CN109424681B - 用于液压缸的混合弹簧 - Google Patents

Abstract

一种活塞缸组件包括限定壳体腔室的壳体、由壳体可移动地支撑的活塞以及连接在壳体和活塞之间的弹簧回程组件。供应到壳体腔室的流体可操作以使活塞伸出壳体，并且弹簧回程组件可操作以使活塞缩回到壳体中。弹簧回程组件包括一端连接到壳体并具有相对端的第一弹簧构件。第一弹簧构件可操作以施加第一弹簧力。第二弹簧构件在一端连接到活塞并具有相反的端部。第二弹簧构件可操作以施加第二弹簧力。第一弹簧构件和第二弹簧构件中的每一个的相对端相互协作以串联地施加第一弹簧力和第二弹簧力。

Description

用于液压缸的混合弹簧

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年9月1日提交的申请号为62/553,338的美国临时专利申请的优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及一种液压缸组件，且更特别地，涉及一种用于单作用液压缸组件中的弹簧机构。

发明内容

在一个独立的方面中，活塞缸组件通常可包括：限定壳体腔室的壳体；由壳体可移动地支撑的活塞，供应到壳体腔室的流体施加流体力以使该活塞伸出壳体；以及弹簧回程组件，其连接在壳体和活塞之间，并且可进行操作以施加弹簧力来使活塞缩回到壳体中。弹簧回程组件可包括第一弹簧构件和第二弹簧构件，其中第一弹簧构件的一端连接到壳体并具有相对端，该第一弹簧构件可操作以施加第一弹簧力，并且第二弹簧构件的一端连接到活塞并具有相对端，该第二弹簧构件可操作以施加第二弹簧力，第一弹簧构件和第二弹簧构件中的每一个的相对端相互协作以串联地施加第一弹簧力和第二弹簧力。

在另一个独立的方面中，可提供一种用于活塞缸组件的弹簧回程组件。该活塞缸组件可包括：限定壳体腔室的壳体和由壳体可移动地支撑的活塞，供应到壳体腔室的流体施加流体力以使活塞伸出壳体。弹簧回程组件通常可包括：一端可连接到壳体并具有相对端的拉伸弹簧，该拉伸弹簧可操作以施加第一弹簧力；以及一端可连接到活塞并具有相对端的压缩弹簧，该压缩弹簧可操作以施加第二弹簧力，拉伸弹簧和压缩弹簧中的每一个的相对端相互协作以串联地施加第一弹簧力和第二弹簧力，以使活塞缩回到壳体中。

在另一个独立的方面中，可提供一种操作活塞缸组件的方法。活塞缸组件可包括限定壳体腔室的壳体、由壳体可移动地支撑的活塞以及弹簧回程组件，该弹簧回程组件包括拉伸弹簧和压缩弹簧，拉伸弹簧的一端连接到壳体，该拉伸弹簧可操作以施加第一弹簧力，并且压缩弹簧的一端连接到活塞，该压缩弹簧可操作以施加第二弹簧力。该方法通常可包括：向壳体腔室供应流体以向活塞施加流体力以使活塞伸出壳体；向活塞施加弹簧回程力，该弹簧回程力包括串联的第一弹簧力和第二弹簧力；并且当弹簧回程组件的弹簧回程力大于流体力时，将活塞缩回到壳体中。

通过考虑详细描述、权利要求和附图，本发明其它独立的方面将变得显而易见。

附图说明

图1是活塞和缸组件的立体图。

图2是大致沿图1中的线2-2截取的组件的横截面图，示出了处于缩回位置的组件。

图3是组件的另一横截面图，示出了处于初始伸出位置的组件。

图4是组件的另一横截面图，示出了处于进一步伸出位置的组件。

图5是组件的另一横截面图，示出了处于完全伸出位置的组件。

图6是将现有活塞和缸组件与图1的组件在柱塞行程上的弹簧力进行比较的曲线图。

具体实施方式

在详细说明本发明的任何独立的实施例之前，应当理解的是，本发明的应用不限于在以下描述中阐述的或在以下附图中示出的部件的构造和布置的细节。本发明能够具有其它独立的实施例并且能够被以各种方式实践或实施。而且，应当理解的是，本文所使用的措辞和术语是出于描述的目的，并且不应被视为限制。

本文所使用的“包括”、“包含”及其变体表示包括其后的列出项及其等同物以及增列项。本文所使用的“由……组成”及其变体表示仅包括其后的列出项及其等同物。除非另有说明或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”和“联接”及其变体在广义上使用，并且包括直接和间接安装、连接、支撑和联接。

通常，本公开涉及一种活塞缸组件的弹簧回程。弹簧回程在一个周期内施加非恒定的弹簧刚度，以便提供更大的弹簧力。

图1至图5示出了活塞和缸组件10，包括弹簧回程组件12、缸体或壳体14以及活塞或柱塞18。柱塞18可相对于壳体14移动。组件10是单作用液压缸，其中液压流体仅在第一方向上移动柱塞18。一旦柱塞18伸出，弹簧回程组件12就在与第一方向相反的第二方向上缩回柱塞18。所示的弹簧回程组件12通常在一个周期内施加非恒定的弹簧刚度，以便提供相对较大的弹簧力。

在所示的实施例中，壳体14呈圆柱形。壳体14包括上端表面22、下端表面26和在表面22、26之间延伸的侧壁30。上表面22形成到壳体腔室38的开口34。壳体腔室38基本上沿平行于侧壁30的壳体轴线40延伸穿过壳体14的长度。

壳体腔室38由侧壁30的内表面42限定。止动环46在开口34中固定至内壳体表面42，并且具有开口48。在所示的实施例中，第一或外环表面50与上壳体表面22齐平。在其它实施例(未示出)中，外环表面50可位于表面22之上或之下。第二或内环表面51与止动外环表面50相对。

壳体限定流体或压力端口52(例如，穿过侧壁30)。压力端口52靠近下壳体表面26。压力端口52在存储不可压缩的液压流体(未示出)的贮存器与壳体腔室38之间提供流体连通。

在所示的实施例中，柱塞18也呈圆柱形，并且被可移动地容纳在腔室38中，以伸出壳体14和缩回壳体14。在所示的实施例中，柱塞18的外径大约等于止动环46中的开口48的直径。柱塞18包括上柱塞表面54、下柱塞表面58和在表面54、58之间延伸的柱塞侧壁62。在所示的实施例中，下柱塞表面58限定进入柱塞腔室70的柱塞开口66。所示的柱塞腔室70基本上沿平行于壳体轴线40的柱塞轴线74延伸柱塞18的长度。

柱塞18包括从柱塞侧壁62径向延伸的凸缘71。下凸缘表面提供下柱塞表面58，上凸缘表面73与下柱塞表面58相对。凸缘71的直径约等于壳体腔室38的内径。这使得柱塞18可在壳体腔室38内移动，但有助于防止壳体腔室38中的液压流体越过凸缘71。凸缘71的直径大于止动环46的内径，以限制壳体14中柱塞18的移动。

支撑杆78连接到柱塞18，并且沿柱塞轴线74延伸，至少部分地穿过柱塞腔室70。支撑杆78的一端通过第一固定构件82(例如螺栓、螺钉或任何类似的紧固构件)连接到柱塞18。凸缘86通过第二固定构件90(例如螺栓、螺钉或任何类似的紧固构件)连接到支撑杆78的另一端。因此,支撑杆78和凸缘86相对于柱塞18固定在柱塞腔室70内。

滑动构件94被可移动地支撑在支撑杆78上。滑动构件94具有约等于支撑杆78直径的内径，使得滑动构件94受到支撑以沿支撑杆78移动。支撑杆78的外径小于柱塞腔室70的内径。

弹簧回程组件12连接在壳体14和活塞18之间，以对活塞18施加回程力。所示的组件12包括至少两个偏置构件：拉伸构件(例如，拉伸弹簧102)和压缩构件(例如，一个或多个压缩弹簧106、110)。所示的弹簧102、106、110串联连接在壳体14和活塞18之间。

在其它结构(未示出)中，组件12可包括多于或少于所示数量的弹簧102、106、110。而且，弹簧102、106、110等可以不同的方式进行布置(未示出)。

在所示的结构中，弹簧102、106、110是同心的，并且环绕在支撑杆78周围。拉伸弹簧102的一端固定到壳体14(例如，通过插入件114固定到壳体内表面46)。插入件114通过第三固定构件118(例如，螺栓、螺钉或任何类似的紧固构件)固定到壳体14，并且拉伸弹簧102螺纹连接到插入件114的外表面上。在另一端，拉伸弹簧102固定到滑动构件94(例如，螺纹连接到滑动构件94的外表面上)。拉伸弹簧的外径约等于柱塞腔室70的内径。

压缩构件(压缩弹簧106、110)位于在一端的凸缘86与在另一端的滑动构件94之间，并且处于拉伸弹簧102内。在所示的结构中，一个压缩弹簧110位于另一个压缩弹簧106内。内弹簧110的内径大于支撑杆78的直径，以允许压缩构件和支撑杆78之间的相对运动。外弹簧106的外径(以及凸缘86的另一直径的外径)小于拉伸弹簧102的内径，以允许弹簧102、106之间的相对运动(以及允许弹簧102和凸缘86之间的相对运动)。

第一压缩弹簧106和第二压缩弹簧110分别具有第一弹簧常数和第二弹簧常数，并且彼此平行。这表示当力施加到弹簧回程组件12时，第一压缩弹簧106和第二压缩弹簧110变形相同的量。拉伸弹簧102具有第三弹簧常数，并且与压缩弹簧106、110串联。弹簧102、106、110的这种布置形成了混合弹簧。

第一弹簧常数和第二弹簧常数可以形成等效弹簧常数。在所示的实施例中，等效弹簧常数大于第三弹簧常数，并且可以用于表示与拉伸弹簧102串联的等效压缩弹簧。当向弹簧回程组件12施加力时，拉伸弹簧102承受与等效压缩弹簧相同的力。

图2至图5示出了在行程循环期间柱塞18相对于壳体14伸展。

图2示出了处于缩回位置的组件10，即行程循环的初始和最终位置。在所示的缩回位置，上柱塞表面54与上壳体表面22齐平，下柱塞表面58与下腔室表面122接触。弹簧回程组件12(例如，拉伸弹簧102和压缩弹簧106、110)处于初始位置。

为了从缩回位置向伸出位置移动，液压流体通过压力端口52供应到壳体腔室38中，并且提供施加到下柱塞表面58的流体力。当流体力超过弹簧回程组件12的力时，柱塞18开始伸出壳体腔室38。

图3示出了处于初始伸出位置的组件10。在该位置，柱塞18已经开始伸出壳体腔室38，使得上柱塞表面54不再与上壳体表面22齐平，并且下柱塞表面58移动脱离与下腔室表面122的接触。

随着柱塞18移动到初始伸出位置，拉伸弹簧102沿柱塞轴线74伸展到比壳体14的长度更长的长度。在所示的弹簧回程组件12中，拉伸弹簧102是唯一变形的弹簧。因为拉伸弹簧102的弹簧常数小于等效压缩弹簧常数，所以拉伸弹簧102在压缩弹簧106、110之前变形。

在可选的实施例(未示出)中，拉伸弹簧102可具有大于等效压缩弹簧常数的弹簧常数。在这种情况下，拉伸弹簧102不会是第一个移动的弹簧。

当另外的液压流体力施加到柱塞18时，柱塞18从壳体14进一步伸展。图4示出了处于进一步伸出位置的组件10。在该位置，拉伸弹簧102继续沿柱塞轴线74变形。而且，流体力足够大，使得压缩弹簧106、110开始受到压缩。随着压缩弹簧106、110开始压缩，滑动构件94沿支撑杆78朝向凸缘86移动。

在混合弹簧的当前构造中，通过利用与压缩弹簧106、110串联的拉伸弹簧102，弹簧回程组件12中的弹簧力变成非线性。如图6所示，表示柱塞行程上的弹簧力的F_new线的斜率从初始伸出位置到进一步伸出位置比从缩回位置到初始伸出位置更浅。这是因为，当压缩弹簧106、110变形时，它们减少了拉伸弹簧102的变形量。然而，拉伸弹簧102仍然以比压缩弹簧106、110更快的速率变形。

当另外的液压流体力施加到柱塞18时，柱塞18从壳体14进一步伸展到完全伸出位置(参见图5)。在完全伸出位置，凸缘第二表面73接触内环表面51。一旦凸缘第二表面73与内环表面51接触，柱塞18就不能进一步伸出壳体腔室38。在该位置，组件10已经完成了半个周期，即周期的伸展部分。

从进一步伸出位置(图4)到完全伸出位置，只有拉伸弹簧102变形。拉伸弹簧102变形的长度大于压缩弹簧106、110的变形长度。在可选的实施例(未示出)中，压缩弹簧106、110也可以在进一步伸出位置和完全伸出位置之间变形。

为了完成行程循环，组件10返回到缩回位置(图2)。一旦弹簧回程组件12的力大于液压流体力，柱塞18和弹簧回程组件12就将开始返回到缩回位置(从图5到图2)。最初，由拉伸弹簧102提供的弹簧力的一部分将开始将柱塞18缩回到壳体腔室38中。当这种情况发生时，凸缘第一表面72将向液压流体施加力，以迫使液压流体通过压力端口52流出壳体腔室38。

一旦组件10到达进一步伸出位置(图4)，随着拉伸弹簧102继续压缩，压缩弹簧106、110就开始解压缩。然后，组件10移动到初始伸出位置(图3)，并且在该位置，压缩弹簧106、110已经返回到它们的初始位置。拉伸弹簧102继续压缩并迫使液压流体从壳体腔室38流出。一旦所有液压流体都已经离开壳体腔室38，柱塞18和弹簧回程组件12就已经返回到缩回位置(图2)，并就完成了行程循环。

图6是现有弹簧回程组件在柱塞行程上的弹簧力(F_existing)的曲线图和所示的包括弹簧回程组件12的组件10在柱塞行程上的弹簧力(F_new)的曲线图。通常，现有弹簧回程组件的力在行程长度上通常以线性方式增加。

相比之下，在缩回位置和初始伸出位置之间126，弹簧回程组件12的力F_new以比F_existing的速率更快的速率增加。一旦压缩弹簧106、110开始在初始伸出位置和进一步伸出位置130之间变形，弹簧回程组件12的力F_new的斜率比F_existing的更浅。从进一步伸出位置130到完全伸出位置134，弹簧回程组件12的力F_new的斜率返回到其原始值，该原始值大于F_existing的原始值。

在所示的结构中，组件10承受的总力和弹簧回程组件12施加的总力大于现有设计中的力。这使得柱塞18能够比现有设计中的柱塞缩回的更快。

通过在组件10中使用与拉伸弹簧102串联的一个或多个压缩弹簧106、110，需要弹簧102、106、110的位移量较小。减少所需的弹簧位移量可允许使用具有更大和更厚线圈的弹簧102、106、110；这种弹簧102、106、110可承受更大的力。弹簧承受的力越大通常会使得弹簧102、106、110返回到初始位置的时间会越短。

虽然已经参考了某些优选的结构详细描述了本发明的各个方面，但在所描述的本发明的一个或多个独立方面的范围和实质内还存在变化和修改。

本发明的一个或多个独立特征和/或独立优点可在所附权利要求中阐述。

Claims (18)

1.一种活塞缸组件，其包括：

壳体，其限定壳体腔室；

活塞，其由所述壳体可移动地支撑，提供给所述腔室的流体施加流体力以使所述活塞伸出所述壳体，其中所述活塞限定活塞腔室并且包括位于所述活塞腔室内的支撑组件，所述支撑组件包括一端连接到所述活塞并具有相对端的支撑杆、支撑在所述相对端上的凸缘以及可沿所述支撑杆移动的滑动构件；以及

弹簧回程组件，其连接在所述壳体和所述活塞之间，并且可操作以施加弹簧力以使所述活塞缩回到所述壳体中，所述弹簧回程组件包括：

第一弹簧构件，其一端连接到所述壳体并具有相对端，所述第一弹簧构件可操作以施加第一弹簧力，以及

第二弹簧构件，其一端连接到所述活塞并具有相对端，所述第二弹簧构件可操作以施加第二弹簧力，所述第一弹簧构件和所述第二弹簧构件中的每一个的相对端相互协作以串联地施加所述第一弹簧力和所述第二弹簧力。

2.根据权利要求1所述的活塞缸组件，其中所述第一弹簧构件包括拉伸弹簧。

3.根据权利要求2所述的活塞缸组件，其中所述第二弹簧构件包括压缩弹簧。

4.根据权利要求3所述的活塞缸组件，其中所述第二弹簧构件包括平行布置的一对压缩弹簧。

5.根据权利要求4所述的活塞缸组件，其中该对压缩弹簧具有大于所述拉伸弹簧的弹簧常数的等效弹簧常数。

6.根据权利要求1所述的活塞缸组件，其中所述第二弹簧构件的弹簧常数大于所述第一弹簧构件的弹簧常数。

7.根据权利要求6所述的活塞缸组件，其中所述第一弹簧构件包括拉伸弹簧，并且所述第二弹簧构件包括压缩弹簧。

8.根据权利要求1所述的活塞缸组件，其中所述第一弹簧构件的相对端连接到所述滑动构件，并且其中所述第二弹簧构件位于所述凸缘和所述滑动构件之间。

9.根据权利要求8所述的活塞缸组件，其中所述第一弹簧构件包括拉伸弹簧，并且其中所述第二弹簧构件包括压缩弹簧。

10.一种用于活塞缸组件的弹簧回程组件，所述活塞缸组件包括限定壳体腔室的壳体和由所述壳体可移动地支撑的活塞，所述活塞限定活塞腔室，供应到所述壳体腔室的流体施加流体力以使所述活塞伸出所述壳体，所述弹簧回程组件包括：

拉伸弹簧，其一端可连接到所述壳体并具有相对端，所述拉伸弹簧可操作以施加第一弹簧力；

第一压缩弹簧以及与所述第一压缩弹簧平行布置的第二压缩弹簧，所述第一压缩弹簧和第二压缩弹簧中每一个的一端都可连接到所述活塞，并且每一个都具有相对端，所述第一压缩弹簧和第二压缩弹簧可操作以施加第二弹簧力，所述拉伸弹簧和这些第一和第二压缩弹簧中的每一个的所述相对端相互协作以串联地施加所述第一弹簧力和所述第二弹簧力以使所述活塞缩回到所述壳体中，以及

位于所述活塞腔室内的支撑组件，所述支撑组件包括一端连接到所述活塞并具有相对端的支撑杆、支撑在所述相对端上的凸缘以及可沿所述支撑杆移动的滑动构件。

11.根据权利要求10所述的弹簧回程组件，其中所述第一压缩弹簧和所述第二压缩弹簧是同心的。

12.根据权利要求10所述的弹簧回程组件，其中所述第一压缩弹簧和所述第二压缩弹簧的等效弹簧常数大于所述拉伸弹簧的弹簧常数。

13.根据权利要求10所述的弹簧回程组件，其中所述拉伸弹簧的所述相对端连接到所述滑动构件，并且其中所述压缩弹簧位于所述凸缘和所述滑动构件之间。

14.根据权利要求10所述的弹簧回程组件，其中所述弹簧回程组件可操作以在所述活塞的一个周期内施加非恒定的弹簧刚度。

15.一种操作活塞缸组件的方法，所述活塞缸组件包括限定壳体腔室的壳体、由所述壳体可移动地支撑的活塞以及弹簧回程组件，其中所述活塞限定活塞腔室并包括位于所述活塞腔室内的支撑组件，所述支撑组件包括一端连接到所述活塞并具有相对端的支撑杆、支撑在所述相对端上的凸缘以及可沿所述支撑杆移动的滑动构件，所述弹簧回程组件包括拉伸弹簧和压缩弹簧，所述拉伸弹簧的一端连接到所述壳体，所述拉伸弹簧可操作以施加第一弹簧力，并且所述压缩弹簧的一端连接到所述活塞，所述压缩弹簧连接在所述凸缘和所述滑动构件之间，所述压缩弹簧可操作以施加第二弹簧力，所述方法包括：

向所述壳体腔室供应流体以向所述活塞施加流体力以使所述活塞伸出所述壳体；

朝向所述凸缘移动所述滑动构件并施加所述第二弹簧力；

向所述活塞施加弹簧回程力，所述弹簧回程力包括串联的所述第一弹簧力和所述第二弹簧力；以及

当所述弹簧回程组件的所述弹簧回程力大于所述流体力时，将所述活塞缩回到所述壳体中。

16.根据权利要求15所述的方法，其进一步包括：

将所述活塞伸展到初始伸出位置，在所述初始伸出位置，仅所述第一弹簧力被施加到所述活塞上；以及

将所述活塞伸展到完全伸出位置，在所述完全伸出位置，所述第一弹簧力和所述第二弹簧力都被施加到所述活塞上。

17.一种用于活塞缸组件的弹簧回程组件，所述活塞缸组件包括限定壳体腔室的壳体和由所述壳体可移动地支撑的活塞，供应到所述壳体腔室的流体施加流体力以使所述活塞伸出所述壳体，所述弹簧回程组件包括：

支撑组件，所述支撑组件位于所述活塞腔室内，所述支撑组件包括一端连接到所述活塞并具有相对端的支撑杆、支撑在所述相对端上的凸缘以及可沿所述支撑杆移动的滑动构件；

拉伸弹簧，其一端可连接到所述壳体并具有相对端，所述拉伸弹簧可操作以施加第一弹簧力；以及

压缩弹簧，其一端可连接到所述活塞并具有相对端，所述压缩弹簧可操作以施加第二弹簧力，所述拉伸弹簧和所述压缩弹簧中的每一个的所述相对端相互协作以串联地施加所述第一弹簧力和所述第二弹簧力以使所述活塞缩回到所述壳体中。

18.一种操作活塞缸组件的方法，所述活塞缸组件包括限定壳体腔室的壳体、由所述壳体可移动地支撑的活塞，其中所述活塞限定活塞腔室、以及弹簧回程组件，所述弹簧回程组件包括拉伸弹簧、第一压缩弹簧以及与所述第一压缩弹簧平行布置的第二压缩弹簧，所述拉伸弹簧的一端连接到所述壳体，所述拉伸弹簧可操作以施加第一弹簧力，所述第一压缩弹簧和第二压缩弹簧中每一个的一端都连接至所述活塞，这些第一和第二压缩弹簧可操作以施加第二弹簧力，所述弹簧回程组件还包括位于所述活塞腔室内的支撑组件，所述支撑组件包括一端连接到所述活塞并具有相对端的支撑杆、支撑在所述相对端上的凸缘以及可沿所述支撑杆移动的滑动构件，所述方法包括：

向所述壳体腔室供应流体以向所述活塞施加流体力以使所述活塞伸出所述壳体；

向所述活塞施加弹簧回程力，所述弹簧回程力包括串联的所述第一弹簧力和所述第二弹簧力；以及

当所述弹簧回程组件的所述弹簧回程力大于所述流体力时，将所述活塞缩回到所述壳体中。

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