長活塞液壓機的製作方法

2023-09-09 17:01:10 1

專利名稱：長活塞液壓機的製作方法
技術領域：
本發明涉及適合於相對「重型」的車輛應用，例如，適合於車輛運動用的液壓傳動裝置和/或儲存和回收節能蓄電池系統中的流體的液體液壓泵/馬達機械。[注詞語「液體」用於區分「氣體」液壓泵，例如，用於壓縮空氣和/或其它氣體的泵。]背景技術液壓泵和液壓馬達為人所熟知並且已經得到廣泛應用，具有安裝在各個汽缸中的往復式活塞，所述汽缸形成在汽缸體內並被周向定位在繞著驅動元件的旋轉軸為第一徑向距離的位置。許多這樣的泵/馬達機械具有可變的排量性能，而且它們一般具有兩個基本設計(a)各個活塞在旋轉汽缸體內沿著傾斜度可變但是固定安裝的斜盤(swash plate)往復運動；或者(b)各個活塞在汽缸體內沿著傾斜度可變而且可旋轉的斜盤往復運動，該斜盤經常被分開(split)以包括可在旋轉章動的轉子表面上滑動的非旋轉(即，只章動)「擺動器」。而此處的本發明適用於這兩種設計，它特別適合於，而且在此被描述為，其中活塞在固定汽缸體內往復運動的後一種類型的機器的改進。
如上所述，本發明被指向「液體」(與「氣體」相區別)型液壓機，而且應當認為，貫穿說明書和權利要求的詞語「流體」和「受壓流體」意圖在於識別不可壓縮的液體而不是可壓縮的氣體。因為液體的不可壓縮性能，這兩種不同類型的液壓機的加壓加載工作循環是如此完全不同，以至於氣體壓縮型機械的設計不適合應用在液體型機械中，反之亦然。因此，下述評論應當理解為被指向並可應用於液體型液壓機，並且主要是如上述技術領域章節所指出的那些重型汽車應用場合。
具有固定汽缸體的液壓機可以比那些必須支承並保護重型旋轉汽缸體的機械建造得更輕、更小。然而，這些更輕的機器需要可旋轉可章動的斜盤部件，而這些部件難以安裝和支承。為了高壓/高速服役，斜盤部件必須以這樣一種方式被支承，即允許非旋轉活塞的頭部與可旋轉可章動的斜盤的匹配平面之間有相對運動。正如上述所指出的，這些現有技術的斜盤經常被分成可旋轉/可章動的轉子部分和只章動的擺動器部分，後者包括通過連接「狗骨(dog bones)」而與非旋轉活塞的頭部匹配的平面。
即，如此的固定汽缸體型機器迄今為止一直使用「狗骨」伸長杆(即，具有兩個球形端的杆)來連接每一個活塞的一個端部與章動-但不旋轉的擺動器的平面。所述狗骨的一個球形端被旋轉地安裝在活塞的頭部端，同時另一個球形端通常被旋轉安裝的傳統的「鞋」件覆蓋，在非旋轉活塞的頭部和章動斜盤的匹配平面之間的所有相對運動過程中，該鞋件必須始終保持與斜盤擺動器的平面的完全平面接觸。正如本領域中熟知的，這些相對運動沿著斜盤不是0°的所有傾角下發生的可變的非圓形路徑。這些狗骨大大地增加了複雜程度並增加了建造這些更輕機器的斜盤的成本。
狗骨型杆也有時被用於連接每一個活塞的一端與具有旋轉汽缸體的液壓機的傾斜(但不旋轉)斜盤。然而，該後者類型的機器更經常的是省略這些狗骨件，而使用長活塞，每一個活塞在一端(也是，通常被旋轉安裝的傳統滑軌(shoe)件覆蓋)具有球形頭部，有效地接觸斜盤的非旋轉平面。這樣設計長活塞，每一個活塞的軸向圓柱形本體的大部分總是被各個汽缸的壁支承，即使在活塞的最大行程過程中。對於這些長活塞的這種輔助支承用於確保，各個活塞隨著它們的汽缸體旋轉時，每個球形頭部在滑過傾斜一但不旋轉的斜盤時具有最小的橫向位移。
一般地，這些長活塞主要由「漏液部分」(blow-by)潤滑，即當往復活塞驅動或者被高壓流體驅動時，高壓流體在每個汽缸的壁與每個活塞本體的外圓周之間被擠壓的部分。只有當公差允許足夠的流體在汽缸壁與活塞的長圓柱體之間流動時，這樣的漏液提供了良好的潤滑，而且足夠確保良好的潤滑的漏液經常負面地影響泵或者馬達機械的容積效率。比如，10立方英寸的機器每分鐘有4加侖的流體用於漏液。雖然更小的公差被經常用來減少漏液，但是這種公差的減小受到限制，因為隨著機器的壓力及負載大小的增加，對於足夠潤滑的需要也增加。當然，這樣的漏液通過使用被用於驅動活塞的流體實現，或者通過使用由活塞驅動來實現工作的流體實現。因此，在上述給出的例子中，用於漏液潤滑的每分鐘4加侖的流體，減少了機器的容積效率。
下面公開的本發明旨在改進這種長活塞機器的容積效率，同時，保證(a)活塞的適當潤滑以及(b)用來保持活塞和斜盤之間的接觸的裝置的簡化。

發明內容
本發明公開了液壓機的不同實施例，所有的實施例都具有結構簡單的特徵的新穎組合，包括在固定汽缸體內往復運動的長活塞，設有獨特的潤滑槽的汽缸，以及被直接安裝到每個活塞(沒有狗骨件)的滑軌，該滑軌與旋轉章動斜盤滑動接觸，或者優選地與分開斜盤的只章動的擺動器部分滑動接觸。這些結構簡單的特徵互相作用得到這樣的效果(a)容積效率顯著地增加90％和(b)如此增高的機械效率，以至於當機器被完整裝配時，用手就能輕鬆地轉動機器的容量達12立方英寸的驅動軸。
每個被公開的機器或者由泵或者由馬達操作。雖然斜盤總是隨著機器的驅動元件轉動，一個實施例具有相對於驅動元件的軸線以預定傾斜角進行固定的斜盤，於是活塞總是以最大預定行程運動。另一個被公開的機器的斜盤具有以本領域中熟知的方式貫穿整個角度範圍進行變化的傾斜角，以控制活塞的行程在每個方向在整個運動範圍內達到最大。[然而，本領域的技術人員將認識到，本發明同樣能夠應用於這樣的液壓機，即具有旋轉汽缸體和不隨著機器的驅動元件旋轉的斜盤。]在按照本發明的每個機器中，每個活塞是加長的，具有軸向的圓柱體部分，該部分優選地和它在其中往復運動的各個汽缸的軸向長度一樣長。優選地，每個活塞還具有球形頭端部，藉助以傳統方式轉動的滑軌和相對簡單的裝置，球形頭端部與機器的斜盤的平面保持有效的滑動接觸。每個活塞圓柱體的軸向長度被選擇為保證活塞的球形第一端的橫向位移總是最小。因此，用於本發明的優選的活塞是「長的」。即，即使當每個活塞被伸長至它的最大行程，依舊被支承在各個汽缸內的活塞本體部分足夠保證，在機器操作過程中，活塞的伸長球形端部的橫向位移總是最小。
按照本發明，每個在機器的汽缸體內形成的汽缸設有在每個汽缸的汽缸壁內形成的相應潤滑通道。該潤滑通道這樣設置，於是在活塞於它的相應汽缸內的往復運動的整個過程中，每個相應潤滑通道在活塞的整個行程中幾乎被活塞的軸向圓柱體完全封閉。[流體在這些潤滑通道內的運動在下面的開頭兩段內將進行更詳細地討論。]優選地，每個相應潤滑通道圓周向地形成並且徑向橫切每個汽缸。
也在每個機器的固定汽缸體內形成的是多個互連上述每個潤滑通道的另外的通道。所有潤滑通道一個接著一個地互連，在汽缸體內形成一個單一的連續的潤滑通道。該連續潤滑通道完全在汽缸體內形成，優選地橫切每個汽缸，並且其周向的中心與汽缸繞驅動元件的旋轉軸的中心具有基本上相同的徑向距離。
應當對這樣的事實引起特別的注意，即，在上述公開的優選實施例中，上述連續潤滑通道沒有通過流體「流入」通道或者流體「流出」通道被連接，相反在機器的操作過程中一直幾乎被活塞的圓柱體部分完全地封閉。因此，向該連續潤滑通道供應潤滑流體的唯一源是，每個汽缸的每個相應潤滑壁和每個相應活塞的軸向圓柱體之間的第二最小流體流量。在操作過程中，該潤滑通道幾乎立即充滿高壓流體的第一最小流量，該高壓流體在每個汽缸的閥端部進入，然後經過每個汽缸壁與每個驅動活塞的本體部分的外圓周之間的部分。所述第二最小流量有效地保持連續潤滑通道始終處於高壓。如果必要，多個密封件，每一個分別被放置在每個汽缸的開口端附近，可有選擇地提供相對緊的密封，用於基本上消除每個活塞的本體部分和每個相應汽缸的開口頭部部分之間的漏液，於是允許只有來自潤滑通道的最小漏液的逸出經過汽缸的開口端。然而，在實際應用中，已經發現，只有來自汽缸開口端的相對最小漏液流過本發明的長活塞，因為需要小量的漏液煙霧用於驅動軸軸承等的足夠潤滑，這樣的可選擇的密封件可能是不必要的了。
儘管如此，在封閉潤滑通道內的潤滑流體持續地流動，因為當活塞往復運動時在每個相應汽缸內的壓力不斷變化。即，當每個汽缸內的壓力在每個活塞的返回行程中被降低為低壓，在其它封閉潤滑通道內的高壓流體再次在每個汽缸壁和每個活塞本體的外圓周之間的部分被驅動，進入每個正經受壓力下降的汽缸的閥端部。然而，被驅動成為低壓的潤滑流體沒有「消失」，即它不是「漏液」，而且沒有返回到油箱以被進料泵補充到閉環液壓系統中。相反，該低壓潤滑流體立即被返回到閉環中，而不需要使用進料泵，而且封閉的連續潤滑通道立即被類似高壓流體的流入補充，所述類似流體來自每個正經歷壓力上升的每個汽缸的閥端部。
上述潤滑通道為活塞的高速往復運動提供了適當的潤滑，同時基本上減少了漏液。在按照本發明建造的商業樣機的成功操作過程中，漏液被減少了90％。即，在相比較的規範中，傳統商業液壓機出現的漏液一般在每分鐘4-5加侖的範圍，而本發明的樣機出現的漏液在每分鐘0.5-0.7加侖的範圍，因此顯著地提高了本發明液壓機的容積效率。
正如上述，固定汽缸體的液壓機與傳統轉動汽缸體的液壓機相比，能建造得更小、更輕。因為長活塞改進了潤滑，公開的發明使得使用這些更小更輕的設計迎合機動車需要的高速/高壓規範成為可能。
此外，應當對本發明的顯著簡化的支承部件予以特別注意，所述支承部件用於本發明公開的液壓機的可變旋轉斜盤。在此公開的本發明的所有支承部件省略了通常安裝在每個活塞的外端部與傳統旋轉/章動斜盤的只章動擺動器部件之間的狗骨件。此外，一個實施例還省略了傳統旋轉/章動斜盤的只章動擺動器部分。在所有實施例中，傳統的滑軌被直接安裝在每個活塞的球形頭，並且藉助最小彈簧偏壓保持與斜盤的平面部分的有效滑動接觸，所述最小彈簧偏壓在泵的汽缸的閥端部沒有液壓的情況下，足夠保持這樣的有效滑動接觸。
公開了三種簡化的支承機構第一簡化的支承基機構包括一個由單個卷簧偏壓的獨特施壓板部件，所述卷簧圍繞泵驅動元件的旋轉軸被周向放置。本發明的第二支承機構更簡單，只包括被直接安裝在每個活塞的球形頭的傳統滑軌，具有被多個彈簧提供的最小偏壓，每個彈簧分別被放置在每個活塞中介於每個相應活塞的本體部分和每個汽缸的閥端部之間的本體部分內。雖然第二支承機構比第一機構組裝時稍微困難些，但是後者更簡單，更輕，而且製造更便宜。
公開的第三簡化的支承機構是優選布置。即，它包括傳統的分開斜盤，但是通過添加滾針軸承予以改進，以支承位於章動/旋轉轉子上的只章動擺動器部分。同時，第三實施例還包括類似於第一實施例的獨特的施壓板部件，後者的施壓板被多個彈簧偏壓，每個彈簧分別圍繞與每個活塞的頭相連的滑動滑軌被周向放置。該第三實施例在滑動滑軌的動力操作方面具有顯著的變化，大大地降低了在滑軌與斜盤之間的相對運動的表面速度，因此，使得磨損減少，成本降低，而且機器效率有重大提高。
通過本發明介紹的重要變化提供的液壓機比具有類似規範的傳統機器更輕、更小。此外，如上所述，工作樣機的實際試驗已經證明，本發明提供的機器具有大大增加的容積效率和機械效率。總之，在此公開的本發明提供的機器具有顯著更高的效率，同時大大地降低了機器的重量和尺寸以及降低了製造成本並且簡化了安裝。


圖1是具有固定汽缸體和旋轉/章動斜盤的液壓機的局部示意截面圖，斜盤具有固定傾斜角，該圖表示本發明結合汽缸體和活塞/斜盤連接處的特徵。
圖2是圖1中沿著平面2-2截取的液壓機的固定汽缸體的局部示意截面圖，為清晰起見將零件省略。
圖3是具有固定汽缸體和旋轉/章動斜盤的液壓機的局部示意截面圖，斜盤具有可變傾斜角，該圖再次表示本發明結合汽缸體和活塞/斜盤連接處的特徵。
圖4A和4B是在圖1和圖3中公開的斜盤及活塞滑軌施壓組件的局部示意截面圖，為清晰起見將零件刪去，該圖表示活塞的頭部端、滑軌和專用墊圈以及彈簧偏壓施壓元件的相對位置，當斜盤以+25°傾斜時，所述元件將每個滑動滑軌偏壓向斜盤的平面，圖4A是圖3中沿著箭頭方向在平面4A-4A內截取的視圖，而圖4B是圖4A的平面4B-4B內截取的視圖。
圖5A和5B，6A和6B，7A和7B是當斜盤分別被傾斜+15°，0°，和-25°時圖4A和4B中所示的同一些零件的視圖，圖5B，6B，7B的各個視圖分別是圖5A，6A和7A中沿著各個平面5B-5B，6B-6B和7B-7B截取的視圖。
圖8是類似於圖1和3中所示的用於另一個液壓機的只有單個汽缸和活塞的局部示意放大截面圖，但是表示用於本發明的活塞滑軌的彈簧偏壓施壓組件的更簡化的第二實施例。
圖9是本發明的另一個實施例的局部示意截面圖，表示具有和圖3中公開的固定汽缸體基本相同的另一個液壓機的一部分，但是包括具有可變傾斜角的傳統分開斜盤的改進樣式，並且具有安裝在旋轉/章動轉子上的只章動擺動器，為了清晰起見，該視圖省略了汽缸體的閥端和外殼部分以及其它零件。
圖10是現有技術中兩個液壓機的「閉環」布置的視圖。
具體實施例方式
本發明所屬類型的液壓機的操作是已知的。因此，這樣的操作將不詳細介紹。如上述指出的，可以假設，每個公開的機器以熟知的「閉環」液壓系統與適當匹配的泵或者馬達相連接。
液壓馬達參照圖1，液壓馬達10包括具有多個汽缸14(只畫出一個)的固定汽缸體12，在各個汽缸中，各個匹配活塞16在活塞16的收縮位置和活塞16′的伸出位置之間往復運動。每個活塞具有球形頭18，球形頭安裝在細長軸向圓柱體部分22的一端的頸部20上，在優選實施例中，圓柱體部分基本上和每個汽缸14的長度一樣長。
每個球形端18裝配在滑過平面26的各個滑軌24內，所述平面26形成在被固定在驅動元件即機器的軸30上的轉子28的表面上。軸30被位於汽缸體12中心內的孔31內的軸承支承。轉子28的平面26以預定的最大角度(比如25°)向驅動軸30的軸線32傾斜。
通過螺栓固定在汽缸體12的左端上作為蓋的標準閥組件33，包括多個控制流體輸入和輸出汽缸14的滑閥(spool valve)34(只畫出一個)。如上所示，每一個公開的機器都能作為泵或者作為馬達進行操作。為了優選實施例的說明，圖1所示的角度固定的斜盤機器被作為馬達進行操作。因此，在驅動軸30每個迴轉的第一半過程中，來自入口36的高壓流體通過埠37進入每個汽缸14的所述閥端，以將各個活塞從收縮位置驅動至完全伸長的位置；而在每個迴轉的第二半過程中，當每個活塞返回至它的完全收縮位置時，低壓流體通過埠37和流體出口39從各個汽缸被抽出。
以本領域內熟知的方式流體入口36和出口39通過適當的「閉環」溝槽優選地連接到匹配的液壓泵，於是不論什麼時候，流體壓力總是將球形端18和各個滑軌24偏壓在平面26上。各個活塞的順序伸長和收縮引起轉子28旋轉，於是驅動軸30。
此外，如本領域熟知的，馬達10以循環液壓流體的閉環方式與匹配的液壓泵(如圖3所示的泵110，下面論述)連接；而且平面26被固定在最大傾斜角，於是當通過入口36和出口39進行閉環循環的液壓流體的流速較小時，活塞16較慢地往復運動，使驅動軸30以較低速度轉動。
然而，當在閉環中循環的流體流速增加時，活塞的往復運動相應地增加，並且驅動軸30的轉速也增加。當以機動速度或者壓力(例如達到4000rpm或者4000psi)操作時，活塞的潤滑處於臨界狀態，漏液損失也大大地增加。通過本發明對汽缸體12做出改進以處理這樣的潤滑需要並且減少這樣的漏液損失。
現在參照圖1和2，每個汽缸14的汽缸壁被圓周方向形成的各個潤滑溝槽40徑向地橫切。多個通道42將所有的潤滑溝槽40互聯起來以在汽缸體12內形成連續的潤滑通道。各個潤滑溝槽40在每個活塞的整個行程中基本上被每個活塞16的軸向圓柱體22封閉。即，每個圓柱體22的外周面充當總是包圍各個潤滑溝槽40的壁。因此，即使活塞16以最大行程往復運動，互聯所有潤滑溝槽40的連續潤滑通道基本上保持閉合。連續潤滑通道40，42以簡單經濟地方式形成在汽缸體12內，正如從圖2的示意圖中可以最佳地觀察出的，為了清晰起見，其中流體溝槽和連接通道的相對尺寸已經被放大。
在液壓馬達10的操作過程中，所有互聯的潤滑溝槽40都被高壓流體的最小流量瞬時填滿，所述高壓流體通過口37從入口36進入每個汽缸14並且在汽缸和每個活塞16的外周面之間被壓縮。每個潤滑溝槽40的潤滑流體的損失被位於每個汽缸14的開口端附近的環繞密封44限制。但是，當活塞往復運動時，響應活塞的運動和驅動軸30的每半個轉動循環中改變的壓力，各個汽缸的各個汽缸壁與各個活塞的軸向圓柱體之間流體的連續的最小流量使得在潤滑溝槽40的這個封閉連續的潤滑通道內的潤滑流體緩和而連續地流動。當每個汽缸14內的壓力在每個活塞16的返回行程上被減小至低壓時，在其它封閉潤滑通道40，42內的相對高壓流體再次在每個汽缸14的壁和每個活塞16本體部分22的外周面之間被驅動進入正在經歷這樣的壓力降低的每個汽缸14的閥端。
然而，本領域的技術人員對於這樣的事實引起了特殊的注意，即剛剛提及的回流到汽缸14的流體的最小流量沒有「損失」。相反，它被直接返回到公知的互聯泵和馬達的封閉液壓流體環路。此外，該流體的最小流量沒有返回至油箱，因此，沒有必要通過進料泵將其補充進閉環的液壓系統。最後，封閉連續的潤滑通道40，42通過來自每個正在經歷壓力上升的汽缸的閥端的高壓流體的類似最小流量的進入被直接補充。
如上所述，存在來自互聯所有潤滑溝槽40的封閉連續潤滑通道42的最小漏液損失。即，依舊有一些從該封閉連續潤滑通道洩漏的最小流體流量流過每個汽缸14端部的密封44。然而，任何這樣的最小漏液立即被從每個活塞16相對端部周圍進入的類似高壓流體的最小流量補充。
剛提及的潤滑布置不但非常簡單，而且使液壓機的小齒輪/斜盤連接裝置同樣得到簡化，而進一步降低了製造成本和運轉成本。
為了使液壓馬達10的說明完整，圖1中所示的小齒輪/斜盤連接裝置只包括(a)使用傳統的滾針推力軸承安裝在驅動軸30上的轉子28和(b)用於使活塞滑軌24與轉子28的旋轉章動平面26保持持續接觸的簡單的彈簧偏壓施壓組件。[注本發明的三個結構簡化的小齒輪/斜盤連接部件被公開。雖然結合圖1和3所示的馬達和泵只畫出了這些施壓組件中第一個，但是每一個部件將在下面以分開的章節進行更詳細地說明。]本發明的施壓組件的第一實施例，如圖1所示，包括圍繞軸30放置並且被圍繞軸線32周向形成在汽缸體12內的合適槽縫52容納的卷簧50。卷簧50偏壓也圍繞軸30和軸線32周向布置的施壓元件54。施壓元件54設有多個開口，每一個開口圍繞各個活塞16的頸部20。在施壓元件54和每個活塞滑軌24之間設置相應的專用墊圈56。每個墊圈56具有伸長部分58，該伸長部分接觸相應滑軌24的外圓周以使滑軌與轉子28的平面26始終保持接觸。
因為它的潤滑和它的活塞/斜盤連接裝置的顯著簡化，上述液壓馬達10效率高，製造簡單，並且運轉經濟。
可變液壓泵按照本發明的液壓機的第二優選實施例在圖3中表示。可變液壓泵110包括標準組裝的汽缸體12，與圖1所示的上述液壓馬達10的汽缸體12相同。汽缸體112具有多個汽缸114(只畫出一個)，其中相應的多個匹配活塞116在活塞116的收縮位置和可變的伸長位置(最大伸長見活塞116′的位置)之間往復運動。每個活塞具有球形頭118，球形頭安裝在細長軸向圓柱體部分122的一端處的頸部120上，在一個所示的實施例中，圓柱體部分的長度基本上和每一個汽缸114的長度一樣。每個球形活塞頭118安裝在相應的滑軌124內，滑軌124滑過在轉子128的表面上形成的平面126，正如下面更詳細介紹的，轉子被轉動安裝在驅動元件上，即位於汽缸體112中心處的孔內的軸承所支承的軸130。
以類似於上述關於液壓馬達10的說明，可變泵110也設有標準的閥組件133，該閥組件作為帽被固定在標準的汽缸體112的左側，而且類似地包括多個控制流體流入和流出汽缸114的滑閥134(只畫出一個)。
正如上述，公開的每一個機器或者作為泵或者作為馬達進行操作。為了本優選實施例的說明，圖3中所示的可變角度的斜盤機器110被作為泵進行操作，而且驅動軸130被原動機(沒有畫出)驅動，比如車輛的發動機。因此，在驅動軸130的每個一半迴轉過程中，當每個活塞116被移動到伸長位置時，低壓流體通過入口136從液壓流體的「閉環」循環中進入口137而被吸進各個汽缸114；在每個接下來的半個迴轉過程中，驅動每個活塞116回到它的完全收縮位置，導致高壓流體從口137經過出口139進入封閉的液壓環路。然後高壓流體通過適當的閉環溝槽(沒有畫出)被輸送至匹配的液壓泵，例如上述泵12，引起所述匹配泵的活塞以一定的速度運動，該速度隨著被輸送的高壓流體的體積(加侖每分鐘)以本領域熟知的方式變化。
再次參照標準汽缸體112，它的構造與上述已經說明的汽缸體12的相同。即，每個汽缸114的汽缸壁被在周向上形成的各個潤滑溝槽140徑向橫切。多個通道142互聯所有的潤滑溝槽140以在汽缸體120內形成連續的潤滑通道。汽缸體112沿著平面2-2的截面看上去和圖2中汽缸體12的截面相同。
實際上，幾乎所有的上述參照圖1和2中所示的液壓馬達10裝置的涉及本發明的連續潤滑通道40，42的討論，都同樣適用於圖3所示的液壓泵110的汽缸體112內的連續潤滑通道140，142的操作，包括，通過可選擇地設置在每個汽缸114開口端附近的環繞密封144使來自每個潤滑溝槽140的潤滑流體的損失最小化。類似的，當活塞往復運動時，響應活塞動作和驅動軸130的每半個轉動循環內的不斷變化的壓力，產生第二最小流體流量，使得在封閉連續潤滑通道140，142內的潤滑流體的流動緩和，但是連續。當然，在泵110內是不同的，當每個活塞116移動到伸長位置時，在每個汽缸114中存在較低的流體壓力，而當每個活塞116被原動力(沒有畫出)驅動的驅動軸130的轉動帶動，從它的伸長位置到它的完全收縮位置時，在汽缸壁和每個活塞116的外圓周之間產生被擠壓的高壓流體源。
然而，本領域的技術人員再次對這樣的事實引起特定的注意，即返回到每個汽缸114的剛提及的第二最小流體流量沒有「損失」。相反，它被立即返回到互聯泵和馬達的公知的封閉液壓流體環路。即，該第二流體流量沒有返回到油箱，因此沒有必要通過進料泵將其補充進閉環液壓系統。另外，雖然存在最小漏液通過每個汽缸114端部的密封144從封閉連續的潤滑通道140，142洩漏，但是任何這樣的最小漏液立即被從正在經歷壓力上升的每個活塞116的相對端周圍進入的類似最小流體流量補充。
正如上述前言中討論的，本發明使得機器的斜盤裝置被簡化，(a)通過省略通常安裝在每個活塞的外端和傳統旋轉/章動斜盤的只章動擺動器部分之間的狗骨件，和(b)在圖1和3的所示的實施例中，通過省略擺動器本身以及傳統中用來安裝非旋轉擺動器到斜盤的旋轉/章動轉子部分的裝置。
依舊參照圖3，泵110的轉子128圍繞軸線129被轉動地安裝在驅動軸130上，軸線129垂直於軸線132。因此，當轉子128隨著驅動軸130轉動時，它相對於軸線130的傾斜角可以從0°(即垂直的)變化到±25°。在圖3中，轉子128傾斜+25°。這個可變傾斜角按照如下進行控制轉子128圍繞軸線129的轉動由圍繞驅動軸130並且可相對驅動軸130軸向移動的滑動軸環180的位置來確定。控制連杆182將軸環180和轉子128相連接，於是軸環180軸向滑過驅動軸130的表面的運動引起轉子128圍繞軸線129的旋轉。比如，當軸環128被移動到圖3的右方時，轉子128的傾斜角在一個連續區間，即從所示的+25°傾斜角返回至0°(即垂直的)然後到-25°的區間進行變化。
因為叉形件186通過叉控制臂188的聯接圍繞叉軸190的軸線進行轉動，軸環180的軸向運動由叉形件186的指狀物184控制。叉形件186被連接到叉控制臂188的傳統線性伺服裝置(沒有畫出)啟動。在該優選實施例中，叉形件186的其它元件都被封閉在標準的斜盤外殼192中而且叉軸190被固定到外殼192的軸承支持，而叉控制臂188被放置在外殼192的外部。
還需指出，斜盤轉子128通過隱蔽連結(shadow-link)194進行平衡，該隱蔽連結基本上和控制連結182相同並且類似地被連接到軸環180上，但是正好位於軸環180的相對側上的某個位置。
活塞滑軌施壓組件流體壓力持續地在轉子128的方向偏壓活塞116，所示的傳統推力板部件被設置來運輸所述負載。然而，在機動用途需要的運轉速度(例如4000rpm)下，必需有附加的偏壓負載來保證活塞滑軌124和轉子128的平面126之間的持續接觸。由於本發明省略了傳統的狗骨件，本發明的可變液壓機通過使用三個簡單的彈簧偏壓施壓組件之一提供這樣的附加偏壓，其中第一個類似於已經簡要描述的圖1中關於液壓馬達10的內容。
(a)帶有單彈簧偏壓的施壓組件下述對於施壓組件的本發明第一實施例的說明繼續參照圖3，但是現在也參照(a)圖4A，它表示沿著圖3中平面4A-4A從箭頭方向看時的放大視圖，和(b)圖4B，它表示為清晰起見將零件刪去後與圖1所示視圖相同的放大視圖。
用於泵110的施壓組件包括卷簧150，卷簧150圍繞軸130放置並且被容納在圍繞軸線132周向形成在汽缸體112內的合適槽縫152中。卷簧150偏壓也圍繞軸130和軸線132周向布置的施壓元件154。施壓元件154設有多個圓形開口160，每一個開口圍繞各個活塞116的頸部120。在施壓元件154和每個活塞滑軌124之間設置相應的專用墊圈156。每個墊圈156具有伸長部分158，該伸長部分接觸相應滑軌124的外圓周以使滑軌與轉子128的平面126始終保持接觸。
上述斜盤和活塞滑軌施壓組件的各個零件的位置相對彼此變化，因為轉子128的傾斜角在機器運轉過程中被改變。這些相對位置的變化以轉子128的各個傾斜角進行表示，即，圖4A和4B中的+25°；圖5A和5B中的+15°；圖6A和6B中的0°；圖7A和7B中的-25°。[注本領域的技術人員會認識到，每個活塞滑軌124具有在滑軌124的平面上居中形成的傳統壓力平衡腔，所述滑軌的平面接觸轉子128的平面126，而且每個滑軌腔通過適當的滑軌通道162和活塞通道164被連接，以保證滑軌/轉子連接處的流體壓力總是等於每個活塞116頭部處的流體壓力。由於活塞通道164穿過每個活塞116的球形頭部118的中心，通道164的位置能夠用來便利觀察施壓組件的各個零件的相對運動。]參照圖6A和6B中所示處於0°傾斜角的這些零件的位置，每個活塞通道164(位於每個活塞116的每個球形頭118的中心)相對於施壓組件154的各個圓形開口160具有一樣的徑向位置。正如從斜盤轉子128的其它所示傾斜角視圖中看到的，在除了0°外的所有傾斜角處，每個活塞通道164的相對徑向位置不同於每個開口160的位置，而且各個專用墊圈156的相對位置也不同。
必須認識到，在這些所示的每個斜盤傾斜角時，九個開口160中的每一個的不同相對位置本身隨著轉子128通過每個傾斜角組成的完整迴轉過程的轉動和章動而不斷變化。比如，在圖4A所示的+25°傾斜角時，如果在轉子128的每個迴轉過程中，觀察只經過施壓元件154頂部(即，在12:00時刻的位置)開口160時發生的運動，在頂部開口160中看到的各個零件的相對位置會發生系列改變以匹配在每個其它八個開口160中所示的相對位置。
也就是說，在除了0°(例如，圖7A所示的-25°)外的傾斜角時，在轉子128的每個迴轉過程中，每個專用墊圈156滑過施壓元件154的表面，而同時每個滑軌124滑過轉子128的平面126；並且這些零件中的每一個，通過在每個其它八個開口160中看到的各個不同位置，相對於它自己的開口160改變。這些相對運動在±25°時最大，並且每個運動沿著尺寸變化的循環路徑(看起來沿著雙紐線的痕跡，即「數字-8」)，所述尺寸隨著斜盤轉子128的有角度的傾斜和每個固定在汽缸體112內的活塞116的水平位置進行變化。
因此，為了保證每個滑軌124和轉子128的平面126之間的適當接觸，在優選實施例中選擇每個開口160的邊界尺寸，從而在轉子128的每個迴轉過程中以及對於轉子128的所有傾斜角來說，每個開口160的邊界總是保持與每個專用墊圈156的一半以上的表面相接觸，正如在圖4A至7A中每一圖中從專用墊圈156的相對位置和每個開口160的邊界看到的。如圖所示，對於每個開口160優選的是圓形邊界。
(b)具有多彈簧活塞偏壓的施壓組件本發明的施壓組件的第二實施例，儘管組裝稍微更困難些，但是相對而言結構相當簡單而且成本更便宜。該第二實施例在圖8示意地畫出，圖8表示按照本發明的另一個液壓機210的單個活塞的局部放大截面圖。活塞216被放置在標準組裝的汽缸體212內的汽缸214內，後者被周向形成的相應潤滑通道40″徑向橫切。按照上述其它液壓機中所述方式相同的方式，每個潤滑通道40″與機器的其它汽缸中的類似通道互連，以在汽缸體212內形成連續的潤滑通道；而且類似的，可選擇的環繞密封44″可被放置在每個汽缸214的開口端附近，進一步使每個潤滑通道40″的潤滑流體的損失最小。
被固定的汽缸體212和圖1和3公開的標準制汽缸體之間的唯一區別是，被固定的汽缸體212既不包括大的軸向環繞的卷簧，也不包括用於容納該卷簧的軸向環繞槽縫。
儘管沒有畫出，液壓機210的標準組裝的汽缸體212或者被連接到標準製件的固定角度斜盤部件(如圖1所示)，或者被連接到標準製件的可變角度斜盤部件(如圖3所示)，但是不論那一種情況，液壓機210具有更簡單的施壓組件。即，本實施例的施壓組件只包括每個活塞216用的各個傳統活塞滑軌224，連同唯一的各個卷簧250，後者也與各個活塞216有關。
每個活塞滑軌214類似於在上述第一施壓組件中所示的傳統滑軌，並且類似地被安裝在活塞216的球形頭218上，以類似於上述的方式滑過在機器的斜盤轉子228的表面上形成的平面226。每個卷簧250分別在各個汽缸214的閥端部處被圍繞液壓閥口237安座，並且被放置在每個活塞216的本體部分內。
再次，按照上述方式，每個滑軌224以雙紐線運動滑過轉子228的平面226，所述雙紐線運動的尺寸隨著每個活塞216的水平位置以及轉子228相對於軸線230的傾斜角進行變化。在液壓機210的正常運轉過程中，滑軌224通過液壓被保持與斜盤平面226的接觸。因此，由卷簧250提供的彈簧偏壓是最小的，但是在各個汽缸214的閥端部處的液壓不存在時，仍可足夠保持每個滑軌224和平面226之間的有效滑動接觸。
已經發現，上述彈簧250的最小偏壓不但便利於組裝，而且對於防止小灰塵和金屬碎屑的滯留也是足夠的，這些灰塵和碎屑的滯留是在組裝過程中遇到的以及由於磨損發生的。另外，這樣的事實也再次引起人們的注意，即該第二實施例只用非常便宜的零件就提供了必要的功能。
(c)具有多彈簧滑軌偏壓的施壓組件參照圖9，一個優選的施壓組件在優選的液壓機即泵310中公開，雖然該泵基本上與圖3所示及上面詳細描述的泵110相同，但包括得到改進的傳統的分開式斜盤布置。
如上述其它的液壓機，多個活塞316，每個包括相應的滑動滑軌324，在汽缸體312內形成的相應汽缸314內往復運動，汽缸體312與上述汽缸體12和112相同。每個滑軌324在形成於擺動器327上的平面326上滑動，擺動器通過適當的滾針軸承372，374被安裝在匹配轉子328上，當轉子328以本領域公知的方式既轉動又章動時，所述軸承使得擺動器327章動而沒有轉動。
對於本領域的技術人員明顯的是，擺動器327和轉子328圍繞軸線329的傾斜被滑動軸環380、控制連結382和平衡隱蔽連結394的位置控制，方式和圖3中關於泵110的上述方式相同。
滑軌324由與上述小節(a)中詳細說明的第一施壓組件基本相同的施壓組件施壓。然而，在該優選實施例中，一個大的單卷簧150被多個獨立的單卷簧以如下方式代替施壓板354被固定到擺動器327，其它方面與參照圖4-7詳細描述的施壓元件154相同。類似地，每個滑軌324接收相應的專用墊圈356的周向伸出部分，專用墊圈356與上述詳細說明的每個專用墊圈156相同，而且每個活塞316的頸部被置於對應的多個貫穿施壓板354形成的開口360之一內，所有的與小節(a)中詳細描述的第一施壓組件的裝置完全相似。
雖然擺動器327不會隨著轉子328旋轉，擺動器327的章動運動與轉子328的章動運動相同，因此，滑軌324和擺動器327的平面326之間的相對運動也與上述小節(a)中詳細說明的相同。
在該實施例中，多個單卷簧350在每個汽缸314的閥端部沒有液壓的情況下提供必要的最小彈簧偏壓，以維持每個滑軌324和擺動器327的平面326之間的有效滑動接觸。每個卷簧350以周向圍繞每個滑軌324的方式放置，被卡在每個專用墊圈356與剛好在每個滑軌324底部上形成的軸環之間。
剛剛說明的優選實施例和公開的其它實施例一樣在具有充分潤滑的容積效率方面具有顯著的進步。此外，它還在滑動滑軌操作的動力性方面具有驚人的改變，大大地提高了效率，而且顯著地降低了磨損以及與這些磨損有關的伴生成本。
本發明的液壓機都提供具有有效潤滑的顯著改進的容積效率，以及提供進一步的經濟的活塞/斜盤連接部件，進一步的經濟是通過相對簡單而不昂貴的製造和減少有效操作所需的零件數量實現的。
相應地，應當理解，在此說明的本發明的各個實施例只是本發明原理的應用舉例。在此對於所示實施例的細節的參照不意味著限制權利要求的範圍，而權利要求本身記錄了視為本發明本質的那些特徵。
權利要求
1.一種液壓機，其具有多個以往復運動方式安裝在相應氣缸中的活塞，所述氣缸形成於固定在外殼中的汽缸體內，並且圍繞驅動元件的旋轉軸沿周向以第一徑向距離放置，每個所述活塞具有本體部分和連接到所述本體部分的頭端部，每個相應的汽缸具有閥端部和開口頭部，被所述驅動元件驅動的分開斜盤，該斜盤具有能夠轉動和章動的、傾斜角可變的轉子以及只章動的擺動器，而且所述活塞還具有隨著所述斜盤的可達預定最大值的傾斜角進行改變的行程，其特徵在於，包括位於所述擺動器上的平面；每個所述活塞的所述頭端部是球形的，通過狹窄的頸部被連接至所述的本體部分，而且始終伸出到所述各個汽缸的所述頭端部之外；每個活塞的所述本體部分具有足夠被支承在所述各個汽缸內的細長的軸向圓柱形長度，從而當所述滑軌在所述行程過程中一直與所述平面相對滑動接觸時，保證所述活塞的所述頭端部的最小橫向位移；相應的滑動滑軌，其被樞轉地、直接固定在每個所述相應活塞的所述球形頭端部，沒有任何中間的狗骨件；每個所述相應的滑動滑軌在所述活塞和所述平面之間的所有相對轉動運動過程中，保持與所述擺動器的所述平面的直接滑動接觸；和施壓組件，其用於將每個所述滑動滑軌偏壓向所述擺動器的所述平面。
2.如權利要求1所述的液壓機，其特徵在於，所述分開斜盤還包括用於將所述只章動擺動器支承在所述旋轉和章動轉子上的滾柱軸承。
3.如權利要求1所述的液壓機，其特徵在於，所述施壓組件包括具有多個相應開口的施壓元件，每個在所述施壓板中的所述相應開口的邊界位於每個相應活塞的所述狹窄頸部附近；和相應墊圈，其圍繞所述每個活塞的狹窄頸部安裝在所述施壓板和每個相應滑動滑軌之間，每個所述相應墊圈具有圓柱對齊的伸長部分，用於沿圓周方向接觸每個所述滑動滑軌；所述墊圈與所述施壓板滑動接觸，用於當所述轉子的所述平面相對於驅動元件的所述旋轉軸傾斜時，響應所述滑動滑軌的相對位置的改變而相對運動。
4.如權利要求3所述的液壓機，其特徵在於，在所述施壓板中的每個所述相應開口的邊界被設計為，在所述相對運動過程中，一直與每個所述相應墊圈的超過一半的外圓周進行接觸。
5.如權利要求4所述的液壓機，其特徵在於，所述液壓機還包括最小彈簧偏壓，在各個汽缸的所述閥端部處沒有液壓的情況下，該偏壓足以保持在每個所述相應滑軌與所述斜盤的平面之間的有效滑動接觸。
6.如權利要求5所述的液壓機，其特徵在於，所述最小彈簧偏壓通過多個彈簧提供，每個所述彈簧分別被放置在所述施壓板和一個所述相應墊圈之間。
7.如權利要求5所述的液壓機，其特徵在於，所述最小彈簧偏壓通過多個彈簧提供，每個所述彈簧分別被放置在各個活塞的所述本體部分與各個汽缸的所述閥端部之間。
全文摘要
更小更輕的液壓泵/馬達通過各個活塞而顯著地提高容積效率，各個活塞的本體部分的長度基本上等於活塞在其中往復運動的相應汽缸的軸向長度。多個相應潤滑通道周向地形成並且徑向橫切每個汽缸的壁，每個潤滑通道在活塞的整個行程過程中通過在每個活塞的軸向圓柱體被幾乎完全封閉。每個潤滑通道一個接一個地被互連以在汽缸體內形成單一的連續潤滑通道，而且沒有與流體「流入」通道或者與流體「流出」通道連接，只被從每個汽缸的閥端部流入並且經過每個汽缸的相應汽缸壁與每個活塞的軸向圓柱體之間的最小流體流量補充。結合不同的彈簧偏壓施壓組件公開了幾個實施例。
文檔編號F16H47/04GK1934354SQ200480042143
公開日2007年3月21日 申請日期2004年10月12日 優先權日2004年2月27日
發明者弗農·E·格利斯曼, 基思·E·格利斯曼, 馬修·R·弗羅納·弗羅納 申請人:託維克公司