CN1380843A - 涉及构制往复运动装置组件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种构制往复运动装置(10)和用于往复运动装置的运动元件(14)的方法。这种新颖的方法包括对往复运动装置壳体(20)和运动元件(14)两者同时进行机加工。还有,公开了一种产生相对往复运动的各元件的非接触对中的方法。

Description

涉及构制往复运动装置组件的方法
                      发明的背景
技术领域
本发明总体上涉及用于构制往复运动装置的方法。具体地说，本发明涉及一种构制往复运动装置和运动元件的方法，以及一种产生各元件的非接触对中的方法。
相关技术
许多使用线性马达的往复运动机器需要未润滑的元件以在非常小的间隙和自由运行的条件下操作。这些类型的机器的实例包括：由线性马达驱动的无活塞的斯特林发动机、热声发动机-发生器、各种无活塞的低温冷却器、气体循环的冷冻机和气体压缩机。在这些线性马达或往复运动装置驱动的机器中，例如活塞这样的运动元件必须与圆柱孔配合，在其中它被某些承载件或柔性悬架系统引导而做往复运动。颁予Beckett等人的美国专利No.5,552,214公开了一种典型的螺旋悬架。为了使往复运动装置的运动元件在相应的圆柱孔中自由地运行而保持一有效的压力阻碍，需要非常小的间隙。具体地说，活塞与圆柱配合表面和线性马达配合表面两者的共轴线线性是必需的。一般地，所需的用于提供这些紧密配装的机加工必须是非常精确的，因为例如马达定子、悬架、活塞和圆柱件这样的各部分被分别加工，而一旦完工就必须组套在一起或配合起来。在需要大量小间隙的自由运行的部分的场合，所需的用于制造各部分的精度变得非常耗费时间和昂贵。
考虑到前述内容，在本领域中需要一种便宜和可靠的方式以在各元件之间产生紧的但不接触的配装，这些元件例如用于往复运动机器提供动力的工具中的柔性支撑的运动元件和圆柱组件。
                      发明的概述
本发明提供了一种生产用于往复运动机器的运动元件的方法，该往复运动机器保证了运动元件和往复运动装置的共轴线度，以及往复运动装置的导向面相对于该运动元件和其运动轴线的垂直度。
在本发明的第一方面中，提供了一种构制往复运动装置和往复运动装置的运动元件的方法，该往复运动装置具有往复运动轴线，运动元件沿该往复运动轴线移动，该方法包括如下步骤：通过悬架将运动元件与往复运动装置连接起来，该悬架允许往复运动并基本上限制了该运动元件相对于往复运动装置的非轴向运动；同时使运动元件和往复运动装置基本上绕往复运动轴线旋转；以及对运动元件的直径和往复运动装置的直径进行机加工。
第二方面提供了一种在第一元件和第二元件之间产生非接触对中的方法，该第一元件与往复运动装置联接以用于沿往复运动轴线做往复运动，该方法包括以下步骤：
通过一悬架将该第一元件与该往复运动装置连接起来，该悬架允许往复运动并基本上限制了该第一元件相对于该往复运动装置的非轴向运动；
同时使该第一元件和该往复运动装置绕该往复运动轴线旋转；
将该第一元件机加工至第一外直径并将该往复运动装置机加工至第二外直径；以及
将该第二元件机加工至具有一用于与该第一外直径配合的第一内直径、一用于与该第二外直径配合的第二内直径和一面。
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2-5，线性悬架元件22包括悬架安装件32，最好采取如图6中最佳地示出的具有侧面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UHB 716。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7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。
往复运动装置10、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)

1.一种构制一往复运动装置和该往复运动装置的一运动元件的方法，该往复运动装置具有一往复运动轴线，该运动元件沿该往复运动轴线移动，该方法包括如下步骤：
通过一悬架将该运动元件与该往复运动装置连接起来，该悬架允许往复运动并基本上限制了该运动元件相对于该往复运动装置的非轴向运动；
同时使该运动元件和该往复运动装置基本上绕该往复运动轴线旋转；以及
对该运动元件的直径和该往复运动装置的直径进行机加工。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该机加工的步骤还包括对该往复运动装置的一导向面进行机加工。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，基本上同时提供对该运动元件的直径、该往复运动装置的直径和该往复运动装置的导向面进行机加工的步骤。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该机加工的步骤包括将该运动元件切削至第一外直径，将该往复运动装置切削至具有一具有第二外直径的导向件，以及将该往复运动装置的导向面切削至与该往复运动轴线垂直。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该运动元件是一往复运动活塞。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该旋转的步骤由一车床提供。
7.如权利要求1所述的方法，其还包括如下步骤，在进行机加工之前，将一具有小于该壳体的硬度的材料层连接到该运动元件上。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，该机加工的步骤还包括对该往复运动装置的一导向面进行机加工。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，基本上同时提供对该运动元件的直径、该往复运动装置的直径和该往复运动装置的导向面进行机加工的步骤。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，该机加工的步骤包括将该运动元件切削至第一外直径，将该往复运动装置切削至具有一具有第二外直径的导向件，以及将该往复运动装置的导向面切削至与该往复运动轴线垂直。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该机加工的步骤由一单个的切削工具提供。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对该往复运动装置进行机加工的步骤包括对一连接到该往复运动装置上的壳体进行机加工。
13.一种在第一元件和第二元件之间产生一非接触对中的方法，该第一元件与一往复运动装置联接以用于沿一往复运动轴线做往复运动，该方法包括如下步骤：
通过一悬架将该第一元件与该往复运动装置连接起来，该悬架允许往复运动并基本上限制了该第一元件相对于该往复运动装置的非轴向运动；
同时使该第一元件和该往复运动装置绕该往复运动轴线旋转；
将该第一元件机加工至第一外直径并将该往复运动装置机加工至第二外直径；以及
将该第二元件机加工至具有一用于与该第一外直径配合的第一内直径、一用于与该第二外直径配合的第二内直径和一面。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，对该往复运动装置进行机加工的步骤还包括对该往复运动装置上的一端面进行机加工以用于与该面配合，该端面与该往复运动轴线垂直。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，基本上同时提供将该第一元件机加工至第一外直径、将该往复运动装置机加工至第二外直径以及对该往复运动装置上的一端面进行机加工的步骤。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，由一车床提供使该第一元件和该往复运动装置旋转以及对该第一元件和该往复运动装置进行机加工的步骤。
17.如权利要求13所述的方法，其还包括如下步骤，在对该第一元件进行机加工之前，将一具有小于该往复运动装置的硬度的材料层连接到该第一元件上。
18.如权利要求18所述的方法，其特征在于，对该往复运动装置进行机加工的步骤还包括，对该往复运动装置上的一端面进行机加工，该端面与该往复运动轴线垂直。
19.如权利要求13所述的方法，其特征在于，对该第一元件和该往复运动装置进行机加工的步骤由一单个的切削工具提供。
20.如权利要求13所述的方法，其特征在于，基本上同时提供所有对该第二元件进行的机加工。
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