CN116292496A - 一种具有缓冲机构的双作用柔性活塞气缸 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有缓冲机构的双作用柔性活塞气缸，包括缸体机构、活塞机构以及缓冲机构，缓冲机构包括与前端盖相固定的缓冲缸、置于缓冲缸内的缓冲环以及置于缓冲环内的棘轮传动环，棘轮传动环的内壁中部沿其周向设有与螺旋状凹槽相啮合的柱状凸起部，棘轮传动环的外壁上设有带动缓冲环单向转动的棘爪，所述缓冲环的外壁沿其周向设有起缓冲作用的旋转叶片，缓冲环的两端分别通过向心推力球轴承与缓冲缸转动连接。由上述技术方案可知，本发明的气缸在活塞杆向外伸出时可通过旋转叶片实现缓冲，在活塞杆向内收缩时可通过双层蒙皮的牵引实现缓冲，具有结构简单、传动精确、能量损失小等优点。
Description
技术领域
本发明涉及活塞气缸领域，具体涉及一种具有缓冲机构的双作用柔性活塞气缸。
背景技术
气缸由于其原理和结构简单，成本和输出力适中，安装维护便捷而广泛应用于各类工业生产线，用于传递运动、定位和夹紧等工作。传统的活塞气缸主要采用刚性活塞，由于活塞与气缸内壁接触并相互摩擦，使得气缸工作过程中能量损失较大、输出力较小。柔性活塞气缸采用柔性蒙皮材料，利用气压和蒙皮弹力共同驱使工件运动，相比传统的刚性活塞气缸具有输出力大、能量损耗小等优点。但柔性活塞气缸目前主要为单作用气缸，少见具有双作用柔性活塞气缸，不利于工业应用。此外，在气缸的工作过程末端，需要通过缓冲结构来消除工件运动的能量，避免气缸和工件的损坏。目前，传统的缓冲装置多利用液压、橡胶或者气体进行缓冲，这些装置的缓冲力特性具有缓冲末端作用力大、自适应效果差等特点。相比而言，非牛顿流体的粘性系数随运动速度发生改变，可产生随运动速度自适应变化的阻力。据此，设计一种双作用柔性活塞气缸，并应用非牛顿流体进行缓冲，将有助于改进上述传统气缸的不足，提高气缸的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有缓冲机构的双作用柔性活塞气缸，该气缸可双活塞两侧交替供气，实现气缸的双作用，同时还可以减少气缸的能量损失。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：包括缸体机构、活塞机构以及缓冲机构，所述的缸体机构包括缸筒，所述缸筒的两端分别固定有前端盖及后端盖；
所述的活塞机构包括设置在缸筒内的活塞，活塞远离后端盖的端面上设有活塞杆，所述的活塞杆上设有套环，所述的套环通过套环两端的止动螺母固定在活塞杆上，所述套环的外表面沿其周向均布有螺旋型凸起，所述螺旋型凸起沿活塞杆的轴向设置，相邻的螺旋型凸起之间形成螺旋状凹槽；
所述活塞与前端盖之间的活塞杆上空套有可伸缩的双层蒙皮，双层蒙皮的两端分别与活塞及前端盖相固定，所述的活塞、缸筒及后端盖之间形成第一腔体，所述的活塞、缸筒及双层蒙皮的外表面之间形成与第一腔体连通的第二腔体，所述的前端盖上设有与双层蒙皮的中间腔体连通的前进气孔，所述的后端盖上设有与第一腔体连通的后进气孔；
所述的缓冲机构包括与前端盖相固定的缓冲缸、置于缓冲缸内的缓冲环以及置于缓冲环内的棘轮传动环，所述的缓冲缸、缓冲环、棘轮传动环、活塞、活塞杆、缸筒、双层蒙皮、前端盖、后端盖的中心轴线相吻合，所述棘轮传动环的内壁中部沿其周向设有与螺旋状凹槽相啮合的柱状凸起部，所述柱状凸起部设置的个数与螺旋型凸起的个数相同，所述棘轮传动环的外壁上设有带动缓冲环单向转动的棘爪，所述缓冲环的外壁沿其周向设有起缓冲作用的旋转叶片，所述缓冲环的两端分别通过向心推力球轴承与缓冲缸转动连接，所述向心推力球轴承的外侧设有格莱圈，所述缓冲环的外壁与缓冲缸的内壁之间形成储存缓冲液的流体腔。
所述的套环与靠近活塞一侧的止动螺母之间设有阻碍挡片，所述阻碍挡片的外表面与螺旋型凸起的外表面相平齐。
所述的双层蒙皮整体呈竹节型，包括内蒙皮及外蒙皮，所述内蒙皮与外蒙皮之间形成与前进气孔连通的中间腔体，所述内蒙皮的内壁上设有与其配合且起支撑作用的内骨架圆环，所述外蒙皮的内壁上设有与其配合且起支撑作用的外骨架圆环，所述的内骨架圆环及外骨架圆环均至少设置三个。
所述的前端盖与后端盖之间设有沿缸筒轴向布置的支撑杆，所述支撑杆的一端与后端盖固定，支撑杆的另一端贯穿前端盖后与缓冲缸固定，所述的支撑杆均匀布置四组。
所述的后端盖上设有与缸筒相配合安装的第一环状凹槽，所述的前端盖上设有与缸筒相配合安装的第二环状凹槽，所述的前端盖上还设有用于固定外蒙皮的第三圆环凸起以及用于固定内蒙皮的第四圆环凸起，所述前端盖的中心处设有供活塞杆及套环穿出的第一通孔。
所述的缓冲缸为分体结构，包括对称设置且对合而成的前缸体及后缸体，所述的后缸体与前端盖相固定，所述前缸体内侧的中心处设有凸起的圆台，所述圆台的中心处设有供活塞杆穿出的第二通孔，所述第二通孔的直径大于活塞杆的直径，所述圆台的侧面向内形成容纳格莱圈的环形凹槽，所述向心推力球轴承的内圈与圆台的外周面相配合，所述向心推力球轴承的外圈与缓冲环的内壁配合。
所述的后缸体上设有与流体腔连通的进液口，所述的进液口处设有与其配合的螺塞，所述的流体腔中的缓冲液为非牛顿流体。
所述缸筒的内壁沿其轴向设有固定杆，所述的固定杆与缸筒为整体成型结构，所述活塞的侧面沿周向向内设有与固定杆形成间隙配合的限位孔，所述活塞的侧面沿周向向内还设有连通第一腔体与第二腔体的通气孔，所述的限位孔与通气孔间隔布置。
所述活塞在远离后端盖的端面中心处设有与活塞杆相配合的盲孔，该端面上还设有用于固定外蒙皮的第一圆环凸起以及用于固定内蒙皮的第二圆环凸起。
由上述技术方案可知，本发明的气缸在活塞杆向外伸出时可通过旋转叶片实现缓冲，在活塞杆向内收缩时可通过双层蒙皮的牵引实现缓冲，具有结构简单、传动精确、能量损失小等优点。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图；
图2是本发明的内部结构示意图；
图3是本发明去除缸筒及缓冲缸后的内部结构示意图；
图4是本发明双层蒙皮、活塞及前端盖的连接结构示意图；
图5是图4的主视图；
图6是图5的A—A剖视图；
图7是本发明活塞机构的结构示意图；
图8是本发明套环及阻碍挡片的结构示意图；
图9是本发明缸筒的结构示意图；
图10是本发明活塞的结构示意图；
图11是本发明后端盖的结构示意图；
图12是本发明前端盖的结构示意图一；
图13是本发明前端盖的结构示意图二；
图14是本发明前缸体的结构示意图；
图15是图14的主视图；
图16是图15的B-B剖视图；
图17是本发明缓冲机构的半剖示意图；
图18是本发明缓冲环及棘轮传动环的结构示意图；
图19是图18的主视图；
图20是图19的左视图；
图21是本发明缓冲机构去除缓冲缸后的内部结构示意图；
图22是本发明活塞杆向内收缩时的使用状态图；
图23是本发明活塞杆向外伸出时的使用状态图。
上述附图中的标记为：缸体机构1、缸筒11、固定杆111、前端盖12、前进气孔121、第二环状凹槽122、第三圆环凸起123、第四圆环凸起124、第一通孔125、后端盖13、后进气孔131、第一环状凹槽132、双层蒙皮14、内蒙皮141、内骨架圆环1411、外蒙皮142、外骨架圆环1421、支撑杆15、活塞机构2、活塞21、限位孔211、通气孔212、盲孔213、第一圆环凸起214、第二圆环凸起215、活塞杆22、套环23、螺旋型凸起231、螺旋状凹槽232、止动螺母24、阻碍挡片25、缓冲机构3、缓冲缸31、前缸体311、圆台3111、第二通孔3112、环形凹槽3113、后缸体312、螺塞3121、缓冲环32、棘轮传动环33、柱状凸起部331、棘爪332、旋转叶片321、向心推力球轴承34、格莱圈35、第一腔体A、第二腔体B、中间腔体C、流体腔D。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1、图2、图3所示的一种具有缓冲机构的双作用柔性活塞气缸，包括缸体机构1、活塞机构2以及缓冲机构3。缸体机构1包括缸筒11，缸筒11的两端分别固定有前端盖12及后端盖13，后端盖13上设有与缸筒11相配合安装的第一环状凹槽132，前端盖12上设有与缸筒11相配合安装的第二环状凹槽122。
如图7所示，活塞机构2包括设置在缸筒11内的活塞21，活塞21远离后端盖13的端面上设有活塞杆22，即活塞21在远离后端盖13的端面中心处设有与活塞杆22相配合的盲孔213。活塞21与前端盖12之间的活塞杆22上空套有可伸缩的双层蒙皮14，具体的，如图4、图5、图6所示，双层蒙皮14整体呈竹节型，包括内蒙皮141及外蒙皮142，内蒙皮141的内壁上设有与其配合且起支撑作用的内骨架圆环1411，外蒙皮142的内壁上设有与其配合且起支撑作用的外骨架圆环1421，内骨架圆环1411及外骨架圆环1421均至少设置三个。本实施例中，双层蒙皮14为柔性蒙皮，采用热塑性聚氨酯弹性体橡胶材料TPU，其具有高张力、高拉力、高韧性和耐老化等特性，属于航空材料，其强大的张力保证了活塞21的运动与气缸缓冲的成功。
双层蒙皮14的两端分别与活塞21及前端盖12相固定，具体的，如图12、图13所示，前端盖12上设有用于固定外蒙皮142的第三圆环凸起123以及用于固定内蒙皮141的第四圆环凸起124；活塞21在远离后端盖13的端面中心处设有用于固定外蒙皮142的第一圆环凸起214以及用于固定内蒙皮141的第二圆环凸起215。
活塞21、缸筒11及后端盖13之间形成第一腔体A，活塞21、缸筒11及双层蒙皮14的外表面之间形成与第一腔体A连通的第二腔体B，内蒙皮141与外蒙皮142之间形成中间腔体C，前端盖12上设有与中间腔体C连通的前进气孔121，如图产11所示，后端盖13上设有与第一腔体A连通的后进气孔131。
进一步的，如图8所示，活塞杆22上设有套环23，套环23通过套环23两端的止动螺母24固定在活塞杆22上，即活塞杆22上设有与止动螺母24相配合的螺纹段，通过止动螺母24将套环23固定在相应位置。套环23的外表面沿其周向均布有螺旋型凸起231，螺旋型凸起231沿活塞杆22的轴向设置，相邻的螺旋型凸起231之间形成螺旋状凹槽232。螺旋型凹槽232除了与缓冲机构3中的柱状凸起部331相啮合外，还减轻了套环23的质量。
更进一步的，套环23与靠近活塞21一侧的止动螺母24之间设有阻碍挡片25，阻碍挡片25的外表面与螺旋型凸起231的外表面相平齐。阻碍挡片25可以限制柱状凸起部331在螺旋状凹槽232中的极端位置。前端盖12的中心处设有供活塞杆22及套环23穿出的第一通孔125。
进一步的，前端盖12与后端盖13之间设有沿缸筒11轴向布置的支撑杆15，支撑杆15的一端与后端盖13固定，支撑杆15的另一端贯穿前端盖12后与缓冲缸31固定，具体说，支撑杆15的另一端依次贯穿前端盖12、后缸体312、前缸体311后与前缸体311相固定，这提高了缓冲缸31的密封性能。本实施例中，支撑杆15均匀布置四组。
进一步的，如图9所示，缸筒11的内壁沿其轴向设有固定杆111，固定杆111与缸筒11为整体成型结构，如图10所示，活塞21的侧面沿周向向内设有与固定杆111形成间隙配合的限位孔211，活塞21的侧面沿周向向内还设有连通第一腔体A与第二腔体B的通气孔212，限位孔211与通气孔212间隔布置。通气孔212可以避免第一腔体A中的气压过大。
如图17～图21所示，缓冲机构3包括与前端盖12相固定的缓冲缸31、置于缓冲缸31内的缓冲环32以及置于缓冲环32内的棘轮传动环33，缓冲缸31、缓冲环32、棘轮传动环33、活塞21、活塞杆22、缸筒11、双层蒙皮14、前端盖12、后端盖13的中心轴线相吻合。棘轮传动环33的内壁中部沿其周向设有与螺旋状凹槽232相啮合的柱状凸起部331，柱状凸起部331设置的个数与螺旋型凸起231的个数相同，棘轮传动环33的外壁上设有带动缓冲环32单向转动的棘爪332，缓冲环32的外壁沿其周向设有起缓冲作用的旋转叶片321，缓冲环32的两端分别通过向心推力球轴承34与缓冲缸31转动连接，向心推力球轴承34的外侧设有格莱圈35，缓冲环32的外壁与缓冲缸31的内壁之间形成储存缓冲液的流体腔D。
进一步的，缓冲缸31为分体结构，包括对称设置且对合而成的前缸体311及后缸体312，后缸体312与前端盖12相固定。下面以前缸体311的结构为例进行说明：如图14、图15、图16所示，前缸体311内侧的中心处设有凸起的圆台3111，圆台3111的中心处设有供活塞杆22穿出的第二通孔3112，第二通孔3112的直径大于活塞杆22的直径，圆台3111的侧面向内形成容纳格莱圈35的环形凹槽3113，向心推力球轴承34的内圈与圆台3111的外周面相配合，向心推力球轴承34的外圈与缓冲环32的内壁配合。格莱圈35用于密封向心推力球轴承34，防止具有缓冲作用的缓冲液进入向心推力球轴承34造成其磨损等不良效果，从而影响使用，同时格莱圈35被固定在缓冲环32与前缸体311之间，起到密封及减轻摩擦的作用，也能够使缓冲环32与前缸体311的内壁更好的装配。
后缸体312上设有与流体腔D连通的进液口，进液口处设有与其配合的螺塞3121，流体腔D中的缓冲液为非牛顿流体。
本发明的工作原理及工作过程为：
1、活塞杆向外伸出的运动过程如下：
如图23所示，缓冲缸内注入缓冲液，气泵将气体通过后通气孔泵入缸筒内部的第一腔体以及第二腔体，使得双层蒙皮外部产生高压，双层蒙皮在内外压差的作用下产生形变，形变产生的张力作用于活塞输出，活塞在双层蒙皮内与活塞外压差的作用下，驱动活塞杆沿缸筒的轴向运动并对外输出力；当活塞杆上的套环随活塞杆运动至一定位置时，螺旋型凹槽与棘轮传动环内的柱状凸起部相啮合，从而驱动棘轮传动环转动，棘轮传动环可以通过其上面的棘爪带动缓冲环单向转动，缓冲环上的旋转叶片会随之旋转，并搅拌缓冲缸内具有缓冲作用的缓冲液，从而通过旋转叶片对缓冲环的旋转运动产生阻碍作用，则缓冲力会通过棘轮传动环上的柱状凸起部传递给活塞杆，从而阻碍活塞的运动，完成对活塞杆向外伸出运动的缓冲。
活塞杆进行向外伸出运动时的缓冲是利用了具有缓冲作用的流体的性质，当受力时具有缓冲作用的流体随着速度的增加其黏度不断增加，进而可以减小旋转叶片的速度，最终实现活塞杆向外伸出运动的缓冲，同时也可以实现缓冲的自适应调节，根据流体的特点宜选用非牛顿流体作为具有缓冲作用的流体。
2、活塞杆向内收缩的运动过程如下：
如图22所示，气泵将气体通过前通气孔泵入双层蒙皮之间的中间腔体，输入压力，带动活塞运动，活塞杆产生向内收缩的运动，柱状凸起部通过螺旋型凹槽，由于棘轮传动环只能带动缓冲环单向转动，所以此时缓冲环不会转动，减少了运动过程中产生的摩擦阻力。由于双层蒙皮具有弹性势能，可以为活塞杆的向内收缩提供缓冲力，直至活塞运动至蒙皮的弹性极限位置，完成活塞杆向内收缩运动的缓冲。
本发明的有益效果在于：
1、相比传统的刚性活塞，本发明的柔性活塞气缸，由于活塞与缸筒内壁接触面积小，气缸运动过程中摩擦力显著降低，因而运动过程中的能量损失较小、输出力较大。此外，柔性活塞气缸材料成本和制造精度要求较低，有利于降低气缸的生产成本。
2、相比已有的单作用柔性活塞气缸，本发明的双作用的柔性活塞气缸能够实现双向精准定位，其回程过程精度高，能量损失小，工程适应性更强，更符合工业应用需求。
3、本发明柔性活塞上的限位孔与缸筒内部的固定杆间隙配合，增加了柔性活塞运动时的稳定性，降低了气缸运动过程中的摩擦，以及摩擦产生的振动和噪声。
4、本发明设计的基于非牛顿流体的气缸缓冲装置，利用了非牛顿流体黏度随相对运动速度增加而增大的特性，实现了在高速运动时缓冲阻力大、低速运动时缓冲阻力小的自适应缓冲特性，相比传统的缓冲装置能够产生更高效的缓冲。此外，设计的棘爪机构在活塞杆向外延伸时可带动缓冲环与非牛顿流体产生缓冲阻力，回程收缩时与缓冲环相互滑动，避免了流体阻力，显著降低了气缸运动回程的能量损失。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种具有缓冲机构的双作用柔性活塞气缸，其特征在于：包括缸体机构(1)、活塞机构(2)以及缓冲机构(3)，所述的缸体机构(1)包括缸筒(11)，所述缸筒(11)的两端分别固定有前端盖(12)及后端盖(13)；
所述的活塞机构(2)包括设置在缸筒(11)内的活塞(21)，活塞(21)远离后端盖(13)的端面上设有活塞杆(22)，所述的活塞杆(22)上设有套环(23)，所述的套环(23)通过套环(23)两端的止动螺母(24)固定在活塞杆(22)上，所述套环(23)的外表面沿其周向均布有螺旋型凸起(231)，所述螺旋型凸起(231)沿活塞杆(22)的轴向设置，相邻的螺旋型凸起(231)之间形成螺旋状凹槽(232)；
所述活塞(21)与前端盖(12)之间的活塞杆(22)上空套有可伸缩的双层蒙皮(14)，双层蒙皮(14)的两端分别与活塞(21)及前端盖(12)相固定，所述的活塞(21)、缸筒(11)及后端盖(13)之间形成第一腔体，所述的活塞(21)、缸筒(11)及双层蒙皮(14)的外表面之间形成与第一腔体连通的第二腔体，所述的前端盖(12)上设有与双层蒙皮(14)的中间腔体连通的前进气孔(121)，所述的后端盖(13)上设有与第一腔体连通的后进气孔(131)；
所述的缓冲机构(3)包括与前端盖(12)相固定的缓冲缸(31)、置于缓冲缸(31)内的缓冲环(32)以及置于缓冲环(32)内的棘轮传动环(33)，所述的缓冲缸(31)、缓冲环(32)、棘轮传动环(33)、活塞(21)、活塞杆(22)、缸筒(11)、双层蒙皮(14)、前端盖(12)、后端盖(13)的中心轴线相吻合，所述棘轮传动环(33)的内壁中部沿其周向设有与螺旋状凹槽(232)相啮合的柱状凸起部(331)，所述柱状凸起部(331)设置的个数与螺旋型凸起(231)的个数相同，所述棘轮传动环(33)的外壁上设有带动缓冲环(32)单向转动的棘爪(332)，所述缓冲环(32)的外壁沿其周向设有起缓冲作用的旋转叶片(321)，所述缓冲环(32)的两端分别通过向心推力球轴承(34)与缓冲缸(31)转动连接，所述向心推力球轴承(34)的外侧设有格莱圈(35)，所述缓冲环(32)的外壁与缓冲缸(31)的内壁之间形成储存缓冲液的流体腔。
2.根据权利要求1所述的具有缓冲机构的双作用柔性活塞气缸，其特征在于：所述的套环(23)与靠近活塞(21)一侧的止动螺母(24)之间设有阻碍挡片(25)，所述阻碍挡片(25)的外表面与螺旋型凸起(231)的外表面相平齐。
3.根据权利要求1所述的具有缓冲机构的双作用柔性活塞气缸，其特征在于：所述的双层蒙皮(14)整体呈竹节型，包括内蒙皮(141)及外蒙皮(142)，所述内蒙皮(141)与外蒙皮(142)之间形成与前进气孔(121)连通的中间腔体，所述内蒙皮(141)的内壁上设有与其配合且起支撑作用的内骨架圆环(1411)，所述外蒙皮(142)的内壁上设有与其配合且起支撑作用的外骨架圆环(1421)，所述的内骨架圆环(1411)及外骨架圆环(1421)均至少设置三个。
4.根据权利要求1所述的具有缓冲机构的双作用柔性活塞气缸，其特征在于：所述的前端盖(12)与后端盖(13)之间设有沿缸筒(11)轴向布置的支撑杆(15)，所述支撑杆(15)的一端与后端盖(13)固定，支撑杆(15)的另一端贯穿前端盖(12)后与缓冲缸(31)固定，所述的支撑杆(15)均匀布置四组。
5.根据权利要求1所述的具有缓冲机构的双作用柔性活塞气缸，其特征在于：所述的后端盖(13)上设有与缸筒(11)相配合安装的第一环状凹槽(132)，所述的前端盖(12)上设有与缸筒(11)相配合安装的第二环状凹槽(122)，所述的前端盖(12)上还设有用于固定外蒙皮(142)的第三圆环凸起(123)以及用于固定内蒙皮(141)的第四圆环凸起(124)，所述前端盖(12)的中心处设有供活塞杆(22)及套环(23)穿出的第一通孔(125)。
6.根据权利要求1所述的具有缓冲机构的双作用柔性活塞气缸，其特征在于：所述的缓冲缸(31)为分体结构，包括对称设置且对合而成的前缸体(311)及后缸体(312)，所述的后缸体(312)与前端盖(12)相固定，所述前缸体(311)内侧的中心处设有凸起的圆台(3111)，所述圆台(3111)的中心处设有供活塞杆(22)穿出的第二通孔(3112)，所述第二通孔(3112)的直径大于活塞杆(22)的直径，所述圆台(3111)的侧面向内形成容纳格莱圈(35)的环形凹槽(3113)，所述向心推力球轴承(34)的内圈与圆台(3111)的外周面相配合，所述向心推力球轴承(34)的外圈与缓冲环(32)的内壁配合。
7.根据权利要求6所述的具有缓冲机构的双作用柔性活塞气缸，其特征在于：所述的后缸体(312)上设有与流体腔连通的进液口，所述的进液口处设有与其配合的螺塞(3121)，所述的流体腔中的缓冲液为非牛顿流体。
8.根据权利要求1所述的具有缓冲机构的双作用柔性活塞气缸，其特征在于：所述缸筒(11)的内壁沿其轴向设有固定杆(111)，所述的固定杆(111)与缸筒(11)为整体成型结构，所述活塞(21)的侧面沿周向向内设有与固定杆(111)形成间隙配合的限位孔(211)，所述活塞(21)的侧面沿周向向内还设有连通第一腔体与第二腔体的通气孔(212)，所述的限位孔(211)与通气孔(212)间隔布置。
9.根据权利要求1所述的具有缓冲机构的双作用柔性活塞气缸，其特征在于：所述活塞(21)在远离后端盖(13)的端面中心处设有与活塞杆(22)相配合的盲孔(213)，该端面上还设有用于固定外蒙皮(142)的第一圆环凸起(214)以及用于固定内蒙皮(141)的第二圆环凸起(215)。
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