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CN100482939C - 液压马达/泵 - Google Patents

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CN100482939C
CN100482939C CNB2004800414834A CN200480041483A CN100482939C CN 100482939 C CN100482939 C CN 100482939C CN B2004800414834 A CNB2004800414834 A CN B2004800414834A CN 200480041483 A CN200480041483 A CN 200480041483A CN 100482939 C CN100482939 C CN 100482939C
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Abstract

一种可以使液压流体压力与输入/输出装置(5)的旋转运动互换的液压机，该液压机具有围绕曲轴(15)在径向布置的多个液压活塞和缸组件(50)，以及用于改变曲轴(15)的偏心率(100)的装置，该缸和活塞组件(50)沿着曲轴(15)在纵向间隔开，通过该改变偏心率的装置，曲轴(15)围绕其纵轴线的旋转运动，导致相应液压缸内的活塞的往复运动。

Description

液压马达/泵
技术领域
本发明涉及液压马达/泵，或者称作液压驱动装置或液压机。
背景技术
液压泵/马达已经应用在许多工业，包括：材料处理、采矿和制造业。
液压马达/泵可通过以下两种方式之一工作。一种工作模式中，输入介质是增压的液压流体，输出是旋转运动。该过程可以倒过来，以便将旋转运动提供给液压马达/泵。第二种工作模式中，从液压马达/泵中泵送液压流体。
液压马达/泵的一个优点在于它们在许多不同的所期望的特性中通常具有出色的总效率。
然而，许多液压马达/泵都存在明显的缺陷。它存在转矩-速度相互折衷的问题，使得当马达速度提高时输出转矩降低，反之亦然。
现有技术的液压马达/泵通常具有一个连接到一个输出轴的偏心圆盘。一组液压缸和活塞组件环绕该输出轴的旋转轴线在径向(也称作“星形”或“扇形”)排列定位。一般有五个这样的液压缸组件。
该活塞以协同方式间歇地施加一个力给偏心圆盘的边缘，以使圆盘旋转。施加完力后，每个活塞的回缩都受到偏心圆盘的影响。
为了改变马达(在驱动工作模式)的转矩，一些这样的马达已经在输出轴和偏心圆盘的中心之间安装了小活塞。圆盘的偏心率通过改变小活塞的长度而被改变。
在泵送工作模式中也是相似的，流体流动速率和/或输出流体压力可以通过改变小活塞的长度而被改变。
这种现有技术液压马达/泵的一个缺陷就是，当输出轴的速度超出液压缸内流体的流动能力时，活塞会从偏心圆盘分离。这会导致液压马达/泵完全失效。
具有可变偏心圆盘的现有技术装置的另一个缺陷就是，偏心率的可用范围有限。通常，不可能存在零偏心率的情况。
还一个缺陷就是，小活塞会允许小的不希望发生的偏心扰动。这些扰动是流体特性和系统灵活性的结果。
因为使用液压马达/泵可获得高的总效率，所以就需要一种能够在高速下同时产生高转矩的装置。
发明内容
根据本发明，提供一种可以使液压流体压力与输出装置的旋转运动互换的液压机，该液压机具有围绕至少一个与输出装置连接的曲轴在径向布置的多个液压活塞和缸组件、以及用于改变曲轴偏心率的装置，该液压活塞和缸组件沿着曲轴在纵向间隔开。
优选地，每个活塞都通过连杆与至少一个曲轴连接。
优选地，球形轴承置于每个连杆与相应的曲轴之间。
优选地，至少一根曲轴的偏心率可以被改变，以使活塞的冲程长度可在零到最大冲程长度之间变化。
优选地，位于至少一个曲轴每一端的用于改变至少一个曲轴偏心率的装置包括：
带有中空偏心圆柱体芯的内部圆柱体，在所述内部圆柱体的中空偏心圆柱体芯内部接收相应的曲轴，使得内部圆柱体和曲轴的纵向轴线平行且偏移；
带有中空偏心圆柱体芯的外部圆柱体，在所述外部圆柱体的中空偏心圆柱体芯内部接收该内部圆柱体，使得外部圆柱体和内部圆柱体的纵向轴线平行且偏移；
带有偏心中空圆柱体芯的圆柱形主轴承，在所述圆柱形主轴承的偏心中空的圆柱体芯内部接收外部圆柱体；以及
驱动装置，其中可以操作该驱动装置，以同时旋转外部和内部圆柱体，从而改变相应曲轴两端处的主轴承和曲轴的纵向轴线之间的距离。
优选地，驱动装置包括在至少一个曲轴每端的：
环形齿轮，该环形齿轮在环的内表面和外表面上都带有齿；
在每个内部和外部圆柱体的端部的一组齿；以及
将来自环形齿轮的旋转传递给内部和外部圆柱体的齿轮系，
其中环形齿轮由相应主轴承支撑，并且主轴承具有切除的部分，齿轮系贯穿该切除的部分延伸，以啮合环形齿轮。
优选地，主轴承在外表面上具有齿，并且环形齿轮邻近相应主轴承上的齿而被布置，并且驱动装置还包括：
在轴表面形成有螺旋的轴以及与每个主轴承上的齿啮合的小齿轮，使得轴与主轴承一起旋转；
至少一个带有内部螺旋以及至少一个凸起的螺母，该内部螺旋与轴上的螺旋啮合，该凸起相对于轴位于径向方向；
至少一个中空圆柱形外部护套，轴穿过该护套延伸，该至少一个外部护套在其每端都具有两个薄的小齿轮，其中每个薄的小齿轮都与驱动装置的环形齿轮啮合，该至少一个外部护套具有至少一个纵向槽，至少一个凸起贯穿该槽延伸。
优选地，驱动装置通过沿轴纵向移动螺母来操作，并且外部护套可以相对于轴旋转。
更优选地，纵向移动螺母使环形齿轮相对主轴承前行或推后。
优选地，内部和外部圆柱体都具有配重。
优选地，液压机还包括至少一根副轴(1ay shaft)，该副轴具有用于每个主轴承的、与相应主轴承上的齿啮合小齿轮。
因此，施加到每个轴承上的转矩通过该至少一根副轴传递，而不是通过曲轴传递。
优选地，液压活塞和缸组件的头部由壳体支撑，使得在相应曲轴旋转时，液压活塞和缸组件可以摆动。
优选地，每个液压活塞和缸组件的头部被支撑在由壳体支撑的一对止推座之间。
优选地，液压活塞和缸组件具有、至少部分的具有球形形状。
更优选地，每对止推座都具有与液压活塞和缸组件的缸的头部互补的形状。
优选地，在与所述至少一个曲轴中的每一个连接的液压活塞和缸组件之间具有相同的角度。
更优选地，五个液压活塞和缸组件围绕该至少一个曲轴以72°的间隔布置。
附图说明
为了更加容易地理解本发明，现在参照附图、仅通过实施例的方式对实施方案进行描述，其中：
图1是根据本发明实施方案的液压机壳体的平面视图；
图2是图1中显示的液压机拆掉壳体的平面视图；
图3是图2中显示的液压机的视图；
图4是图3中显示的液压机拆掉输出法兰的端视图；
图5是沿图1中的截面B-B截取的液压机的截面图；
图6是沿图5中的截面A-A截取的液压机的截面图；
图7是液压机的曲轴和缸部件以及止推座的图；
图8是图7中的曲轴和缸部件以及止推座的侧视图；
图9是图7中的曲轴、连杆、缸部件以及止推座的端视图；
图10是沿图8的截面A-A截取的曲轴、连杆、缸部件以及止推座的截面图；
图11是沿图10的截面B-B截取的曲轴、连杆、缸部件以及止推座的截面图；
图12是液压机的曲柄组件的图；
图13是图12的带有一对副轴和一根螺旋轴的曲柄组件的视图；
图14是图13的带有外部护套的曲柄组件的视图；
图15是图13中冲程调节组件的视图；
图16是图15中的内和外偏心以及齿轮系的端视图；
图17是液压机的内部的和外部的偏心装置以及齿轮系的分解图；
图18是图17的已组装的内部的和外部的偏心装置以及齿轮系的视图；
图19是内偏心环的端视图；并且
图20是外偏心环的端视图。
具体实施方式
图1到6示出根据本发明的实施方案的液压机1。液压机1被包在壳体10内。液压机1具有动力连轴器5，该动力连轴器可以与一个互补的动力连轴器连接，以围绕旋转轴线(未示出)向液压机1传递旋转运动或传递来自液压机1的旋转运动。
图2显示拆掉壳体10的液压机1。液压机1具有两根曲轴15，每一根曲轴15周围都在径向布置有五个缸组件50的组(bank)20。因此，该实施方案中的液压机1具有十个缸组件50。
液压机1可以具有任意整数个组20。因此，根据本发明的液压机1中的缸组件50的总数为每个组20的缸组件50的数目的倍数；例如，五个、十个、十五个缸组件。
图3到5是沿着旋转轴线看液压机1的视图。
从图3和4中可以看出，每个组20的五缸组件50都围绕旋转轴线等角度排布。因此，当相对于旋转轴线测量时，每对相邻的缸组件50之间的角度为72°。
图2和6以平面图示出液压机1，旋转轴线在纸张所处平面内。每个缸组件50都通过连杆55直接连接其相应的曲轴15。由于每个缸组件50都使用一个连杆55，所以每个组20中的缸组件50都相对旋转轴线纵向发生偏移。因而，每个组20中的连杆55都沿着相应曲轴15并排布置。
图5示出沿图1中线B-B截取的液压机1的截面图。因此，图5示出液压机1的组20的端视图。
图7到11示出缸组件50和曲轴15的不同视图。缸组件50是组20中的五个缸组件中的一个。
每个缸组件50都由一外部止推座60和一内部止推座65支撑。止推座60、65都附连在壳体10上。每个缸组件50的头部70都具有一个球形形状。止推座60、65将头部70定位，但当曲轴15位置改变时，仍允许缸头部70摆动。
球轴承75保持在连杆55和连杆盖56之间。球轴承75环绕曲轴15，使得曲轴可以相对于连杆55做自由相对旋转运动。连杆盖56通过两个大的端部螺栓80与连杆55连接。
通过这种布置，每个缸组件50的活塞85都通过连杆55和连杆盖56装置与曲轴15切实连接。因此，液压马达的速度范围仅由液压流体的流动特性限制。
液压流体通过两个流体孔95从缸头部70供应和去除。
图10示出贯穿缸组件50的横截面。活塞85直接与连杆55连接。
由于缸孔太窄，所以带有足够横截面积来处理高压力的活塞销(gudgeon pin)不能被设置在缸内。因此，为了由连杆55提供所需的角度位移，缸头部70被设计为球形形状。
缸头部70被保持在外部和内部止推座60、65之间。止推座60、65的表面62、67为凹形的，以匹配缸头部70的球形形状。缸头部70围绕平行于曲轴15纵轴线的轴线自由摆动。
图11示出沿图9中的线B-B截取的贯穿曲轴15和缸组件50的截面图。液压流体通过流体孔95引入和排出缸组件50。
图12示出动力连轴器5和一对曲轴15。每个组20都设有一个曲轴15。每个组20还都设有一对冲程调节机构100。该对冲程调节机构100协同工作以调节相应曲轴15的摆幅。通过调节曲轴15的摆幅，液压机可以具有不同的排水量。换句话说，通过改变缸组件50的行程长度来提高或降低工作容积。因此，液压机1在整个速度范围内都具有无级的比率传动(stepless ratio transmission)。
两个主轴承105(曲轴15每端各有一个)包括冲程调节机构100。因此，主轴承105不能用于传递扭矩。
为了传递输出或输入扭矩(取决于液压机1的工作模式)，需要在每个主轴承105处集中扭矩。这可通过使用副轴110(见图13)来实现。在优选的实施方案中，使用了两根副轴110。
副轴110具有小齿轮115，每个小齿轮115都啮合于与每个主轴承105连接的大齿轮120。副轴110集中来自大齿轮120的扭矩，并起保持大齿轮120之间同步的作用。
为了控制活塞85的冲程，螺旋轴125与大齿轮120连接。螺旋轴125不用于传递扭矩，但保持与大齿轮120的同步。
对于缸组件50的每个组20，在螺旋轴125上都形成螺旋130，并安装了螺旋螺母135。螺旋螺母135具有凸起140。每个组20也设有外部护套145(见图14)。每个外部护套145在其各端都具有薄的小齿轮150。外部护套145环绕螺旋轴125。
凸起140与外部护套145内的槽155接合。当螺旋螺母135旋转时，它沿着螺旋轴125纵向移位。因此，螺旋螺母135的这种纵向运动导致关联的外部护套145旋转。
每个小齿轮150都与在曲轴15的同侧的紧邻大齿轮120定位的环形齿轮160啮合。每个环形齿轮160都可在其主轴承105上旋转。当螺旋螺母135沿着螺旋轴125纵向移动时，相应组20的两个环形齿轮160旋转，在其主轴承上前行或者推后。在液压机1以任何速度或负载运作时，这个机构都提供了旋转环形齿轮160的手段。
环形齿轮160驱动冲程调节机构100。因此，螺旋螺母135的纵向运动提供了驱动冲程调节机构100的手段。
冲程调节机构100在图15到20中示出。
主轴承105是圆柱体，该圆柱体带有偏心定位在轴承105内的中空圆柱形部分。一对偏心环190、205提供实际的冲程变化。
圆柱体形状的外部偏心环190带有中空圆柱形部分。外部偏心环190的圆柱体的直径被用几何学确定尺寸，以使其可以旋转地包容在主轴承105的中空部分的孔内。
外部偏心环190的第一端的一部分设有一组齿轮齿195。另一端设有配重200。
内部偏心环205为带有中空圆柱部分的圆柱体形状。内部偏心环205的圆柱体的直径被用几何学确定尺寸，以使其可以旋转地包容在外部偏心环190的中空部分的孔内。
内部偏心环205的第一端的一部分设有一组齿轮齿210。另一端设有配重215。
曲轴15的每端都保持在内部偏心环205的中空部分内。通过相对于相应的主轴承105在径向移动曲轴15而改变曲轴15的摆幅。这种径向运动通过同时在第一方向旋转外部偏心环190和在相反方向旋转内部偏心环205实现。偏心环190、205的旋转速度相同。
每个环形齿轮160的内表面上都加工有一组齿轮齿165。该齿165与齿轮系170的第一一级齿轮175的齿啮合。第一一级齿轮175与外部偏心环190的齿195啮合。
第二一级齿轮180连接至第一一级齿轮175的侧面。第二一级齿轮180与第一一级齿轮175一起旋转。二级齿轮185定位在第二一级齿轮180和内部偏心环205的齿210之间。
齿轮系轴承220将齿轮系170固定就位。主轴承105具有切除的部分106，齿轮系170延伸穿过该部分。
为了保证冲程调节机构100保持旋转平衡，配重200、215与相应的偏心环190、205一起旋转。配重200、215在零冲程长度处以自身抵销，在满冲程时共同起作用。冲程调节机构100且因此液压机1始终被平衡。
图16示出主轴承105、外部和内部偏心环190、205以及齿轮系170的接线框(wire frame)图。配重200、215由虚线显示。
图17是冲程调节机构100的分解图。
图18到20示出外部和内部偏心环190、205。图18还显示了齿轮系170。
当液压机1作为马达工作时，各个组20中的五个缸组件50相继施加力到曲轴15上，以将旋转运动施加到曲轴15。旋转运动通过大齿轮120传递给副轴110。
当液压机1作为泵工作时，动力连轴器5被转动。曲轴15的旋转驱动缸组件50。因此，液压流体从液压机1中泵出。
本领域内普通技术人员可以理解的是，在不偏离本发明范围的前提下，可以对本发明做许多改变。
在随后的权利要求书和前面的本发明的描述中，除非上下文由于表达语言或者必要的示意而另有需要，词“包括(comprise)”或其变形，例如“包括(comprises)”或“包含(compising)”都用做包含(inclusive)的意思，即，指出所述特征的存在，但并不排除在本发明的多种实施方案中其它特征的存在或补充。

Claims (15)

1.一种可以使液压流体压力与输出装置的旋转运动互换的液压机，该液压机具有：
围绕与该输出装置连接的至少一个曲轴在径向布置的多个液压活塞和缸组件，该液压活塞和缸组件沿着曲轴在纵向间隔开；
以及用于改变曲轴偏心率以使得活塞的冲程长度在零到最大冲程长度之间改变的装置；
其中用于改变曲轴偏心率的装置包括：
带有中空偏心圆柱体芯的内部圆柱体，在所述内部圆柱体的中空偏心圆柱体芯内部接收相应的曲轴，使得内部圆柱体和曲轴的纵向轴线平行且偏移；
带有中空偏心圆柱体芯的外部圆柱体，在所述外部圆柱体的中空偏心圆柱体芯内部接收所述内部圆柱体，使得外部圆柱体和内部圆柱体的纵向轴线平行且偏移；
带有偏心中空圆柱体芯的圆柱形主轴承，在所述圆柱形主轴承的偏心中空的圆柱体芯内部接收外部圆柱体；以及
驱动装置，其中可以操作该驱动装置，以同时旋转外部和内部圆柱体，从而改变相应曲轴两端处的主轴承和曲轴的纵向轴线之间的距离。
2.根据权利要求1的液压机，其特征在于，每个活塞都通过连杆与曲轴连接，球形轴承置于该连杆和该曲轴之间。
3.根据权利要求1的液压机，其特征在于，驱动装置包括在曲轴每端的：
环形齿轮，该环形齿轮在环的内表面和外表面上都带有齿；
在每个内部和外部圆柱体的端部的一组齿；以及
将来自环形齿轮的旋转传递给内部和外部圆柱体的齿轮系，其中环形齿轮由相应主轴承支撑，并且主轴承具有切除的部分，齿轮系贯穿该切除的部分延伸，以接合环形齿轮。
4.根据权利要求3的液压机，其特征在于，主轴承在外表面上具有齿，并且环形齿轮邻近相应主轴承上的齿而布置，并且驱动装置还包括：
轴，该轴带有在轴表面加工的螺旋以及与每个主轴承上的齿啮合的小齿轮，使得轴与主轴承一起旋转；
至少一个带有内部螺旋以及至少一个凸起的螺母，该内部螺旋与轴上的螺旋啮合，该凸起相对于轴位于径向方向；
至少一个中空圆柱形外部护套，轴穿过该护套延伸，该至少一个外部护套在其每端都具有两个薄的小齿轮，其中每个薄的小齿轮都与驱动装置的环形齿轮啮合，该至少一个外部护套具有至少一个纵向槽，所述至少一个凸起贯穿该槽延伸。
5.根据权利要求4的液压机，其特征在于，驱动装置通过沿轴纵向移动螺母来操作，并且外部护套可以相对于轴旋转。
6.根据权利要求5的液压机，其特征在于，纵向移动螺母使环形齿轮相对主轴承前行或推后。
7.根据权利要求6的液压机，其特征在于，内部和外部圆柱体都具有配重。
8.根据权利要求1或2的液压机，包含至少一根副轴，该副轴具有用于每个主轴承的、与相应主轴承上的齿啮合的小齿轮，由此，施加到每个主轴承上的转矩通过该至少一根副轴传递，而不是传递给曲轴。
9.根据权利要求1的液压机，其特征在于，液压活塞和缸组件由壳体支撑，使得在相应曲轴旋转时，液压活塞和缸组件可以摆动。
10.根据权利要求9的液压机，其特征在于，每个液压活塞和缸组件的头部被支撑在由壳体支撑的一对止推座之间。
11.根据权利要求10的液压机，其特征在于，液压活塞和缸组件的头部具有球状外形。
12.根据权利要求10的液压机，其特征在于，液压活塞和缸组件的头部部分地具有球状外形。
13.根据权利要求11或12的液压机，其特征在于，每对止推座都具有与液压活塞和缸组件的缸的头部互补的形状。
14.根据权利要求1或2的液压机，其特征在于，液压活塞和缸组件以彼此之间成相同角度的方式与曲轴连接。
15.根据权利要求14的液压机，其特征在于，五个液压活塞和缸组件围绕曲轴以72°的间隔布置。
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