CN1227801C - 往复运动装置和用于其上的线性悬架元件 - Google Patents

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Abstract

一种具有预加载的腿(38)的线性悬架元件(22)，该预加载的腿(38)减少了损坏并使许用应力极限内的行程最大化。还有，一种往复运动装置(8)和悬架(23)包括该线性悬架元件。

Description

往复运动装置和用于其上的线性悬架元件
发明的背景
技术领域
本发明总体上涉及一种线性悬架元件，具体地说，涉及一种用于沿一运动的路线长期往复运动的线性悬架元件，本发明还涉及往复运动装置和包括线性悬架元件的线性悬架。
相关技术
存在各种各样的线性悬架来制约运动元件在线性马达或往复运动装置中的运动。这些悬架类似于旋转装置中的承载件，因为它们将运动元件限制成主要沿可操作的有用方位移动而阻止沿其他方向的运动。线性悬架的附加目的(与线性承载件相反)是提供长期的往复运动，而没有摩擦或磨损。
颁予Beckett等人的美国专利No.5,552,214公开了一种用于往复运动装置的典型的螺旋悬架。该悬架成螺旋形地扩展以使其中心垂直于螺旋平面移动。它阻止了径向运动以将运动元件的线性运动限制在垂直于螺旋平面的单个轴线上。
螺旋悬架的一个问题是它们引起了绕往复运动轴线的扭转运动。这种运动会导致振动和故障，并要求运动元件的截面是圆形，或者运动元件与组件的固定元件间具有过大的间隙，从而在操作期间不会与固定元件相碰。因此，螺旋悬架对“STAR”往复运动装置是没用的，其中运动元件与固定元件以普通的非圆形方式配合。在“STAR”往复运动装置中，悬架必须表现出基本的扭转刚度以及径向刚度。
已经开发出例如美国专利No.5,389,844中附带描述的带悬架以用于“STAR”往复运动装置。在这些悬架中，由该带的各腿或柔性元件承受的拉应力转变为各腿的垂直安装的端部中的弯曲应力。然而，这些悬架的一个问题是，使用者不能在柔性元件被夹持的地方充分监测到可能发生在柔性元件的各端部的损坏。而且，将各腿夹至安装件在机械上是很麻烦的。
考虑到前述内容，在本领域中需要一种能够承受操作应力和非轴向应力并提供较长寿命的悬架元件。另外，需要具有相同特征的往复运动装置和悬架。
发明的概述
本发明提供了改进的线性悬架元件和使用该线性悬架元件的往复运动装置。悬架元件包括预加载的腿，该各腿将运动元件连接到往复运动装置的固定元件上。该预加载基本上减少了损坏，使机械联接结构变简单，提供较长寿命以及使许用应力极限内的行程最大化。
本发明的第一方面提供了用于运动元件的线性悬架元件，该悬架元件包括：安装件；多个预加载的腿，每个腿具有用于与运动元件联接的第一部分和与安装件联接的第二部分。
第二方面提供了一种往复运动装置，其包括：用于线性地移动运动元件的线性驱动机构；可操作地与线性驱动机构联接的至少一个线性悬架元件，每个线性悬架元件具有：安装件；多个腿，每个腿具有用于与运动元件联接的第一部分和与安装件联接的第二部分；并且其中每个腿包括一预加载。
在第三方面，本发明还包括用于往复运动装置的运动元件的线性悬架，该往复运动装置具有用于运动元件的线性驱动机构，该悬架包括：与线性驱动机构联接的第一安装件；多个预加载的腿，每个腿具有与运动元件联接的第一部分和与第一安装件联接的第二部分；与线性驱动机构联接的第二安装件；以及多个预加载的腿，每个腿具有与运动元件联接的第一部分和与第二安装件联接的第二部分。
本发明的前述和其他特征以及优点将从下面对本发明的优选实施例所作的更具体的描述中变得明显。
附图的简要说明
将参考附图对本发明的优选实施例进行详细描述，相同的标记表示相同的元件，其中：
图1示出根据本发明的往复运动装置组件；
图2示出根据本发明的线性悬架元件；
图3示出在各部件拆散的情况下沿着图2的线3-3的剖视图；
图4A-4C示出图2的线性悬架元件的一个腿的柔性运动的细节；
图5示出安装起来的图2的线性悬架元件的细节的剖视图；
图6示出图2的线性悬架元件的安装件的细节；
图7示出根据本发明的方法；
图8示出图7的方法的可替换步骤；
图9示出用于图7的方法的附加步骤；以及
图10示出图7的方法的结果的细节。
优选实施例的描述
虽然将会详细地示出且描述本发明的特定优选实施例，但是应该理解，可以做出不同的变化和修改而不背离后附的权利要求的范围。本发明的范围决不会受限于组成部件的数量、其材料、其形状、其相关的布置等，并且仅仅公开作为优选实施例的一个实例。
参照图1，示出了往复运动装置组件8，它包括往复运动装置10和相配合的圆柱组件12。在操作中，往复运动装置10和圆柱组件12装配起来，所以往复运动装置10的运动元件14可以沿往复运动元件10的轴线A线性地移动并且在圆柱组件12的圆柱孔16中保持很小的间隙。往复运动装置10包括运动元件14和线性驱动机构或马达18，与结合于此作为参考的美国专利No.5,389,844和5,139,242中公开的类似。往复运动装置10还可以包括往复运动装置壳体20，有时称作冠状环。线性驱动机构18包括至少一个，最好两个形成线性悬架23和柱塞以及定子(未示出)的线性悬架元件22，这会由本领域普通技术人员所认识到。线性悬架23允许运动元件14相对于往复运动装置10的往复运动，并且基本上限制了运动元件14相对于往复运动装置10的非轴向运动，例如扭转、旋转和/或径向运动，即它限制了除沿着往复运动轴线A运动以外的任何运动。运动元件14有时称为活塞，因为它是往复运动装置10的动力传送元件。
圆柱组件12是往复运动装置10和本领域普通技术人员所能识别的大量机器之间的连接体。机器的一些实例是：无活塞的斯特林发动机、热声发动机-发生器、无活塞的低温冷却器、气体循环的冷冻机、脉冲管驱动器和气体压缩机。在所示的实例中，圆柱组件12是用于双马达脉冲管驱动器，其中往复运动装置10联接在圆柱组件12的每一端上(为简化只示出一端)。
在任何安装中，圆柱组件12最好包括用于与往复运动装置10对接的若干结构，包括：圆柱孔16、导向孔24和圆柱面26、往复运动装置10，或者往复运动装置壳体20包括与导向孔24配合的导向件28和与圆柱面26面对面配合的端部或导向面30。将结合图7-10更加详细地讨论组件的细节。
在操作往复运动装置10期间，线性悬架元件22限制运动元件14沿着往复运动装置的轴线A移动的运动。参照图2和6，线性悬架元件22包括悬架安装件32，最好采取具有侧面34的环的形式。线性悬架元件22还包括以下将详细描述的悬架带组件36。安装件32还包括安装孔33。应该认识到，安装件32可以采取不同于具有侧面的环构造的多种形式，而不会背离本发明的教导。
悬架带组件36包括基本上从毂40径向延伸的若干个腿，或柔性元件38。各腿38最好由抗疲劳的高强度回火钢制成，例如AISI1095、SS316或者优选来自Uddenolm公司的UHB716。每个腿38形成为具有第一基本径向部分42和第二基本轴向部分44。一般地，轴向部分44比径向部分42短，是由于下面会变得明显的原因。每个轴向部分44通过至少一个，且优选两个铆钉46联接在安装件32上。如果仅使用一个铆钉46，则可以要求其它约束防止腿绕单个铆钉旋转。
设置每个轴向部分44以分散在运动元件14的往复运动期间施加在它们各自的径向部分42上的拉力。具体地说，轴向部分44动作以将相应的径向部分42中的拉应力转变为该轴向部分44中的弯曲应力。部分42，44的最佳长度由许多因素确定，例如悬架元件22所需的行程允许的应力量、各腿38的宽度和厚度等。这样详细的尺寸由推荐设计的有限元件应力分析来最好地确定。
为了形成往复运动装置10，把毂40联接到毂安装件60上(如图7中所示)，该毂安装件以已知的方式联接在运动元件14上。将安装件32与线性驱动机构18或往复运动装置10的其它不移动的结构相联接，其方式是已知的，例如由螺栓通过安装孔33联接。在图1所示的往复运动装置中，要求线性驱动机构18的每一侧上各有一个的两个线性悬架元件22形成线性悬架23，并且将运动元件14沿着往复运动装置轴线A导向。往复运动装置壳体20可以机加工成在内侧接纳一个悬架元件22。
参照图3和4A-4C，所示线性悬架元件22为拆解的。在图4A中，带组件36表示在静止位置，即往复运动装置10并不操作，且组件36基本上在图4B和4C中所示的它的允许极限位置的中间。如图3中所示，每个腿38的径向部分42最好以相对于该相同的腿38的轴向部分44成接近90°的角α形成。在优选实施例中，线性悬架元件22可以包括第一预加载，以防止轴向部分44和安装件32在安装件32的支点边缘48处分离。在往复运动装置10操作期间，分离还会发生在腿38扭转的时候。如图3中所示，通过使任何两个相对的轴向部分44之间的内部距离D1比轴向部分44所联接的安装件32的任何两个相对侧面34之间的外部距离D2短来提供这个第一预加载。可以通过使悬架带组件36上在任何两个相对的轴向部分44之间的内部距离D1形成得比安装件32的任何两个相对侧面34之间的外部距离D2短来提供这种安装。在一个优选实施例中，内部距离D1设定成比外部距离D2短约1％。换句话说，可以形成安装件32从而使得相对的侧面34比内部距离D1宽。一旦悬架带组件36装配起来，那么每个轴向部分44包括安装件32的支点边缘48之上的预加载弯曲。应该认识到，在悬架带组件36示为具有偶数个腿38且安装件32具有偶数个侧面34的同时，也可以提供奇数个腿38和侧面34。在这种情况下，带组件36的平均内部直径可以构制成比安装件32的平均外部直径短，以形成所需的预加载。
该第一预加载提供了若干优点。首先，不管悬架元件22的运动的方向，由支点边缘48在轴向部分44上产生的损坏的量减小了。为进一步说明，运动元件14和悬架元件22在两个极限位置之间移动，图4B和4C中相对于悬架元件22示出了这两个极限位置。图4B示出在第一极限位置的悬架元件22的腿38，其中运动元件14已经沿由箭头FD指示的第一方向移动通过安装件32。由于该第一预加载，腿38，特别是轴向部分44变形，从而使得它们在任何时候都不会从安装件32的支点边缘48上拉离。结果，第二部分44上的损坏就减小了。类似地，图4C示出了在第二极限位置的悬架元件22的腿38，其中运动元件14已经沿与第一方向FD相反的由箭头SD指示的第二方向移动，并且离开安装件32。在这个位置，腿38，特别是轴向部分44发生内部变形从而使得它们不会从安装件32的支点边缘48上拉离。在支点边缘48或靠近支点边缘48处，保持轴向部分44和安装件32的接触，在操作期间始终防止或者轴向部分44或者安装件32可能由它们的相对运动另外引起磨损或损坏。因此，悬架元件22的寿命更为长久。
该第一预加载的第二个优点是，不需要用于轴向部分44的复杂夹紧机构，例如美国专利No.5,389,844中公开的夹紧机构。例如，一般在图4B中所示的极限位置，轴向部分44会受力离开支点边缘48且会需要一些机构来防止它这样做，例如，在美国专利No.5,389,844中所示的夹紧块。然而，由于存在该第一预加载，所以不需要夹紧机构。
回到图4B-4C，由沿第二方向SD(图4C)运动引起的腿38的伸展比由沿第一方向FD(图4B)运动引起的压缩更快地使应力增加。如果悬架沿第一方向FD和第二方向SD相对于松驰位置往复运动相等的量，总行程范围就由沿第二方向SD运动期间引起的应力水平来限制，尽管如果并不伴随有沿第二方向SD的进一步运动就可以沿第一方向FD进一步运动而不超应力。如果可以分别应用沿第一方向FD和第二方向SD运动的这样不等的范围，总允许行程范围就可以增加。为适应这一情况，如图5中所示，线性悬架元件22还可以包括第二预加载。最好通过将悬架带组件36以轻微地弹性弯向安装件32的方式联接到运动元件14上来产生该第二预加载，即，从而以小于形成角α的角β设定轴向部分44和径向部分42。角β最好小于90°。在往复运动期间，这个第二预加载提供了各腿38中的更为平衡的应力范围。因此，当运动元件14沿第二方向SD移动的时候，在超过悬架材料的疲劳应力极限之前可以适应相对于安装的预加载位置更大的伸展。结果，与沿第二方向SD的运动以一未预加载的位置为中心的情况相比，悬架元件22可以以更大的总行程范围来操作。应该认识到，在使用两个线性悬架22的场合，两者都可以包括第二类型的预加载。在这种情况下，可以使用定位的运动元件14，或者包括联接结构，将带组件36的相对的毂40拉在一起，同时对两个悬架22都提供第二类型的预加载，而不偏移运动元件14相对于线性驱动机构18的静止位置。
可以一起或者个别提供该第一和第二预加载。而且，应该认识到，也可以提供产生预加载的其他机构而不背离本发明。
如上所述的线性悬架元件(或包括一个线性悬架元件的悬架)的一个优点是，基本上防止了其提供的非轴向运动。根据本发明的第二优选实施例，对于构制往复运动装置10和运动元件14的改进的方法以及产生相应的运动元件的非接触对齐的改进的方法来说，这样阻止非轴向运动是特别有益的。通过美国专利No.5,389,844中描述的在扭转和径向方面刚性的线性悬架和/或通过如上所述的改善的线性悬架元件22使改进的方法变得部分可行。
回到图1，运动元件14基本上与圆柱孔16共轴线是大部分线性马达驱动系统的要求，从而该系统可以在运动元件14与圆柱孔16相对具有很小的间隙而无润滑的情况下运行。有很多控制运动元件14和圆柱孔16的共轴线对中水平的因素。它们之中有往复运动装置10和圆柱组件12的对中以及运动元件14和导向件28的同心性。另外，导向面30和运动元件14的垂直度影响运动元件14和圆柱孔16的共轴线性。
一般地，为了保证各零件的共轴线性足够用于很小间隙的操作，必须提供对各个部件的非常精确的机加工。“机加工”意味着将部件“修整”、“切削”或“用刀具加工”至所需的尺寸。当机加工各个零件以配装在很小间隙的组件内时所需的高精度是代价昂贵的并且时常是不可靠的。
参照图7-10，示出了一种构制往复运动装置10和往复运动装置10的运动元件14的方法。应该理解，在描述该方法的开始，单独的往复运动装置壳体20可以设置在往复运动装置10上或者可以不设置在往复运动装置10上。当并未设置往复运动装置壳体20的时候，往复运动装置10可以包括整体的可机加工表面，如图8中所示。因此，被描述为在往复运动装置10上处理的过程，应解释成作为一完整的实体可适用于往复运动装置或者包括一些单独的可机加工的表面，例如往复运动装置壳体20。
根据本发明的方法包括通过悬架将运动元件14连接到往复运动装置10上，该悬架允许往复运动并基本上防止运动元件14相对于往复运动装置10的非轴向运动。当已经公开了特定的悬架元件22和悬架23时，限制像旋转和/或径向运动这样的运动元件14的非轴向运动的其它悬架也是适宜的。
往复运动装置10以图7中所示的装配形式安装在车床54或类似的精加工机器中。车床54可分别具有优选导向于往复运动装置10的运动元件14和毂安装件60的输出轴56或卷轴58。车床54的活动使运动元件14和往复运动装置10基本上绕往复运动轴线A同步旋转。
当往复运动装置10旋转时，工具62对运动元件14和导向件28的直径进行机加工。另外，如果导向面30并不存在，工具62可以包括附加的切削边缘63以对导向面30进行机加工，同时对运动元件14和导向件28进行机加工。否则，可以省去切削边缘63。
导向面30最好垂直于运动元件14和导向件28。基本上防止由悬架23提供的例如旋转和径向运动这样的非轴向运动，使得能在运动元件14和往复运动装置10之间传递切削力和扭矩。因此，运动元件14和往复运动装置10两者都可以在机加工工具60的一次安排中机加工至所需的尺寸。因而一次机加工安排可以包括将运动元件14切削至第一外直径，将导向件28切削至第二外直径，以及切削往复运动装置10的导向面30。结果，保证了导向件28和运动元件14的同心度以及导向面30和运动元件14的垂直度。
用现有技术的螺旋悬架或任何形式的传统线性承载件不可能进行单个的机加工操作，因为不能承受高的扭转力，即螺旋悬架和承载件在操作中扭转，并不能承受机加工期间施加的较高的扭转力。
作为可替换的，如图8中所示，该方法可以包括将一材料层50连接到运动元件14的内部件52上的步骤。连接最好通过例如由Ciba制造的EP3203这样的环氧树脂来提供。材料层50具有小于往复运动装置10或壳体20和内部件52的硬度，而且最好是以基于聚四氟乙烯(PTFE)的材料，例如由Dixon制造的RULON。附加材料层50还降低了在制造期间运动元件14和往复运动装置10之间所施加的切削力和扭矩。材料层50具有一厚度从而使得可以将运动元件14机加工至所需的外直径而无需完全去除材料层50。因此，材料层50形成运动元件的外直径，并有助于往复运动装置10的无润滑操作。
并非马达18中故意设置的磁路的部分的往复运动装置10的大部分元件，包括往复运动装置壳体20、圆柱组件12和运动元件14/内部件52，最好由能够承受往复运动装置10的重复应力的有色金属制成。例如，铝或镁是适合的。
参照图9，作为该方法的另一步骤，虽然并不是必需的，但优选的是，圆柱组件12也在一单独的步骤中被机加工成保证圆柱孔16和导向孔24的同心度，以及带有圆柱孔16的圆柱面26和导向孔24的垂直度。圆柱组件12的机加工最好通过双镗孔杆64以已知的方式实现。对于附加的步骤，上述方法能够产生第一元件和第二元件之间的紧密配装、非接触对中，而不需要按高精度公差制造组件的各部件，该第一元件例为运动元件14，它联接到往复运动装置以用于沿往复运动轴线A作往复运动，该第二元件例如为圆柱孔16。
如图10中所示，运动元件14得到以对中方式与圆柱孔16的内直径D4配合的外直径D3。类似地，导向件28具有以非常紧密或微小的压配合来与导向孔24的内直径D6配合的外直径D5。往复运动装置10被夹至圆柱组件12上，这使圆柱面26与导向面30配合。由于导向件28和运动元件14以及圆柱孔16和导向孔24都是同心的，而配合的圆柱面26和导向面30保证了运动元件14和圆柱孔16的成角度的对中，所以在圆柱孔16中可以保证运动元件14不受约束的运动。
因此，线性悬架23/线性悬架元件22提供了一种机构，它不仅用于在操作期间允许运动元件14在往复运动装置组件8中做悬挂的往复运动，而且用于对制造期间施加的例如旋转/扭转力和径向力这样的非轴向力起作用。上述方法的结果是自由运行的往复运动装置组件8，而不需要以对各个部分进行高精度机加工至一精度以代价，该精度大于最终装配的小间隙的运行配装件所需的精度。以上过程还使对往复运动装置组件8的机加工可能变得更快并可能进行大规模生产。
虽然已经结合以上所概述的具体实施例对本发明进行了描述，但显然，许多替换方案、修改和变型对本领域普通技术人员来说是明显的。因此，如上所述的本发明的优选实施例将是说明性的，而非限制性的。可以作出不同的变化而不背离限定在以下权利要求中的本发明的宗旨和范围。

Claims (20)

1.一种用于一运动元件的线性悬架元件，该悬架元件包括：
一安装件；
多个预加载的腿，每个腿具有一用于与一运动元件联接的第一部分和一与该安装件联接的第二部分。
2.如权利要求1所述的线性悬架元件，其特征在于，由每个第二部分提供该预加载，该第二部分设定成与该第一部分成一角度，该角度小于第二部分与第一部分成形时所成的角度。
3.如权利要求2所述的线性悬架元件，其特征在于，与该第一部分所成的该角度小于90°。
4.如权利要求1所述的线性悬架元件，其特征在于，通过使任何两个相对的第二部分之间的一内部距离小于该安装件的任何两个相对侧面之间的一外部距离来提供该预加载，该第二部分联接在该安装件上。
5.如权利要求4所述的线性悬架元件，其特征在于，该内部距离比该外部距离小1％。
6.如权利要求4所述的线性悬架元件，其特征在于，由每个第二部分提供该预加载，该第二部分设定成与该第一部分成一角度，该角度小于一形成角。
7.如权利要求6所述的线性悬架元件，其特征在于，与该第一部分所成的该角度小于90°。
8.如权利要求4所述的线性悬架元件，其特征在于，该安装件包括一用于与每个第二部分联接的侧面。
9.如权利要求4所述的线性悬架元件，其特征在于，每个第二部分贴靠每个侧面的一支点边缘来进行预加载。
10.如权利要求1所述的线性悬架元件，其特征在于，每个第一部分相对于该运动元件基本上径向延伸，而每个第二部分相对于该运动元件的一往复运动轴线基本上轴向延伸。
11.如权利要求1所述的线性悬架元件，其特征在于，该安装件包括一用于与每个第二部分联接的侧面。
12.一种往复运动装置，其包括：
一用于线性地移动一运动元件的线性驱动机构；
可操作地与该线性驱动机构联接的至少一个线性悬架元件，每个线性悬架元件具有：
一安装件；
多个腿，每个腿具有一用于与一运动元件联接的第一部分和一与该安装件联接的第二部分；以及
其中每个腿包括一预加载。
13.如权利要求12所述的往复运动装置，其还包括一与该线性驱动机构联接的往复运动装置壳体。
14.如权利要求12所述的往复运动装置，其特征在于，由每个第二部分提供该预加载，该第二部分设定成与该第一部分成一角度，该角度小于第二部分与第一部分成形时所成的角度。
15.如权利要求12所述的往复运动装置，其特征在于，通过使任何两个相对的第二部分之间的一内部距离小于该安装件的任何两个相对侧面之间的一外部距离来提供该预加载，该第二部分联接在该安装件上。
16.如权利要求15所述的往复运动装置，其特征在于，由每个第二部分提供该预加载，该第二部分设定成与该第一部分成一角度，该角度小于一形成角。
17.如权利要求15所述的往复运动装置，其特征在于，该安装件包括一用于与每个第二部分联接的侧面。
18.如权利要求17所述的往复运动装置，其特征在于，每个第二部分贴靠每个侧面的一支点边缘来进行预加载。
19.如权利要求12所述的往复运动装置，其包括两个线性悬架元件。
20.一种用于一往复运动装置的一运动元件的线性悬架，该往复运动装置具有一用于该运动元件的线性驱动机构，该悬架包括：
一与该线性驱动机构联接的第一安装件；
多个预加载的腿，每个腿具有一与该运动元件联接的第一部分和一与该第一安装件联接的第二部分；
一与该线性驱动机构联接的第二安装件；以及
多个预加载的腿，每个腿具有一与该运动元件联接的第一部分和一与该第二安装件联接的第二部分。
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