专利名称：用于活塞泵的偏心凸轮的制作方法
用于活塞泵的偏心凸轮技术领域
本发明总体涉及活塞泵，并且更具体地涉及由旋转凸轮驱动的活塞泵。
背景技术：
活塞泵通常用于移动各种各样工业和汽车应用中的诸如油或润滑脂的流体。在凸轮的每一圈的情况下活塞泵被旋转凸轮泵驱动大约恒定量的流体。
由旋转凸轮驱动的活塞泵包括三个部件凸轮、与凸轮接合的活塞和容纳活塞的气缸。凸轮可以是圆形、椭圆形或不规则形状盘，但是在所有情况下当凸轮旋转时都将力施加在活塞上。活塞泵的活塞通常被限制以沿着直线路径在气缸内移动，并且被保持在凸轮的外圆周表面上。活塞泵的气缸限制活塞，并提供泵送室，其中流体被吸入到所述泵送室中，并且流体通过活塞的移动从所述泵送室被泵送。许多活塞基本上是圆柱形轴，并且大部分气缸基本上是圆筒形管。活塞筒包括允许流体进入泵送室的进入端口。这些端口通常为在气缸的侧部中的孔。
当活塞泵的凸轮旋转时，活塞在气缸内借助于弹簧被朝向和远离凸轮往复推动。 凸轮将活塞推入到气缸中，并且当凸轮退回时，弹簧使活塞返回。活塞的这种往复运动通过不阻挡和阻挡端口而打开和关闭活塞气缸中的至少一个端口。当活塞缩回时，流体流动通过打开的端口并进入到气缸的泵送室中。当活塞伸出时，活塞阻塞端口并迫使圈闭在泵送室中的流体通过泵出口出来。
在凸轮驱动的活塞泵中，活塞传统地与凸轮对准，使得活塞的轴从凸轮的旋转轴线径向向外延伸。这导致活塞在凸轮的半圈内进行泵送，并且在凸轮的另外半圈内进行气缸填充。许多凸轮通过绕着偏心定位的轴线将力施加到活塞。这种凸轮将力施加到不会整个沿着活塞的运动方向的径向定向的活塞。发明内容
本发明涉及一种具有凸轮和活塞的泵组件。凸轮绕着偏心轴线在一平面中旋转， 并具有圆周侧壁。活塞接合凸轮的圆周侧壁，并沿着位于凸轮的所述平面中的活塞轴线行进。活塞轴线平行于参考线但不与参考线重合，其中所述参考线与偏心轴线垂直并相交。
图I是本发明的泵组件的立体图，所述泵组件包括凸轮、与凸轮接触的活塞、和活塞位于其内的气缸；
图2是图I的泵组件的剖视图3A和3B是现有技术的凸轮和活塞的简化视图4A和4B是图I和图2的凸轮和活塞的简化视图5是现有技术中活塞位置与凸轮角的曲线图；以及
图6是本发明中活塞位置与凸轮角的放大曲线图。
具体实施方式
图I是泵组件10的立体图，其中泵组件10包括凸轮12、驱动轴14、活塞16(具有平直轴18和凸轮随动件20)、气缸22、端口 24、基部26、活塞弹簧28、活塞弹簧托板30、出口 32、储存器连接环36、以及垫片夹38。凸轮12是具有外圆周壁和偏心旋转轴线的盘，例如具有偏离圆的几何中心的旋转轴线的圆盘。驱动轴14是通过旋转轴线RA固定(锚定) 到凸轮12的可旋转轴。活塞16是倚靠在凸轮12上的刚性活塞。活塞16包括平直轴18和略微为圆形的凸轮随动件20。气缸22基本上是圆筒形管，所述圆筒形管保持活塞16，使得平直轴18形成对气缸22的内部的密封。气缸22以至少一个端口 24为特征。如图所示，端口 24是穿过气缸22的两侧的孔。基部26是固定主动轴14和气缸22的刚性主体。在所述的实施例中，基部26是注射塑模塑料件，但是基部26通常可以是相对于主动轴14固定气缸22的任意结构。气缸22通过螺纹连接到基部26中。在其它实施例中，气缸可以以其它方式可移除地连接到基部26。活塞弹簧28在气缸22与活塞弹簧托板30之间延伸，所述活塞弹簧托板30是靠近凸轮随动件20安装在活塞16上的盘。气缸22包括出口 32、用于诸如燃料、油或润滑脂的流体的排出点。出口 32具有用于连接软管或管以输送流体的螺纹内表面。在可选的实施例中，软管或管可以以其它方式连接到出口 32。流体储存器(未示出)在储存器连接环36处固定在泵组件10的顶部处。与基部26 —起，该储存器形成可以填充有流体的空间。垫片夹38是具有预定宽度的夹子，并且可以例如由模压金属形成。垫片夹38可以插入在气缸22与基部26之间，如图所示以调节端口 24相对于旋转轴线RA的位置。如共同申请的悬而未决的非临时申请第_号名称为“REMOVABLE SHIM CLIP FORADJUSTABLE PISTON PUMP”中所述，插入或移除垫片夹38改变泵组件10的排量。泵组件 10可以在任意适当的系统(例如，商业和工业润滑系统)中使用。
驱动轴14在动力下旋转以转动凸轮12。例如，驱动轴14可以从空气发动机或电动机在动力下旋转。当凸轮12绕着偏心旋转轴线RA转动，活塞弹簧28通过弹簧力将活塞 16的凸轮随动件20保持在凸轮12的外圆周壁上。当凸轮12旋转时，凸轮12将力施加在活塞16上，从而压缩活塞弹簧28。当凸轮12继续旋转时，活塞弹簧28保持凸轮随动件20 与凸轮12接触，同时凸轮12的外圆周壁退回。活塞16的平直轴18沿着活塞轴线PA(参见图2)往复行进通过由凸轮12驱动的气缸22。
来自固定在储存器连接环36处的储存器的流体填充包围凸轮12、活塞16和气缸 22的区域。当凸轮12转动时，活塞16沿着由气缸22限定的路径平移。在端口 24闭合时， 活塞16朝向左侧的运动在气缸22内建立真空空隙(参见图2)。当端口 24打开时，该真空通过端口 24将流体吸入到气缸22中。活塞16朝向右侧的运动驱动流体通过出口 32从气缸22出来，从而将流体泵送出储存器。为了最大化泵送效率，活塞的轴线不与旋转轴线RA 相交，而是相反在凸轮12的旋转方向上移位固定距离，如以下相对于图2进一步详细所述。
图2是泵组件10的通过图I的剖面线2-2的横截面图。图2示出了凸轮12、驱动轴14、活塞16 (具有平直轴18、凸轮随动件20和活塞表面21)、气缸22、端口 24、阀25、基部26、活塞弹簧28、活塞弹簧托板30、出口 32、垫片夹38、塞42、阀弹簧44、和阀弹簧托板 46.。如相对于图I所述，驱动轴14旋转凸轮12，并锚定到基部26。活塞16在气缸22内滑动并由弹簧28保持在凸轮12上，从而沿着活塞轴线PA往复。气缸22具有端口 24和出口 32，其中流体通过所述端口 24进入气缸22，流体通过所述出口 32离开气缸22。另外， 阀25形成气缸22内的密封件。阀25是包括塞42、塞弹簧44和塞弹簧托板46的提升阀。 塞42是插塞形状并且塞42的尺寸被形成为当由阀弹簧44保持在适当的位置(如图所示) 时抵靠流体通道密封气缸22。阀弹簧44是从塞42延伸到塞弹簧托板46并在没有其它力的情况下使塞42回复到密封位置的低强度弹簧。塞弹簧托板46包括允许流体通过弹簧托板46朝向出口 32流动的孔或流体通道(未示出)。在一个实施例中，塞弹簧托板46被拧紧以装配到出口 32中的螺纹中。
如先前所述，凸轮12的旋转沿着活塞轴线PA往复驱动活塞16。平直轴18有时阻塞端口 24、关闭端口 24并防止流体通过出口 32离开气缸22。当活塞16在气缸22内从其最右伸出位置朝向左侧移动时，阀25密封气缸22，从而防止流体通过出口 32离开密封件 22。活塞16的移动建立活塞表面21与阀25的塞42之间的局部真空。阀25通过密封件弹簧44和真空保持在密封件中。活塞16朝向左侧的移动使平直轴18远离端口 24缩回， 从而不阻塞和打开端口 24，使得流体可以进入气缸22。一旦端口 24打开，真空被暴露给流体，所述流体通过抽吸被吸入到气缸22中，直到活塞16达到其最左侧位置为止。活塞16 接着向右行进，从而通过端口 24排出流体，直到端口 24被活塞16的平直轴18阻塞为止。 继续向右的运动将压力施加在圈闭在活塞表面21与阀25的塞42之间的流体，从而打开阀 25。活塞16从端口 24到最右侧伸出位置的向右运动因此通过出口 32将流体泵送出气缸22。凸轮12和活塞16的每一个周期排出的流体的总体积由端口 24与活塞16的平直轴18 的最右侧伸出位置之间的距离确定。
垫片夹38插入在气缸22与基部26之间，从而调节气缸22相对于凸轮12的位置，并因此调节端口 24相对于凸轮12的位置，以及调节平直轴18的最右伸出长度。气缸 22被拧紧，从而将垫片夹38保持在适当的位置。缸22的内部可以被螺纹连接以允许在出口 32处连接螺纹管和软管。
如所述，凸轮12包括圆盘，所述圆盘具有从旋转轴线RA移位的几何凸轮中心GC， 其中所述旋转轴线RA穿过驱动轴14的中心。活塞轴线PA不与旋转轴线RA相交,而是与旋转轴线RA错开相对于图3和图4如下所述的距离。几何凸轮中心GC在顺时针方向上绕着驱动轴14行进，使得当活塞几何凸轮中心GC大致与活塞16对准时凸轮12迫使活塞16 向右。
图3A和3B示出了凸轮12和活塞16的现有技术结构。图3A显示了驱动轴14和凸轮12，而图3B显示了由凸轮12施加在活塞16上的力的方向。在现有技术的活塞泵中， 活塞16被直接定向成与驱动轴14成一直线，以从凸轮12的旋转轴线径向向外延伸。在弹簧28的压缩期间由凸轮12施加在活塞16上的合力主要沿着活塞16的平移的轴线，但是具有在旋转方向上的分量，其中所述旋转方向垂直于活塞16的平移。该分力不作用(因此表示消耗的能量)，并且可能会促进对活塞16或气缸22的磨损。
图4A和4B示出了本发明的凸轮12和活塞16的结构。图4A显示了驱动轴14和凸轮12，而图4B显示了由凸轮12施加在活塞16上的力的方向。几何凸轮中心GC与旋转轴线间隔开距离图4A显示了活塞轴线PA，所述活塞轴线PA位于凸轮12的平面中，而参考线RL(平行于活塞轴线PA的线)也位于凸轮12的平面中，但是穿过凸轮12的旋转轴线RA。活塞16没有被定向成如现有技术那样与驱动轴14成一直线，而是在与凸轮12的旋转相反但是垂直于活塞轴线PA的方向上移位距离X2,以增加效率。因此，活塞轴线PA和参考线RL间隔开距离X2。在一个实施例中，X1 = X2。通过比较，距离X2在图3A中为零，因为在现有技术中活塞轴线PA和参考线RL重合。如果凸轮12是圆形的，则在弹簧28的压缩期间由凸轮12施加在活塞16上的最大力整个沿着活塞16的平移轴线定向，且忽略在任意其它方向上的力。当凸轮12的长轴线垂直于活塞轴线PA时，该最大力出现。凸轮12可以可选地采取其它形状(例如，椭圆形或一些不规则形状)，无论在哪种情况下，活塞轴线与参考线RL的位移将提高效率，而不是完全消除与活塞轴线PA不在一条直线上的力。该结构有效地将来自驱动轴14的旋转能转换成活塞16的平移运动，并避免如以上相对于图3A 和3B所述将活塞16或气缸22暴露给不必要应力或磨损。
本发明还允许凸轮12驱动活塞16通过更大的凸轮旋转的角度范围。图5是现有技术活塞位置与凸轮角的曲线图。在现有技术中，由这种凸轮盘驱动的活塞的工作周期是偶数活塞相对于凸轮的每一个旋转周期的一半旋转周期在一个方向上移动，而在所述凸轮的每一个旋转周期的另一半在相反的方向上移动。因此，现有技术泵组件相对于每一个旋转周期的一半进行泵送，而相对于另一半进行填充。图6是在本发明中活塞位置与凸轮角的曲线图。图6是放大图，而不是按比例描绘，以便强调本发明的工作周期与现有技术的工作周期之间的差异。在本发明中，活塞16在凸轮的每一个旋转周期的一大半期间行进到气缸22中，而在一少半从气缸22缩回。因此，泵组件10相对于每一个旋转周期的一大半进行泵送，而相对于一小半进行填充。由于泵组件10仅在泵送期间执行工作，因此该结构能够使活塞以与现有技术相同的驱动轴速度泵送相同量的流体，同时与现有技术结构相比较需要来自驱动轴114较小的扭矩。一般来说，泵组件10可以被设计成通过使活塞轴线PA 远离旋转轴线RA移位适当的距离来描述填充和泵送周期的期望的泵送轮廓。
通过使活塞16移位以不与凸轮12的旋转轴线成一直线，本发明减小对泵组件10 的部件的磨损，并通过使浪费的扭矩最小化增加泵送效率。另外，本发明允许活塞16由驱动轴14的低扭矩旋转驱动，从而进一步提高能效。
虽然已经参照示例性实施例(一个或多个)说明了本发明，但是本领域的技术人员要理解的是在不背离本发明的保护范围的情况下，可以进行各种改变，并且可以用等效形式代替本发明的元件。另外，在不背离本发明的实质保护范围的情况下，可以进行许多修改以使特定状况或材料适应本发明的教导。因此，目的是本发明不限于所公开的具体实施例(一个或多个)，而是本发明将包括落入所附权利要求的保护范围内的所有实施例。
权利要求
1.一种泵组件，包括凸轮，所述凸轮绕着偏心轴线在一平面中旋转，并具有圆周侧壁；和活塞，所述活塞接合所述凸轮的圆周侧壁，并沿着活塞轴线行进；其中所述活塞轴线位于所述凸轮的所述平面中，并且与参考线平行但不重合，所述参考线垂直于所述偏心轴线并与所述偏心轴线相交。
2.根据权利要求I所述的泵组件，其中，所述凸轮是凸轮盘，并且所述偏心轴线从所述凸轮的几何中心移位第一距离。
3.根据权利要求I所述的泵组件，其中，所述活塞轴线从所述参考线移位第二距离。
4.根据权利要求3所述的泵组件，其中，所述凸轮的几何中心与所述偏心轴线之间的第一距离等于第二距离。
5.根据权利要求I所述的泵组件，还包括气缸，所述气缸具有流体进入端口和流体出口，活塞通过所述气缸平移。
6.一种泵组件，包括在一平面内旋转的凸轮盘，所述凸轮盘包括偏心旋转轴线；平行于所述偏心旋转轴线的圆周侧壁；和几何中心；和位于所述平面中的活塞，所述活塞包括凸轮随动件，所述凸轮随动件接合所述圆周侧壁，使得所述凸轮盘的旋转将力施加在所述活塞上；和轴，所述轴沿着活塞轴线行进；其中在所述凸轮随动件接合所述圆周侧壁的情况下，当所述活塞轴线垂直于所述圆周侧壁时，所述凸轮盘在所述活塞上施加最大力；以及由所述凸轮盘施加在所述活塞上的最大力与所述活塞轴线大致成一直线。
7.根据权利要求6所述的泵组件，其中，所述凸轮盘的偏心轴线定位成与所述凸轮的几何中心相距第一距离。
8.根据权利要求7所述的泵组件，其中，所述活塞轴线与平行于所述活塞轴线并穿过所述凸轮盘的偏心轴线的参考线之间的第二距离等于所述第一距离。
9.根据权利要求6所述的泵组件，还包括具有进入端口和出口的中空气缸，并且其中所述活塞在所述气缸内行进，使得在所述活塞从所述气缸缩回的同时，所述气缸通过所述进入端口填充有流体；和在所述活塞伸入到所述气缸中时，所述活塞通过所述出口将流体泵送出所述气缸。
10.根据权利要求9所述的泵组件，其中，与从所述气缸缩回相比，所述活塞行进到所述气缸中需要占用所述凸轮的每个旋转周的更大部分。
11.一种泵组件，包括基部;凸轮，所述凸轮安装在所述基部上以在一平面中旋转，所述凸轮具有旋转轴线；平行于所述旋转轴线的圆周侧壁；和从所述旋转轴线移位的几何中心；流体输送气缸，所述流体输送气缸连接到所述基部并具有进入端口和出口 ；活塞，所述活塞位于所述流体输送气缸中并由所述凸轮的旋转驱动，所述活塞包括轴，所述轴沿着位于所述平面中的活塞轴线延伸，所述活塞轴线与参考线平行但不重合，所述参考线与所述凸轮的旋转轴线垂直并相交；和凸轮随动件，所述凸轮随动件接合所述圆周侧壁；其中流体通过所述进入端口进入所述气缸，并经由所述活塞通过气缸的行进从所述气缸被排出。
12.根据权利要求11所述的泵组件，还包括弹簧，所述弹簧将所述活塞保持在所述凸轮上。
13.根据权利要求12所述的泵组件，其中，所述弹簧在所述流体输送气缸与所述活塞上的托板之间延伸。
14.根据权利要求11所述的泵组件，其中，由所述凸轮施加在所述活塞上的力与所述活塞的单个平移轴线基本上成一直线。
15.根据权利要求11所述的泵组件，其中，所述凸轮是圆形的，并且所述旋转轴线与所述凸轮的几何中心间隔开第一距离。
16.根据权利要求15所述的泵组件，其中，所述活塞轴线和所述参考线被间隔开等于所述第一距离的第二距离。
全文摘要
本发明公开了一种泵组件，该泵组件包括凸轮和活塞。凸轮绕着偏心轴线在一平面中旋转，并具有圆周侧壁。活塞接合凸轮的圆周侧壁，并沿着位于凸轮的所述平面中的活塞轴线行进。活塞轴线与参考线平行但不重合，所述参考线与偏心轴线垂直并相交。
文档编号F04B17/00GK102939461SQ201180024749
公开日2013年2月20日 申请日期2011年5月19日 优先权日2010年5月19日
发明者丹尼尔·塞罗塔, 约翰·C·霍尔曼 申请人:格瑞克明尼苏达有限公司