，並且不可能再收回了。偏心位置45相當於對應期望的正反設計扭矩的最大值。一些應用可能允許和甚至要求扭矩足夠大，以使得活塞和機筒結構51降至最低點，然而，其他的應用可能這樣設計，因此，扭矩從不或者幾乎從不導致活塞和機筒結構51達到偏心位置45的一個或兩個位置。凹槽的數學上連續的表面限定了在第一聯接器40和第二聯接器50之間的正的、中間的和負的扭矩方位的連續區域。本領域技術人員應當領會的是，單獨的凹槽42不必圍繞從軸線80起始的半徑對稱。例如，多數凹槽表面可以安置在從軸線80起始的徑向的一側或另一側，以反映機械裝置10中的通過扭轉耦合器30傳輸的總是正的或負的平均工作扭矩，這取決於特別的應用。
[0017]儘管不是必須的，每個凹槽42可以採用非圓形的輪廓，例如橢圓或甚至可以是超橢圓。本領域技術人員應當領會的是，等式(x/a)n + (y/b)n = I表示閉合的曲線族。當指數η處於O和I之間時，超橢圓看起來像一個具有四個臂的星星，具有凹形的(向內的彎曲的)側面。當η等於I時，曲線變成菱形。當η處於I和2之間時,超橢圓看起來像一個具有凸面的金剛石，並且當曲率增加到I時，凸面接近(菱形的)尖角。當η等於2時，曲線為一個普通的橢圓，並且如果a=b，則變成圓形。當η大於2時，超橢圓形狀開始看起來更類似於具有尖角的矩形。在圖示的實施例中，超橢圓具有的指數可以是在1.8和2之間，以(相對於圓形或橢圓)提供更大的抗扭強度，因為當相對於中心44移開中間的力矩方位時，滾柱將幾乎立即遭遇一個斜坡。本領域技術人員應當領會的是，通過選擇用於單個凹槽42的適當的輪廓，可以獲得多種不同的力矩的關係。如在本實用新型中使用的，和相對於上述等式，超橢圓並不包括圓形，其中a=b，也不包括處於這樣的情況下的超橢圓，其中指數n=2。
[0018]由於活塞和機筒結構51的徑向對稱分布，隨著相應的彈簧63偏壓,第一聯接器40和第二聯接器50朝向相對於軸線80的同中心偏壓。然而，它們可以可替換的偏離中心至一定的偏心距離34，這通過徑向擋塊46限定。換句話說，偏心距離34相當於在第一聯接器40和第二聯接器50之間的徑向間隙，該限制相當於這樣的情形，其中第二聯接器50接觸一個或多個徑向擋塊46。這樣，本實用新型的結構確實允許在連接到第一和第二聯接器的相應的軸之間的一些直線不重合度。本實用新型的這個方面也允許分別連接到第一聯接器40和第二聯接器50的兩個元件(例如引擎和泵)的一些例如由於線性振動等引起的橫向運動，不會對耦合裝置施加過度應力。在圖示的實施例中，彈簧63是一對內裝的機械卷簧。然而，本領域技術人員應當領會的是，(多個)彈簧63可以是現有技術中已知的任何類型的合適的彈簧，例如氣動彈簧，單個機械性的卷簧，或者它們的組合物，這沒有脫離本實用新型的範圍。
[0019]儘管圖示的扭轉耦合器30具有安置在外部的元件，即第一聯接器40上的有凹槽的周界表面41，有凹槽的周界表面可以替代地位於內部元件上，並且作為向外導向的有凹槽的周界表面(類似希臘柱)，這沒有脫離本實用新型的範圍。在這種情況下，活塞和機筒結構51將徑向向內延伸，替代在圖示實施例中的徑向向外的方式。參考圖4，其圖示了一種用於徑向活塞緩衝扭轉耦合器130的替換的結構，其不同於之前的實施例，通過使得滾柱156安裝到第一聯接器140，而活塞152和機筒153屬於第二聯接器150的一部分。每個活塞152包括凹槽142。彈簧163偏壓活塞152和凹槽142，使之與滾柱156接觸。凹槽142可以遵循超橢圓的輪廓。
[0020]本領域技術人員應當領會的是，工程師可以通過調整阻尼液的壓力、通過設置在(多個)偏壓彈簧63上的預加載、以及通過考慮旋轉組件的質量體的特性設計多種特性的扭轉耦合器，以解決抗扭剛度變化，這可以歸因於通過旋轉速度引起的活塞和機筒結構51上的離心力。另外，機械裝置10的自然頻率也可以通過改變這些參數調整，以改變耦合器30的抗扭剛度，這可以根據旋轉速度內在地變化。其他的設計考慮包括滾柱56的半徑，單個凹槽42的輪廓，這可能是不規則的，以及活塞和機筒結構51的數量和關聯的凹槽42的數量。
[0021]工業實用性
[0022]本實用新型發現了在任何機械裝置中的潛在應用，其中一個旋轉元件驅動第二旋轉元件的旋轉。這兩個旋轉組件可以是兩個軸，如圖示的實施例，齒輪和軸，兩個齒輪，或任何其他現有技術中已知的類似的結構，這沒有脫離本實用新型的範圍。例如，外部聯接器的外表面可以包括輪齒以用於與鄰近的齒輪嚙合，該齒輪從與內部聯接器連接的軸被外部聯接器驅動以旋轉。在圖示的實施例中，主動和從動軸是共線的。本實用新型的扭轉耦合器在重型機械、例如破碎鑽機應用中和可能在海上的應用中找到了特別的應用。
[0023]當操作時，力矩從驅動軸12通過徑向活塞緩衝扭轉耦合器30施加到工作軸16。當施加力矩時，第一聯接器40相對於第二聯接器50旋轉，離開中間的力矩方位，如圖所示。當設定在凹槽表面41上的點之後，第二聯接器50的滾柱56可以響應扭轉振動在有凹槽的周界表面41的非圓形的凹槽42中前後滾動。這樣，當驅動軸12利用一些平均扭矩驅動工作軸旋轉時，第一聯接器和第二聯接器將找出這樣一個相對位置，該位置在凹槽42的輪廓上的具體的點相對於平均扭矩是穩定的。當面對扭轉振動時，可以期待第一和第二聯接器可旋轉地相對於彼此圍繞在凹槽輪廓上的穩定的平均扭矩點振動。這樣相對的旋轉可以通過使得阻尼液響應滾柱的前後運動、以及因此活塞52相對於它們相應的機筒53的移入和移出的動作，經過節流孔66從容量可變腔60中移入和移出來緩衝。活塞和機筒結構51可以在最大設計扭矩位置相對於圖2所示的偏心位置45降至最低點。通常，偏心位置45可以設計得超過期望的給定的機械裝置應用的極限轉矩。
[0024]在一些應用中，非圓形的凹槽42可以遵循如之前描述的超橢圓的輪廓。在圖示的實施例中，每個凹槽42佔據大約相關的超橢圓的大約30 - 40%的封閉周邊。向活塞緩衝扭轉耦合器30的抗扭剛度通過改變液體阻尼流體的供給壓力改變。例如，在圖示的實施例中，通過閥24的流動區域可以被調節以控制通常在扭轉耦合器30中的，並且尤其是在單個容量可變腔60中的阻尼液的壓力。本領域技術人員應當領會的是，任何已知的用於控制在容量可變腔中的阻尼液的壓力的策略都應當落入本實用新型的範圍內。最後，在驅動軸12和工作軸16之間的偏心的偏置關係可以通過徑向擋塊46限制。
[0025]應當理解的是，上面的描述僅僅是考慮作為說明性的用途，並且不應當認定為以任何方式限定本實用新型的範圍。並且，本領域技術人員應當領會的是，本實用新型的其他方面可以從附圖的研究、公開的內容和附加的權利要求獲得。
【權利要求】
1.一種徑向活塞緩衝扭轉耦合器(30，130)，其特徵在於，包括: 第一聯接器(40，140); 第二聯接器(50，150)，該第二聯接器定位為相對於第一聯接器(40，140)圍繞通過負的、中間的和正的力矩方位的連續區域的軸線(80)旋轉； 第一和第二聯接器(50，150)之一包括多個凹槽(42，142)，凹槽至少為三個，圍繞從軸線(80)以徑向對稱的方式分布； 第一和第二聯接器(50，150)之一包括與凹槽數量相同的活塞(52，152)，活塞往復式地接納在相應的機筒(53，153)中以限定容量可變腔(60)，容量可變腔流體地連接到緩衝通道； 彈簧(63，163)，其偏壓活塞(52，152)和機筒(53，153)以使之朝向一個位置伸出，在該位置處，接觸端(55)與凹槽(42，142)之一接觸； 接觸端(55)是滾柱(56，156)的邊緣(57)，滾柱在有凹槽的周界表面(41)上在所述凹槽(42，142)之一中滾動。
2.根據權利要求1所述的徑向活塞緩衝扭轉耦合器，其特徵在於，容量可變腔(60)和緩衝通道填充有阻尼液；緩衝扭轉耦合器還包括阻尼液壓力調節器(27)。
3.根據權利要求1所述的緩衝扭轉耦合器，其特徵在於，每個凹槽(42，142)遵循超橢圓的輪廓。
4.根據權利要求1所述的徑向活塞緩衝扭轉耦合器，其特徵在於，每個凹槽(42，142)圍繞從軸線(80)起始的半徑(32)對稱，具有中心(44)，中心對應於延伸的活塞和機筒結構(51)，和偏心位置(45)，偏心位置對應於降至最低點的活塞和機筒結構(51)。
5.根據權利要求1所述的徑向活塞緩衝扭轉耦合器，其特徵在於，在每個容量可變腔(60)中，彈簧(63,163)包括至少一個機械彈簧(63，163)； 容量可變腔(60)和緩衝通道填充有阻尼液；並且包括 阻尼液壓力調節器(27); 其中每個凹槽(42，142)遵循超橢圓的輪廓，具有中心(44)，中心對應於延伸的活塞和機筒結構(51),和偏心位置(45 ),偏心位置對應於降至最低點的活塞和機筒結構(51); 其中第一和第二聯接器(50，150)朝向共同中心偏壓，但是是偏置的，可替換為一偏心距離(34)，該偏心距離通過徑向擋塊(46)限定；和 其中接觸端(55)是滾柱(56，156)的邊緣(57)，滾柱在有凹槽的周界表面(41)上在所述凹槽(42，142)之一中滾動。
6.一種機械裝置(10)，其特徵在於，包括: 帶有驅動軸(12)的引擎(11)； 帶有泵軸(12)的液壓活塞泵(13)； 驅動軸(12)通過徑向活塞緩衝扭轉耦合器(30，130)可旋轉地與泵軸(12)連接；和阻尼液源，該阻尼液源流體地連接到徑向活塞緩衝扭轉耦合器(30，130)的容量可變腔(60)； 徑向活塞緩衝扭轉耦合器(30，130 )包括與驅動軸(12 )連接的第一聯接器(40，140 )，和與泵軸(12)連接的第二聯接器(50，150);並且第一聯接器(40，140)和第二聯接器(50，150)之一包括多個徑嚮導向的活塞和機筒組合物(51 )，和接觸端(55)，接觸端與第一聯接器(40，140)和第二聯接器(50，150)之一的相應的非圓形的凹槽(42，142)接觸；和 抗扭剛度調節器，該調節器包括阻尼液壓力調節器(27)。
7.根據權利要求6所述的機械裝置(10)，其特徵在於，每個活塞(52，152)和機筒(53，153)的接觸端(55)是滾柱(56，156)的邊緣(57)，滾柱在有凹槽的周界表面(41)上在非圓形的凹槽(42，142)之一中滾動； 徑向活塞緩衝扭轉耦合器(30，130)包括多個彈簧(63，163)，彈簧將第一聯接器(40，140)和第二聯接器(50，150)朝向共同中心偏壓；和 每個非圓形的凹槽(42，142 )從旋轉軸線圍繞半徑(32 )對稱，具有中心(44)，中心對應於延伸的活塞和機筒結構(51),和偏心位置(45),偏心位置對應於降至最低點的活塞和機筒結構(51)。
8.根據權利要求6所述的機械裝置(10)，其特徵在於，第一聯接器(40，140)定位為相對於第二聯接器(50，150 )圍繞通過負的、中間的和正的力矩方位的連續區域的軸線(80 )旋轉； 第一聯接器(40，140)限定有凹槽的周界表面(41)，帶有多數為非圓形的凹槽(42，142)，凹槽圍繞軸線(80)以徑向對稱的方式分布； 第二聯接器(50，150)限定機筒(53，153)，機筒往復式地接納活塞(52，152)以限定容量可變腔(60)，容量可變腔流體地通過節流孔連接到阻尼液源，節流孔由第二聯接器(50，150)限定；和 機械彈簧(63,163)放置在每個容量可變腔(60)中，彈簧使得活塞(52,152)之一朝向這樣的位置偏壓，其中滾柱(56，156)端部以接觸的方式在非圓形的凹槽(42)之一中前後滾動，響應位於引擎(11)和泵(22 )之間的扭矩。
【文檔編號】F16F15/133GK203979188SQ201290000877
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2012年9月10日 優先權日:2011年9月27日
【發明者】T·A·布羅斯克 申請人:卡特彼勒公司