液压径向活塞装置制造方法

液压径向活塞装置制造方法
【专利摘要】一种径向活塞装置包括壳体和固定至壳体的枢栓，该枢栓包括入口和出口，入口和出口均与枢栓轴线对齐。一转子围绕枢栓而可旋转地布置并且包括径向定向的缸体。一活塞能在每个缸体中轴向地位移并且包括限定有球形接触表面的头部。止推环在壳体内围绕转子而可旋转地布置并且与每个活塞接触，从而转子的旋转使止推环旋转。止推环的内表面限定有圆环接触表面。球形接触表面和圆环接触表面之间的接触位置随着转子绕着枢栓旋转而变化。传动轴与转子接合，从而转子的旋转使传动轴旋转。
【专利说明】液压径向活塞装置
[0001] 本申请于2013年7月11日作为PCT国际专利申请提交并且要求于2012年7月 11日提交的美国专利申请系列No. 61/670, 397的优先权，该专利申请的全部公开内容W引 用的方式并入到本文中。

【背景技术】
[0002] 径向活塞装置（累或马达）通常用于航天液压应用，并且其特征在于具有与固定 的枢栓（pintle)可旋转地接合的转子。该转子在径向缸体中支承有多个活塞。当该装置 处于马达构型时，液压流体被传送至枢栓中并且被向外压入至缸体中。作用在位于每个缸 体内的活塞上的流体力迫使转子（和相关联的传动轴）旋转。每个活塞的头部与同样可相 对于枢栓旋转的外止推环接触。由头部和止推环之间的接触所施加的压力迫使该止推环旋 转。由于转子与止推环未轴向地对齐，转子轴线和止推环轴线之间的距离的改变对装置所 产生的功率/动力具有直接的影响。


【发明内容】

[0003] 一方面，本发明设及一种径向活塞装置，该径向活塞装置包括；(a)壳体，该壳体 限定有壳体液压流体入口；化）枢栓，该枢栓接纳在壳体内并且相对于壳体而固定，其中， 所述枢栓包括：枢栓轴线；枢栓壁，该枢栓壁限定有枢栓入口端口和枢栓出口端口；枢栓液 压流体入口，该枢栓液压流体入口与壳体液压流体入口流体连通并且与枢栓轴线对齐并且 与枢栓入口端口流体连通；W及枢栓液压流体出口，该枢栓液压流体出口与枢栓轴线对齐 并且与枢栓出口端口流体连通；(C)转子，该转子围绕枢栓而可旋转地布置，其中，所述转 子限定有：孔，其中该孔构造成围绕所述枢栓而可旋转地被接纳；多个径向定向的缸体，该 多个径向定向的缸体包括第一缸体组，该第一缸体组包括第一缸体和与第一缸体相邻的且 相对于转子的轴线对齐的第二缸体；第一转子流体端口，该第一转子流体端口与第一缸体 组流体连通，其中，当转子处于第一位置时，第一转子流动端口与枢栓入口端口流体连通， 并且其中，当转子处于距第一位置大约180度的第二位置时，第一转子流体端口与枢栓出 口端口流体连通；(d)第一活塞和第二活塞，该第一活塞可在第一缸体中轴向地位移，该第 二活塞可在第二缸体中轴向地位移，并且其中，第一活塞和第二活塞中的每一个包括限定 有球形接触表面的头部；(e)止推环，该止推环在壳体内围绕转子而可旋转地布置，其中， 止推环与第一活塞和第二活塞中的每一个接触，从而转子的旋转使止推环旋转，并且其中， 止推环的内表面限定有圆环（超环面，toroidal)接触表面，并且其中，第一活塞的球形接 触表面和圆环接触表面之间的接触位置随着转子从第一位置旋转至第二位置而在球形接 触表面上变化；W及（f)传动轴，该传动轴与转子接合，从而转子的旋转使传动轴旋转。
[0004] 在上述方面的一个实施例中，传动轴包括多个叶片，该多个叶片定向成使得在传 动轴的旋转期间，多个叶片将液压流体压入至枢栓液压流体入口中。在另一实施例中，第一 活塞包括从枢栓轴线径向地延伸的第一活塞轴线，并且其中，第一活塞在轴向位移期间可 绕着第一活塞轴线旋转。在另一实施例中，第一活塞的球形接触表面包括约0. 5"的半径。 在另一实施例中，止推环的圆环接触表面包括约0. 55"的半径。
[0005] 在上述方面的一个实施例中，止推环的圆环接触表面包括约0. 55"的半径。在另 一实施例中，止推环的圆环接触表面包括比第一活塞的球形接触表面的半径大出约0. 5"的 半径。在另一实施例中，圆环接触表面包括第一圆环接触表面和第二圆环接触表面，并且其 中，第一圆环接触表面接触第一活塞的头部，并且其中，第二圆环接触表面接触第二活塞的 头部。在另一实施例中，多个径向定向的缸体还包括与第一缸体组相邻的第二缸体组，并且 其中，第二缸体组包括第=缸体和与第=缸体相邻的且相对于转子轴线对齐的第四缸体， 并且其中，第=缸体和第四缸体沿着转子轴线而相对于第一缸体和第二缸体轴向地偏置。
[0006] 在上述方面的另一实施例中，多个径向定向的缸体还包括相对的缸体组，该相对 的缸体组径向地布置成与第一缸体组关于转子轴线相对。在另一实施例中，该装置包括用 于使传动轴与转子接合的柔性联接器。在另一实施例中，柔性联接器限定有与壳体液压流 体入口和枢栓液压流体入口流体连通的入口。

【专利附图】

【附图说明】
[0007] 在附图中示出了优选的实施例，然而应当理解的是，本发明并不限于所示出的精 确的布置和机构。
[000引图1A-1B为径向活塞装置的侧向截面视图，其中转子分别地处于第一位置和第二 位置。
[0009] 图2A为图1A和1B的径向活塞装置的端部截面视图。
[0010] 图2B-2C为图2A的径向活塞装置的活塞的放大透视图。
[0011] 图2D为图2B-2C的活塞的放大顶视图。
[001引 图2E-2F为图2D的活塞的侧视图。
[0013] 图2G-2H为活塞的侧视图。
[0014] 图3A-3B分别为图1A和1B的径向活塞装置的动力传送组件的分解透视图和侧视 图。
[0015] 图3C为动力传送组件的分解透视图。
[0016] 图4为图1A和1B的径向活塞装置的枢栓的截面透视图。
[0017] 图5A-5C为多种转子/止推环构型的局部放大侧向截面视图。

【具体实施方式】
[0018] 现将详细地参照在附图中示出的本发明的示例性方面。只要有可能，在所有图中 将采用相同的附图标记指代相同或相似的结构。在本申请中，大体地描述了径向活塞装置。 该些装置可根据需要用于马达和累应用中。在适当的时候，在本文中描述了马达和累应用 之间的特定差别，然而附加的差别和相似点对于所属领域的技术人员而言也是明显的。在 本文中公开的径向活塞装置展示出大的功率密度、能够高速运转并且具有高效率。此外，可 不采用专口的工艺（纤焊、模锻等等）来制造所述径向活塞装置。同样地，所描述的装置不 包括具有长的提前期（lead-time)的滚动元件（例如轴承）并且因此可具有比当前所用的 径向活塞装置的生产成本低的生产成本。在一个示例中，该样的装置能够W 3000psi (磅每 平方英寸）的压力和120(K)巧m(每分钟转数）的转速运转，同时保持超过20000个运转小 时的使用寿命而不用更换活塞和止推环。本文中的技术是在径向活塞装置的情况下进行描 述的，但是所描述的技术的益处还可适用于其活塞定向在轴向位置和径向位置之间的任何 装置中。
[0019] 图1A-1B为径向活塞装置100的侧向截面视图。径向活塞装置100包括壳体，该 壳体在第一端连接至枢栓104。一转子106限定有孔，该孔允许转子106绕着枢栓104可 旋转地安装。转子106限定有多个径向缸体108,每个缸体接纳有活塞110。在示出的实施 例中，缸体108为成对的构型W使得两个缸体108沿着与转子轴线A。平行的线性轴线而彼 此相邻的设置。在本申请中，此线性对齐的缸体108和活塞110分别地称为缸体组和活塞 组。转子轴线A。与枢栓轴线A P同轴。枢栓104包括枢栓壁112,该枢栓壁112限定有穿过 其中的枢栓入口端口 114和枢栓出口端口 116。转子流体端口 118穿透限定有所述孔的转 子106的内壁，并且用于每个缸体组的共同的流体入口 120与该转子流体端口 118流体连 通。转子流体端口 118允许枢栓入口端口 114与枢栓出口端口 116两者（基于转子106的 位置）与共同的流体入口 120之间的流体连通。当径向活塞装置100用于累应用时，流经 入口和出口的液压流则颠倒过来。
[0020] 枢栓104还限定有枢栓液压流体入口 122和枢栓液压流体出口 124。所述枢栓液 压流体入口 122和枢栓液压流体出口 124大致与枢栓轴线Ap对齐并且分别地与枢栓入口 端口 114与枢栓出口端口 116流体连通。每个活塞110与凸轮环或止推环126接触，该凸 轮环或止推环126可旋转地安装在壳体102内。下文会进一步详细地描述止推环126的多 个实施例。传动轴128在柔性联接器130处连接至转子106。传动轴128的一部分位于壳 体102内，使得经由壳体液压流体入口 132进入壳体102的液压流体围绕传动轴流动。油 封组件134包围传动轴128并且防止液压流体不经意地离开壳体102。在下文中会更详细 地描述该些和其他部件。
[0021] 止推环126通过流体动力轴颈轴承（journal bearing) 136径向地支承。可在多 个不同的位置处（例如在传感器口 138处）检测壳体102内的温度和/或压力。在特定实 施例（例如低速、高压的装置）中，可期望的是，由流体静压垫化y化ostatic pad)来补充 流体动力，从而形成混合的轴颈轴承。转子106还利用流体动力轴颈轴承径向地支承在枢 栓104上。在转子106上的径向载荷可通过设定特定的应用所需或所期望的密封带（seal land)的长度而平衡。在转子的孔的轴向末端处在枢栓104上也可包括小的轴颈轴承长度， W便承载由于活塞运送（porting)而作用在转子106上的任何振荡力矩。传动轴128由多 个对齐的轴套140支承，使得在传动轴128上不存在径向载荷。
[0022] 装置100可采用由止推垫圈142产生的轴向推力W将动力传送组件（图3A-3B) 偏压至壳体102的传动轴端。该减小了转子106和止推环126之间的潜在的公差叠加误 差。此外，止推垫圈142的柔性防止了由于热增长带来的对旋转的动力传送组件的束缚，并 且在如航天应用中所预期的外部振动或冲击载荷的情况下支承转子106。装置100还可包 括位于旋转的动力传送组件的两端处的端口，W允许对装置100进行强制流体冷却W提高 可靠性。在替代的实施例中，装置100可包括保持器装置W将活塞110保持靠在止推环126 上。如果装置用于在低速下运转（即，在低于该速度时在活塞110上的离屯、力和流体不足 W维持在活塞110和止推环126的内表面之间的压缩力），该保持器装置尤其有用。箱体排 放装置144可连接至壳体102的任何数量的内部腔室。
[0023] 图IB示出图lA的径向活塞装置100,其中转子106旋转了 45度。与此视图最相 关的是活塞110'相对于止推环126的位置。活塞110'对定位成与图1A中示出的活塞110 相邻（如在图2A中示出的）。活塞110'列从图1A中的活塞110列偏置。在下文中会进一 步描述此构型。然而，一般而言，偏置围绕转子106的活塞列允许减小转子106 (且因而装 置100)的总尺寸。此外，活塞列的偏置平衡了由于止推环126和活塞110、110'之间的接 触而产生的在转子上的推力载荷。
[0024] 图2A示出图1A和1B的径向活塞装置100的端部截面图，其中壳体被拆除。在此 附图中清楚的是，转子轴线A/枢栓轴线Ap是对齐的而并不与止推环轴线（未示出）同轴。 多个活塞110在转子106内径向地往复运动，使得上述元件（即转子106)绕着中央枢栓104 旋转。由于止推环126 (更具体地，止推环126的内座圈200)和转子106之间的径向偏置， 可出现活塞110的往复运动。因此，转子106每转动一圈，活塞110就累送一次。就该方面 来说，活塞IlOe位于上死点（TDC)位置处并且活塞110a位于下死点炬DC)位置处。活塞 110和内座圈200之间的对接面/接触面由球形的活塞几何形状和圆环形的（止推）环几 何形状限定。该促使了活塞110在止推环126上的滚动W便防止滑动。采用偶数缸体组W 便平衡作用在止推环126上的推力载荷。在描述的实施例中，使用了八缸式缸体组。可使用 特殊材料或涂层（例如陶瓷或纳米涂层）来减小摩擦并且增大活塞/环的对接面的寿命。
[0025] 图2B和2C示出活塞110。活塞的几何形状包括与止推环接触的球形的活塞头部 202。活塞110和止推环之间的接触发生于从活塞轴线A偏置的位置。该接触使得活塞110 绕着其自身的轴线A旋转W消除在活塞110和止推环之间的滑动摩擦，从而改善效率和磨 损寿命。如所属领域的技术人员已知的，由于活塞在止推环座圈上的接触，止推环W近似转 子的速度被驱动。在本文中描述的几何形状显著地减小了活塞110和止推环之间的接触应 力，使得显著地改善了活塞寿命。该部分地由于在止推环座圈上采用了圆环面（在正交方 向上为圆形的弯曲部）。当构造对接面的几何形状时，考虑了在转子的死点位置处和在死 点之间的点处的接触角。在止推环上的接触平面204是通过建立横向半径相对于活塞轴线 A的位置而确定。接触平面204从活塞轴线偏置，如图2B-2D中所示出。当转子从死点平 面旋转90度（即在中间冲程活塞位置llOcUlOg处）时，在活塞头部202上的接触点208 偏置成如图2B-2D中所示。在图2A中，活塞110c和llOg处于中间冲程位置。当限定几何 形状时，止推环上的接触平面204必须从活塞的中屯、平面206处偏置W防止滑动。此偏置 点208应当具有距离活塞轴线A尽可能远的半径W最小化活塞旋转速度并且避免滑 移。此外，几何形状应当限定成在处于中间冲程位置时防止或至少最小化活塞110的边缘 载荷。
[0026] 图2D示出在活塞的如图2A示出的各位置llOa-11化处活塞和止推环之间的接触 点。图2E-2F分别地示出处于上死点仰C)和下死点炬DC)位置处的图2D中的活塞的侧 视图。在下文中结合图2A-2F描述了用于在本文中所示出的径向活塞装置的活塞/环几何 形状的优化方案。在优化活塞/止推环几何形状中，设计依据的非穷举列表包括：
[0027] 为避免活塞边缘载荷，r接触<d活塞/2。
[002引为最小化接触应力并且最大化活塞/止推环的寿命，Rj*和RfllS应当尽可能地接近 于相等。
[0029] 为最小化赫兹接触应力并且最大化活塞/止推环的寿命，Rj*和Rfll自应当尽可能地 大。
[0030] 为促进活塞旋转并且防止活塞和止推环之间的滑动，接触点（如在图2D中点A-H 所示出的）必须在所有的转子角度处从活塞轴线A偏置。所述偏置与图2D中的尺寸Xi对 应。
[0031] 为最小化质量惯性矩和流体揽动损失，止推环的直径应当尽可能地小。
[0032] 考虑到该些依据后，优化的活塞/止推环几何形状可包括约0. 5"的活塞头部半 径，该约0. 5"的活塞头部半径用于具有0. 2平方英寸每转的排量的径向活塞装置。在尺寸 如此设定的装置中，优化的止推环座圈半径可为约0. 55"。活塞/止推环几何形状可使用W 下等式来进行优化：
[0033]

【权利要求】
1. 一种径向活塞装置，包括： (a) 壳体，该壳体限定有壳体液压流体入口； (b) 枢栓，该枢栓接纳在所述壳体内并且相对于所述壳体而固定，其中，所述枢栓包 括： 枢栓轴线； 枢栓壁，该枢栓壁限定有枢栓入口端口和枢栓出口端口； 枢栓液压流体入口，该枢栓液压流体入口与所述壳体液压流体入口流体连通并且与所 述枢栓轴线对齐，并且与所述枢栓入口端口流体连通；以及 枢栓液压流体出口，该枢栓液压流体出口与所述枢栓轴线对齐并且与所述枢栓出口端 口流体连通。 (c) 转子，该转子围绕所述枢栓可旋转地布置，其中，所述转子限定有： 孔，其中，该孔构造成围绕所述枢栓而可旋转地被接纳； 多个径向定向的缸体，该多个径向定向的缸体包括第一缸体组，该第一缸体组包括第 一缸体和与所述第一缸体相邻的且相对于所述转子的轴线对齐的第二缸体； 第一转子流体端口，该第一转子流体端口与所述第一缸体组流体连通，其中，当所述转 子处于第一位置时，所述第一转子流体端口与所述枢栓入口端口流体连通，并且其中，当所 述转子处于距所述第一位置大约180度的第二位置时，所述第一转子流体端口与所述枢栓 出口端口流体连通； (d) 第一活塞和第二活塞，所述第一活塞能在所述第一缸体中轴向地位移，所述第二活 塞能在所述第二缸体中轴向地位移，并且其中，所述第一活塞和所述第二活塞中的每一个 包括限定有球形接触表面的头部； (e) 止推环，该止推环在所述壳体内围绕所述转子而可旋转地布置，其中，所述止推环 与所述第一活塞和所述第二活塞中的每一个接触，从而所述转子的旋转使所述止推环旋 转，并且其中，所述止推环的内表面限定有圆环接触表面，并且其中，所述第一活塞的球形 接触表面和所述圆环接触表面之间的接触位置随着所述转子从所述第一位置旋转至所述 第二位置而在所述球形接触表面上变化；以及 (f) 传动轴，该传动轴与所述转子接合，从而所述转子的旋转使所述传动轴旋转。
2. 根据权利要求1所述的径向活塞装置，其特征在于，所述传动轴包括多个叶片，所述 多个叶片定向成使得在所述传动轴的旋转期间，所述多个叶片将液压流体压入至所述枢栓 液压流体入口中。
3. 根据权利要求1所述的径向活塞装置，其特征在于，所述第一活塞包括从所述枢栓 轴线径向地延伸的第一活塞轴线，并且其中，所述第一活塞在轴向位移期间能绕着所述第 一活塞轴线旋转。
4. 根据权利要求1所述的径向活塞装置，其特征在于，所述第一活塞的球形接触表面 包括约0. 5"的半径。
5. 根据权利要求1所述的径向活塞装置，其特征在于，所述止推环的圆环接触表面包 括约0.55"的半径。
6. 根据权利要求4所述的径向活塞装置，其特征在于，所述止推环的圆环接触表面包 括约0.55"的半径。
7. 根据权利要求1所述的径向活塞装置，其特征在于，所述止推环的圆环接触表面包 括比所述第一活塞的球形接触表面的半径大出约〇. 5"的半径。
8. 根据权利要求1所述的径向活塞装置，其特征在于，所述圆环接触表面包括第一圆 环接触表面和第二圆环接触表面，并且其中，所述第一圆环接触表面接触第一活塞的头部， 并且其中，所述第二圆环接触表面接触第二活塞的头部。
9. 根据权利要求1所述的径向活塞装置，其特征在于，所述多个径向定向的缸体还包 括与所述第一缸体组相邻的第二缸体组，并且其中，所述第二缸体组包括第三缸体和与所 述第三缸体相邻的且相对于所述转子的轴线对齐的第四缸体，并且其中，所述第三缸体和 所述第四缸体沿着所述转子的轴线相对于所述第一缸体和所述第二缸体轴向地偏置。
10. 根据权利要求1所述的径向活塞装置，其特征在于，所述多个径向定向的缸体还包 括相对的缸体组，该相对的缸体组径向地布置成与所述第一缸体组关于所述转子的轴线相 对。
11. 根据权利要求1所述的径向活塞装置，其特征在于，还包括用于使所述传动轴与所 述转子接合的柔性联接器。
12. 根据权利要求11所述的径向活塞装置，其特征在于，所述柔性联接器限定有与所 述壳体液压流体入口和所述枢栓液压流体入口流体连通的入口。
【文档编号】F04B1/06GK104487705SQ201380036442
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2013年7月11日 优先权日:2012年7月11日
【发明者】J·D·小斯金纳 申请人:伊顿公司