专利名称：线性促动器及其运行方法
技术领域：
本公开大体涉及线性促动器。更具体而言，公开的实施例的各方面涉及可锁定就位的线性促动器。
背景技术：
传统的线性促动器具有可从旋转源或用气动压力或液压力驱动的输出冲头。促动器可具有锁定机构，以将输出保持在固定位置上。诸如Tootle在US 4，463，661中所教导的已知的锁定机构接合促动器同步系统，并且因此对输出冲头提供仅间接锁定。已经开发了采用线性促动器的直接锁定机构，并且其典型地包括具有增加的大小和质量的多件式壳体。这样的促动器包括齿锁，Carlin在US 5，267，760中公开了齿锁的一个实例。虽然一些齿锁装置可允许有单件式壳体促动器，但是它们具有的缺点是，使用了挠曲锁定元件，其具有相因而生的疲劳的顾虑。锁定促动器可由旋转源操作，而非以液压或气动的方式操作。 诸如Grimm在US 4，603，594中公开的目前的旋转源操作的促动器具有的缺点在于，在可开始冲头的运动之前需要以电的方式操作的螺线管机构(或与旋转源分开的其它机械输入) 来对促动器锁进行解锁。诸如Sue在US 4，703，683中、Deutch在US 4，240，332中和Delia Rocca在US 4，742，758中教导的球锁定机构的缺点在于，由于施加在锁定球上的点接触应力的原因，冲头的承载外部负荷的能力低。诸如Kopecek(本公开的发明人)在英国专利GB 2435877中公开的线性运动锁定套管和键装置包括用于锁定套管的旋转_线性运动转换机构和与其相关联的复杂性。因此，提供克服上面指出的问题中的至少一些的线性促动器装置将是合乎需要的。
发明内容
如本文描述的那样，示例性实施例克服了上面的缺点或现有技术中已知的其它缺点中的一个或多个。公开的实施例的一方面涉及一种线性促动器。该线性促动器包括壳体、线性输出部件和旋转式锁定组件。线性输出部件包括径向凹槽，并且可从壳体内的缩回位置沿轴向运动。旋转式锁定组件被约束而无法在壳体内沿轴向运动，并且包括转子和锁。转子能够从第一位置沿轴向旋转到第二位置。当线性输出部件在缩回位置上时，转子包围径向凹槽。 当转子旋转到第一位置时，锁使径向凹槽与沿径向运动的锁定键接合，并且阻止输出部件从缩回位置沿轴向运动。公开的实施例的另一方面涉及一种将能够沿轴向运动的线性输出部件锁定在线性促动器的壳体内的缩回位置上的方法。该方法包括使设置在旋转式锁定组件内的转子旋转到第一转子位置，旋转式锁定组件被约束而无法沿轴向运动。该方法进一步包括在转子旋转到第一转子位置时移动旋转式锁定组件内的锁定键。公开的实施例的又一方面涉及一种包括壳体、线性输出部件、转子和锁的线性促动器。线性输出部件包括径向凹槽，并且可从壳体内的缩回位置沿轴向运动。在壳体内设置了转子，其包围线性输出部件且与该线性输出部件同轴。锁设置在转子的膛孔内，并且响应于转子旋转到第一转子位置而接合线性输出部件的径向凹槽，以及束缚在该径向凹槽内。根据结合附图考虑的以下详细描述，示例性实施例的这些和其它方面与优点将变得显而易见。但是，将理解到，仅出于例示而非限定本发明的界限的目的来设计图，对于本发明的界限，应参照所附权利要求。此外，未必按比例绘制图，并且除非另有指示，它们仅意图在概念上示出本文描述的结构和程序。另外，可使用任何适当大小、形状或类型的元件或材料。
在一个实施例中,可通过诸如例如液压或气动活塞的线性活塞来控制和启动转子 116。图6和7描绘了具有活塞且分别对应于转子116处于锁定状态和解锁状态的促动器 100的截面图。参看图6，锁定活塞168通过销170来联接到转子116上。在一个实施例中，嵌套的弹簧装置172将锁定活塞168偏置向图6的右边，这对应于转子116的锁定位置。这个弹簧力偏置确保锁定转子116在没有诸如液压力或气动压力的任何外力的情况下保持在锁定位置上，如将在下面进一步详细地描述的那样。一个实施例还可包括状态指示器176，以提供转子116是在锁定位置上或是在解锁位置上的远程指示。状态指示器包括开关180、目标184和锁定臂188。锁定臂188联接到活塞168上，并且响应于活塞168而绕着枢轴192运动。如图6中描绘的那样，响应于转子116处于锁定位置上，锁定臂188定位成使得目标184接触开关180，因而指示转子116 在锁定位置上。一个实施例可在转子116和活塞168之间包括另外的接口，这也称为“止挡 (catch) ”。止挡的实例可包括在活塞168上的设计成与转子116的凹槽195交接的肩部 193。止挡设计成使得在销170断裂时，转子116不可由于振动的原因而从锁定位置独立地旋转或“跑开”到解锁位置。在没有这种止挡的情况下，销170的失效(诸如例如断裂的销)可允许开关180指示转子116在锁定位置上，但是转子116实际上是在解锁位置上。图7描绘了在解锁位置上的活塞168，以及因而在解锁位置上的转子116。回来参看图6，将理解到，活塞168已经移动到左边，因此通过销170使转子116沿顺时针旋转到解锁位置。活塞168从锁定位置运动到解锁位置使锁定臂188绕着枢轴192沿逆时针旋转， 并且因此使目标184从开关180脱离。开关180从而指示转子116在解锁位置上。在一个实施例中，活塞168可包括两个动态密封件196、200(图7)。可通过在两个动态密封件196、200之间施加液压力或气动压力来实现从锁定位置到解锁位置的移置。 如果动态密封件196设计成如描绘的那样比动态密封件200更大，则密封件196、200之间的不同面积会产生使活塞运动到左边的力。活塞168的这个运动会压缩弹簧装置172 (图 6)，并且接合转子116的销170会运动到左边，因而使转子116沿顺时针转动到解锁位置。在一个实施例中，可通过诸如液压力或气动压力的压力来促动冲头108。回来参看图2和4，冲头108可包括动态密封件204，而促动器100可包括合适的控制器，以对动态密封件204的或者延伸侧208或者缩回侧212 (分别显示在图2和4的左边和右边)施加压力。冲头108动态密封件204的延伸侧208可与锁定活塞168共用端口，使得对延伸侧208 施加压力同时在锁定活塞168的动态密封件196、200之间施加压力。照这样，可通过单次施加压力来实现冲头108的解锁和延伸。例如，响应于对冲头108动态密封件204的延伸侧208施加压力，锁定活塞168将从锁定位置(被弹簧装置172偏置到该锁定位置)移置到解锁位置，从而使转子116旋转到解锁位置。由于对冲头108的延伸侧208施加压力而在冲头108上施加的轴向力的一部分将被成角度的表面144、148分解，以在锁定键120上施加向外径向力，锁定键将移置到转子膛孔128的轴向凹槽140中，从而允许冲头108从壳体104内的缩回位置移置。锁定跟踪器162跟随冲头108，并且从而将锁定键120保持在凹槽140内的它们的抽出位置上。在完成延伸循环之后，为了使冲头108缩回和重新锁定转子116，使动态密封件204的延伸侧208减压，并且对动态密封件204的缩回侧212施加压力。因此，压力存在于动态密封件204的右侧上。冲头108然后缩回且推开锁定跟踪器162使其不挡道(推到图 2和4的左边)。在锁定跟踪器不挡道且冲头108在缩回位置上的情况下，锁定键120与冲头108中的径向凹槽124对准。弹簧装置172起作用来将锁定活塞168推到右边(参见图 6和7)，从而使转子116沿逆时针旋转。凹槽140的沿径向成角度的表面213在锁定键120 的冠部132的附近与锁定键120的沿径向成角度的表面215 (参见图3)交接，以将旋转力的一部分分解成向内定向的径向力，以及使锁定键120移动或移置到冲头108的径向凹槽 124中。转子116继续沿逆时针旋转，直到转子膛孔128的内半径旋转经过锁定键的冠部 132为止，因而使冲头108安全地保持在锁定位置上。在一个实施例中，使多个促动器100的运动同步可为合乎需要的。参看图2，促动器100可包括同步装置，诸如例如滚珠螺母216、滚珠丝杠220、蜗轮224和具有联接件232 的蜗杆228。滚珠螺母216联接到冲头108上或固定在冲头108内，使得滚珠螺母216在冲头108或者延伸或者缩回时沿轴向与冲头108 —起行进。滚珠螺母216还以本领域技术人员将容易地理解的方式与滚珠丝杠220接合，使得滚珠丝杠220响应于滚珠螺母216的轴向运动而绕着中心轴线X旋转。蜗轮224固定到滚珠丝杠220上，并且因此在滚珠丝杠 220旋转时旋转(在本领域中已知为“回驱蜗轮”的布置)。蜗轮224以本领域技术人员将容易理解的方式接合蜗杆228，并且响应于蜗轮224的旋转而绕着蜗杆228的中心旋转。联接件232 (在图2中描绘为星形构造)为其它促动器的类似的联接件提供所描绘的促动器 100的外部联结，从而在它们之间提供机械式同步联结。虽然描绘和描述本公开的实施例以气动或液压的方式来启动冲头108和转子 116，但是将理解到，本公开的范围不受这样的限制，而是可包括冲头108和转子116的其它启动手段。例如，用来驱动冲头108和锁定活塞168的加压系统可由联接到滚珠丝杠220 上来驱动冲头108的行星(周转)齿轮装置代替，如本领域技术人员将理解的那样。图8描绘了机械驱动式促动器101的一个示例性实施例。机械促动器101包括具有太阳齿轮240、行星齿轮244、环形齿轮248和行星托架252的周转齿轮装置236。行星齿轮244与太阳齿轮240和环形齿轮248两者接合。因为周转齿轮装置的大体运行在本领域中是明白的，所以完整的描述在这里不是必要的。行星齿轮装置236的太阳齿轮240可对齿轮装置236提供机械驱动输入，并且行星托架252将滚珠丝杠220联接到行星齿轮244上，以提供能量来使冲头108延伸和缩回。 行星齿轮装置236的环形齿轮248(环轮)的外径可嵌套在轴承座圈中，并且通过转子延伸部256来直接附连到转子116上。因此，将理解到，在这个实施例中，滚珠丝杠220用作驱动器，并且冲头108响应于滚珠丝杠220的旋转而沿轴向运动。在一个示例性实施例中，在空转(lost motion)行程期间，转子116运动到解锁位置的旋转可由最初在所称的“星形”模式中运行的行星齿轮组件236提供。参看图10，转子延伸部256 (其联接到环形齿轮248上)用作接合径向槽口 260 (这等效于(以及从而限定)转子116从锁定位置到解锁位置的旋转)的键。在一个实施例中，可包括将转子116 直接偏置到锁定位置的扭转弹簧(类似于弹簧组件172)。共同参看图8和9，为了使冲头108延伸，对太阳齿轮240输入(例如通过例如马达)能量。因为冲头108受到锁定键120的约束而无法进行任何轴向运动，所以滚珠丝杠220不可使冲头108转动和前进。因此，托架252被锁定，直到空转使锁定键120解锁为止。 因此，太阳齿轮240对旋转输入的仅有的响应是使联接到转子116上的环形齿轮248旋转。 响应于转子116旋转而使锁定键120解锁在机械上与转子延伸部256在壳体104的槽口 260 中到最底(bottom out) 一致。延伸部256在槽口 260中到最底以及锁定键120的解锁因此导致环形齿轮248锁定，以及释放行星托架252，以允许行星齿轮244绕着太阳齿轮240 旋转。因而，行星齿轮装置236从星形模式(固定的行星托架252、自由的太阳240和自由的环轮248)改变到行星模式(固定的环轮248、自由的太阳240和自由的行星托架252)。 在行星模式中，使用输入给太阳齿轮240的能量来使行星齿轮244绕着太阳齿轮240旋转， 以及驱动行星托架252，行星托架252又驱动滚珠丝杠220，并且从而通过滚珠螺母216来使冲头108沿轴向运动。为了使冲头108缩回以及使转子116旋转到锁定位置，把这个过程反过来。驱动太阳齿轮240的马达倒转方向。环形齿轮248倒转负荷方向，并且试图使转子116从解锁位置旋转到锁定位置。但是，锁定键120被锁定跟踪器162约束在转子116的凹槽140内的抽出位置上，并且从而阻止转子116有任何旋转。这有效地锁定环形齿轮248 (通过转子延伸部256)，并且限定行星模式。因此，太阳齿轮240的输入旋转传递给托架252，这使滚珠丝杠220旋转，以及使冲头108缩回。响应于冲头108到达完全缩回的位置，锁定跟踪器162被冲头108推开(沿轴向) 而不挡道，锁定键120与冲头108中的径向凹槽124对准。响应于冲头108完全缩回，并且因而不再能够有任何进一步的轴向运动，滚珠丝杠220(以及因而行星托架252)被锁定，并且行星齿轮装置236从行星模式过渡到星形模式。现在这允许转子116从解锁位置旋转到锁定位置，从而分别通过转子216凹槽和锁定冠部132的交接表面213、215来将锁定键120 沿径向向内推入凹槽124中，因而如本文描述的那样重新锁定冲头108。将理解，环形齿轮248和转子116在空转行程(星形模式)期间的输出旋转方向与行星托架252和滚珠丝杠220在冲头108延伸(行星模式)的期间的输出旋转方向相反。 这是在星形模式和行星模式两者中运行的周转齿轮的基本特性。这个空转特征导致有在不需要驱动扭矩之外的任何另外的命令或信号的情况下进行自锁定和自解锁的设计。为了提高清楚性，提供了本文描述的且在图8中显示的促动器101的另外的截面图。图10描绘了包括太阳齿轮240、行星齿轮244、环形齿轮248和行星托架252的、在图 8中显示的行星装置236的截面图。图11描绘了包括环形齿轮248、行星托架252和转子延伸部256的、在图8中显示的行星装置236的截面图。图12描绘了具有在锁定位置上的锁定键120的转子116的截面图。考虑到前述内容，图13描绘了用于锁定线性促动器的线性输出部件(例如将冲头 108锁定在例如促动器100内的缩回位置上)的方法的示例性过程步骤的流程图。过程步骤300包括使设置在促动器100的旋转式锁定组件112内的转子116旋转到第一锁定转子位置，该旋转式锁定组件112被约束而无法在促动器100的壳体104内沿轴向运动。响应于转子116旋转到第一锁定位置，过程步骤310包括使旋转式锁定组件112 内的锁定键120移动，以接合冲头108的径向凹槽124。将进一步理解到，响应于转子116 旋转到第一锁定转子位置，锁定键120被转子膛孔128的内半径束缚在冲头108的径向凹槽124内。该过程可进一步包括使转子116旋转到第二解锁转子位置，并且从而为锁定键120提供间隙和自由度来沿径向向外移动到轴向凹槽140中，从而允许锁定键从径向凹槽 124脱离。由于交接的表面144、148的原因，冲头108从缩回位置沿轴向运动导致一些轴向力分解成径向力分量，以使锁定键120从冲头108的径向凹槽脱离。如公开的那样，本公开的一些实施例可包括以下优点，例如能够使用在长度和直径以及质量中的至少一个上具有减小的总大小的单件式壳体来提供冲头的稳定可靠的、直接的锁定；能够在没有单独的电气/液压/气动和/或机械锁定或解锁命令或信号的情况下起动线性冲头的锁定和释放；以及，有简单的锁定负荷路径来提供增强的可靠性。虽然描述了本公开的实施例具有带有三个轴向凹槽的转子，但是将理解，本公开的范围不受这样的限制，而是构想为包括具有其它数量的凹槽(其可包括螺旋状凹槽)的转子，例如一个、两个、四个或更多个凹槽。另外，虽然描述了本公开的实施例通过线性活塞来控制转子，但将理解，本公开的范围不受这样的限制，而是构想为包括可通过诸如例如线性马达或螺线管的备选机构来控制的活塞。另外，虽然描述了本公开的实施例带有具有星形构造的联接件，联接件232 (在图2中描绘为星形构造)，但是将理解，本公开的范围不受这样的限制，而是构想为包括其它扭力传输几何结构的机构，例如正方形、六边形、八边形、 TORX 等。因而，虽然显示、描述和指出了应用于本发明的示例性实施例的本发明的基本新颖特征，但是将理解，本领域技术人员可在示出的装置的形式和细节上以及它们的运行上作出各种省略和替换与改变，而不偏离本发明的精神。此外，清楚地意图的是以基本相同的方式执行基本相同的功能来实现相同结果的那些元件和/或方法步骤的所有组合均在本发明的范围内。此外，应当认可，结合本发明的任何公开的形式或实施例所显示和/或描述的结构和/或元件和/或方法步骤可结合在任何其它公开的或描述的或建议的形式或实施例中，作为一般的设计选择事物。因此，意图的是仅如所附权利要求的范围所指示的那样受限制。
权利要求
1.一种线性促动器，包括壳体；能够从所述壳体内的缩回位置沿轴向运动的线性输出部件，所述线性输出部件包括径向凹槽；以及设置在所述壳体内且被约束而无法沿轴向运动的旋转式锁定组件，所述旋转式锁定组件包括设置成响应于所述线性输出部件处于所述缩回位置上而包围所述线性输出部件的所述径向凹槽的转子，所述转子能够从第一转子位置旋转到第二转子位置；以及设置在所述转子的膛孔内的、能够沿径向移置的锁，所述锁响应于所述转子旋转到所述第一转子位置而接合所述径向凹槽，以及阻止所述输出部件从所述缩回位置沿轴向运动。
2.根据权利要求I所述的线性促动器，其特征在于，响应于所述转子旋转到所述第二转子位置，所述锁能够自由脱离所述径向凹槽。
3.根据权利要求2所述的线性促动器，其特征在于所述径向凹槽的后边缘包括沿轴向成角度的表面；以及所述锁的后边缘包括与所述径向凹槽的所述后边缘的所述沿轴向成角度的表面互补的沿轴向成角度的表面。
4.根据权利要求3所述的线性促动器，其特征在于所述锁响应于所述输出部件从所述缩回位置沿轴向运动而从周缘凹槽脱离。
5.根据权利要求I所述的线性促动器，其特征在于所述壳体是一件式壳体。
6.根据权利要求I所述的线性促动器，其特征在于所述转子的所述膛孔包括轴向凹槽；以及响应于所述转子旋转到所述第二转子位置，所述轴向凹槽设置成紧邻所述锁。
7.根据权利要求6所述的线性促动器，其特征在于所述轴向凹槽包括沿径向成角度的表面；以及所述锁定键的第一端包括与所述轴向凹槽的所述沿径向成角度的表面互补的沿径向成角度的表面。
8.根据权利要求I所述的线性促动器，其特征在于，所述线性促动器进一步包括能够从第一位置线性地运动到第二位置的锁定活塞，所述锁定活塞操作性地连接到所述转子上。
9.根据权利要求8所述的线性促动器，其特征在于所述锁定活塞响应于压力而从所述第一位置移动到所述第二位置；以及所述转子响应于所述锁定活塞移动到所述第二位置而旋转到所述第二转子位置。
10.根据权利要求9所述的线性促动器，其特征在于，所述线性输出部件响应于压力的施加和所述转子旋转所述第二转子位置而从所述壳体内的所述缩回位置延伸。
11.根据权利要求9所述的线性促动器，其特征在于，所述线性促动器进一步包括 第一锁定活塞动态密封件；以及第二锁定活塞动态密封件，所述第二锁定活塞动态密封件比所述第一锁定活塞动态密封件更大。
12.根据权利要求I所述的线性促动器，其特征在于，所述线性促动器进一步包括 周转齿轮系，其包括太阳齿轮；与所述太阳齿轮接合的、与所述线性输出部件处于操作性连通的行星齿轮，所述线性输出部件响应于所述行星齿轮绕着所述太阳齿轮旋转而沿轴向运动；以及与所述行星齿轮接合且联接到所述转子上的环形齿轮，所述转子能够在由所述壳体内的凹槽限定的所述第一转子位置和所述第二转子位置之间旋转。
13.根据权利要求12所述的线性促动器，其特征在于，所述线性促动器进一步包括 与所述线性输出部件联接的滚珠螺母；以及与所述行星齿轮联接的滚珠丝杠，所述线性输出部件响应于所述滚珠丝杠的旋转而沿轴向运动。
14.根据权利要求12所述的线性促动器，其特征在于响应于所述转子处于所述第一转子位置上，所述行星齿轮被阻止而无法绕着所述太阳齿轮旋转。
15.一种将线性输出部件锁定在线性促动器内的缩回位置上的方法，所述线性输出部件能够在所述线性促动器的壳体内沿轴向运动，所述方法包括使设置在所述促动器的旋转式锁定组件内的转子旋转到第一转子位置，所述旋转式锁定组件被约束而无法沿轴向运动；响应于所述转子旋转到所述第一位置，使所述旋转式锁定组件内的锁移动，以接合所述线性输出部件的径向凹槽。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括响应于所述转子旋转到所述第一转子位置，将所述锁束缚在所述线性输出部件的所述径向凹槽内。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括使所述转子旋转到第二转子位置；以及响应于所述转子旋转到所述第二转子位置，允许所述锁脱离所述线性输出部件的所述径向凹槽。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括使所述线性输出部件运动出所述缩回位置；以及响应于所述线性输出部件运动出所述缩回位置，使所述锁从所述线性输出部件的所述径向凹槽脱离。
19.一种线性促动器，包括壳体；能够从所述壳体内的缩回位置沿轴向运动的线性输出部件，所述线性输出部件包括径向凹槽；设置在所述壳体内的转子，其包围所述线性输出部件且与所述线性输出部件同轴；以及设置在所述转子的膛孔内的锁，所述锁响应于所述转子旋转到第一转子位置而接合所述线性输出部件的所述径向凹槽，以及被束缚在所述径向凹槽内。
20.根据权利要求19所述的线性促动器，其特征在于所述转子的所述膛孔包括轴向凹槽；以及响应于所述转子旋转到第二转子位置，所述轴向凹槽设置成紧邻所述锁。
全文摘要
本发明涉及线性促动器及其运行方法。公开了一种线性促动器。该线性促动器包括壳体、线性输出部件和旋转式锁定组件。线性输出部件包括径向凹槽，并且线性输出部件可从壳体内的缩回位置沿轴向运动。旋转式锁定组件被约束而无法在壳体内沿轴向运动，并且旋转式锁定组件包括转子和锁。转子能够从第一位置旋转到第二位置。当线性输出部件在缩回位置上时，转子包围径向凹槽。当转子旋转到第一位置时，锁接合径向凹槽，并且阻止输出部件从缩回位置沿轴向运动。
文档编号H02K7/10GK102611245SQ20111046273
公开日2012年7月25日 申请日期2011年12月30日 优先权日2010年12月31日
发明者J·T·科佩塞克 申请人:通用电气公司