CN101091043A - 被轴向驱动的活塞－缸单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种被轴向驱动的活塞－缸单元，具有：一个缸(2)；一个活塞(3)，该活塞可在第一活塞位置与第二活塞位置之间在该缸(2)的轴向方向上往复运动，在该第一活塞位置中，由该活塞(3)和该缸(2)包围的缸容积(18)最大，在该第二活塞位置中，该缸容积最小；以及一个设置在该活塞(3)与该缸(2)之间的流体轴承，该活塞(3)可轴向运动地由该流体轴承支承在该缸(2)中并且该流体轴承确定一个至少在该活塞(3)的轴向延伸长度的一部分上围绕该活塞(3)的圆周的活塞侧支承面(38)；一个可在该缸的轴向方向上或与该轴向方向基本上平行地往复运动的驱动元件(50)，该驱动元件与该活塞(3)通过一个活塞杆(4)机械地相连接，其中，该活塞杆(4)这样构造，使得该活塞杆允许并且补偿缸轴线(X)与确定该驱动元件(50)的运动方向的纵向轴线(Y)之间的径向错位或倾斜，其特征在于：该活塞杆(4)设置有一个驱动侧的第一挠性区段(40)；该活塞杆(4)设置有一个活塞侧的第二挠性区段(42)；所述活塞侧的第二挠性区段(42)设置在该活塞(3)的背离活塞底部(16)的后部区域中。

Description

被轴向驱动的活塞-缸单元
本发明涉及一种具有权利要求1的前序部分的特征的被轴向驱动的活塞-缸单元。
这种活塞-缸单元已由US5,525,845A公开。该公开的活塞-缸单元包括一个由直线驱动装置驱动的活塞，其中，活塞与直线驱动装置通过一个活塞杆相连接。该活塞杆在轴向方向上是刚性的并且在横向方向上即在径向方向上易于弯曲。通过活塞杆的这种设计方案要实现：即使当驱动装置轴线不平行于缸轴线延伸时，活塞也几乎摩擦地在缸的空气轴承中被导向。但活塞杆的这种不确定的易于弯曲的设计方案可导致横向力作用在活塞上，所述横向力引起活塞在缸中倾翻或活塞轴线相对于缸轴线侧向错位。这导致活塞外圆周与缸内圆周之间的支承间隙中的不对称，以致在活塞外圆周与缸内圆周之间的距离变大的区域中流体轴承被削弱，其方式是支承流体的压力在该部位上降低。但所述降低的压力可使得在缸容积中被压缩的流体只要其压力一变高就压入到在所述被削弱的部位上的支承间隙中并且在此使得支承间隙进一步扩宽直到最后在活塞的径向对置的部位上活塞靠置在缸壁上并由此出现不期望的摩擦。
本发明的任务在于，这样进一步构造所述类型的活塞-缸单元，使得即使在驱动装置轴线与活塞轴线之间产生横向错位的情况下或在这两个轴线彼此相对倾斜的情况下也保证流体轴承的可靠功能并且由此保证活塞在缸中的可靠导向。
该任务通过权利要求1的特征部分中给出的特征来解决。
通过在活塞杆中设置两个挠性区段首先致使活塞杆在确定部位上获得所需的易于弯曲性，以便可补偿轴线的侧向错位。通过将活塞杆的活塞侧的挠性节根据本发明设置在活塞的背离活塞底部的后部区域中，作用在活塞上的横向力在后部的活塞区域中径向上由流体轴承支撑并且由此远离活塞的活塞底部侧的前圆周边缘，由此，流体轴承在该前部的活塞区域中不受或不显著地受所述有害的横向力影响。在创造性的活塞-缸单元中活塞由于通过活塞杆导入到活塞中的横向力而在其活塞底部侧的前部区域中经历横向错位的危险在根据本发明的活塞-缸单元中几乎被排除，该横向错位在现有技术中导致有害地削弱流体轴承。
优选活塞侧的第二挠性节在活塞的纵向轴线的方向上设置在这样一个部位上，该部位位于活塞侧支承面的后部区域的高度上。由此保证可能由活塞杆导入到活塞中的横向力在该部位上直接在活塞侧支承面中支撑在流体轴承上。
各挠性区段优选可至少绕一个轴线摆动。但也有利的是，各挠性区段可绕两个轴线摆动，这些轴线总是彼此正交。
一个特别优选的实施形式包括这样的挠性区段，这些挠性区段具有球节的可运动性。由此无需活塞在周向方向上特别定向即可吸收驱动装置轴线与缸轴线之间的相对于径向方向任意的错位。
优选流体轴承具有多个用于流体的、设置在缸的内圆周壁中的排出喷嘴。
在此在一个特别优选的实施形式中，排出喷嘴这样设置，使得当活塞位于其第二活塞位置中时，第一排出喷嘴给活塞侧支承面的关于活塞纵向延伸长度处于前部的区域供应以压力流体并且第二排出喷嘴给活塞侧支承面的关于活塞纵向延伸长度处于中部或后部的区域供应以压力流体。
如果在此排出喷嘴设置在活塞侧支承面的前部区域和后部区域中，则在活塞的压缩位置中获得活塞在其纵向延伸长度上特别均匀的支撑。但也有利的是，第一排出喷嘴设置在活塞侧支承面的前部区域中并且第二排出喷嘴设置在所述活塞侧支承面的中部区域中，由此，支承重心向前、即朝活塞底部延伸。由此在活塞与缸之间的环状间隙的前端部的区域中、即朝向缸容积的区域中在活塞与缸之间的流体轴承中建立较高的压力，该压力给缸容积中的压缩压力提供较高的阻力并且由此即使在横向力作用在活塞上时也更好地避免压缩的压力流体从缸容积压入到支承间隙中。
在另一个的可选择的实施形式中，排出喷嘴这样设置，使得当活塞位于其第一活塞位置中时，第二排出喷嘴给活塞侧支承面的关于活塞纵向延伸长度处于前部的区域供应以压力流体并且第三排出喷嘴给活塞侧支承面的关于活塞纵向延伸长度处于后部的区域供应以压力流体。这些在后部区域中可选择地设置的第三排出喷嘴可使得活塞在其被拉回的位置中的支撑得到改善。
特别优选的是，流体轴承由气体压力轴承构成，其中，排出喷嘴由气体排出喷嘴构成；一个有利且特别优选的实施形式是空气轴承的实施形式。
优选总是多个排出喷嘴构成喷嘴装置。
喷嘴装置优选在活塞-缸单元的轴向方向上彼此间隔开并且优选环状地绕缸轴线构造。由此在活塞与缸之间建立特别均匀的流体垫或气体垫。
为了在活塞与缸之间形成特别均匀的流体垫或气体垫有利的也在于，每个喷嘴环具有多个在周向方向上彼此均匀间隔开的排出喷嘴。
优选排出喷嘴由借助于富含能量的射线钻出的微孔构成，这些微孔还优选构造成锥状的，其中，这些微孔的最窄的横截面布置在通到所述缸侧支承面中的通入部上。以这种方式产生的微孔产生高均匀性和高承载能力的流体垫或气体垫。
优选这些微孔借助于激光束钻出。
如果用于供应给排出喷嘴的压力流体由通过压缩缸容积产生的流体流例如从排放通道导出，则可实现活塞-缸单元的简单结构并且同时可在此省去用于供应给排出喷嘴的压力流体的附加的压力发生器，这有助于成本低廉地制造这种活塞-缸单元。
当活塞被直线驱动装置的可运动的部分加载以便往复运动地被驱动时，该活塞-缸单元是特别优选的。
根据本发明的活塞-缸单元特别显著且有利地在用于产生压力流体的压缩机、优选是在由直线电机驱动的直线压缩机中使用。
下面借助于一个实施例参照附图对本发明进行详细描述；附图表示：
图1活塞处于其被拉回的位置中时根据本发明的活塞-缸单元，以及
图2活塞处于压缩位置中时的同一个活塞-缸单元。
图1中示出了一个具有缸2和活塞3的活塞-缸单元1的纵剖面。缸2设置有一个缸孔10，活塞3可在缸孔10的纵向轴线X的方向上往复运动地且被自由导向地被接收在该缸孔中。缸孔10的构造在缸盖23上的缸盖侧的端壁12、缸孔10的内圆周壁14和活塞底部16限定缸容积18的边界。
一个设置有示意性地示出的阀20的进入通道22通到缸孔10的缸盖侧的端壁12中。在缸盖侧的端壁12中也设置有一个排放通道24，该排放通道具有一个相应的阀26；该排放通道也通到缸孔10中。
当活塞3在图2中向左运动时，流体通过进入通道22和进入阀20被抽吸到缸室18中，当活塞3向右运动时，该流体在压缩状态下通过排放阀26和排放通道24被推出。所示的活塞-缸单元1是一个活塞工作机的一部分，在该活塞工作机中，被推出的流体是气态的，在压缩机中例如就是这种情况。但本发明原则上也可在其它活塞工作机中使用，例如在泵中使用。
被推出的气态的流体的一部分从排放通道24通过一个连接通道28引导到环状通道30、32、34中，该连接通道设置在缸盖23中和缸2的壳体21中，这些环状通道也设置在缸2的壳体21中并且这些环状通道环状地包围缸孔10。环状通道30、32、34在缸孔10的纵向轴线X的方向上彼此间隔开。这些环状通道30、32、34中每一个都设置有多个微孔30′、32′、34′，这些微孔在缸孔10的圆周上均匀分布地使对应的环状通道30、32、34与缸孔10的内部相连接并且在此贯穿缸的内壁14。每一个环状通道30、32、34的微孔30′、32′、34′因此形成一个对应的环状的喷嘴装置30″、32″、34″。通过连接通道28引导到环状通道30、32、34中的压力气体由此可通过微孔30′、32′、34′排出并且在缸2的内圆周壁14上的缸侧支承面15与活塞3的外圆周壁36上的活塞侧支承面38之间形成一个在侧面支撑该活塞的气垫。
具有对应配置给它的微孔30′的第一环状通道30布置在这样一个区域中，在该区域中，仅当活塞3位于压缩位置附近时、即当缸容积18最小时，如图2中所示，该活塞才遮盖住这些微孔30′。在该情况下，活塞3以前部区域3″中的支承面38遮盖住前部的第一微孔30′。
在图1中所示的位置中——在该位置中缸容积18最大，微孔30′为在缸2的内圆周壁14与活塞的外圆周壁36之间形成气垫未作出贡献。但由于微孔30′的横截面极其小，由此产生的压力损失并不严重。但也可设置一个(未示出的)阀装置，该阀装置仅当活塞3遮盖住微孔30′时才以压力气体加载第一环状通道30。
这样设置第二环状通道32，使得对应配置给该第二环状通道的微孔32′始终由活塞3遮盖住，由此，微孔32′在活塞3的整个轴向运动行程上为在缸2的内圆周壁14与活塞3的外圆周壁36之间形成气垫作出贡献。
第三环状通道34离缸孔10的缸盖侧的端壁12最远。对应配置给该第三环状通道34的微孔34′由此仅当活塞3位于其被拉回的位置的区域中时才由活塞3遮盖住，更确切地说由活塞的后部区域3′中的支承面38遮盖住，在所述被拉回的位置中缸容积18最大。具有对应配置给它的微孔34′的第三环状通道34的设置是可选择的并且仅用于进一步改善活塞3在缸孔10中的运动性能。
在具有对应配置给它们的微孔30′、32′、34′——这些微孔各形成环状的喷嘴装置30″、32″、34″——的环状通道30、32、34之间在缸孔10的内壁14中可设置另外的以相同方式构造的环状的喷嘴装置。
活塞3由一个直线驱动装置5的可沿轴线Y往复振动地纵向运动的驱动元件50驱动，该直线驱动装置在该图中仅示意性地示出。该可运动的驱动元件50与活塞3通过一个活塞杆4机械地相连接。活塞杆4在轴向方向上不是弹性的并且由此能够将轴向力从驱动元件50传递到活塞3上。如果驱动元件50的纵向轴线Y和活塞3的纵向轴线X′及缸2的纵向轴线X一致，则这种力传递是毫无问题的。
在驱动装置5相对于活塞-缸单元1不精确对准的情况下，驱动元件50的纵向轴线Y可相对于缸2的纵向轴线X倾斜或平行错位。这导致活塞3的轴线X′也不精确地与缸2的轴线X对准，由此，在现有技术中活塞3在缸2中轻微倾斜并且由此活塞与缸之间发生接触，该接触可能也不可被气体压力轴承支撑。
出于这个原因，活塞杆4设置有一个驱动侧的第一挠性区段40和一个活塞侧的第二挠性区段42。在所示的例子中，这些挠性区段40、42构造成与其余活塞杆区段相比直径减小的区段。活塞杆4由此在挠性区段40、42中比在剩余的活塞杆区段中更易于弯曲，由此，该活塞杆可在挠性区段40、42中弯曲。由此在轴线Y和X对准有误的情况下活塞4吸收这两个轴线彼此间的角错位或这两个轴线彼此间的在这些图中用d标记的横向错位，由此实现活塞3的纵向轴线X′基本上与缸的轴线X对准。在此情况下，微小的横向力被导入到活塞中，这种横向力基本上相对于活塞3的轴线X′成直角地作用并且可通过由缸侧支承面15与活塞侧支承面38之间的气体压力轴承构成的气垫支撑。
活塞杆4的活塞侧的挠性区段42设置在活塞3的后部区域3′中。该后部区域在此被定义为以与活塞侧支承面38正交的中间平面M为参考背离活塞底部16的区域。与此相应，前部的活塞区域3″是中间平面M与活塞3的活塞底部侧的前端部之间的那个区域。
因为活塞杆4的所述横向力在挠性区段42的区域中相对于活塞纵向轴线X′正交地作用，所以所述横向力由活塞侧支承面38的位于该区域中的区段逆着气垫并且由此逆着缸侧支承面15支撑。如果气垫、即在活塞侧支承面38与缸侧支承面15之间形成的环状室在此产生微小变形，则这种变形基本上局部地在活塞3的后部区域3′中出现，而不在活塞3的前部区域3″中显著发生作用。由此，由于活塞3与缸2之间的环状的支承间隙在活塞3的前部区域3″中发生这种形式的变形而使压力气体从缸容积18不对称地进入到支承间隙中以及于是使活塞向侧面移动或向侧面倾翻的危险极其小。
被轴向驱动的活塞-缸单元的根据本发明的构型可通过活塞侧的挠性区段42在后部的活塞区域3′中的特殊位置来改善活塞3在缸2中的导向并且引起较高的工作可靠性。前部的第一喷嘴装置30″支持这种较高的工作可靠性，其方式是该第一喷嘴装置在活塞-缸单元的压缩状态中使由流体轴承在该部位上形成的气垫增强。
本发明并不局限于上述实施例，该实施例仅用于对本发明的核心思想作一般性说明。而在保护范围的框架内，根据本发明的装置也可呈现不同于上述构型形式的构型形式。该装置在此尤其可具有这样的特征，这些特征是权利要求的各单个特征的组合。
权利要求书、说明书和附图中的参考标号仅用于更好的理解本发明并且不应限制保护范围。

Claims (17)

1.被轴向驱动的活塞-缸单元，具有：
-一个缸(2)，
-一个活塞(3)，该活塞可在第一活塞位置与第二活塞位置之间在该缸(2)的轴向方向上往复运动，在该第一活塞位置中，由该活塞(3)和该缸(2)包围的缸容积(18)最大，在该第二活塞位置中，该缸容积最小，以及
-一个设置在该活塞(3)与该缸(2)之间的流体轴承，该活塞(3)可轴向运动地由该流体轴承支承在该缸(2)中并且该流体轴承确定一个至少在该活塞(3)的轴向延伸长度的一部分上围绕该活塞(3)的圆周的活塞侧支承面(38)，
-一个可在该缸的轴向方向上或与该轴向方向基本上平行地往复运动的驱动元件(50)，该驱动元件与该活塞(3)通过一个活塞杆(4)机械地相连接，
-其中，该活塞杆(4)这样构造，使得该活塞杆允许并且补偿缸轴线(X)与确定该驱动元件(50)的运动方向的纵向轴线(Y)之间的径向错位或倾斜，
其特征在于：
-该活塞杆(4)设置有一个驱动侧的第一挠性区段(40)，
-该活塞杆(4)设置有一个活塞侧的第二挠性区段(42)，以及
-所述活塞侧的第二挠性区段(42)设置在该活塞(3)的背离活塞底部(16)的后部区域中。
2.根据权利要求1所述的被轴向驱动的活塞-缸单元，其特征在于：所述活塞侧的第二挠性区段(42)在该活塞(3)的纵向轴线(X′)的方向上设置在这样一个部位上，该部位位于所述活塞侧支承面(38)的所述后部区域的高度上。
3.根据权利要求1或2所述的被轴向驱动的活塞-缸单元，其特征在于：各挠性区段(40，42)可绕至少一个轴线摆动。
4.根据权利要求3所述的被轴向驱动的活塞-缸单元，其特征在于：各挠性区段(40，42)可绕两个轴线摆动，这些轴线总是彼此正交。
5.根据权利要求3或4所述的被轴向驱动的活塞-缸单元，其特征在于：各挠性区段(40，42)具有球节的可运动性。
6.根据上述权利要求之一所述的被轴向驱动的活塞-缸单元，其特征在于：该流体轴承具有多个用于流体的、设置在该缸(2)的内圆周壁(14)中的排出喷嘴。
7.根据上述权利要求之一所述的被轴向驱动的活塞-缸单元，其特征在于：这些排出喷嘴(30′，32′)这样设置，使得当该活塞位于其第二活塞位置中时，第一排出喷嘴(30′)给所述活塞侧支承面(38)的关于活塞纵向延伸长度处于前部的区域供应以压力流体并且第二排出喷嘴(32′)给所述活塞侧支承面(38)的关于活塞纵向延伸长度处于中部或后部的区域供应以压力流体。
8.根据上述权利要求之一所述的被轴向驱动的活塞-缸单元，其特征在于：这些排出喷嘴(32′，34′)这样设置，使得当该活塞位于其第一活塞位置中时，这些第二排出喷嘴(32′)给所述活塞侧支承面(38)的关于活塞纵向延伸长度处于前部的区域供应以压力流体并且第三排出喷嘴(34′)给所述活塞侧支承面(38)的关于活塞纵向延伸长度处于后部的区域供应以压力流体。
9.根据上述权利要求之一所述的被轴向驱动的活塞-缸单元，其特征在于：该流体轴承由气体压力轴承、优选空气轴承构成，其中，这些排出喷嘴由气体排出喷嘴(30′，32′，34′)构成。
10.根据上述权利要求之一所述的被轴向驱动的活塞-缸单元，其特征在于：总是多个排出喷嘴(30′；32′； 34′)构成喷嘴装置(30″；32″；34″)。
11.根据权利要求10所述的被轴向驱动的活塞-缸单元，其特征在于：这些喷嘴装置(30″，32″，34″)在该活塞-缸单元(1)的轴向方向上彼此间隔开并且优选环状地绕缸轴线(X)构造。
12.根据权利要求10或11所述的被轴向驱动的活塞-缸单元，其特征在于：每个喷嘴装置(30″，32″，34″)具有多个在周向方向上彼此均匀间隔开的排出喷嘴(30′，32′，34′)。
13.根据上述权利要求之一所述的被轴向驱动的活塞-缸单元，其特征在于：这些排出喷嘴(30′，32′，34′)由借助于富含能量的射线钻出的微孔构成，这些微孔优选构造成锥状的，其中，这些微孔的最窄的横截面布置在通到所述缸侧支承面(15)中的通入部上。
14.根据权利要求13所述的被轴向驱动的活塞-缸单元，其特征在于：这些微孔借助于激光束钻出。
15.根据上述权利要求之一的被轴向驱动的活塞-缸单元，其特征在于：用于供应给这些排出喷嘴(30′，32′，34′)的压力流体由通过压缩该缸容积(18)而被压缩的流体流导出。
16.根据上述权利要求之一所述的被轴向驱动的活塞-缸单元，其特征在于：该活塞(3)被直线驱动装置(5)的可运动的驱动元件(50)加载以便往复运动地被驱动。
17.压缩机，用于产生压力流体，具有至少一个根据权利要求1至16之一所述的被轴向驱动的活塞-缸单元(1)。
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