CN1254059A - 轴向多组柱塞式液压变量泵或变速马达 - Google Patents

Abstract

轴向多组柱塞式液压变量泵或变速马达的特征是:在柱塞缸体的不同同心圆周上设置若干组柱塞孔及其柱塞(10),每组柱塞的孔数为偶数、直径相同且均布在圆周上;每个柱塞具有顶底连通的油道,其顶部具有球铰与滑靴(14)铰接;所述斜盘固定在端盖上,以固定的r角倾斜,或通过其顶部浮动连接在双作用油缸的活塞上,以可变动的r角倾斜;在柱塞缸体底部有配油盘(7)固定在壳体上,配油盘上具有与柱塞组数相同并分别与之对应连通的高压进油腰形窗孔(A)和低压回油腰形窗孔(B)。能够实现有级或无级变量泵或变速马达。

Description

轴向多组柱塞式液压变量泵或变速马达

本发明涉及液压传动机械领域，特别是一种轴向多组柱塞式液压变量泵或变速马达。

现有的液压传动系统，无论是国内的还是国外的，通常采用的还是定速液压马达及定量液压泵，工作机械速度等的调节仍须采用传统笨重的液压(或液力等)传动机械等低效率高能耗传动方式来实现。有少数被采用的调速液压马达及变量液压泵，它们采用以下的方式来实现其调速或改变液流量的功能：

1.利用节流阀控制输入马达(或泵输出)的液流量从而达到调速(或变量)的目的，但此种调速(或变量)方式导致系统产生很高的噪音和大量的发热，因此，系统的工作效率十分低下。

2.在同一轴上增加独立液压元件的排数，通过改变各排液压元件之间的串联或并联关系来改变液压马达或液压泵的排量进而达到变速或变量的目的。此外，就变量而言，也有将多个液压泵串联或并联以后来实现的。无论具体做法如何，此类方式的致命弱点是系统体积庞大、生产成本太高，而可供系统调速或变量的级数却很少。

3.通过改变斜盘角度(r角)来改变马达或泵的排量从而实现液压传动系统的无级调速或无级变量，如96120894专利申请。此方式克服了前述两种方法的诸多不足如体积、成本、效率、噪音等问题，然而此调速或变量方式无法超越同时也是制约它在工程实践中大量应用的关键问题在于它所能提供给系统的调速或变量的范围非常狭窄，故而实际应用时，还必须辅助以其它传统的传动方式方能提供给工作机械必需的调速或变量范围，如此一来，其原有的优点似乎也就不复存在了。

本发明的目的是：提供一种在旋转柱塞缸体的不同圆周上设置数个柱塞孔及其柱塞，通过液压操控方式来控制不同圆周上相同或不同的直径的工作柱塞数，或同时通过控制调整斜盘倾角(r角)，达到有级或无变量或变速的轴向多组柱塞式液压变量泵或变速马达。

本发明的上述目的是通过这样的技术方案实现的，即一种轴向多组柱塞式液压变量泵或马达，包括壳体、斜盘、转动柱塞缸体、端盖或双作用油缸、由柱塞缸体带动旋转的花键传动轴，其特征在于：在柱塞缸体的不同同心圆周上设置若干组柱塞孔及其柱塞，每组柱塞的孔径相同且均布在圆周上，并且不同圆周上柱塞之间错位布置；每个柱塞具有顶底连通的油道，其顶部具有球铰与滑靴铰接，滑靴上套有压盘1；所述斜盘固定在端盖上，以固定的r角倾斜，或通过其顶部浮动连接在双作用油缸的活塞上，以可变动的r角倾斜；在柱塞缸体底部有配油盘固定在壳体上，配油盘上具有与柱塞组数相同并分别与之对应连通的高压进油腰形窗孔和低压回油腰形窗孔，每组柱塞所对应的高压进油腰形窗孔和低压回油腰形窗孔Y型阀控制。

本发明的上述结构可以通过附图给出的实施例进一步说明。

本发明有如下附图：

图1为本发明实施例1的轴向剖视图；

图2为配油盘7的配流示意图；

图3为柱塞缸体端面供油及柱塞分布示意图；

图4为本发明实施例2的轴向剖视图；

图5、6为柱塞组工作或不工作时油路连接示意图。

参见附图1～3、5、6：图1所示的实施例1为多级式轴向多组柱塞液压变速马达，包括壳体6、斜盘15、转动柱塞缸体8、端盖16、由柱塞缸体带动旋转的花键传动轴5，其特征在于：在柱塞缸体的不同同心圆周上设置若干组柱塞孔及其柱塞10，每组柱塞的直径相同且均布在圆周上，并且不同圆周上柱塞之间错位布置；每个柱塞具有顶底连通的油道，其顶部具有球铰与滑靴14铰接，滑靴上套有压盘13；所述斜盘固定在端盖16上，以固定的r角倾斜；在柱塞缸体底部有配油盘7固定在壳体上，配油盘上具有与柱塞组数相同并分别与之对应和连通的高压进油腰形窗孔A和低压回油腰形窗孔B，每组柱塞所对应的高压进油腰形窗孔和低压回油腰形窗孔通过Y型阀控制。

图1中的花键传动轴5的一端安装有轴套3，轴套通过轴承组4支承在壳体6上，轴套内的轴端面上安装有弹簧2和调整螺钉1，由其轴向调节，使柱塞缸体与配油盘7保持一定厚度的油膜接触；在本实施例中，传动轴5的另一端安装有由弹簧9支撑的钢球12，其上铰接有压盘13，用于保证柱塞的回程；滑靴14上套有压盘，在滑靴上设有小孔，通过弹簧9、钢球12及压盘13使其靠在斜盘上，保证滑靴14与斜盘15之间可保持一定厚度的油膜接触。；柱塞缸体在柱塞缸体另一端用轴承11支承在壳体内。

附图1、4中的马达或泵设有三组且每组8个柱塞(柱塞的组数以及每组的个数可视需要而定，各组柱塞的直径可以相同也可以不同)。图2中的配油盘7与柱塞缸体8接触端面的示意图，图中I、II、III三组腰形供、回油带分别与图3中的D1、D2、D3等三组柱塞进出油孔相对应；A为高压油进油腰形窗孔，负责为柱塞供油；B为低压油回油腰形窗孔，负责为柱塞回油。A、B油窗间设有一宽度为E且不小于柱塞缸体8端部柱塞进出油口孔径D的隔离带，以确保进、回油腔不能连通。配油盘7固定在壳体6上，无相对于壳体的运动。I、II、III三组腰形供、回油道即高压进油腰形窗孔A、低压回油腰形窗孔B等的油路将通过在壳体内开设对应的孔洞再外接相应的油管来实现。图3中柱塞缸体8自外向内的三个不同直径的同心圆周上均对称分布有8个柱塞进出油孔。此外，图中的虚线表示出每组柱塞的直径是不同的，这种处理方式可以有效调整马达调速或油泵变量的级间差距。

不难看出：本发明的多级与无级变量泵或调速马达的主要区别在于使斜盘15的r角是否可调。如图4所示，斜盘r角的调节由双作用油缸完成。图中，图中双作用油缸包括指示杆16、活塞17和双作用油缸体18、其中斜盘15通过销子19与活塞17浮动连接，r角的改变即是靠活塞17带动销子19后完成的。

本发明的有级或无级调速液压马达与有级或无级变量液压泵在结构上是可逆的，即上述结构可以直接用作泵。

本发明的工作原理叙述如下：

如图1、图4所示，当配油盘7上的高压进油腰形窗孔A由外接油路提供高压工作油时，与之相对应的柱塞缸体8上的部分柱塞10在液压油的压力作用下外伸压向斜盘15，由于斜盘15具有一定的倾角r，所以，根据力学原理，斜盘15给柱塞10的反作用力必将产生一个沿柱塞缸体8的圆周方向的切向分力。由于斜盘15无法转动，该切向分力必然迫使柱塞10带动柱塞缸体8按切向分力所指的方向旋转(按图3的投影方向看应为顺时针旋转)，于是，力矩与转速通过花键传动轴5等输出。与此同时，由于柱塞缸体8的旋转，与配油盘的低压回油腰形窗孔B相对应的另一部分柱塞在斜盘的作用下向柱塞缸体内运动(收缩)，使柱塞腔的容积减小，腔内原来由高压进油腰形窗孔A注入的液压油便被挤出柱塞腔并通过低压回油腰形窗孔B及外接油路排回油箱。

综上所述，只要不断地输入液压油，上述进油并导致旋转；旋转又导致排油的过程就会周而复始地循环下去，恒定的扭矩与转速便可通过花键传动轴等源源不断地向外输出了。

当需要本液压马达有级变速时，只需要有选择地关闭I、II、III等三组供、回油腰形窗孔的油路并通过Y型控制阀连通相应的进、回油腔即可(参见附图5、6)。其具体的变速原理及动作过程如下：如图1￣6中，假定系统供油的流量是不变的，并且本马达的初始工作状态为所有柱塞全部参与工作，这时马达输出的转速最低而扭矩最大，在此状态下，如果希望提高本马达的转速，可以通过外接控制油路将输入配油盘7中某组如D1圆周上腰形进油窗孔的工作液压油关闭，同时，仍通过外接控制油路将配油盘7中D1圆周上的腰形进油窗孔与回油油路连通(连通的目的在于当柱塞被压盘强制拉出时，柱塞腔内不致于形成真空)。如此关闭及连通了有关油路以后，实际参加工作(吸、排油)的柱塞数由原来的24个(三组)减少为16个(两组)，于是整个马达的排量变小了。在输入马达的动力液压油流量不变的前提下，马达输出的转速必然加大而输出的扭矩变小。如果要求恢复马达原来的工作状态，则只需通过Y型阀Y控制油路重新为前述高压进油腰形窗孔恢复供油并同时将该窗孔与回油路连通的油路重新关闭即可。这样，柱塞自动重新参加工作，马达又恢复到原来的“24个柱塞工作”的工作状态。同理，需要时，亦可将对D2或D3圆周上的高压进油腰形窗孔供油的油路关闭并将相应的窗孔与回油油路连通从而达到从马达获得不同扭矩和转速的目的。需要说明的是，本发明马达或油泵中的柱塞位于直径各不相同的圆周上，从图1可以看出，所谓“直径不同”，即柱塞10距柱塞缸体8之中心轴线的距离不同，由于斜盘15的原因，位于不同直径圆周上的柱塞参与工作时的行程也不同；而行程不同，其工作与否对液压马达或液压泵的排量的影响也不同。正因为如此，本发明马达或油泵不再刻意强调柱塞的直径是否相同，但是，如果使用不同直径的柱塞并按由外向内逐步减小的规律排列(如图3所示)，将明显加大马达有级调速或油泵有级变量的级间差。反之，如果使用不同直径的柱塞并按由内向外逐步减小的规律排列，则将全部或部分抵消马达有级调速或油泵有级变量的级间差。

总之，本发明液压变速马达或变量油泵变速或变量的本质在于操控马达或油泵的排量，即：在输入的动力液压油压力及油量不变的前提下，马达的排量变小时，其输出的扭矩变小而输出的转速变大，反之亦然。从以上介绍同样可以看出：本液压变速马达排量的改变可以通过两种途径来实现：要么关闭或开启柱塞的工作油路即改变实际参加工作的柱塞数；要么改变柱塞的直径，仅从改变工作柱塞数的角度不难想象，既然可以关闭或开启与图3中D1圆周上的柱塞相对应的油路，当然也就可以关闭或开启与图3中D2或D3圆周上的柱塞相对应的油路；既然可以关闭或开启一个圆周上的柱塞油路，当然也就可以关闭或开启两个或者三个圆周上的柱塞油路。由于本液压马达设有三组柱塞，通过对实际参与工作的柱塞组数进行不同的搭配与组合，可以得到不同的排量最终获得不同的马达输出扭矩与转速。根据数学的排列组合原理，附图1、3所示的“三组柱塞”马达通过适当的控制油路控制三组柱塞分别或全部参与工作以形成不同的工作柱塞组合后，即可以获得七级速度。可以设想，如果用四组柱塞或者更多，则马达变速的级数几乎是随心所欲的(如果工作机械需要的话)。有关这些多级马达的具体组成方式、工作过程或原理等等，完全可以根据上述原理类推，此处就不再一一赘述了。

在上述多级调速液压马达或油泵的基础上，只要改变斜盘的倾角(r角)，即可使工作柱塞的行程改变从而改变马达的排量并最终达到马达无级变速的目的。其具体工作过程和工作原理如下：

如图4所示，来自外供控制油源的压力油经双作用油缸缸体18的油孔分别进入两端面作用面积相等的活塞17两端的A或B油腔，推动活塞17上下移动。此时，与销子19连为一体的斜盘15必然随之作相应的运动(旋转)从而改变斜盘15的倾角(r角)。由于r角的变化是连续或线性的，故马达排量的改变也是连续或线性的，因而马达速度的变化就是无级的。驱动双作用油缸工作的外供控制油源可用DY-02型电液伺服阀或其他电液伺服阀控制，通过调节电液饲服阀的输入电流来实现调速。活塞17上安装有指示杆16作为电液伺服阀电气控制系统中反映斜盘或柱塞位置的反馈元件，电液伺服阀控制下的斜盘倾角调节量应与有级变速时级于级之间的速度变化相协调，以达到无级调速的目的。

多级或无级变量液压泵的工作原理完全是多级或无级调速液压马达的逆过程。前已述及，此处不再赘述。

与现有的液压传动装置相比，本发明的通过外控制油路控制供给工作油流，使实际参与工作的柱塞数发生变化并且采用不同的柱塞直径，再通过电液控制方式改变斜盘的倾角r最终实现无级调速或无级变量的。具有工作更可靠、运转更平稳、结构更简单、力学性能更优秀的特点，因此，能够真正解决现有液压传动系统所存在的种种弊端，为各类机械和液压传动系统的发展更新提供了先进可靠的保障。此外，本发明构造简单精巧；设计制造容易；安装布置方便。它体积小；噪音低；造价廉；发热少；效率高；调速或变量范围大；适用范围十分宽广，可广泛应用于汽车工业、各种现代工业生产设备、各种民用机械装置等等，尤其适用于船舶工业和各种大型工程机械等需要大动力的场合。由于它采用电液伺服控制系统控制，可以方便地与计算机控制实现对接。若考虑散热、排水的结构因素，本发明还可实现气压控制。

Claims (4)

1.一种轴向多组柱塞式液压变量泵或马达，包括壳体(6)、斜盘(15)、转动柱塞缸体(8)、端盖(16)或双作用油缸、由柱塞缸体带动旋转的花键传动轴(5)，其特征在于：在柱塞缸体的不同同心圆周上设置若干组柱塞孔及其柱塞(10)，每组柱塞直径相同且均布在圆周上，并且不同圆周上柱塞之间错位布置；每个柱塞具有顶底连通的油道，其顶部具有球铰与滑靴(14)铰接，滑靴上套有压盘(13)；所述斜盘固定在端盖上，以固定的r角倾斜，或通过其顶部浮动连接在双作用油缸的活塞上，以可变动的r角倾斜；在柱塞缸体底部有配油盘(7)固定在壳体上，配油盘上具有与柱塞组数相同并分别与之对应连通的高压进油腰形窗孔(A)和低压回油腰形窗孔(B)，每组柱塞所对应的高压进油腰形窗孔和低压回油腰形窗孔通过Y型阀控制。

2.根据权利要求1所述轴向多组柱塞式液压变量泵或马达，其特征在于：花键传动轴(5)的一端安装有轴套(3)，轴套通过轴承组(4)支承在壳体(6)上，轴套内的轴端面上安装有弹簧(2)和调整螺钉(1)，由其轴向调节，使柱塞缸体与配油盘(7)保持一定厚度的油膜接触；传动轴(5)的另一端安装有由弹簧(9)支撑的钢球(12)，其上铰接有压盘(13)，滑靴(14)套在压盘上，在滑靴上设有小孔，通过弹簧(9)、钢球(12)及压盘13使其靠在斜盘上，保证滑靴(14)与斜盘(15)之间可保持一定厚度的油膜接触。；柱塞缸体在柱塞缸体另一端用轴承(11)支承在壳体内。

3.根据权利要求1所述轴向多组柱塞式液压变量泵或马达，其特征在于：双作用油缸包括指示杆(16)、活塞(17)和双作用油缸体(18)、其中斜盘(15)通过销子(19)与活塞(17)浮动连接。

4.根据权利要求1所述轴向多组柱塞式液压变量泵或马达，其特征在于：高压进油腰形窗孔(A)和低压回油腰形窗孔(B)之间设有一宽度不小于柱塞缸体8端部柱塞进出油口孔径(D)的隔离带。

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