一种多孔质径向轴承与球轴承一体设计的卸荷无摩擦气缸

本发明涉及气缸，特别涉及一种多孔质径向轴承与球轴承一体设计的卸荷无摩擦气缸。

背景技术：

1、气缸被广泛运用在我们现代生产生活的方方面面，但由于现有气缸结构中其活塞密封圈与其缸筒之间以及活塞杆与密封防尘圈之间存有不可避免的摩擦，不仅加工、维护困难且寿命短，而且还极大地影响了其工作效率。为有效减小气缸在工作过程中的摩擦，相关研究人员还采用了间隙密封和滚珠导向套等新技术。这种新型的低摩擦气缸采用间隙密封大大降低了活塞杆与密封防尘圈之间的摩擦力，而且活塞与缸筒之间还采用了滚珠导向套，利用滚珠的支撑有效降低了摩擦力。虽然这种新型的低摩擦气缸在匀速性、高低压摩擦、高速以及高频方面都有所突破，但也存在着对径向载荷敏感、结构复杂、加工制造难度大、价格昂贵等诸多缺点。

2、为解决传统气缸所出现的问题，以满足在超精密设备中恒力输出控制、微压动作控制等高性能的要求，气体静压润滑技术在实现无摩擦气缸中得以应用。例如中国发明专利申请号为cn201120080863.6、名称为“一种带有气浮轴承的无摩擦气缸”就公布了一种根据气浮原理设计的无摩擦气缸，缸筒与活塞之间留有极小的间隙，在活塞径向上设置匀布的节流孔，通过中空的活塞杆以及软管为缸内的活塞供气，并通过球铰连接使得无摩擦气缸能承受一定的径向负载而不发生活塞卡死在气缸内。但是通过中空活塞杆和软管的供气结构复杂、装配繁琐、维护困难，后来对无摩擦气缸进行了优化，采用气缸自身容腔中的压缩空气作为润滑剂，将气体引入间隙中，使活塞在气缸中处于完全悬浮状态，活塞和缸筒彼此不接触，从而消除了气缸结构中活塞与缸筒之间的摩擦力。但是由于活塞与缸筒之间留有间隙，气缸的高压腔和低压腔之间存在很大的气压差，从而在间隙间会形成气压流，直接影响活塞通过节流孔在间隙内形成的气压膜，从而影响气缸运行的精度以及稳定性。所以中国发明专利申请公布号为cn103047221a、名称为“一种双作用气悬浮无摩擦气缸”公布了一种利用气浮原理设计的无摩擦气缸，它是利用高压腔的压缩空气通过活塞内部节流孔为活塞供气以形成气膜来承载活塞，之后活塞与缸筒间隙中的气体通过活塞中间的泄压槽和中空活塞杆排向大气，从而实现活塞组件的无摩擦运动。虽然上述无摩擦气缸均取得了不错的效果，但由于其结构复杂，加工制造较为困难，而且对径向载荷的承载也十分有限。所以有必要设计一种结构简单、加工制造精度高并可承受较大径向载荷的无摩擦气缸。

技术实现思路

1、为解决背景技术中存在的问题，本发明提供一种多孔质径向轴承与球轴承一体设计的卸荷无摩擦气缸。

2、为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

3、一种多孔质径向轴承与球轴承一体设计的卸荷无摩擦气缸，包括气缸筒、活塞杆和活塞，所述活塞置于气缸筒内，所述活塞杆的一端为半球状结构，所述活塞的上端面设置有半球状凹槽，所述半球状结构与半球状凹槽形成球轴承，所述活塞杆的另一端穿过活塞的轴向通孔伸出气缸筒外，所述活塞的外圆周面与气缸筒的内圆周面形成径向轴承，所述球轴承和径向轴承均采用多孔质节流的形式。

4、进一步的，所述无摩擦气缸还包括下辐板，所述下辐板固定设置在气缸筒的底部，所述活塞杆穿过下辐板的轴向通孔伸出气缸筒外，所述下辐板的内圆周面与活塞杆的外圆周面形成下轴承，所述下轴承采用小孔节流的形式。

5、进一步的，自活塞的上表面向下对称设置有至少两条均与外部气源连通的轴向气道ⅰ且，所述半球状凹槽的内侧壁设置有环形凹槽ⅰ，所述环形凹槽ⅰ内填充多孔质节流材料，所述环形凹槽ⅰ的底部设置有环形凹槽ⅱ，每个轴向气道ⅰ均通过斜向气道与环形凹槽ⅱ连通。

6、进一步的，所述活塞的外圆周面设置有若干个环形凹槽ⅲ，所述环形凹槽ⅲ内填充多孔质节流材料，所述若干个环形凹槽ⅲ的底部均设置有环形凹槽ⅳ，每个环形凹槽ⅳ均通过径向气道ⅰ与轴向气道ⅰ连通。

7、进一步的，所述活塞的下部外圆周面和内圆周面分别设置有环形凹槽ⅴ和环形凹槽ⅵ，所述环形凹槽ⅴ与气缸筒的内侧壁配合形成第一环形气道，所述环形凹槽ⅵ与活塞杆的外圆周面配合形成第二环形气道，所述第一环形气道与第二环形气道通过对称布置的径向气道ⅱ连通，所述第二环形气道通过活塞杆的径向气道ⅲ与设置在活塞杆中部的中空结构连通，所述中空结构与外界大气连通。优选的，两条径向气道ⅱ与两条径向气道ⅲ设置在同一纵剖面上，且一一对应设置。所述第一环形气道和第二环形气道的作用是为了泄压，将高压气体排入活塞杆内部中空结构进而排放到大气，从而将上部轴承结构的高压气膜与气缸高压腔隔离开，防止下部气缸高压腔对轴承气膜的影响。

8、进一步的，所述无摩擦气缸还包括下端盖，所述下端盖固定在下辐板上，所述下端盖的上端面或者下辐板的下端面设置有环形凹槽ⅶ，所述环形凹槽ⅶ与对应的下辐板或者下端盖形成第三环形气道，自下辐板的外圆周面向内均布设置有若干个径向气道ⅳ，所有径向气道ⅳ近活塞杆的一端均设置有小孔节流器，其中一个径向气道ⅳ远离活塞杆的一端通过供气孔与外部气源连通，其余径向气道ⅳ远离活塞杆的一端设置有封气螺堵，每个径向气道ⅳ均通过设置在下辐板的轴向气道ⅱ与环形凹槽ⅶ连通。

9、进一步的，所述下辐板的内圆周面设置有环形凹槽ⅷ，所述环形凹槽ⅷ与活塞杆的外圆周面配合形成第四环形气道，所述第四环形气道通过设置在下辐板的径向气道ⅴ与外界大气连通。第四环形气道即为环形泄压槽，将上部气缸高压腔与下部轴承结构的高压气膜隔离开，防止上部高压腔对下部轴承结构的气膜造成影响。

10、进一步的，所述气缸筒下部侧壁上设置有供压孔，所述供压孔与外部气源和高压腔连通，外部气源通过供压孔向气缸内的高压腔供气。

11、进一步的，所述气缸筒下部的内侧壁上设置有限位结构，所述限位结构位于供压孔的上方。

12、进一步的，所述无摩擦气缸还包括上端盖和活塞吊装件，所述上端盖固定在气缸筒的上端部，所述活塞吊装件连接在活塞杆的所述另一端。

13、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

14、本发明在活塞处采用径向轴承与球轴承一体设计加工，使得加工精度较高，结构相对简单，加工制造容易，而且还使得无摩擦气缸可承受较大的径向载荷，球轴承的设计兼具有自动调心的功能，保证活塞杆可以在一定范围内摆动。

15、由于上部球轴承与径向轴承结构均由一路高压气体进行供气，从而省掉了一路供气，使得整体耗气量小。

16、上部的球轴承以及径向轴承均采用多孔质节流形式，可发挥多孔质节流的误差均化效果，大大提高了气缸的运动精度，而且不易产生气锤振动现象。

技术特征：

1.一种多孔质径向轴承与球轴承一体设计的卸荷无摩擦气缸，包括气缸筒(1)、活塞杆(2)和活塞(3)，所述活塞(3)置于气缸筒(1)内，其特征在于：所述活塞杆(2)的一端为半球状结构(21)，所述活塞(3)的上端面设置有半球状凹槽，所述半球状结构(21)与半球状凹槽形成球轴承，所述活塞杆(2)的另一端穿过活塞(3)的轴向通孔伸出气缸筒(1)外，所述活塞(3)的外圆周面与气缸筒(1)的内圆周面形成径向轴承，所述球轴承和径向轴承均采用多孔质节流的形式。

2.根据权利要求1所述的一种多孔质径向轴承与球轴承一体设计的卸荷无摩擦气缸，其特征在于：所述无摩擦气缸还包括下辐板(4)，所述下辐板(4)固定设置在气缸筒(1)的底部，所述活塞杆(2)穿过下辐板(4)的轴向通孔伸出气缸筒(1)外，所述下辐板(4)的内圆周面与活塞杆(2)的外圆周面形成下轴承，所述下轴承采用小孔节流的形式。

3.根据权利要求1所述的一种多孔质径向轴承与球轴承一体设计的卸荷无摩擦气缸，其特征在于：自活塞(3)的上表面向下对称设置有至少两条均与外部气源连通的轴向气道ⅰ(31)，所述半球状凹槽的内侧壁设置有环形凹槽ⅰ(32)，所述环形凹槽ⅰ(32)内填充多孔质节流材料，所述环形凹槽ⅰ(32)的底部设置有环形凹槽ⅱ(33)，每个轴向气道ⅰ(31)均通过斜向气道(34)与环形凹槽ⅱ(33)连通。

4.根据权利要求3所述的一种多孔质径向轴承与球轴承一体设计的卸荷无摩擦气缸，其特征在于：所述活塞(3)的外圆周面设置有若干个环形凹槽ⅲ(35)，所述若干个环形凹槽ⅲ(35)内填充多孔质节流材料，所述若干个环形凹槽ⅲ(35)的底部均设置有环形凹槽ⅳ(36)，每个环形凹槽ⅳ(36)均通过径向气道ⅰ(37)与轴向气道ⅰ(31)连通。

5.根据权利要求1所述的一种多孔质径向轴承与球轴承一体设计的卸荷无摩擦气缸，其特征在于：所述活塞(3)的下部外圆周面和内圆周面分别设置有环形凹槽ⅴ(38)和环形凹槽ⅵ(39)，所述环形凹槽ⅴ(38)与气缸筒(1)的内侧壁配合形成第一环形气道，所述环形凹槽ⅵ(39)与活塞杆(2)的外圆周面配合形成第二环形气道，所述第一环形气道与第二环形气道通过对称布置的径向气道ⅱ(30)连通，所述第二环形气道通过活塞杆(2)的径向气道ⅲ(23)与设置在活塞杆(2)中部的中空结构(22)连通，所述中空结构(22)与外界大气连通。

6.根据权利要求2所述的一种多孔质径向轴承与球轴承一体设计的卸荷无摩擦气缸，其特征在于：所述无摩擦气缸还包括下端盖(5)，所述下端盖(5)固定在下辐板(4)上，所述下端盖(5)的上端面或者下辐板(4)的下端面设置有环形凹槽ⅶ(51)，所述环形凹槽ⅶ(51)与对应的下辐板(4)或者下端盖(5)形成第三环形气道，自下辐板(4)的外圆周面向内均布设置有若干个径向气道ⅳ(41)，所有径向气道ⅳ(41)近活塞杆(2)的一端均设置有小孔节流器(42)，其中一个径向气道ⅳ(41)远离活塞杆(2)的一端与外部气源连通，其余径向气道ⅳ(41)远离活塞杆(2)的一端设置有封气螺堵(43)，每个径向气道ⅳ(41)均通过设置在下辐板(4)的轴向气道ⅱ(44)与环形凹槽ⅶ(51)连通。

7.根据权利要求6所述的一种多孔质径向轴承与球轴承一体设计的卸荷无摩擦气缸，其特征在于：所述下辐板(4)的内圆周面设置有环形凹槽ⅷ(45)，所述环形凹槽ⅷ(45)与活塞杆(2)的外圆周面配合形成第四环形气道，所述第四环形气道通过设置在下辐板(4)的径向气道ⅴ(46)与外界大气连通。

8.根据权利要求1所述的一种多孔质径向轴承与球轴承一体设计的卸荷无摩擦气缸，其特征在于：所述气缸筒(1)下部侧壁上设置有供压孔(11)，所述供压孔(11)与外部气源和高压腔(8)连通。

9.根据权利要求8所述的一种多孔质径向轴承与球轴承一体设计的卸荷无摩擦气缸，其特征在于：所述气缸筒(1)下部的内侧壁上设置有限位结构(12)，所述限位结构(12)位于供压孔(11)的上方。

10.根据权利要求1所述的一种多孔质径向轴承与球轴承一体设计的卸荷无摩擦气缸，其特征在于：所述无摩擦气缸还包括活塞吊装件(7)，所述活塞吊装件(7)连接在活塞杆(2)的所述另一端。

技术总结
一种多孔质径向轴承与球轴承一体设计的卸荷无摩擦气缸，涉及气缸技术领域，具体方案如下：一种多孔质径向轴承与球轴承一体设计的卸荷无摩擦气缸，包括气缸筒、活塞杆和活塞，所述活塞置于气缸筒内，所述活塞杆的一端为半球状结构，所述活塞的上端面设置有半球状凹槽，所述半球状结构与半球状凹槽形成球轴承，所述活塞杆的另一端穿过活塞的轴向通孔伸出气缸筒外，所述活塞的外圆周面与气缸筒的内圆周面形成径向轴承，所述球轴承和径向轴承均采用多孔质节流的形式。本发明通过在活塞处采用径向轴承与球轴承一体设计加工，使得加工精度较高，由于采用了球轴承，使得本发明在具有一定的自我调整能力，可以承受较大的径向载荷。

技术研发人员：王波,陈文韬,范雨欣,吴言功,乔政,丁飞
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13