用于气动执行器的偏转弹簧的制作方法
【专利摘要】一种用于气动执行器的偏转弹簧。本公开提供了一种气动执行器，包括限定室的壳体。膜板被设置在所述室中。杆构件连接至所述膜板且在第一位置和第二位置之间可移动。凸轮构件连接至膜板且连接至杆构件。凸轮构件具有凸轮表面。偏转杆具有第一端部分和第二端部分，其中偏转杆的第一端部分连接至壳体。从动机构连接至偏转杆的第二端部分。从动机构与凸轮构件的凸轮表面接合，从而将杆构件朝向第二位置推动。
【专利说明】用于气动执行器的偏转弹簧
【技术领域】
[0001]本发明大体涉及用于车辆的空气制动系统，且具体地，涉及用于该系统的气动执行器(pneumatic actuator)的偏转弹簧(deflection spring)。
【背景技术】
[0002]重型卡车、拖车和其他商用车辆通常使用空气制动器系统来提供将车辆停止所需要的制动力。该系统通常包括设置在车辆的驾驶室或者舱的地板上的刹车踏板，其通过致动从空气存贮器向空气室(air chamber)提供气体。该空气室用作气动执行器，其中其特征在于从空气室延伸出或者缩进至空气室的执行器杆(actuator rod)，从而启动该机构，该机构将制动蹄的致动衬面材料推靠在各车的轮端的车辆制动鼓上。该机构通常包括减速调整器(slack adjuster)，其经由凸轮轴转动凸轮滚子从而使得制动蹄与制动鼓接合，以将车辆停止。
[0003]在Smith的美国专利第5，829，339号中说明了该空气制动系统的气动或空气室的现有技术的示例，在此结合其内容作为参考。
[0004]还在图1A-1D中提供了现有技术的空气室的横剖视图。参考图1A-1D，如以下将更具体地说明的，大的主压缩弹簧10 (还已知作为停车弹簧(parking spring)或动力弹簧)用作机械装置以在制动系统中没有空气时，且在车是静止或停车时防止车辆滚动。该弹簧提供保持车辆静止所需要的停车力(parking force)。通常较大或较强的弹簧通常表示可实现较大的停车力。
[0005]该设计的问题是需要大量的气压来阻止主弹簧进行制动，从而将弹簧保持在压缩状态(如图1A中所示)。此外，随着制动进行且主弹簧10伸展(如图1C中所示)，不能利用在压缩状态中的弹簧具有的大量的力(因为等式弹簧力=KXX，其中K是弹簧常数且X是弹簧的压缩距离)。因此，当在图1A、1B和ID的情况下，主弹簧受到非常高的压缩力且从不转换为车辆的停车制动力。
[0006]此外，在压缩状态(图1A)，主弹簧簧圈闭合在一起且可接触。该接触与在驱动时轴和车辆的振动结合可使得弹簧簧圈中的磨损增加。该磨损可破坏弹簧镀层并损坏弹簧表面，形成高的应力区域，且弹簧在没有保护涂层的情况下将受到腐蚀。由此得到的该锈坑将成为应力集中(stress riser),从而缩短弹簧的寿命。
[0007]弹簧簧圈失效可导致穿孔的膜板或者冲程、停车力的减小，或者不能完全地释放车辆的指定轮端的制动。因此，需要将大量的工作用于保护弹簧免受腐蚀且还避免各弹簧簧圈的接触。
【发明内容】
[0008]本发明提供了一种气动执行器，包括:a)限定室的壳体；b)设置在所述室中的膜板；c)连接至所述膜板的杆构件，所述杆构件在第一位置和第二位置之间可移动；d)连接至所述膜板和所述杆构件的凸轮构件，所述凸轮构件具有凸轮表面；e)具有第一端部分和第二端部分的偏转杆，其中所述偏转杆的第一端部分连接至所述壳体；f)连接至所述偏转杆的所述第二端部分的从动机构，所述从动机构与所述凸轮构件的所述凸轮表面接合从而将所述杆构件朝向所述第二位置推动。
[0009]本发明还提供了一种用于气动执行器的偏转弹簧组件，其具有壳体和在第一位置与第二位置之间可移动的杆构件，包括:a)被设置成连接至所述杆构件的凸轮构件，所述凸轮构件具有凸轮表面山)具有第一端部分和第二端部分的偏转杆，其中所述偏转杆的所述第一端部分被设置成连接至所述壳体；c)连接至所述偏转杆的所述第二端部分的从动机构，所述从动机构被设置成在所述凸轮构件被连接至所述杆构件以及所述偏转杆的所述第一端被连接至所述壳体时与所述凸轮构件的所述凸轮表面接合，从而将所述杆构件朝向所述第二位置推动。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1A-1D是现有技术的空气室或气动执行器的横剖视图，其中分别为，停车室被压缩，停车和辅助室(service chamber)被压缩，主弹簧被接合(停车和辅助室都不被压缩)以及主弹簧由释放工具机械地控制；
[0011]图2A和2B是根据本发明的第一实施方式的气动执行器的横剖视图，分别示出了偏转和非偏转弹簧状态；
[0012]图3A和3B是设置有本发明的偏转弹簧的第二实施方式的空气室的顶部的横剖视图，分别示出了偏转的和非偏转的弹簧状态；
[0013]图4A和4B是设置有本发明的偏转弹簧的第三实施方式的空气室的顶部的横剖视图，分别示出了偏转的和非偏转的弹簧状态；
[0014]图5是图2A和2B以及3A和3B的凸轮构件和推杆的放大透视图；
[0015]图6是图4A和4B的杯形凸轮构件和中间套筒的放大透视图；
[0016]图7是示出了现有技术主弹簧所提供的停车力的力曲线图；
[0017]图8是示出了本发明的偏转弹簧的实施方式所提供的停车力的力曲线图。
【具体实施方式】
[0018]如上所述，图1A-图1D提供了现有技术的空气室或气动执行器的横剖视图，总体上用12指示。尽管本发明描述了车辆空气制动系统的空气室，但应理解本发明的偏转弹簧可用于多种目的的其他类型的气动执行器。
[0019]空气室包括执行器杆14和壳体16，壳体16定义停车室18和辅助室20 (图1A、图1C和图1D)。执行器杆的底端连接到杠杆臂22，该杠杆臂22将执行器杆附接到减速调整器或凸轮轴，凸轮滚子(用于驱动制动蹄)定位在该凸轮轴上。在下膜板26定位在辅助室中的同时，上膜板24定位在停车室内。主压缩弹簧10定位在上板30与壳体16的顶部之间，上板30安装到推杆32顶端(图1C和图1D)和上膜板。下压缩弹簧34安装在下板36与壳体16的底部之间，下板36安装到执行器杆的顶端和下膜板。室分隔壁38定位在壳体内，将停车室和辅助室分隔开并具有中心开口 40，推杆32穿过该中心开口 40。上压缩弹簧44(图1D)定位在室分隔壁38的顶部与上膜板24和上板30的底部之间。
[0020]在工作中，如图1A中所示，当停车室18被加压时，上膜板24、上板30、推杆32、下膜板26和下板36向上移动，因此执行器杆14也向上移动，如箭头46所示。这导致主弹簧10被压缩，同时上弹簧和下弹簧伸展。结果，车辆制动被释放开，并且车辆可以被驱动。当车辆驾驶员压下制动踏板时，辅助室被加压，如图1B所示。这导致下膜板26向下移动，并且下弹簧34压缩。结果，执行器杆14向下移动，如箭头48所示，并且施加了车辆制动。
[0021]图1C中示出了车辆停止或空气以其他方式从车辆制动系统中排出时的情况。当发生这种情况时，空气离开停车室18和辅助室20，并且主弹簧10以箭头52的方向向下推动推杆32和执行器杆14，使得施加了车辆制动。如图1D中所示，执行器杆可上升，如箭头54所示，通过利用释放工具，主弹簧机械上保持(cage)，使得即使车辆制动系统中没有空气车辆也可以移动。
[0022]根据本发明，用偏转弹簧组件代替图1A-图1D的主弹簧10。更具体而言，根据本发明，气动执行器，在图2A和图2B中总体上用100指示，包括多个偏转梁或杆102a-102d。尽管示出了四个偏转杆，也可以有利地使用可替换的数目(如以下所解释的)。
[0023]除偏转杆102a_102d以外，偏转弹簧组件，总体上用103指示，包括凸轮构件101，其中凸轮构件101具有凸起的半球形凸轮表面104(图2A、图2B和图5)，其定位在推杆105和上膜板124 (对应于图1A-图1C的上膜板24)的顶部上，并且连接到推杆105和上膜板124或以其他方式与推杆105和上膜板124 —起提供。此外，偏转杆102a-102d的底端配备有从动机构106a-106d，其接合凸轮表面104并沿凸轮表面104行进。从动机构优选地以盘状构造为特征，并且连接到偏转杆的端部。从动机构可以固定方式安装到偏转杆的端部，或者可以与偏转杆一体形成(如图2A和图2B所示)，或者与所述杆独立地形成并连接到所述杆。
[0024]图2A和图2B的偏转弹簧和相关部件定位在停车室壳体116内，停车室壳体116的特征在于顶盖117。停车室壳体还包括气门(port) 115 (图2A)，压缩空气可通过该气门115从压缩空气源(诸如卡车的空气制动系统)选择性地进入停车室。如图2A和图2B所示，顶盖的特征在于多个凹处119，其容纳偏转杆102a-102d的顶端。作用在偏转杆102a-102d上的力(如下所解释的)将偏转杆的顶端保持在顶盖117的凹处内，和/或者它们可用粘合、焊接或一些其他紧固配置固定到适当位置。
[0025]图2A和图2B的气动执行器100的其余部件类似于图1A-图1D的气动执行器的部件，并且以相同方式起作用。停车室壳体116定义停车室118，而辅助室壳体121定义辅助室120。辅助室壳体设置有气门123 (图2B)，通过该气门123，压缩空气可从压缩空气源(诸如车辆的空气制动系统)选择性地进入辅助室。执行器杆114的底端连接到制动系统的杠杆臂(未示出)。上膜板124定位在停车室内，而下膜板126定位在辅助室中。下压缩弹簧134安装在下板136与辅助室壳体121的底部之间，下板136安装到执行器杆114的顶端和下膜板。分隔壁138将停车室和辅助室分隔开并具有中心开口，推杆105穿过该中心开口。上压缩弹簧145定位在分隔壁138的顶侧与上膜板124和凸轮构件101的底部之间。
[0026]在图3A和图3B中所示的备选实施例中，三个从动机构206a_206c安装在三个偏转杆202a-202c上。在此实施例中，所述从动机构采取了球形滚子的形式，其相对于偏转杆的底部绕轴(对于从动机构206c的在208处示出)枢转、旋转或以其他方式转动。可替换地，球形从动机构可以固定的方式安装到偏转杆或与偏转杆一体地形成(如通过从动机构206a示出)。在图3A和图3B的实施例中，偏转弹簧和相关部件定位在空气室壳体216内。偏转杆202a-202c的顶端安装成使得它们搁在壳体216顶部的内表面内形成的一个或多个凹处内，在内表面中或内表面上接近壳体顶部中心处形成的变形(218)或环形突出或脊内。合力将偏转杆的顶端保持在壳体内的适当位置处。可替换地，偏转杆的顶端可利用例如仅仅诸如螺钉或螺杆(图3A中的209)这样的紧固件，粘合或焊接，机械地紧固到或连接到壳体。此外，在图3A和图3B的实施例中，推杆205与凸轮构件201 —体地形成，该凸轮构件201具有凸起半球形凸轮表面204 (类似于图2A、图2B和图5中的凸轮构件101)。
[0027]在图4A和图4B中所示的本发明又另一个备选实施例中，图2A和图2B中的具有凸起半球形凸轮表面的凸轮构件被杯形凸轮构件220 (也在图6中示出)取代，该杯形凸轮构件220具有带内表面的壁，该内表面形成凹入环形凸轮表面222。杯形凸轮构件220具有中心套筒223，其用作推杆(图1A-图1D中的32)并容纳执行器杆(图4A中的225)的顶端。类似于图2A和图2B的实施例，偏转杆232a-232c设置有从动机构234a_234c，其形状制造成接合杯形凸轮构件220的凹入的环形凸轮表面222并沿该凸轮表面行进。尽管示出了三个偏转杆，也可以有利地使用可替换的数目。此外，尽管从动机构234a-234c被示出固定到偏转杆232a-232c，它们可替换地可采取滚子的形式，如图3A和图3B中的实施例中针对从动机构206c所示。空气室的壳体226的特征在于中心凹处236，其限制杯形凸轮构件220的向上行进。在此实施例中，杯形凸轮构件220经由定位在环形凹槽239a和239b (也在图6中示出)中的0形环237a和237b (图4B中用虚线示出)密封到圆柱形壳体226侧面的内表面。结果，杯形凸轮构件220用作组件的上膜板，使得不再需要图2A和图2B的实施例中的分隔上膜板124 (或图1A-图1D中的24)。
[0028]偏转杆232a_232c的顶端安装成使得它们置于内表面内或者内表面上的接近壳体顶部周边处形成的环形一个或多个凹处(238a-238c)、变形或环形突出或脊内。合力将偏转杆的顶端保持在壳体内的适当位置处。可替换地，偏转杆的顶端可机械地紧固到或连接到壳体。
[0029]在工作中，偏转杆抵抗了图2A、图3A和图4A中所示的偏转情况，使得凸轮表面，并因此使得推杆，被向下推进到图2B、图3B和图4B所示的位置中。图2A、图3A和图4A对应于图1A、图1B和图1D的制动系统配置，而图2B、图3B和图4B对应于图1C的制动系统配置。
[0030]在选择从动机构106a_106d (图2A和图2B)、206a_206c (图3A和图3B)或234a-234c (图4A和图4B)的尺寸时，必须紧记的是，对于静止系统，任何球形物体在被施加以力时，都会产生通过球的重心并与接触其的平面或表面(图2A和图2B的凸起的凸轮表面104、图3A和图3B的凸起的凸轮表面204或图4A和图4B的凹入的凸轮表面222)相垂直的力。考虑到这点，很重要的是，选择适当尺寸的球形或穹顶接触件将允许附接杆或梁(偏转杆)不接触凸轮表面，使得能够简化得到的自由体膜板(free body diagram)。
[0031]当从动机构(球形的或穹顶形表面)和偏转杆处于它们的休止状态(不偏转)时，不存在水平力分量，并且所有力均在竖直方向上。由于这不是稳定情况，球体和杆安装成使得在处于图2B、图3B和图4B的情况时偏转杆存在轻微偏转，从而确保了行进的正确方向。产生的小的水平力与竖直分量相比可以相对忽略。
[0032]当凸轮表面在图2B与图2A、图3B与图3A或图4B与图4A的位置之间向上移动，从而释放制动时，滚子对凸轮表面的竖直力分量变得越来越小，而水平分量变得越来越大。必须要注意，不要通过所有力均转向水平分量的点，因为这将是另一种不稳定状态，并且凸轮表面于是可能继续向上，于是梁和球体组件将在物理上保持制动器松开。
[0033]以上描述的本发明实施例因此利用了梁或杆的偏转，以及凸轮表面和从动机构类型的接触所产生的水平或竖直力分量。这些偏转杆或梁产生竖直或施加力曲线，与当前的弹簧设计相反，如图7和图8中所示，其中分别示出现有技术的螺旋压缩弹簧和本发明的偏转弹簧实施例的弹簧曲线。结果，在图2A-图6的实施例中，执行器杆向下行进(以便落下或伸展)得越远，偏转弹簧力变得越强(图8)，这与现有技术的压缩螺旋弹簧相反，这种压缩螺旋弹簧在执行器杆落下或伸展得越多时会减小力(图7)。此外，当制动释放时(图2A、图3A和图4A)，保持制动不工作所需的竖直力被最小化，因为从动机构施加到凸轮表面上的力分量的大部分现在处于水平方向上。
[0034]使用偏转杆或梁还使得通过简单地添加或除去偏转杆能够更好地控制单元输出的期望力。弹簧的腐蚀并没有关系，因为优选的偏转杆材料包括碳纤维或芳纶增强材料，其呈现高拉伸强度和弹性。可以备选地使用呈现至少半弹性特性的其他材料。通过利用本发明的偏转弹簧的实施例，还可能减少空气室的整体重量，这降低了安装螺钉经历的应力的量。
[0035]尽管示出并描述了本发明的优选实施例，对于本领域技术人员来说显而易见的是，在此可作出改动和变型而不脱离本发明的精神，本发明的范围由所附权利要求限定。
【权利要求】
1.一种气动执行器，包括: a)限定室的壳体； b)设置在所述室中的膜板； c)连接至所述膜板的杆构件，所述杆构件在第一位置和第二位置之间可移动； d)连接至所述膜板和所述杆构件的凸轮构件，所述凸轮构件具有凸轮表面； e)具有第一端部分和第二端部分的偏转杆，其中所述偏转杆的第一端部分连接至所述壳体； f)连接至所述偏转杆的所述第二端部分的从动机构，所述从动机构与所述凸轮构件的所述凸轮表面接合从而将所述杆构件朝向所述第二位置推动。
2.如权利要求1所述的气动执行器，其中所述杆构件是推杆。
3.如权利要求1所述的气动执行器，其中所述凸轮表面是凸起的半球形凸轮表面。
4.如权利要求1所述的气动执行器，其中所述凸轮构件是杯形的。
5.如权利要求4所述的气动执行器，其中所述凸轮表面是凹进的环形凸轮表面。
6.如权利要求1所述的气动执行器，其中所述从动机构固定至所述偏转杆的所述端部。
7.如权利要求1所述的气动执行器，其中所述从动机构包括旋转地连接至所述偏转杆的所述端部的滚子。
8.如权利要求1所述的气动执行器，其中所述杆构件包括被设置成接收执行器杆的端部分的套筒。
9.如权利要求1所述的气动执行器，其中所述壳体包括具有凹部的盖，且其中所述偏转杆的所述第一端部分被设置在该凹部中。
10.如权利要求1所述的气动执行器，其中所述壳体包括圆柱形部分，且所述凸轮构件包括环形槽，该环形槽中设置有O形环，所述O形环在所述凸轮构件和所述壳体之间形成圆周密封。
11.一种用于气动执行器的偏转弹簧组件，其具有壳体和在第一位置与第二位置之间可移动的杆构件，包括: a)被设置成连接至所述杆构件的凸轮构件，所述凸轮构件具有凸轮表面； b)具有第一端部分和第二端部分的偏转杆，其中所述偏转杆的所述第一端部分被设置成连接至所述壳体； c)连接至所述偏转杆的所述第二端部分的从动机构，所述从动机构被设置成在所述凸轮构件被连接至所述杆构件以及所述偏转杆的所述第一端被连接至所述壳体时与所述凸轮构件的所述凸轮表面接合，从而将所述杆构件朝向所述第二位置推动。
12.如权利要求11所述的偏转弹簧组件，其中所述杆构件是推杆。
13.如权利要求11所述的偏转弹簧组件，其中所述凸轮表面是凸起的半球形凸轮表面。
14.如权利要求11所述的偏转弹簧组件，其中所述凸轮构件是杯形的。
15.如权利要求14所述的偏转弹簧组件，其中所述凸轮表面是凹进的环形凸轮表面。
16.如权利要求11所述的偏转弹簧组件，其中所述从动机构是固定至所述偏转杆的所述端部的。
17.如权利要求11所述的偏转弹簧组件，其中所述从动机构包括可旋转地连接至所述偏转杆的所述端部的滚子。
18.如权利要求11所述的偏转弹簧组件，还包括连接至所述凸轮构件的套筒，且该套筒被设置成接收执行器杆的端部分。
19.如权利要求11所述的偏转弹簧组件，还包括与所述凸轮构件整体地形成的推杆。
20.如权利要求11所述的偏转弹簧组件，其中所述壳体包括圆柱形部分，且所述凸轮构件包括环形槽，该环形槽中设置有O形环，所述O形环在所述凸轮构件和所述壳体之间形成圆周密封。
【文档编号】F16H25/08GK103644270SQ201310239530
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年6月17日 优先权日:2012年6月15日
【发明者】C.高芬 申请人:Tse制动器股份有限公司