带有外部循环的多速比液压马达的制作方法

专利名称：带有外部循环的多速比液压马达的制作方法
技术领域：
本发明涉及旋转式流体压力装置，在这种装置中一个回转齿轮组用作流体排量机构，更具体来说，本发明涉及设有多速比功能的这种装置。
虽然本发明的技术内容可用于具有非回转齿轮式的流体排量机构的装置，如凸轮凸部式装置，但是，本发明特别适用于回转齿轮式装置，并针对其进行描述。
利用回转齿轮组的装置可用于多种用途，最常见的一种是用作低转速高转矩(LSHT)马达。低转速高转矩马达的一种常见的应用是车辆推进，其中，车辆包括一个发动机驱动的泵，该泵向一对回转齿轮马达提供加压流体，每个马达与主动轮之一配合工作。本专业技术人员懂得，许多回转齿轮马达利用滚子回转齿轮(roller gerotor)，特别是在那种用于推进用途中的较大型的、较高转矩的马达上，下文中提到“回转齿轮”是指传统回转齿轮以及滚子回转齿轮。
近年来，人们一直希望车辆制造厂商能够提供下述两种工作方式例如当车辆在工地时的低转速高转矩(LSHT)方式和在工地之间车辆运行时的高转速低转矩(HSLT)方式。一种可行的技术方案是提供具有两转速性能的回转齿轮马达。
美国专利第4,480,971号公开了一种两转速回转齿轮马达，该专利转让给了本发明的受让人并在本说明书中用作参考文件。该专利的装置曾得到广泛的商业应用，并且性能基本令人满意。本专业技人员都知道，通过设置可以在回转齿轮组的膨胀和收缩流体腔之间有效“再循环”流体的阀门装置就可以使回转齿轮马达用作两转速比装置。换言之，如果进口孔与所有膨胀腔连通，而且所有收缩腔与出口孔连通，那么，马达就以正常的低转速高转矩方式工作。如果一些流体从收缩腔再循环回到一些膨胀腔，那么结果就是以高转速低转矩方式工作，这与回转齿轮的排量减小，但通过回转齿轮的流动速率相同的效果相同。
在商用的两转速回转马达中，如上述专利所述，在马达以高转速低转矩方式工作中，在回转齿轮组内的每个容积腔，在该容积腔膨胀和在其收缩时，都具有成为“再循环”容积腔的机会。每个容积腔成为再循环容积腔的一个结果是一种状态，该状态称为“奇数间隔(oddlyspaced)”再循环容积腔，人们认为这种状态在以高转速低转矩方式工作时会导致不均匀的转矩波动。
因此，本发明的目的是提供一种改进的多速比装置，它特别适用于回转齿轮马达，可消除或显著减小“奇数间隔”再循环容积腔的不合需要的效果，包括在高转速低转矩方式中的不均匀转矩波动。
显然，现有技术的两转速装置的另一个缺点在于，在现有技术的装置中，全部再循环流都必须经过转换阀门。本专业技术人员都知道，在高转速低转矩方式中一些流体再循环意味着在高转速方式中通过非再循环容积腔的流动速率显著增加。不幸的是，在典型的现有技术装置中，增设两转速功能，与传统单速比的相同转速和转矩性能的马达比较。已经导致一定温度上按照流量构制的转换阀门通道。结果是使横过现有技术的两转速马达的压降不合要求地增加，本专业技术人员知道，横过液压马达的压降越高，马达越不合乎商业需求。
因此，本发明的另一个目的是提供一种改善的多速比装置，这种装置并不需要较小的转换阀通道，因而不会导致横过马达的压降增加。
与流过转换阀的全部再循环流相关的问题在1999年4月14日以Marvin L.Bernstorm、Jarett D.Millar、Karen J.Radford和RyanC.Bergerson的名义提交的共同未审定的美国专利申请U.S.S.N.09/291,671中表示和描述的装置中得到解决，上述专利申请名为“带有外部袋式再循环的两转速回转齿轮马达”，已转让给本发明的受让人并在本说明书中用作参考文件。在该包括在内的申请的装置中，流向和流出再循环容积腔的流并不流过转换阀门，而是由单独的阀门控制，因而在高转速低转矩方式中工作时使每个再循环容积腔与一个再循环腔流体连通(因而使用术语“外部”再循环)。
按照上述包括在内的申请的一个特征，再循环腔内有相对较高压力的流体，因而所有再循环容积腔内有相对较高压力的流体，因此，在HSLT方式工作期间基本消除了出现空穴的倾向。
在现有技术的两转速回转齿轮马达装置，以及在上述包括在内的申请的装置中，LSHT方式中的速比根据定义为1.0∶1，在HSLT中的速比是由不再循环的容积腔的数目确定的(在HSLT方式中的速比是“有效”的即不再循环的容积腔的数目除以容积腔总数)。在现有技术的装置中，在低速和高速方式之间的变换在许多情形中相当突然地发生，现有技术的结构有效地指令马达的工作只在低转速和高转速方式中发生。例如，在上述包括在内的申请的装置中，流向和流出再循环容积腔的流是由一个单一的控制滑阀控制的，因而一般来说，LSHT和HSLT方式之间的改变(变换)将对于所有的再循环容积腔同时发生。
因此，本发明的另一个目的是提供一种改进的多速比回转齿轮马达装置，它具有提供在最小速比和最大速比之间的一个或多个工作速比的实际能力，即，能够独立地变换再循环容积腔。
本发明的上述和其它的目的是通过提供一种具有限定流体进口孔和流体出口孔的壳体装置的流体压力工作装置实现的。一流体压力排量机构与壳体装置配合工作，包括一个内齿环形构件和一个在内齿环形构件内偏心设置的外齿星形构件。上述环形构件和星形构件具有相对的轨道和旋转运动，并且相互啮合以限定多个响应于轨道和旋转运动的膨胀和收缩容积腔。一个马达阀门装置与壳体装置共同形成流体进口孔和膨胀容积腔之间，以及收缩容积腔和流体出口孔之间的流体连通。该马达阀门装置包括一个静止阀件，该静止阀件是固定的，从而相对于壳体装置是非转动的；以及一个活动阀件，该活动阀件用于与轨道和旋转运动之一同步地相对于静止阀件运动。静止阀件限定多(N)条静止阀通道，每条静止阀通道包括一个适于与活动阀件变换流体连通的上游通道部分，以及一个与所述多(N)个流体容积腔之一连续流体连通的下游通道部分。在多条(N-M)静止阀通道中，上游通道部分和下游通道部分处于直接的、相对不受限制的、连续的流体连通。
改进的流体压力工作装置的特征在于，在多条(M)静止阀通道中，上游通道部分和下游通道部分被堵住直接流体连通。设有多个(M)控制阀构件，每个控制阀构件与静止阀件配合工作，并与多条(M)静止阀通道之一配合工作。每个控制阀构件在第一位置上用于形成每个上游通道部分和它的相关下游通道部分之间的相对不受限制的流体连通，而在第二位置上用于堵住每个上游通道部分和它的相关下游通道部分之间的流体连通。
附图简要说明如下

图1是按照本发明的技术内容制成的低转速高转矩回转齿轮马达的轴向剖视图。
图2是沿图1中2-2线截取的剖视图，比例稍大于图1。
图3是沿图1中3-3线截取的剖视图，比例稍大于图1。
图4是沿图1中4-4线截取的剖视图，比例稍大于图1。
图5是沿图1中5-5线截取的剖视图，比例稍大于图1。
图6是沿图1中6-6线截取的穿过控制阀板的剖视图，比例稍大于图1。
现在参阅附图，这些附图并不是要对本发明进行限定，图1表示基本按照上述包括在内的专利，按照上述包括在内的申请，以及按照已转让给本发明的受让人并在本说明书中用作参考文件的美国专利第5,211,551号制成的星内阀(VIS)式低转速高转矩(LSHT)马达。
图1所示VIS式马达包括多个例如通过螺栓11固定在一起的部分，在图1中只画出一个螺栓，全部螺栓是在图2至6中画出的。该马达包括一个端盖13、一个隔板15、变换板17(也可称为选择板)、一个静止阀板19、一个回转齿轮组21、一个平衡板组件23和一个凸缘构件25。
最佳地在图2中画出的回转齿轮组21是本专业公知的，在上述包括在内的专利中详细描述，因而这里只作简单描述。齿轮组21最好是Geroler齿轮组，它包括一个内齿环形构件27，该构件限定多个基本呈半圆形的开口，在每个开口中设置一个圆筒形滚子构件29，用作环形构件27的内齿。一个外齿星形构件31偏心地设置在环形构件27内，一般具有比滚子构件29的内齿数少一个的外齿，因此，使环形构件27可相对于环形构件进行轨道和旋转运动。星形构件31在环形构件27内的轨道和旋转运动限定多个流体容积腔33，在任意瞬间，大多数容积腔是膨胀容积腔33E或收缩容积腔33C。但是，本专利技术人员知道，在星形构件31的每次轨道运转中两次处于膨胀和收缩之间的过渡状态，在图2中，处于过渡中的那些容积腔只标识为“33”。在该实施例中，只是作为一种实例，容积腔33的总数为10。
现在再次主要参阅图1，星形构件31限定多个直的内花键，它们与一组在主驱动轴37的一端上形成的外部冠状花健35啮合。在轴37的另一端形成另一组外部冠状花键39，适于与另一组由某种形式的旋转输出构件如轴或轮毂(未画出)限定的直的内花键啮合。
现在再次主要参阅图2并结合参阅图1更详细描述星形构件31。虽然并非本发明的关键特征，但是在本实施例中，星形构件31包括一个两个分开部分的组件，包括一个主星形部分41，该部分包括外齿，以及一个镶件或塞件43(这两部分之间的关系最佳地表示在图1中)。主要部分41和镶件43共同形成各流体区域、通道和孔，下面将进行描述。星形构件31限定一个中央歧管区域45，由星形构件31的一个端面47限定，该端面47设置得与静止滑板19的相邻表面49(见图1和6)滑动、密封接合。
星形构件31的端面47限定一组流体孔51，每个流体孔借助由镶件43限定的流体通道53(见图1)与歧管区域45连续流体连通。端面47进一步限定一组与流体孔51交错布置的流体孔55，每个流体孔55包括径向向内向歧管区域45延伸大约一半的一个部分57。各部分57共同限定一个“外部”歧管区域，围绕着内部的或中央歧管区域45。
现在再次参阅图1，端盖13包括一个流体进口孔59和一个流体出口孔61，不过，本专业技术人员懂得，大多数本发明相关的这种马达是指工作中“双向”运转的，孔是可以逆转的。端盖13限定一个环形腔63，该腔与进口孔59敞通连续流体连通。端盖13也限定一个圆筒形腔65，该腔与出口孔61敞开连续流体连通。最后，端盖13还包括一个环形腔67(下文中也称为“再循环区域”或“再循环腔”)，该腔也与内有高压的任一孔59或61敞开连续流体连通，这个孔在上述马达中是进口孔59。环形腔67借助一条未画出的通道或往复阀装置与环形腔63或腔65连通，这是本专业人员熟知的，其细部结构并非本发明的关键特征。环形腔与相对较高的压力流体源如马达进口孔59连续流体连通被认为是本发明的一个合乎需要的特征，其原因在上述包括在内的申请中详述。
现在仍主要参阅图1，为了下面的说明，假定流体孔59是含有高压的进口孔，该孔然后连通入环形腔63，从那里通过隔板51中的开口通至一系列由转换板17(见图4,5和6)限定的孔69。
现在主要参阅图3，静止阀板19限定一个中心开口71，该开口与圆筒形腔65敞开连通。静止阀板19的表面49也限定一个环形槽73，一系列开口75与该槽流体连通，每个开口75与一个孔69流体连通。VIS式马达的专业技术人员懂得，静止阀板在传统的VIS式马达中与端盖紧邻，或者甚至与端盖整体地形成。但是，由于在上述包括在内的申请中说明的原因，静止阀板19在本发明中借助隔板15和转换板17与端盖13分离，以便实现本发明的多速阀门功能。
静止阀板19限定多条静止阀通道77，所述通道在本专业中也称为“定时槽”。在本实施例中，每条静止阀通道77一般包括一条径向槽，每条径向槽设置得与容积腔中相邻的一个连续敞开流体连通，上述容积腔可以是膨胀容积腔33E，或是收缩容积腔33C。静止阀通道77最好基本上与中心开口71同心地呈环形设置。如果静止阀板19是按照传统的VIS式马达技术制成的，则具有10条静止阀通道77，每个容积腔33配置一条。但是，按照本发明的一个重要方面，设置有5条静止阀通道77，另外有5条不同的静止阀通道，其标号为79A,79B,79C,79D,79E。静止阀通道79A至E与传统的静止阀通道77的不同之处将在下文中描述。
本专业技术人员懂得，虽然通道77和79的总数将根据所使用的具体的回转齿轮组确定，但是，通道77和通道79的具体数目可以稍有变化，这也在本发明的范围之内。在本实施例中，仅作为一个实例，滚子回转齿轮组21是一种“九一十(nine-ten)”回转齿轮，即，环形构件27具有10个内齿(滚子29)，而星形构件31具有9个外齿。因此，总共有10个容积腔(33,33E，和33C)，对于每个容积腔来说，设有一条通道77或一条通道79，因此共有10条通道。
本专业技术人员也懂得，在传统的VIS式马达中，每条静止阀通道77的径向内部与流体孔51和55变换连通，而每条静止阀通道77的径向外部与有关容积腔33(或33E或33C)永久、连续连通。换言之，从一个流体孔51或55至相邻容积腔33的连通是通过径向的通道77实现的，所述径向的通道77中，径向内部和径向外部是直接敞开连通的(见图3)。但是，按照本发明，如在上述包括在内的申请中那样，在每条静止阀通道79A至79E中存在一个径向内(上游)部分81和一个分开的径向外(下游)部分83。因此，按照本发明的一个重要方面，在每条静止阀通道79A至79E中，径向内部81和径向外部83是不直接敞开连通的。所述径向内、外部在通常的LSHT方式中是通过转换板17中的控制阀彼此连通的，但是，在HSLT方式中则彼此堵塞不通。下面将结合对本发明的工作的描述更详细地说明上述两种方式。
现在主要参阅图4,5和6描述转换板17和本发明的控制阀。为了使图4,5和6协调，应注意的是，图5是在图1中朝着左方即朝着端盖13看去的，而图4和6是在图1中朝着右方即朝着轴37看去的。
转换板17限定一个中心开口85，该开口提供圆筒形腔65和静止阀板19(图3)的中心开口71之间的连通。转换板17也限定一条环形槽87(也见图1)，一系列孔89与上述环形槽87连通，其功能将在下文中描述。最后，转换板17限定多个再循环孔91，每个再循环孔与环形腔(再循环腔)67敞开流体连通。
现在主要参阅图5描述转换板17的相反表面。围绕中心开口85呈环形设置孔69，孔69在转换板17的整个厚度上轴向延伸。应注意的是，图3和5是以相同方向看去的，因此，在相应于静止阀通道79A至E的部位上，转换板17限定孔装置93A至93E。每个孔装置93A至93E包括一个径向内凹部95，与静止阀板19限定的相邻的上游部分81敞开连通。另外，每个孔装置93A至93E包括一个基本呈L形的径向外凹部97，并包括一个外部切向部分，与静止阀板19限定的每个下游部分83敞开连通。
现在主要参阅图6并结合图4和5，转换板17限定多个径向孔99，每个径向孔在其径向外端由一个螺塞101(只在图1中画出)密封。在每个孔99中设有一个包括内棱105和外棱107的滑阀103。在每个孔99的径向内端设有一个减径孔109(下文中也称为“转换压力腔”)，每个减径孔与其各自的孔89和环形槽87敞开流体连通，其目的将结合对本发明的操作的描述进行说明。
图4中所示的每个循环孔91穿过转换板17轴向延伸一段并在一个位置上相交于与其相关的孔99，上述位置在图6中被外棱107覆盖。现在主要参阅图5和6，每个径向内凹部95与一个轴向延伸的短孔111连通，该短孔通入径向孔99，如图6所示。同样，每个径向外凹部97与一个轴向延伸的短孔113连通，该短孔通入径自孔99，如图6所示。
每个滑阀103被一个压簧115径向向内压至图6所示位置，所述压簧的径向外端靠在螺塞101上。因此，在孔109中不存在足够的流体压力时，滑阀103将被径向向内偏压至图6所示位置，在该位置上，孔111和113彼此敞开连通，因此，内、外凹部95和97彼此敞开连通。当凹部95和97敞开连通时，由静止阀板19限定的(每条静止阀通道79A至E)的上游部分81和下游部分83也彼此敞开连通，因此使每条静止阀通道79A至79E发挥与每条传统静止阀通道77基本相同的作用。因此，当滑阀103处于图6所示的位置上时，回转齿轮马达将按照通常的低转速高转矩方式工作。
现在仍主要参阅图3至6，当(例如来自系统的供给泵的)加压流体连通至环形槽87时，压力将通过每个孔89和109被连通，反抗压簧115的力径向向外偏压滑阀103。在滑阀103的径向向外位置上，内棱105堵住孔111与孔113的连通，使径向内凹部95不再与径向外凹部97连通。因此，每条静止阀通道79A至79E的上游部分81不再与下游部分83连通。当滑阀103处于其径向向外(HSLT)位置上时，外棱107则不再覆盖有关的再循环孔91，因而使循环孔91与孔113敞开连通。
因此，5个容积腔借助转换阀不再与流体进口孔59或流体出口孔61连通。每个这些“再循环”容积腔借助再循环孔91、孔113、径向外凹部97和下游部分83与加压再循环腔67连通。因此，只有5个留下来的容积腔(即，那些借助静止阀通道77连通的容积腔)有效地交替用作膨胀和收缩容积腔。这样的效果就好象是传统的回转齿轮马达的排量减小了一半，对于固定的流体流动速率来说，使马达输出转速增倍。
如前面
背景技术：
部分所述，本发明的目的是确实提供多转速性能，即具有一个最小(1.0∶1)速比(LSHT)、一个最大(2.0∶1)速比(HSLT)和至少一个在最小和最大速比之间的速比。本发明通过单独地用阀调节每个再循环容积腔，可以使少于5个容积腔再循环流体。例如，在本实施例中，如果通过压力在有关的孔109中径向向外移动3个滑阀103，但是另外两个滑阀103仍处于图6所示径向内部位置，那么，7个容积腔就通常以中间(1.43∶1)速比工作。为了实现这种中间速比，必须将3个孔109连接于一个控制(引导)压和源。据信，提供这种双控制压力源是在本专业技术人员的能力范围之内的事情。本专业技术人员懂得，在上述实例中，也可以只有两个而不是3个再循环容积腔，因而8个容积腔正常工作。在这种情形中，中间速比为1.25∶1。因此，本发明在实现各种速比方面提供了前所未闻的灵活性。
在上文中已详细描述了本发明，显然通过阅读和理解本说明书，本发明的各种变化和修改对于本专业技术人员来说是显而易见的。所有这样的修改和变化都包括在本发明范围之内，属于权利要求书的范围。
权利要求
1．一种流体压力操作装置，包括壳体装置(13)，它限定一个流体进口孔(59)和一个流体出口孔(61)；一个流体压力排量机构(21)，它与所述壳体装置(13)配合工作并包括一个内齿环形构件(27)和一个与所述环形构件(27)偏心设置的外齿星形构件(31)；所述环形构件和所述星形构件具有相对轨道和旋转运动，并且响应于所述轨道和旋转运动相互啮合而限定多个(N)膨胀(33E)和收缩(33C)容积腔；马达阀门装置(43,19)，与所述壳体装置(13)配合工作以提供在所述流体进口孔(59)和所述膨胀容积腔(33E)之间，以及在所述流体进口孔(59)和所述膨胀容积腔(33E)之间的流体连通；所述马达阀门装置包括一静止阀构件(19)，它是固定的，相对于所述壳体装置不可转动，以及一个活动阀构件(43)，它与所述轨道和旋转运动之一同步地相对于所述静止阀构件(19)运动；所述静止阀构件(19)限定多个(N)静止阀通道，每条静止阀通道包括一个上游通道部分和一个下游通道部分，上游通道部分适于与所述活动阀构件(43)转换流体连通，下游通道部分与所述多个(N)流体容积腔(33)连续流体连通；在多条(N-M)所述静止阀通道(77)中，所述上游通道部分和所述下游通道部分直接地、相对不受限制地连续流体连通；其特征在于(a)在多条(M)所述静止通道(79A,79B,79C,79D,79E)中，所述上游通道部分(81)和下游通道部分(83)的直接流体连通被堵塞；(b)多个控制阀构件(103)的每一个与所述静止阀构件(19)，以及与所述静止阀通道(79A至79E)之一配合工作；(c)每个所述控制构件(103)可在第一位置(图6)工作以提供在每个上游通道部分(81)和与它相关的下游通道部分(83)之间的相对不受限制的流体连通，并且可在第二位置工作以堵塞每个上游通道部分(81)和与它相关的下游通道部分(83)之间的流体连通。
2．如权利要求1所述的流体压力操作装置，其特征在于所述多个(M)控制阀构件(103)可在所述第二位置工作，以便在所述多个(M)下游通道部分(83)之间提供相对不受限制的流体连通。
3．如权利要求2所述的流体压力操作装置，其特征在于所述多个(M)控制阀构件(103)与所述静止阀构件(19)和所述壳体装置(13)中的一个配合工作以限定一个流体再循环区域(67)，所述控制阀构件(103)在所述第二位置提供在每个所述多个(M)下游通道部分(83)和所述流体再循环区域(67)之间相对不受限制的流体连通。
4．如权利要求3所述的流体压力操作装置，其特征在于所述流体再循环区域(67)与一个相对较高压力的流体源流体连通，所述流体源包括所述流体进口孔(59)。
5．如权利要求1所述的流体压力操作装置，其特征在于每个所述多个(M)控制阀构件(103)被多个(M)偏压弹簧(115)之一偏压向所述第一(图6)和第二位置中的一个位置，以及被在一个移动压力腔(109)中的流体压力偏压向所述第一和第二位置中的另一个位置。
6．如权利要求5所述的流体压力操作装置，其特征在于每个所述多个(M)控制阀构件(103)被一个所述偏压弹簧(115)偏压向所述第一位置(图6)，以及被所述移动压力腔(109)中的流体压力偏压向所述第二位置。
全文摘要
一种多转速回转齿轮马达包括一个限定膨胀(33E)和收缩(33C)流体容积腔的流体排量机构(21);一个限定多条(N)静止阀通道的静止阀构件(19)和一个活动阀构件(43)。每条阀通道的上游端与活动阀构件(43)连通,而下游端与容积腔之一连通。在多条(M)静止阀通道(79A至79E)中,上游通道部分(81)和下游通道部分(83)的直接连通被堵塞,每个设有一控制阀构件(103),可有选择地为正常、低速、高速运转提供流体连通,或堵塞这种连通,以及为高转速低转矩运转再循环有关的容积腔。
文档编号F04C2/00GK1326048SQ01118960
公开日2001年12月12日 申请日期2001年5月25日 优先权日2000年5月25日
发明者多纳德·M·哈斯塔德, 加利·R·卡森, 贾勒特·D·米勒, 马尔文·L·伯恩斯托姆 申请人:尹顿公司