CN101372992B - 一种流体输入转化为扭矩和摆角输出的方法及专用油缸 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种将流体输入转化为扭矩和摆角输出的方法、以及为实施该方法专门设计的液压两级螺旋摆动油缸。技术方案是：向缸筒内充入带有能量的流体，驱动缸筒内的旋转活塞；旋转活塞为带有内、外螺旋槽的套，其旋向相反，套上的外螺旋槽与缸筒内壁上的内螺旋槽匹配，套上的内螺旋槽与输出轴上的外螺旋槽匹配。本发明巧妙地在液压油缸中采用了两级螺旋传动，使每级(螺旋)转角得到了矢量叠加，达到了较大的角度，实现了油缸从小的往复直线运动，转化到输出大的摆动(回转)角度的目的。在空间极小，需要输出扭矩极大，输出转角范围宽广的领域中将有极大的应用，还可以在输出方式、结构上任意组合以满足不同领域设备的需要。
Description
所属技术领域：
本发明涉及一种将流体输入转化为扭矩和摆角输出的方法、以及为实施该方法专门设计的液压两级螺旋摆动油缸。
背景技术：
目前，通过液压油缸传递扭矩和摆角，是将带有能量的流体输入转化为扭矩和摆角输出的方法之一，这类的液压摆动(回转)油缸常用的有两种结构形式，即：齿轮齿条摆动(回转)油缸和叶片摆动(回转)油缸。
齿轮齿条摆动(回转)油缸组成包括直线油缸、齿轮、齿条等，齿轮齿条摆动油缸是通过油缸推动齿条，齿条搓动齿轮从而达到把往复直线运动输入转变为摆动(回转)运动输出的目的。如果齿轮的输出角度为360度，则齿条的最小有效长度为一倍的齿轮节园周长。如旋转720度，则齿条的最小有效长度为两倍的齿轮节园周长，其余以次类推。由于齿条搓动齿轮的作用点在齿轮的外侧节圆上，故存在一个极大的径向无效载荷，使齿轮回转轴及齿条承受了一个很大的弯曲应力。同时，由于齿轮齿条在啮合过程中，只有1-2个齿参与啮合，基于现有材料的限制，油缸推动齿条输出的作用在啮合齿上的直线力不能超过其所能承受的弯曲应力，这就限制了过高压力油液的输入(≤16Mpa)，大大降低了液压能驱动油缸带动齿条输入的直线运动转化为齿轮输出回转运动的效率。同时由于齿轮的输出转角与其节园周长的关系(л×节园直径)决定了齿条的最小长度，故这种油缸的外形尺寸很大，使应用领域受到了极大的限制。而且在油缸的设计中还需要考虑支承零件用以抵消啮合点上的径向无效载荷。
叶片摆动(回转)油缸组成包括缸体、转动叶片、固定叶片等，叶片摆动油缸是在一个完全封闭的空间中通过固定叶片和转动叶片把该封闭空间分割成两个独立的空间。当其中一个空间由于液压油的进入而逐渐增大时，则另一个空间逐渐减小，从而推动转动叶片绕其固定轴线转动，达到输出回转运动的目的。该种摆动(回转)油缸存在两个致命的弱点，第一，由于有固定叶片的存在，使其输出的最大转角小于360度，也就是说理论上无法实现360度旋转。第二，由于活动叶片需要将完全封闭的大空间重新分割成两个完全封闭的小空间，且两个小空间之间的大小完全处在变化中。故要求活动叶片(外形长方形)的周边必须形成极可靠的密封。目前国际上圆形零件已能做到极其可靠的密封，耐压程度已达到100MPa以上，但对矩形零件尚无有效地解决办法，耐压程度小于等于6.3Mpa。由于密封问题使其不能输入高压，这就大大降低了输出扭矩的大小。
发明内容：
本发明目的是提供一种流体输入转化为扭矩和摆角输出的方法及液压两级螺旋摆动油缸，在小的空间内，使油缸从小的往复直线运动，转化到输出大的摆动(回转)角度，输出大扭矩，解决背景技术中存在的上述问题。
本发明的技术方案是：
流体输入转化为扭矩和摆角输出的方法包含以下步骤：
①向缸筒内充入带有能量的流体，驱动缸筒内的旋转活塞；
②旋转活塞为带有内、外螺旋槽的套，其旋向相反，套上的外螺旋槽与缸筒内壁上的内螺旋槽匹配，套上的内螺旋槽与输出轴上的外螺旋槽匹配，旋转活塞在发生水平位移的同时，还进行旋转；
③通过上述两级螺旋转换、传递，使带有能量的流体输入转化为输出轴的扭矩和摆角输出。
在缸筒、旋转活塞、输出轴之间设有密封，将缸体内空间分割成两个独立的封闭空间，每个独立的封闭空间分别与缸筒上的流体孔连通，流体孔是带能量的流体进出缸筒的通道；上述两个封闭空间充入带能量的流体，通过压力变化，此消彼长，总体积不变，驱动缸筒内的旋转活塞移动、转动，输出轴输出大的扭矩和摆角。
所说的带有能量的流体最好是油，也可以是乳化液、水等，所说的缸筒就是油缸的缸体。
为实施上述方法，专门设计的液压两级螺旋摆动油缸，它包含：缸筒、旋转活塞、输出轴，缸筒上设有流体孔，旋转活塞设置在缸筒内，旋转活塞为带有内、外螺旋槽的套，其旋向相反，套上的外螺旋槽与缸筒内壁上的内螺旋槽匹配，套上的内螺旋槽与输出轴上的外螺旋槽匹配，在缸筒、旋转活塞、输出轴之间设有密封，将缸筒内空间分割成两个独立的封闭空间，每个独立空间分 别与缸筒上的流体孔连通。
在缸筒、旋转活塞、输出轴之间设置的密封，可以是如下结构形式：
在输出轴与缸筒内壁之间设有支撑密封，流体孔旁的缸筒内壁与旋转活塞之间设有孔用密封，旋转活塞与输出轴之间设有轴用密封，缸筒内壁、旋转活塞、输出轴之间通过上述密封形成一个独立的封闭空间，该空间连通缸筒上的一个流体孔；缸筒内其余部分构成另一个独立的封闭空间，该空间连通缸筒上的另一个流体孔，上述两个封闭空间充入(能量流体)液压油，通过压力变化，此消彼长，总体积不变，驱动缸体内的旋转活塞移动、转动，输出轴输出大的扭矩和摆角。
输出轴的输出方式是任意的，例如通过法兰输出、双轴输出、单轴输出、内孔输出等等。
工作原理：假定缸体固定，当流体孔进入(能量流体)高压油时，与之连通的封闭空间将增大，旋转活塞假定向右移动，与此同时在旋转活塞上外螺旋槽与缸体内壁上内螺旋槽的精确配合作用下又产生旋转运动，即边移动边旋转。而旋转活塞上的内螺旋槽又与输出轴上的外螺旋槽精确配合，将回转运动传递给输出轴。由于输出轴与缸体在轴线方向上相对静止，所以当前述封闭空间增大时，旋转活塞相对于输出轴也向右移动，由于旋转活塞上的内螺旋槽与输出轴上的外螺旋槽的精确配合，使输出轴又产生一个回转运动。至此，输出轴输出的回转角度为两级螺旋转角的矢量叠加，从而实现了旋转活塞很小的轴向位移，便可使输出轴输出很大的旋转角度，大大降低了油缸的轴向长度。
由于理论上油缸的轴向长度可以无限延长，也就是说上述封闭空间可以无限大，旋转活塞就可以一直向右运动，从而也就可以连续不断输出任意回转角。反之，当另一流体孔进入(能量流体)高压油时，则输出轴可以连续不断输出反向任意回转角度，从而完成油缸的摆动(回转)过程。如果输出轴固定，则缸体输出。
缸筒内壁的形状最好是圆筒，所有密封均采用圆形结构，密封的可靠性极好，可承受极高的压强(常规情况≤35Mpa)。而且同等条件下，由于该油缸在任何工作过程中，所有槽齿均参与啮合，象花键联结一样，从而使该种油缸达到了输出(扭矩)功率极大的目的。
采用本发明，两级螺旋摆动(回转)油缸，由于巧妙地在液压油缸中采用了两级螺旋传动，使每级(螺旋)转角得到了矢量叠加，达到了较大的角度，实现了油缸从小的往复直线运动，转化到输出大的摆动(回转)角度的目的。同时又由于采用了可靠的高压密封和任何过程中所有齿槽均参与啮合，象滑动花键联结一样，故可实现输出极大扭矩和功率的目的。
由于两级螺旋摆动(回转)油缸的上述优点，在空间极小，需要输出扭矩极大，输出转角范围宽广的领域中将有极大的应用。同时，在两级螺旋传动原理不变的前提下，还可以在输出方式、结构上任意组合以满足不同领域设备的需要。
附图说明：
图1为本发明实施例一的结构示意图。
图2为本发明实施例一的F-F剖视结构示意图。
图3为本发明实施例二的结构示意图。
图4为本发明实施例三的结构示意图。
图5为本发明实施例四的结构示意图。
图中：输出轴1、支撑垫2、支撑密封3、孔用密封4、轴用密封5和9、旋转活塞6、缸筒7、端盖8、紧定螺钉10、封闭空间11和12、流体孔14和15。
具体实施方式：
以下通过实施例对本发明作进一步说明。
实施例一，参照附图1和2。
本实施例是通过输出轴上的法兰输出扭矩，输出轴上设有法兰连接孔。
液压两级螺旋摆动油缸，它包含：缸筒7、旋转活塞6、输出轴1，缸筒上设有两个流体孔14和15，旋转活塞设置在缸筒内，旋转活塞为带有内、外螺旋槽的套，其旋向相反，套上的外螺旋槽与缸筒内壁上的内螺旋槽匹配，套上的内螺旋槽与输出轴上的外螺旋匹配；在缸筒7、旋转活塞6、输出轴1之间设置如下密封形式：在输出轴与缸筒内壁之间设有支撑密封3，同时设有支撑垫2，流体孔14旁的缸筒7内壁与旋转活塞6之间设有孔用密封4，旋转活塞6与输出轴1之间设有轴用密封5，缸筒内壁、旋转活塞、输出轴之间通过上述密封形成一个独立的封闭空间11，该空间连通缸筒上的一个流体孔14；缸筒内其余部 分构成另一个独立的封闭空间12，该空间连通缸筒上的另一个流体孔15，上述两个封闭空间充入液压油，通过压力变化，此消彼长，总体积不变，驱动缸体内的旋转活塞移动、转动，输出轴输出大的扭矩和摆角。
缸筒的端部设有端盖8，通过紧定螺钉10固定在输出轴1上，端盖与输出轴之间设有轴用密封9，端盖与缸筒之间也设有密封。
缸筒7、旋转活塞6、输出轴1之间的关系：旋转活塞6安装在输出轴1上，并使输出轴1的外螺旋槽与旋转活塞6上的内螺旋槽精确配合，同时旋转活塞6又装在缸体7的内部，并使旋转活塞6外螺旋槽与缸体7上的内螺旋槽精确配合。
工作过程：假定缸体7固定，液压油的压强大于160MP，当流体孔14进入高压油时，与之连通的封闭空间11将增大，旋转活塞向右移动，与此同时在旋转活塞上外螺旋槽与缸体内壁上内螺旋槽的精确配合作用下又产生旋转运动，即边移动边旋转。而旋转活塞上的内螺旋槽又与输出轴上的外螺旋槽精确配合，将回转运动传递给输出轴。由于输出轴与缸体在轴线方向上相对静止，所以当前述封闭空间11增大时，旋转活塞相对于输出轴也向右移动，由于旋转活塞上的内螺旋槽与输出轴上的外螺旋槽的精确配合，使输出轴又产生一个回转运动。至此，输出轴输出的回转角度为两级螺旋转角的矢量叠加，从而实现了旋转活塞很小的轴向位移，便可使输出轴输出很大的旋转角度，大大降低了油缸的轴向长度。反之，当另一流体孔15进入高压油时，则输出轴可以连续不断输出反向任意回转角度，从而完成油缸的摆动(回转)过程。
实施例二，参照附图3。
本实施例是通过输出轴上的内孔输出扭矩和摆角，输出轴1上设有连接内孔。
实施例三，参照附图4。
本实施例是通过双轴输出扭矩和摆角，输出轴1的两端都可以同时输出扭矩。
实施例四，参照附图5。
本实施例是通过单轴输出扭矩，输出轴1的一端输出扭矩和摆角。
Claims (6)
1.一种流体输入转化为扭矩和摆角输出的方法，其特征在于包含以下步骤：
①向缸筒内充入带有能量的流体，驱动缸筒内的旋转活塞；
②旋转活塞为带有内、外螺旋槽的套，其旋向相反，套上的外螺旋槽与缸筒内壁上的内螺旋槽匹配，套上的内螺旋槽与输出轴上的外螺旋槽匹配，旋转活塞在发生水平位移的同时，还进行旋转；
③通过上述两级螺旋转换、传递，使带有能量的流体输入转化为输出轴的扭矩和摆角输出。
2.根据权利要求1所述之流体输入转化为扭矩和摆角输出的方法，其特征在于缸筒、旋转活塞、输出轴之间设有密封，将缸体内空间分割成两个独立的封闭空间，每个独立的封闭空间分别与缸筒上的流体孔连通，流体孔是带能量的流体进出缸筒的通道；上述两个封闭空间充入带能量的流体，通过压力变化，此消彼长，总体积不变，驱动缸筒内的旋转活塞移动、转动，输出轴输出大的扭矩和摆角。
3.为实施权利要求1专门设计的液压两级螺旋摆动油缸，其特征在于包含缸筒(7)、旋转活塞(6)、输出轴(1)，旋转活塞设置在缸筒内，旋转活塞为带有内、外螺旋槽的套，其旋向相反，套上的外螺旋槽与缸筒内壁上的内螺旋槽匹配，套上的内螺旋槽与输出轴上的外螺旋槽匹配。
4.根据权利要求3所述之液压两级螺旋摆动油缸，其特征在于缸筒(7)上设有流体孔(14、15)，缸筒(7)、旋转活塞(6)、输出轴(1)之间设有密封，将缸筒内空间分割成两个独立的封闭空间，每个独立空间分别与缸筒上的流体孔连通。
5.根据权利要求4所述之液压两级螺旋摆动油缸，其特征在于缸筒(7)、旋转活塞(6)、输出轴(1)之间设置的密封，是如下结构：
在输出轴与缸筒内壁之间设有支撑密封(3)，流体孔(14)旁的缸筒(7)内壁与旋转活塞(6)之间设有孔用密封(4)，旋转活塞(6)与输出轴(1)之间设有轴用密封(5)，缸筒内壁、旋转活塞、输出轴之间通过上述密封形成一个独立的封闭空间(11)，该空间连通缸筒上的一个流体孔(14)；缸筒内其余部分构成另一个独立的封闭空间(12)，该空间连通缸筒上的另一个流体孔(15)。
6.根据权利要求3或4所述之液压两级螺旋摆动油缸，其特征在于缸筒(7)的端部设有端盖(8)，通过紧定螺钉(10)固定在输出轴(1)上，端盖与输出轴(1)之间设有轴用密封(9)，端盖与缸筒之间也设有密封。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20190709 Address after: 064000 Industrial Park, Changli County, Qinhuangdao City, Hebei Province (West District) Patentee after: Qinhuangdao Difeng Rock Drilling Equipment Co., Ltd. Address before: 063040 Room 202, 5 Gate, 612 Floor, 21 District, Fengrun District, Tangshan, Hebei Province Patentee before: Guo Yuheng |
|
| TR01 | Transfer of patent right |