本发明关于多种流体驱动马达，并且特别是，关于一种适合用于通过加压供水驱动的马达。
本发明在概念上可以视为是对美国专利第7,258,057号及第8,881,641号中描述的一种马达设计的改进。在这些情况下，一种由水驱动的马达包含一数量具有汽缸盖的汽缸可枢转地相对一管道安装，所述管道也用作水加压供应歧管，同时一输出活塞杆锚定在一凸轮轴上。当所述活塞杆跟随凸轮轴时，所述汽缸相对所述供应歧管的角度变化，从而使一汽缸孔口交替地与歧管的一加压水源及一出口排放连接重复地形成流体连通。
上述配置已被发现适用于广泛的应用，提供低成本及可靠的水驱动马达，能够产生相对较高的扭矩。
技术实现要素：
本发明是一种流体驱动的马达。
根据本发明实施例的教导，提供了一种由加压流体驱动的马达，包含：(a)一歧管，包含一流体流动通道，用于传送所述加压流体，所述歧管提供一弧形表面，所述弧形表面定义有：(i)一阀门开口，与所述流体流动通道形成流体连通；及(ii)一密封表面；(b)一汽缸，具有一汽缸盖，所述汽缸盖提供有一面向表面，所述面向表面被配置成与所述弧形表面相配合，所述面向表面具有至少一个孔口，所述汽缸相对一枢转轴线枢转地安装，以在以下位置之间形成可枢转：(i)一中性状态，在所述中性状态下所述孔口与所述密封表面呈面对的关系，(ii)一引入状态，在所述中性状态的一第一侧的多个位置的一范围上形成具角度的位移，在所述引入状态下所述孔口与所述阀门开口形成流体连接，用于将所述加压流体吸入所述汽缸；及(iii)一排出状态，在所述中性状态的一第二侧的多个位置的一范围内形成具角度的位移，在所述排出状态下所述孔口与用于从所述汽缸排出所述流体的一排放容积形成流体连接；(c)一活塞，布署在所述汽缸内，以通过被引入所述汽缸的一内部容积的所述加压流体的压力驱动所述活塞而使所述活塞伸展；以及(d)一曲柄，与一曲轴相联系，所述活塞连接到所述曲柄，使得所述曲轴相对一曲轴轴线旋转以限定所述活塞及所述汽缸的一循环运动，在所述循环运动中所述汽缸呈现所述引入状态用于所述活塞的一伸展动力冲程，通过所述中性状态，而呈现成所述排出状态用于所述活塞的一返回运动；其中所述汽缸的所述枢转轴线位于所述曲轴轴线与所述弧形表面之间。
根据本发明实施例的另一个特征，所述汽缸的所述枢转轴线位于所述曲轴轴线与所述弧形表面之间的一距离的三等分的一中间部分内。
根据本发明实施例的另一个特征，所述汽缸的所述枢转轴线相较于所述曲轴轴线比较靠近所述弧形表面。
根据本发明实施例的另一个特征，所述活塞形成有：一活塞头，所述活塞携带有一密封件，用于与所述汽缸的一部分密封接合；以及一活塞主体，与所述活塞头刚性互连，所述活塞主体从所述活塞头延伸到所述曲柄。
根据本发明实施例的另一个特征，所述汽缸枢转地安装在穿过所述汽缸的一枢转轴心上，并且其中所述活塞主体形成有一槽口以用于容纳所述枢转轴心，同时允许所述活塞一范围的轴向运动。
根据本发明实施例的另一个特征，所述活塞头密封接合所述汽缸具有一第一内径的一部分，及其中所述活塞本体具有一个或多个滑动轴承表面，用于保持所述活塞在所述说汽缸中的对准，所述滑动轴承表面通过一第二直径的一虚拟汽缸所限制，所述第二直径小于所述第一直径。
根据本发明实施例的另一个特征，所述马达还包含：一活塞导向插入件，至少部分地限制所述活塞本体，所述活塞导向插入件提供多个滑动邻接表面，用于与所述活塞本体的所述滑动邻接表面相接触，所述活塞导向件插入被容纳在到所述汽缸内。
根据本发明实施例的另一个特征，所述滑动邻接表面是多个分离表面，不连续的围绕所述活塞主体。
根据本发明实施例的另一个特征，所述弧形表面及所述面向表面布署有一间隙，所述马达还包含一弹性安装的密封装置，以在所述引入状态下于所述孔口及所述阀门开口之间形成一密封，以及在所述中性状态下用于将所述孔口密封紧靠所述密封表面。
根据本发明实施例的另一个特征，所述弹性安装的密封是通过在所述歧管的所述流体流动通道内的压力施加偏压，以增强所述弹性安装的密封的密封性。
根据本发明实施例的另一个特征，所述汽缸及所述活塞主要地由模压塑料形成。
根据本发明实施例的另一个特征，所述排放容积是容纳所述汽缸及所述活塞的一壳体的一内部容积，所述壳体具有至少一个排放孔，用于允许所述流体从所述内部容积离开。
根据本发明实施例的另一个特征，在所述排出状态下，所述孔口与形成在所述弧形表面的一第二阀门开口形成流体连接，所述第二阀门开口与所述歧管的一第二流体流动通道形成流体连通，用于输送从所述汽缸的排出的流体。
根据本发明实施例的另一个特征，还提供了一控制阀门装置，选择性地呈现：
(a)一第一状态，在所述第一状态下所述控制阀门装置将所述流体流动通道连接到一加压流体源以及将所述第二流体流动通道连接到一排放管线，从而沿着一第一方向驱动所述马达；及
(b)一第二状态，在所述第二状态下所述控制阀门装置将所述第二流体流动通道连接到一加压流体源以及将所述流体流动通道连接到一排放管线，从而沿着与所述第一方向相反的一方向驱动马达。
根据本发明实施例的另一个特征，所述汽缸是至少三个类似的汽缸中的一个，及所述活塞是至少三个类似的活塞中的一个，所有的所述多个活塞以驱动关系连接到所述曲轴。
根据本发明实施例的另一个特征，所述多个汽缸以一径向马达配置进行排列。
根据本发明实施例的另一个特征，所述多个汽缸以一直列式马达配置进行排列。
根据本发明实施例的另一个特征，还提供了一种驱动系统，包含︰(a)如前述的马达；及(b)一加压流体源，被连接而用以提供一加压流体至所述歧管的所述流体流动通道，所述加压流体源提供流体的一压力在2至10巴之间。
根据本发明实施例的另一个特征，所述加压流体是水。
附图说明
本文仅以示例的方式参照附图描述本发明，其中：
图1示出了根据本发明一个实施例构成及操作的一个系统的示意图，所述系统包含一加压流体驱动马达；
图2示出了图1的马达内部的局部放大等角视图；
图3a示出了根据美国专利第7,258,057号及第8,881,641号的教导构成的操作在一个马达中的阀门的几何结构的示意图；
图3b示出了图1操作在马达中的阀门的几何结构的示意图；
图4示出了图1的马达内部的局部放大剖面等角图；
图5a及图5b分别示出了与一曲轴及一歧管的一部分一起示出的单个汽缸组件的等角视图，所述汽缸组件分别示出一引入状态及一排出状态；
图6a至图6c分别示出了图5a的单个汽缸组件分别处于一中性状态、一引入状态及一排出状态的平面图；
图7a示出了类似于图5a的剖视等角视图；
图7b示出了类似于图5b的放大局部剖视等角视图；
图8示出了图1马达的一个区域的放大等角视图，示出汽缸盖与歧管阀门的配合；
图9示出了图1的马达的汽缸组件的爆炸等角视图；以及
图10a至图10b分别示出了汽缸及一个活塞导向插入件插入之前及之后的剖视等角视图。
具体实施方式
本发明是一种流体驱动的马达。
参考附图及所附描述可以更好地理解根据本发明的马达的原理及操作。
现在参考附图，图1、图2及图3b至图10b示出了一个马达的一个实施例，马达的总体标号为10，根据本发明的一个实施例构成及操作的马达，马达通过加压流体驱动，加压流体通常通过一个合适的控制阀门装置(未示出)通过导管12从加压流体源14供应。
通过介绍的方式，本发明的一个方面提供了一种由加压流体驱动的液压马达，并且特别是适合通过水压或空气压力驱动。马达的操作原理有些与美国专利第7,258,057号及第8,881,641号描述的装置类似，但是解决了其中设计的某些限制，如下所述。
如附图所示，本发明的一个实施例的第一方面关于将每个汽缸相对位于曲柄及阀门装置之间的一个中间位置的枢转轴线安装。图3a及图3b是特别将这种几何结构与上述参考的专利相比较。在上面提到的参考专利中，汽缸围绕可枢转地相对一根管线安装，所述管线既作为相对汽缸枢转的一轴线，又作为提供加压流体的一歧管。当曲柄相对所述轴线旋转使汽缸成角度的运动导致歧管的汽缸入口及阀门开口之间的间歇重叠。影响与压力管路连接的压力冲程及与排放管连接的回复冲程之间的切换的阀门滑动运动的范围受歧管管线的直径以及通过曲柄及汽缸长度定义的枢转角范围限制。这种几何形状在图3a中示出。在几何上，上述参考专利中的汽缸枢转轴线位于远离曲柄的阀门装置的远侧。在这种结构的情况下，“偏心阀门的位移”非常有限。这又限制了在加压流体供应管线及汽缸之间以及在汽缸及排放管之间可以打开的流动开口的面积。对于低输出功率应用，即使需要较大的转矩，流速限制通常不是关键。但是，随着马达速度的增加，在相对小的阀门开口处的压降越来越大，从而导致效率的降低。
与这种几何形状相反，本发明的一个方面提供了一种替代几何形状，如图3b所示，其中每个汽缸的一枢转轴线位于曲柄及阀门装置之间。所述枢转轴线的这种重新定位允许汽缸盖与关于压力管线及对于给定尺寸的曲柄及汽缸的一排放管的连接的滑动范围的显着增加。这又允许在马达的每个循环期间阀门通道有相对较大的开口，由此减小通过开口的压降并提高马达的效率。
现在更详细地转到非限制性示出的实施例的多个特征，马达10具有一歧管16，包含一流体流动通道18，用于传送所述加压流体，所述歧管16提供一弧形表面20，所述弧形表面20具有一阀门开口22，与所述流体流动通道18形成流体连通，通过一密封表面围绕。所述马达更包含一汽缸26，包含一汽缸盖，所述汽缸盖提供有一面向表面28，所述面向表面28被配置成与所述弧形表面20相配合。面向表面28具有至少一个孔口30。汽缸26相对一枢转轴线(在此通过一枢转轴心32定义)枢转地安装，以在以下位置之间形成可枢转：
(i)一中性状态，在所述中性状态下所述孔口30与所述密封表面20呈面对的关系，如图6a所示；
(ii)一引入状态，在所述中性状态的一第一侧的多个位置的一范围上形成具角度的位移，在所述引入状态下所述孔口30与所述阀门开口22形成流体连接，用于将所述加压流体吸入所述汽缸26，如图5a及图6b所示；及
(iii)一排出状态，在所述中性状态的一第二侧的多个位置的一范围内形成具角度的位移，在所述排出状态下所述孔口30与用于从所述汽缸26排出所述流体的一排放容积形成流体连接，如图5b及图6c所示。
一活塞34，布署在所述汽缸26内，以通过被引入所述汽缸的一内部容积的所述加压流体的压力驱动所述活塞34而使所述活塞34伸展。活塞34连接到一曲柄36，与一曲轴38相联系，使得曲轴38相对它的曲轴轴线旋转以限定所述活塞及所述汽缸的一循环运动，使的所述汽缸呈现所述引入状态用于所述活塞的一伸展动力冲程，通过所述中性状态，而呈现成所述排出状态用于所述活塞的一返回运动。
根据上面所述的几何形状并参考图3b，为了在穿过所述弧形表面20上产生相对较大的孔口30的位移，本发明的某些优选实施例的特定特征是，所述汽缸26的枢转轴线在这里通过枢转轴心32定义，位于所述曲轴轴线及弧形表面20之间。所述枢转轴线的确切位置通常在活塞的中心线上，并且在一些情况下有利地位于所述曲轴轴线与所述弧形表面之间的一距离的三等分的一中间部分内。另外或可选地，在某些情况下使所述汽缸的所述枢转轴线相较于所述曲轴轴线比较靠近所述弧形表面可能是有利的。
为了确保连续运行而没有“死(dead)”的区域没有扭矩的情况下，马达10优选地用至少三个如本文所述的汽缸/活塞装置来实施，所述至少三个汽缸/活塞装置不同相地操作。为了顺利的操作，马达最优选使用至少五个活塞/汽缸装置，使得两个活塞在任何位置处于其动力冲程的积极作用内。
本文所示的本发明的实施例具有围绕一个共同曲柄连杆的多个汽缸的径向布置。可以理解的是，一种直列式设计具有一系列汽缸沿着一个共同的曲柄轴杆(类似于上述美国专利第8,881,641号的图3)每个不同相的连接到不同曲柄连杆可以以类似的方式实施。在后一种情况下，所有的汽缸可以有利地安装在穿过整排汽缸的单个公共枢转轴心上。其他配置，例如v形配置也是可能的，这对于本领域普通技术人员而言将是明白易懂的。
如上所述，每个汽缸盖在具有一开口30的一拱形密封表面28中终止，所述开口30交替地与所述压力管线出口(阀门开口22)或一排放管对齐。当所述汽缸开口与所述出口不对齐时，所述弧形密封表面密封所述压力管路出口。
在本文所示的特别优选的非限制性示例中，所述马达被实施为一种湿式马达，适用于使用一水驱动马达，其中在所述返回冲程期间从每个汽缸排出的废水被排放到所述马达壳体中，从通过排放管孔洞通过重力排放。在这种情况下，从每个活塞的所述返回冲程排放释放到所述马达壳体的所述内部容积中，对应于如图5b，图6c及图7b所示的所述排出状态。图6a至图6c示出了在每个汽缸的循环运动期间的一系列状态。
在多个替代实施方式中(本文未示出)，所述汽缸孔口30与所述返回冲程中与一个第二阀门开口对齐(未示出)，通常地为中性平面中的开口22的一个镜像，用过的液压流体通过歧管16引导至一个第二流动通道，在一个合适的位置释放，或者，在一种非水的液压流体的情况下，返回到一个存储器重新使用。所述马达可以设置有一个控制阀门装置，选择性地呈现：一第一状态，在所述第一状态下所述控制阀门装置将所述流体流动通道连接到一加压流体源以及将所述第二流体流动通道连接到一排放管线，从而沿着一第一方向驱动所述马达；及一第二状态，在所述第二状态下所述控制阀门装置将所述第二流体流动通道连接到一加压流体源以及将所述流体流动通道连接到一排放管线，从而沿着与所述第一方向相反的一方向驱动马达。
如图5a至图8所示，由于所述汽缸的所述密封表面与所述歧管开口之间的接触不作为一个载荷结构，刚性元件之间的一个间隔可以增加以提供一个显着的间隙，如图8中标示为d，只有一个耐磨密封件桥接所述间隙。此间隙确保了由所述驱动流体携带的任何小的固体粒子容易地被冲出至所述排放管，如图8中箭头40所示，并且不会被所述间隙卡住。
所述耐磨密封件的一个特别优选的实施方式在图7a及图7b中示出，并且采用一个弹性安装的密封装置。具体地说，一耐磨聚合物材料提供了一个安装在歧管16的一个开口中的外部密封封套42，以提供阀门开口22及密封表面20两者。封套42优选由低摩擦硬塑料制成，例如缩醛树脂。合适的组成可从dupont公司商标名为
现在转向所述汽缸组件的特别优选的实施方式，这在图7a及图9至图10b中示出。在本发明的优选实施例中，通过曲柄36相对于枢转轴心32的运动在所述马达旋转期间改变所述汽缸的方向。结果，活塞34必须将扭矩传递到汽缸26同时执行其轴向动力及排出冲程。本发明的特别优选的实施方式避免了通过弹性体密封件传递扭矩，而是通过硬塑料元件的滑动接触来实现所述活塞的引导。现在将描述用于此目的的一个组件的特别优选的示例性实施方式。
在图10a所示的特别优选的示例中，汽缸26被轴向细分为两个区域：一第一“湿的”区域26a，所述流体压力作用在所述活塞上以执行所述汽缸动力冲程，以及一第二“干的”区域26b，多个对准表面确保所述汽缸内的所述活塞的正确对准。为了在所述马达组装期间允许插入所述活塞密封件，干燥区域26b的直径必须至少与区域26a的直径一样大，并且在本文所示的示例中是稍大的。另一方面，可靠对准优选地根据本发明的教导在一数量的向内突出的滑动邻接表面46上实现。因此，这些滑动邻接表面优选地被实现为一个活塞导向插入件48的一部分，所述活塞导向插入件48插入所述汽缸的干燥区域26b并通过弹性突片50或类似物锁定就位。
所述滑动邻接表面46优选地邻接所述活塞主体34a的外表面。所述邻接表面优选地靠近活塞导向插入件48的两个端部，以便提供当滑动线性轴承的最大导向稳定性。最优选地，滑动邻接表面46是围绕所述活塞本体的多个不连续的分离表面。在本文上下文中，“分离”是指其接触的多个区域是不连续的事实。在所示的特别优选的实施方式中，所述多个邻接表面由多个空间隔开，所述多个空间为所述接触区域的尺寸的至少50％。使用多个局部接触表面同时在所述活塞的所述表面的大部分周围留下大的间隙有助于确保即进入所述壳体的任何固体颗粒不会被拦截在所述轴承内。通过这些表面形成的直线轴承优选以一直径接触，所述直径小于支撑弹性体密封件52及朝向所述活塞的所述曲柄端部延伸的所述活塞本体34a的所述活塞头部分34b的多个横向尺寸。换句话说，(多个)滑动轴承表面46优选地被一个直径小于所述弹性体密封件52接合的所述汽缸的所述区域26a的所述直径的一个虚拟汽缸所限制。可以容易地实现满足这些规格的一个结构的组装，例如通过采用一两部件式的活塞，其中活塞本体34a及活塞头34b以分离的多个部件形成，卡扣在一起用于在导向插入件48内组装，如图9所示。所述导向插入件48然后扣合在汽缸本体26内，如图10b中所示(没有所述活塞)。整体组装如图7a所示。
尽管汽缸26的枢转安装可以使用外部枢转安装实现，但是本发明的某些特别优选的实施方式通过采用穿过汽缸26的一个活塞枢转轴心32，实现了特定的结构强度及可靠性。一轴承(轴套)54(图10a及图10b)优选地增强及减小了枢转轴心32穿过汽缸26的壁体周围的摩擦力。为了适应活塞34在汽缸26内的轴向移动的范围，活塞本体26a优选地形成有一槽口56穿过所述活塞本体。
与曲柄36连接的活塞34端部优选地形成有适当成形的接合部分，用于接合一个滚动件旋转轴承组件58(图5a及图7a)以及连同所述马达组件的其他多个活塞的相应接合部分。
本发明的最特别优选的实施方式的多种汽缸及活塞主要由模压塑料形成，使得装置成本低且重量轻。在本文上下文中，“主要”是指这些元件是使用塑料作为大多数按重量计组件的构成。通常，歧管及整个壳体主要由模压塑料部件形成。
模压塑料部件及动态偏置的密封元件的使用特别适用于相对较低的工作压力及对环境友善的工作流体的使用。与通常工作在数十甚至数百巴的工作压力下的油基液压系统相比，本发明的多个马达最优选地具有加压流体源其流体在2至10巴之间(或2至10个大气压)的一压力下工作。根据特别优选的多个应用的一第一子集，所述加压流体是水。根据特别优选的多个应用的另一个子集，所述加压流体是压缩空气。
就所附权利要求书起草时没有多重依赖性而言，这只是为了适应不允许这种多重依赖性的管辖权的形式要求。应该注意的是，通过权利要求所暗示的特征的所有可能的组合都应被明确设想并且应该被认为是本发明的一部分。
应将意识到，以上所述的描述仅用作示例，并且在如所附权利要求限定的本发明的范围内的许多其他实施例是可能的。