CN109751087A - 径向活塞式马达 - Google Patents

Abstract

一种径向活塞式马达包括：包括周向设置的凸角（10）的凸轮主体（13）；以及相对于所述凸轮主体（13）可旋转且具有周向设置的活塞（4、5）的工作构件，其中活塞（4、5）的数量和凸角（10）的数量使1作为唯一公因子并且所述数量彼此不同，每个凸角（10）包括用于径向向外引导活塞（5）的凸轮区段（12），并且每个凸轮区段（12）包括：被构造成在恒定旋转速度的情况下使得接合活塞（5）径向减速的减速段（12a）；以及被构造成在恒定旋转速度的情况下使得接合活塞（5）径向加速的加速段（12b），其中所述减速段（12a）小于所述加速段（12b）。

Description

径向活塞式马达

技术领域

本发明涉及径向活塞式马达。

背景技术

径向活塞式马达将液压压力转换成旋转并且包括工作构件和凸轮主体。工作构件包括被设置在周向方向上的液压驱动活塞的阵列，其经由凸轮从动件（例如辊）与凸轮主体接合，该凸轮主体包括被设置在周向方向上并形成凸轮轮廓的凸角阵列。当液压压力以定时方式抵靠凸轮轮廓径向向外推动凸轮从动件时，产生接触力，从而导致活塞通过凸轮轮廓并且工作构件相对地旋转。在本申请中，术语“通过凸轮轮廓的一区段”应该被理解为意味着与该区段一致，可选地与该区段接触。

已知提供偶数数量的活塞和凸角两者，例如八个活塞和六个凸角，或者替代性地九个活塞和六个凸角。这两种情况下（其能够被分别简称为8P6L和9P6L）是活塞数量和凸角数据具有大于1的公因子（8P6L为2并且9P6L为3）的两个示例。在前一情况下，因为2是公因子，所以随着工作构件相对于凸轮主体旋转，每个具体活塞通过与另一活塞相同的凸轮轮廓区段（在此该另一活塞位于与该具体活塞相对的180度处）。换言之，两个活塞在凸轮轮廓的相同形状的区段上活动。凸角的数量等于每个活塞回转的行程数量。

DE1007707B和GB938746各自公开了具有活塞和凸角的径向活塞式马达，其中活塞的数量和凸角的数量使1作为唯一公因子并且数量彼此不同。

发明内容

本发明的目标是提供一种径向活塞式马达，其针对给定功率密度具有改善的马达寿命并且能够降低转矩脉动（ripple）。该目标通过权利要求1的主题来实现。有利的进一步扩展是从属权利要求的主题。

根据本发明的径向活塞式马达包括：凸轮主体，其包括周向设置的凸角；以及工作构件，其相对于凸轮主体可旋转并且被设置在凸轮主体内侧，并具有周向设置的活塞，其中活塞的数量和凸角的数量使1作为唯一公因子并且所述数量彼此不同；每个凸角包括用于径向向外引导活塞的第一凸轮区段，并且每个凸轮区段包括：减速段，其被构造成在恒定旋转速度的情况下使得接合活塞（与减速段接合的活塞）减速；以及加速段，其被构造成在恒定旋转速度的情况下使得接合活塞（与加速段接合的活塞）加速，其中减速段小于加速段。

因此，活塞的数量不同于凸角的数量，以致指定的数量仅使1作为公因子，其中凸轮曲线被选择成具有小于第二角度（恒定马达速度下的活塞加速段）的第一角度（恒定马达速度下的活塞减速段）。

因为活塞的数量不同于凸角的数量并且1是唯一公因子，所以在整个旋转期间在任意情况下活塞与凸轮轮廓的不同部分一致（位于其内）。换言之，所有活塞作用在凸轮轮廓的不同区段上，所以活塞不会同时接收相同的摩擦负载分布。减少了转矩脉动，其是工作构件相对于凸轮主体的每次回转期间的不期望的转矩变化。

另外，因为减速段小于加速段，所以凸轮轮廓的凸形区段的曲率半径增加，这会减小给定接触力的接触压力，且/或凸轮轮廓的凹形区段的曲率半径减小，这也会减小给定接触力的接触压力。针对给定功率密度的马达寿命能够增加。替代性地，在维持马达寿命的同时能够增加功率密度（例如通过增加凸角深度）。此外，降低了在工作构件相对于凸轮主体旋转期间一个以上的活塞同时通过减速段的可能性，因此能够进一步减少转矩脉动。

每个凸角可以优选地包括用于径向向内引导活塞的第二凸轮区段，并且进一步优选地，第一和第二凸轮区段可以在每个凸轮区段的一个或两个端部处彼此直接连结。替代性地或者此外，第一凸轮区段可以具有彼此相同的凸轮轮廓。替代性地或者此外，第二凸轮区段可以具有彼此相同的凸轮轮廓，这可以进一步优选地是第一凸轮区段的凸轮轮廓的镜像图像。

根据本发明的径向活塞式马达可以优选地具有减小的位移模式（其中一个或更多个活塞缩回（关停））；当活塞从其缩回状态返回到其正常（即凸轮接触）状态时能够实现本发明的优点。

径向活塞式马达的凸轮主体可以优选地例如通过被固定到壳体而被限制以免旋转。

进一步优选地，活塞可以被构造成借助于凸轮辊接触凸轮区段。

径向活塞式马达可以优选地被构造成具有使得恰好一个活塞位于减速段内的至少一个旋转位置。旋转位置被理解为意味着在工作构件和凸轮主体之间的相对取向。换言之，随着马达旋转存在使得恰好一个活塞在其减速段中在凸轮轨迹的向外区段下方的至少一点。高接触压力能够发生在减速段中，并且当许多活塞同时到达减速段时加重了转矩脉动，但是转矩脉动能够保持较低，因为减速段中的辊的数量在所述旋转位置处恰好为一。进一步改善了功率密度和马达寿命之间的上述关系。

径向活塞式马达可以优选地设置为使得在任意旋转角度处最多一个活塞位于减速段内。因为高接触压力能够发生在减速段中，所以能够进一步减少通过与减速段一致的任意活塞加重的任何转矩脉动。进一步改善了功率密度和马达寿命之间的上述关系。

因此转矩脉动由于下述彼此协作的因素而被进一步减小：存在使得恰好一个活塞位于减速段内的至少一个旋转位置，减速段内的接触压力减小；并且加速段内的接触压力减小。

径向活塞式马达可以优选地被构造成具有使得恰好一个活塞与减速段接合的至少一个旋转位置。此外，径向活塞式马达可以优选地被构造成具有使得在工作构件相对于凸轮主体以恒定速度旋转时恰好一个径向向外移动的活塞正径向减速的至少一个旋转位置。在每种情况下均进一步减小了转矩脉动。在每种情况下均进一步改善了功率密度和马达寿命之间的上述关系。

优选地，径向活塞式马达可以设置为使得在任意旋转角度处最多一个活塞与减速段接合。此外，径向活塞式马达可以优选地被构造成使得在工作构件相对于凸轮主体以恒定速度旋转时至多一个径向向外移动的活塞正减速。在每种情况下均进一步减小了转矩脉动。在每种情况下均进一步改善了功率密度和马达寿命之间的上述关系。

在优选实施例中，径向活塞式马达可以额外地或替代性地具有与凸轮数量相差1的活塞数量。因此，凸轮数量和活塞数量相对于彼此能够保持较高。转动力和接触压力分布在大量活塞和凸角中；能够进一步减小转矩脉动并改善在马达寿命和功率密度之间的上述关系。

在另一优选实施例中，径向活塞式马达可以额外地或替代性地设置为使得活塞数量或凸角数量任一者是质数。换言之，活塞数量和凸角数量两者并不都是质数。因此，能够实现具有简单几何构型的使1作为唯一公因子的径向活塞式马达，这有助于其生产的各方面，例如制造、组装和检测。

在另一优选实施例中，工作构件可以额外地或替代性地包括至少八个（优选地八个）活塞。当活塞数量大于七时，实现了在转矩脉动、功率密度和零件计数之间的有利关系。当活塞数量是八时尤其实现所述优点。

附图说明

借助于示意性附图在下文中更详细地解释了本发明的优选示例性实施例，其中使用相似的附图标记来表示相似的元件，并且其中：

图1示意性示出了根据示例性实施例的径向活塞式马达；

图2示意性示出了图1的径向活塞式马达的一部分；

图3示出了代表根据示例性实施例的径向活塞式马达中的活塞的径向速度与旋转角度的关系的图表。

具体实施方式

图1以示意性形式示出了根据示例性实施例的径向活塞式马达，其包括凸轮主体13和工作构件。

凸轮主体13大体上是圆柱形的并且包括在周向方向上设置的（在周向方向上设置成图案的）（优选地等距的）六个凸角10。凸角形成一系列凸轮区段11、12，其中每个凸角包括向内凸轮区段11和向外凸轮区段12，二者均在下文被进一步更详细地描述。凸角形成凸轮轮廓。凸轮主体13优选地被约束以避免旋转，例如通过被固定到壳体（未示出）。

工作构件被凸轮主体13围绕并且相对于凸轮主体13可旋转，例如通过借助于一个或更多个轴承被附接到凸轮主体13。工作构件包括七个径向致动活塞1-7，其在被设置在周向方向上（即径向致动活塞在周向方向上被设置成图案）的（优选地等距的）相应气缸内往复。工作构件被构造成使得使用流体加压气缸会径向向外驱动相应活塞。

活塞1-7被构造成通过经由凸轮辊接触凸角的凸轮轮廓来与凸角接合，其中针对每个凸轮提供一个凸轮辊。每个活塞1-7在图1中由其相应凸轮辊表示。在下文中，“接触压力”应该被理解成意味着在相应凸轮辊和凸轮轮廓之间的表面压力。为了简化图1的图示，未示出工作构件的其它部分（例如气缸和/或气缸缸体）。

通过对每个气缸进行适当定时的加压和减压，随着相应活塞通过向外凸轮区段，其被径向向外驱动，以便接合凸轮区段12（经由凸轮辊接触该凸轮区段12），并且随着活塞通过向内凸轮区段11，其不被驱动。产生的转动力导致工作构件相对于凸轮主体13旋转。

在图1中，工作构件应该理解为相对于静止凸轮主体13顺时针旋转。

向内凸轮区段11是随着其在旋转方向上周向延伸而径向向内延伸的凸轮区段，即其中从轴线到向内凸轮区段11上的假想点的径向距离随着该点在旋转方向上沿凸轮区段移动而减小；换言之，向内凸轮区段11被构造成使得随着工作构件旋转，与向内凸轮区段11接触的活塞将在径向方向上向内移动。向内凸轮区段11共享共同的轮廓。

向外凸轮区段12是随着其在旋转方向上周向延伸而径向向外延伸的凸轮区段，即其中从轴线到向外凸轮区段12上的假想点的径向距离随着该点在旋转方向上沿凸轮区段移动而增大；换言之，向外凸轮区段12被构造成使得随着工作构件旋转，与向外凸轮区段12接触的活塞将在径向方向上向外移动。向外凸轮区段12共享共同的轮廓，该轮廓可以与向内凸轮区段11的轮廓对称地对应（可以是其镜像图像）。

当前示例性实施例包括七个活塞1-7和六个凸角的设置。随着工作构件旋转，在工作构件相对于凸轮主体13的任意角度位置处，活塞1-7位于凸轮轮廓的不同部分内。例如活塞3位于凸轮区段的与活塞6不同的部分内，因为活塞3位于向内凸轮区段11下方，而活塞6位于向外凸轮区段12下方，以致活塞3径向向内移动而活塞6径向向外移动。作为另一示例，活塞5位于向外凸轮区段12中，而活塞6位于另一向外凸轮区段12中，但是位于向外凸轮区段的共同的凸轮轮廓的不同部分上。因此，活塞1-7位于向内凸轮区段11的不同部分内，并且位于向外凸轮区段12的不同部分内。

活塞的数量和凸角的数量使1作为唯一公因子（common factor）。活塞的数量和凸角的数量彼此不同，具体地差为1。

图2示意性示出了图1的径向活塞式马达的一部分，该部分是围绕活塞5的区域。下文的描述应用于当前示例性实施例的凸轮主体13的所有凸角10。

向外凸轮区段12包括由角度范围b限定的加速段12b，其中随着加速段12b上的假想点沿加速段12b在旋转方向上以恒定旋转速度移动，从轴线到该点的径向距离以增加的速率增大；换言之，加速段12b被构造成使得随着工作构件以恒定速度旋转，与加速段12b接触的活塞将以加速速率在径向方向上向外移动。

向外凸轮区段12包括由角度范围a限定的减速段12a，其中随着减速段12a上的假想点沿减速段12a在旋转方向上以恒定旋转速度移动，从轴线到该点的径向距离以减小的速率增大；换言之，减速段12a被构造成使得随着工作构件以恒定速度旋转，与减速段12a接触的活塞将以减速速率在径向方向上向外移动。

如从图2能够看出的，减速段12a被制成为小于加速段12b（a<b）。因此，相比于凸形和凹形部分的角度范围相等的示例，凸轮轮廓的每个凸形区段的角度范围相对增加，而凸轮轮廓的每个凹形区段的角度范围相对减小。

图3示出了代表随着活塞（这里示例性地使用活塞5）通过（跨过）凸角10活塞5的径向速度Vout与活塞5的旋转角度θ的关系的图表。相对于其相应气缸测量活塞的径向速度。正速度值代表活塞5的径向向外移动，而负速度值代表活塞5的径向向内移动。活塞5的旋转角度θ是在活塞5的凸轮辊和凸角1之间的接触点的角度位置并且被表示在x-轴线上。x-轴线的原点被限定在图2中的竖直线上，其是凸角10的向外凸轮区段12和相邻凸角的向内凸轮区段11之间的边界。活塞5沿着向外凸轮区段12顺时针背离x-轴线的原点（即图3中向左）移动。因此活塞已经经过加速段12b并且正经过凸角10的向外凸轮区段12的减速段12a。

如从图3中能够看到的，角度范围a（减速段12a）中的曲线的梯度（代表径向方向上的加速或减速）小于角度范围b（加速段12b）中的曲线的梯度，并且角度a小于角度b。梯度在加速段12b和减速段12a之间的边界处是零。图2和图3中以虚线示出边界。因此在加速段12b中的凸轮轮廓的最大曲率半径大于减速段12b中的凸轮轮廓的最大曲率半径。

当前示例性实施例具有下列优点。

因为活塞的数量和凸角的数量使1作为唯一公因子，所以在旋转期间在任意情况下活塞1-7与凸轮轮廓的不同部分一致（位于其内），并且活塞1-7接收由于与凸轮区段接触导致的不同摩擦负载。因为不同凸轮斜角能够导致不同的摩擦量，所以相比于在旋转期间在任意情况下两个或更多个活塞与凸轮区段的相同形状一致（位于其内）的布置，减小了特别是低速时的任意转矩变化（转矩脉动）。例如当2或3是公因子时能够发生该比较示例。因此两个（或三个，取决于公因子）活塞将同时遇到凸轮轮廓的不利区段，该区段是导致较高接触应力的区段。能够产生大的转矩脉动效果。当唯一公因子是1时，仅单个活塞将遇到凸轮的不利区段并且因此减小了转矩脉动并增加了最小转矩。

此外，因为唯一公因子是1，所以关于功率密度和马达寿命性能能够产生凸轮轮廓的更有利设计。例如，在本示例性实施例的向外凸轮12中，减速段12a被制成为小于加速段12b（a<b）。这意味着在凸形凸轮区段上（例如在向外凸轮区段12中）的曲率半径增加，这进而减小了由于活塞被驱动抵靠凸轮表面所导致的针对给定接触力的接触压力。凹形区段上的（例如在向外凸轮区段12中）曲率半径的对应减小也减小了接触压力。接触压力的减少具有增加马达寿命的效果。替代性地，对于给定马达寿命，可以通过增加凸角10的深度或数量来实现功率密度的增加。换言之，改善了马达寿命和功率密度之间的关系。这对于低速应用（例如不需要具有双速度功能的回转马达（slew motor））是特别有利的。

活塞的数量与凸角的数量的差是1。差为1允许活塞和凸角相对于彼此具有较大数量，这会减少转矩脉动并且改善功率密度和马达寿命之间的关系。

此外，当径向活塞式马达具有使得恰一个活塞位于减速段的至少一个位置时，能够减少转矩脉冲，这是因为会发生多个活塞同时进入减速段，并且/或者能够减少同时进入减速段的活塞的数量。

本发明不限于七个活塞和六个凸角的设置。凸角和活塞可以是任意数量，只要凸角的数量与活塞的数量不同并且这两个数量之间的唯一公因子是1。优选地八个或更多个活塞（进一步优选地是八个）提供在马达寿命、功率输出和构造简化（具体地零件计数）之间的有利关系。

根据本发明的径向活塞式马达可以优选地具有减小的位移模式（其中一个或更多个活塞缩回（关停（turn off）））。也就是说，一个或更多个活塞不再随凸轮区段移动进出。例如，可以提供单个活塞来进行凸轮接触，以便当其它活塞处于其缩回状态（但是如果它们凸轮接触的话，将不与所述单个活塞同时减速）时在该单个活塞向外移动的同时减速。当活塞从其缩回状态返回到其正常操作（即凸轮接触）状态时仍能够实现上述优点。

本发明不限于包括凸轮辊。代替凸轮辊，活塞能够直接接触凸轮轮廓。

公开了一种径向活塞式马达，其包括凸轮主体和在凸轮主体内侧相对于凸轮主体可旋转的工作构件。凸轮主体包括在周向方向上设置的凸角。工作构件包括在周向方向上设置的活塞。每个凸角包括被构造成接合活塞的凸轮区段，其包括向外凸轮区段。每个向外凸轮区段包括第一角度范围和第二角度范围，在第一角度范围内活塞以恒定马达速度减速，在第二角度范围内活塞以恒定马达速度加速；第一角度范围小于第二角度范围。活塞的数量和凸角的数量使1作为唯一公因子并且所述数量彼此不同。径向活塞式马达可以被构造成在其旋转时具有至少一个点，使得在所述至少一个点处恰好一个活塞行进成在整个旋转期间在任意时刻与第一角度范围一致（或位于其内）。

附图标记

1至7 活塞

10 凸角

11 向内凸轮区段

12 向外凸轮区段

12a 减速段

12b 加速段

13 凸轮主体

a 减速段的角度范围

b 加速段的角度范围

θ 活塞的旋转角度

Claims (7)

1. 一种径向活塞式马达，包括：

凸轮主体（13），所述凸轮主体（13）包括周向设置的凸角（10）；以及

工作构件，所述工作构件能够相对于所述凸轮主体（13）旋转且被设置在所述凸轮主体（13）内侧，并且所述工作构件包括周向设置的活塞（1至7），其中

活塞（1至7）的数量和凸角（10）的数量使1作为唯一公因子并且所述数量彼此不同，

每个凸角包括用于径向向外引导活塞的凸轮区段（12），并且

每个凸轮区段（12）包括：

减速段（12a），所述减速段（12a）被构造成在恒定旋转速度的情况下使得接合活塞径向减速；以及

加速段（12b），所述加速段（12b）被构造成在恒定旋转速度的情况下使得接合活塞径向加速，其特征在于：

所述减速段（12a）小于所述加速段（12b）。

2.根据权利要求1所述的径向活塞式马达，其被构造成具有使得恰好一个活塞（5）位于减速段（12a）内的至少一个旋转位置。

3.根据权利要求2所述的径向活塞式马达，其被构造成具有使得恰好一个活塞（5）与减速段（12a）接合的至少一个旋转位置。

4.根据前述权利要求中任一项所述的径向活塞式马达，当所述工作构件相对于所述凸轮主体（13）以恒定速度旋转时，所述径向活塞式马达被构造成具有使得恰好一个径向向外移动的活塞（5）径向减速的至少一个旋转位置。

5.根据前述权利要求中任一项所述的径向活塞式马达，其中，活塞（1至7）的数量与凸角（10）的数量的差是1。

6.根据前述权利要求中任一项所述的径向活塞式马达，其中，活塞（1至7）的数量或凸角（10）的数量中的任一者是质数。

7.根据前述权利要求中任一项所述的径向活塞式马达，包括八个或更多个活塞。