CN101429967B - 三自由度、双层油膜式球铰 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三自由度、双层油膜式球铰，其在球窝上设有进油接管嘴和回油接管嘴；在球窝的内凹球面内设有大半球，大半球内设有小半球；大半球的端面上连接有盖板；芯轴分别穿过球窝、大半球及小半球的中心处圆孔，将球窝、大半球及小半球安装连接在一起；在球窝的凹球面上设有球窝油槽，球窝油槽通过油路与进油接管嘴连通，在球窝油槽的进油口安有球窝节流器；在小半球的凸球面上设有小半球油槽，小半球油槽与芯轴内所设的芯轴油路连通，在小半球油槽的油路入口安有小半球节流器。本发明球铰结构传递刚度大，摩擦力小、工作寿命长，配对使用可获得五自由度机构，应用于多维振动作为激励源和台面的连接件可提高台面的动态响应性能。

Description

三自由度、双层油膜式球铰

技术领域

本发明涉及机械传动领域内一种球铰副式连接机构，具体是涉及一种利用液体静压支承原理在球面转动副表面形成高压油膜的一种低摩擦、高刚度、无间隙、可承担轴向拉压载荷的连接机构。

背景技术

开发高响应多维振动台的核心技术之一，就是需要提供一种装置，其能够在连接激励源和振动台面消除过约束的同时，将激励源的振幅逼真地传递给振动台。该装置还应具有无缝连接、连接刚度高、低转动摩擦等显著特点，其应用在多维振动领域可有效提高振动台面的动态响应特性。由于高响应多维振动主要应用在军工领域及研制技术难度大，欧美国家一直对中国实行严格的技术封锁和产品封锁。中国专利《双向承载五自由度静压球形轴承》(申请号：200810088894.9)公开了一种具有双球铰副、五自由度连接机构方案，其不足之处在于：两侧球铰副通过一根芯轴连接，从而四层油膜间的液压支承力通过芯轴产生相互耦合作用，使该机构油膜静态调试困难。

发明内容

本发明目的在于提供一种可承担轴向拉压载荷的三自由度、双层油膜式球铰，其作为激励源和台面的连接件，其能够满足多维振动系统对连接件的高轴向刚度和低转动摩擦要求，同时具有无间隙连接、承载力大、使用寿命长等特点。

实现本发明目的技术方案：一种三自由度、双层油膜式球铰，其包括一个外形呈带凸缘的圆柱体、一端面内凹形成球面的球窝，在球窝柱面中部的横截面不同切线方向分别设有进油接管嘴和回油接管嘴；在球窝的内凹球面内设有大半球，大半球内设有小半球，大半球的外凸球面与球窝的内凹球面相配合形成内侧液压支承面；大半球的内凹球面与小半球的外凸球面相配合形成外侧液压支承面，大半球的端面安装有盖板；芯轴分别穿过球窝、大半球及小半球的中心处圆孔，将球窝、大半球及小半球安装连接在一起，使大半球可绕芯轴偏转一定角度；在球窝的凹球面上设有若干个面积相同轴对称布置的球窝油槽，每个球窝油槽均通过油路与进油接管嘴连通，在每个球窝油槽的进油口均安装有球窝节流器；在小半球的凸球面上设有若干个面积相同的轴对称布置的小半球油槽，每个小半球油槽均与芯轴内所设的芯轴油路连通，在每个小半球油槽的油路入口均安装有小半球节流器。

如上所述的一种三自由度、双层油膜式球铰，其所述的球窝节流器和小半球节流器中部均设有过油的节流小细孔，球窝节流器和小半球节流器前段外表面为光滑圆柱面，圆柱面上开有环形槽，用以放置O密封圈，圆柱面和密封圈通过与球窝或小半球上的光滑圆柱内孔配合，形成密封带；球窝节流器和小半球节流器后段外表面为螺纹，用以将其连接在球窝或小半球的油路上。

如上所述的一种三自由度、双层油膜式球铰，其在球窝凹球面内表面设有环形槽，槽内安装有O型密封圈和减磨圈。

如上所述的一种三自由度、双层油膜式球铰，其在球窝中心圆柱孔上设有3道环形槽，中间的环形槽与芯轴油路及进油接管嘴接通，其左右两侧的环形槽内安装有密封圈，防止中间环形槽内的压力油液泄漏到锥形腔内。

如上所述的一种三自由度、双层油膜式球铰，其小半球中心圆柱孔上设有3道环形槽，中间的环形槽与芯轴油路接通，其左右两侧的环形槽内安装有密封圈，防止中间环形槽内的压力油液泄漏到锥形腔和背腔内。

如上所述的一种三自由度、双层油膜式球铰，其在大半球端部设有环形槽，其内安装有O型密封圈，防止背腔内的油液外泄。

如上所述的一种三自由度、双层油膜式球铰，其在芯轴与球窝端部接触处设有密封圈，以进一步防止球窝油液外泄。

本发明的效果在于：

本发明的三自由度、双层油膜式球铰可替代普通的机械球形轴承，由于利用静压支承技术在转动副球形表面上形成薄层高压油膜，从而消除连接间隙和降低球面副间转动摩擦力，提高轴承的整体连接刚度和使用寿命。

本发明所述的三自由度、双层油膜式球铰具有三个转动自由度，通过两个轴承成对使用，可获得五个自由度，满足各种多维运动的空间解耦要求。每个轴承转动副具有内外两层压力油膜，每层油膜轴对称设有若干个面积相同的进油槽，通过每个进油槽入口设有的节流器串联压力反馈调节作用，使轴承球面副间各点均建立稳定工作的油膜，防止由球面加工精度等原因产生的球面副间油膜建立不完整；而且通过节流器的压力调节作用，使油膜的液压支承力可随外载荷作用而自行调节，其工作时载荷变化引起油膜厚度的改变，通过节流器的压力反馈作用，调节油槽内油液压力以适应外载荷的变化。

本发明所述的三自由度、双层油膜式球铰，其通过芯轴内设供油路实现了外层油膜的供油。且内侧油膜球面副间的动密封采用O型圈+减磨圈的密封方式，减少了密封圈产生的球面转动力矩，并在密封圈前设有回油槽，降低了动密封压力，改善了密封效果。

本发明所述的三自由度、双层油膜式球铰主要应用于多维振动、结构疲劳试验及其它低摩擦角运动的场合。由于在球面副表面附有压力油膜，使本发明机构相比普通机械球铰，具有连接刚度大、转动副摩擦力小、寿命长等显著优势；在应用时可成对使用，获得具有五个自由度的连接机构，其应用于多维振动用以连接激励源和台面，可有效提高多维振动动态响应频宽。本发明通过对接形成的五自由度连接机构相比于发明专利《双向承载五自由度静压球形轴承》(申请号：200810088894.9)，在方案上具有原理性本质区别，因其两侧球铰副各自独立，分别具有各自的芯轴，有效消除两侧球铰副间油膜支承力的耦合作用，从而解决球铰油膜建立难问题，同时提高整个机构的连接刚度。

附图说明

图1为三自由度、双层油膜式球铰右侧视图；

图2为沿图1所示B-B方向旋转剖视图；

图3为沿图1所示A-A方向剖视图；

图4为沿图1所示C-C方向旋转剖视图；

图5为三自由度、双层油膜式球铰左侧视图；

图6为球窝凹球面上设有的油槽结构示意图(以4个为例)；

图7为小半球凸球面上设有的油槽结构示意图(以4个为例)；

图8为两个三自由度、双层油膜式球铰对接使用结构示意图；

图中：1.大半球；2.球窝；3.球窝节流器；4.芯轴；5.盖板；6.小半球；7.小半球节流器；8.芯轴堵头；9.O型密封圈+减磨圈；10.堵头；11.进油接管嘴；12.O型密封圈；13.芯轴油路；14.锥形腔；15.球窝油槽；16.小半球油槽；17.背腔；18.油路；19.油路；20.回油接管嘴；21.油路；22.油路；23.O型密封圈；24.密封圈。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明所述的三自由度、双层油膜式球铰作进一步描述。

如图1～图5所示，本发明所述的三自由度、双层油膜式球铰，它包括一个外形呈带凸缘的圆柱体、一侧端面内凹形成球面的球窝2，在球窝2柱面中部的横截面不同切线方向分别设有进油接管嘴11和回油接管嘴20。在球窝2的内凹球面内设有大半球1，大半球1内设有小半球6，大半球1的外凸球面与球窝2的内凹球面相配合形成内侧液压支承面；大半球1的内凹球面与小半球6的外凸球面相配合形成外侧液压支承面，大半球1的端面上通过螺钉连接有盖板5。

芯轴4分别穿过球窝2、大半球1及小半球6的中心处圆孔，将球窝2、大半球1及小半球6安装连接在一起，使大半球1可绕芯轴4偏转一定角度；小半球6和球窝2不可绕芯轴偏转。

如图6所示，在球窝2的内凹球面上可对称设有若干个面积相同轴对称布置的球窝油槽15(图中以4个为例)，每个球窝油槽15均通过油路21与进油接管嘴11连通，在每个球窝油槽15的进油口均安装有球窝节流器3。

如图2～图4所示，工作时，高压油液通过进油接管嘴11、油路21，分别经各自球窝节流器3进入球窝油槽15内，全部油液经由球窝2和大半球1之间的球面缝隙，一路经球面缝隙、环形槽19及油路22与回油接管嘴20接通，一路经球面缝隙、锥形腔14、油路22与回油接管嘴20接通。

如图7所示，在小半球6的外凸球面上可对称设有若干个面积相同轴对称布置的小半球油槽16(图中以4个为例)，每个小半球油槽16均与芯轴4上设置的油路13连通，在每个小半球油槽16的进油口均安装有小半球节流器7。

如图2和图3所示，工作时，高压液压油通过进油接管嘴11油路21进入油路13，分别经小半球节流器7进入小半球油槽16内，后经由小半球6和大半球1之间的球面缝隙，一路经球面缝隙到达背腔17内，经油路18到达锥形腔14内，一路经球面缝隙直接到达锥形腔14。

如图2所示，所述的球窝节流器3和小半球节流器7中部设有过油的节流小细孔，前段外表面为光滑圆柱面，圆柱面上开有环形槽，用以放置O密封圈，圆柱面和密封圈通过与球窝2和小半球6上的光滑圆柱内孔配合，形成密封带，流向油槽的油液均经过节流器3或7；球窝节流器3和小半球节流器7后段外表面为螺纹，用以将节流器连接在球窝2和小半球6的油路上。

如图2所示，在球窝2凹球面内表面设有环形槽，槽内安装有O型密封圈和减磨圈9，用以密封球窝2和大半球1之间的油液，防止油液外泄污染环境和周边仪器设备；

如图2或图3所示，球窝2中心圆柱孔上设有3道环形槽，中间的环形槽与芯轴油路13及进油接管嘴11接通，其左右两侧的环形槽内安装有密封圈，防止中间环形槽内的压力油液泄漏到锥形腔14内。

如图2或图3所示，小半球6中心圆柱孔上设有3道环形槽，中间的环形槽与芯轴油路13接通，其左右两侧的环形槽内安装有密封圈，防止中间环形槽内的压力油液泄漏到锥形腔14和背腔17内。

如图3所示，在大半球1端部设有环形槽，其内安装有O型密封圈23，防止背腔17内的油液外泄。

如图3所示，芯轴4与球窝2端部接触处设有密封圈24，以进一步防止球窝油液外泄。

如图8所示，本发明所述的三自由度、双层油膜式球铰通过成对使用，可获得具有五个自由度机构。

本发明所述的三自由度、双层油膜式球铰，工作时压力油液通过进油接管嘴11进入球窝2，油路分成两路，一路经球窝2上的球窝节流器3进入球窝油槽15内，另一路经芯轴内油路13、小半球节流器7进入小半球油槽16内，由于球面缝隙的阻尼作用，在内外2层油槽16和15内充满压力油液，其克服芯轴4预紧力后，使芯轴4产生弹性变形，液压支承力和芯轴4弹性回复力平衡达到稳态，在大半球1内外球表面上形成完整的油膜，从而消除大半球1转动时的机械摩擦力及用压力油液填充了球面连接缝隙，使球铰具有传递刚度大，摩擦力小、工作寿命长等优点。作为多维振动连接激励源和台面的连接件，满足空间解耦要求，满足高响应振动时对轴承的高刚度要求，是高响应多维振动的关键技术之一。

本发明所述的三自由度、双层油膜式球铰，当有外负载通过盖板直接作用在大半球上时，如有拉力载荷，会引起大半球和小半球球面之间缝隙变小，流经该缝隙的流量变小，通过油槽前节流器的调节作用，使小半球的油槽内压力升高，从而该层油膜对大半球的液压支承力增加；同时，大半球和球窝之间缝隙变大，使球窝侧的液压支承力变小；大半球两侧油膜液压支承力由原来平衡状态，作用在大半球外侧油膜压力增加而内侧油膜压力减小，液压支承力同外载荷拉力平衡。反之同理，受到压力载荷时也一样相反达到平衡。

本发明的三自由度、双层油膜式球铰可替代普通的机械球形轴承，由于利用静压支承技术在转动副球形表面上形成薄层高压油膜，从而消除连接间隙和降低球面副间转动摩擦力，提高轴承的整体连接刚度和使用寿命；而普通的机械球铰若提高连接刚度需加大连接轴的预紧力，会导致球面间的转动摩擦力过大，球副转动摩擦力矩过大会增加相交轴方向振动的负载，且高频振动时摩擦会引起球面过度磨损或烧蚀，导致其球铰副使用寿命极低。

本发明所述的静压球形轴承，其油路设计独特之处在于通过芯轴内设供油路实现了外层油膜的供油。且内侧油膜球面副间的动密封采用O型圈+减磨圈的密封方式，减少了密封圈产生的球面转动力矩，并在密封圈前设有回油孔，降低了动密封压力。在结构上，可通过拆换盖板以适应对外连接机械接口的变化，且每个油槽设工艺油路，可与压力传感器连通，便于油槽内压力测量。

Claims (7)

1.一种三自由度、双层油膜式球铰，其特征在于：它包括

一个外形呈带凸缘的圆柱体、一端面内凹形成球面的球窝(2)，在球窝(2)柱面中部的横截面不同切线方向分别设有进油接管嘴(11)和回油接管嘴(20)；

在球窝(2)的内凹球面内设有大半球(1)，大半球(1)内设有小半球(6)，大半球(1)的外凸球面与球窝(2)的内凹球面相配合形成内侧液压支承面；大半球(1)的内凹球面与小半球(6)的外凸球面相配合形成外侧液压支承面，大半球(1)的端面安装有盖板(5)；盖板(5)与大半球(1)、小半球(6)之间形成背腔(17)；

芯轴(4)分别穿过球窝(2)、大半球(1)及小半球(6)的中心处圆孔，将球窝(2)、大半球(1)及小半球(6)安装连接在一起，使大半球(1)可绕芯轴(4)偏转一定角度；大半球(1)中心处圆孔与芯轴(4)之间形成锥形腔(14)；

在球窝(2)的凹球面上设有若干个面积相同轴对称布置的球窝油槽(15)，每个球窝油槽(15)均通过油路(21)与进油接管嘴(11)连通，在每个球窝油槽(15)的进油口均安装有球窝节流器(3)；

在小半球(6)的凸球面上设有若干个面积相同的轴对称布置的小半球油槽(16)，每个小半球油槽(16)均与芯轴(4)内所设的芯轴油路(13)连通，在每个小半球油槽(16)的油路入口均安装有小半球节流器(7)。

2.根据权利要求1所述的一种三自由度、双层油膜式球铰，其特征在于：所述的球窝节流器(3)和小半球节流器(7)中部均设有过油的节流小细孔，球窝节流器(3)和小半球节流器(7)前段外表面为光滑圆柱面，圆柱面上开有环形槽，用以放置O密封圈，圆柱面和O密封圈通过与球窝(2)或小半球(6)上的光滑圆柱内孔配合，形成密封带；球窝节流器(3)和小半球节流器(7)后段外表面为螺纹，用以将其连接在球窝(2)或小半球(6)的油路上。

3.根据权利要求1或2所述的一种三自由度、双层油膜式球铰，其特征在于：在球窝(2)凹球面内表面设有环形槽，槽内安装有O型密封圈和减磨圈(9)。

4.根据权利要求1或2所述的一种三自由度、双层油膜式球铰，其特征在于：在球窝(2)中心圆柱孔上设有3道环形槽，中间的环形槽与芯轴油路(13)及进油接管嘴(11)接通，其左右两侧的环形槽内安装有密封圈，防止中间环形槽内的压力油液泄漏到锥形腔(14)内。

5.根据权利要求1或2所述的一种三自由度、双层油膜式球铰，其特征在于：小半球(6)中心圆柱孔上设有3道环形槽，中间的环形槽与芯轴油路(13)接通，其左右两侧的环形槽内安装有密封圈，防止中间环形槽内的压力油液泄漏到锥形腔(14)和背腔(17)内。

6.根据权利要求1或2所述的一种三自由度、双层油膜式球铰，其特征在于：在大半球(1)端部设有环形槽，其内安装有O型密封圈(23)，防止背腔(17)内的油液外泄。

7.根据权利要求1或2所述的一种三自由度、双层油膜式球铰，其特征在于：在芯轴(4)与球窝(2)端部接触处设有密封圈(24)，以进一步防止球窝油液外泄。

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