CN1007833B - 旋转式流体能量转换器 - Google Patents

Abstract

本发明的转换器设置了弹簧和流体式传动装置，弹簧用来推压支撑部件使之偏离轴心向一边移动，流体式传动装置用来使上述支撑部件朝着与上述弹簧推压的相反方向。从一边通过旋转轴心向另一边移动，同时，通过压力补偿阀把高压流体注入上述流体式传动装置，使高压流体压力保持在压力补偿压。所以，能使旋转轴的旋转方向一定并随高压端的压力自动地切换运转状态，既有泵的功能又有马达的功能。

Description

本发明是关于作为静压型流体泵或流体马达使用的旋转式流体能量转换器。

对于已往的这种旋转式能量转换器亦即静压型旋转式流体泵或马达，有所谓容积式能量转换器。这种转换器，伴随机壳与转矩环的相对转动，使流体出入用的空间的容积发生增减，从而获得泵的功能或马达的功能，同时，通过使支持机壳或转矩环的支撑部件在与旋转轴心垂直的方向作往复运动，调节上述机壳与转矩环之间的偏心量，也能使它的容积发生变化。

然而，最近，对于动力回收型液压传动***，不论在排出液体时还是吸入液体时，都希望该***的压力保持一定。对此，如果上述那种容积式能量转换器具备压力补偿机构，当负荷压力达到一定的设定值时，根据泵的排出压力调整排出量，可以改变它的容积，从而能够实现第4图所示的压力控制。也就是说，当按照指定的流量a运转时，如果排出压力增大到予先设定的压力，那么，压力补偿阀就打开，它的排出流量按照b所示的那样逐渐减小，容积的变化使之自动地达到无输出状态。因此，目前在这种能量转换器中，还没有找到能够自由切换而且能量回收效率高的泵和马达。

针对上述情况，本发明的目的旨在提供这样一种旋转式能量转换器，它具有非常高的能量回收功能，而已往的具备压力补偿机构的能量转换器则不可能达到。

为了达到上述目的，本发明首先在上述容积式流体能量转换器中 装置了弹簧和传动装置，弹簧用来推压上述支撑部件，使之偏离旋转轴心向一边移动，传动装置用来使上述支撑部件朝与上述弹簧推压的相反方向，通过旋转轴心从一边向另一边移动，同时，使高压流体通过压力补偿阀注入上述流体式传动装置，从而使高压流体压力保持在压力补偿压。其次，为了抵消作用在上述支撑部件上的非平衡力，本发明还在上述流体能量转换器中设置了平衡活塞，用来向能量转换器注入高压流体，并产生抵消上述非平衡力的作用力。

根据这样的结构，与第1项发明和第2项发明有关的旋转式流体能量转换器的共同作用是：当把该转换器作为泵使用时，推压支撑部件的弹簧使该支撑部件偏离旋转轴心向一边移动，由移动的位置决定泵的一定容量。另一方面，如果该泵的高压流体的压力一旦超过设定压，那么，用来使支撑部件朝着与弹簧相反方向移动的流体式传动装置开始起动，使该支撑部件向另一边移动，于是，成为从旋转轴输出的马达而运转，旋转轴和旋转方向与作为泵使用时相同。而且，在作为马达使用的状态下，如果该马达的高压流体的压力低于设定压，那么，就回复到原来的状态，又成为泵而运转。这时，不论泵的功能还是马达的功能，都能使高压流体压力保持在压力补偿阀所设定的压力力。另外，特别是关于第2项发明，由于依靠转换器中高压流体压力的平衡活塞支撑在该支撑部件，起到了使弹簧的推压力反向的作用，所以，减轻了弹簧所承受的负荷，有效地解决了设计上的限制。

下面，给出图纸的简单说明。

第1图是本发明的一个实施例的剖面图，第2图是沿第1图中Ⅱ-Ⅱ线的剖面图，第3图是沿第1图中Ⅲ-Ⅲ线的剖面图，第4图是说明具有已往的压力补偿功能的能量转换器的工作特性图，第5图 是说明本发明的转换器的工作特性图。

以下，参照图纸说明本发明的一个实施例。

转矩环2通过几个第1静压支承3嵌合在机壳1的内表面上，能够转动。机壳1是一端具有开口1a另一端有底的圆筒，在其内表面上嵌合着上述转矩环2的部位，朝开口1a的方向形成直径逐渐减小的圆锥面4。另外，转矩环2的形状像一个茶杯，它的周壁2a的圆锥角与上述圆锥面4相同，在其一端的轴心处与旋转轴6构成一个整体，旋转轴6的前端通过上述开口1a伸到机壳1的外面。另外，第1静压支撑3的结构是把与机壳1的圆锥面4紧密接触的瓦5固定在上述转矩环2的外表面所需要的位置，同时，把三个压力凹穴7a、7b和7c沿轴向与这个瓦5邻接，以便把流体压注入各个压力凹穴7a、7b和7c内。而且，奇数个静压支承3沿圆周方向按等角度间隔装配。另外，在转矩环2的内表面上，与第1静压支承3对应的部位形成内平面2c。并且，在该转矩环2的内表面上，分别把活塞8装配在与上述各个内平面2c对应的部位上，使这些活塞8的前端8a通过第2静压支承9与所对应的内平面2c紧密接触。第2静压支承9的结构是使上述活塞8的前端8a形成与上述内平面2c紧密接触的平面形状，同时，在此前端8a上形成压力凹穴11，以便把流体压注入该压力凹穴11内。另外，上述各个活塞8的基础端依靠活塞缸12固定住，在该活塞缸12与各个活塞8之间形成用来注入流体的空间13。也就是说，活塞缸12具有与机壳1和转矩环2的轴心即旋转轴心m平行的轴心（实施例中，在作为泵使用的状态下为+n的位置，在作为马达使用的状态下，为-n的位置），由枢轴14和环形汽缸套筒15构成，枢轴14的滑动部分14a支撑在上述机壳1上，汽缸套筒15与枢轴14的外表面嵌合在一起，能够转动，在汽 缸套筒15上，有几个沿圆周方向按等角度间隔排列成辐射状的汽缸16，它们的轴心基本上与枢轴14的外表面垂直。而且，上述各个活塞8装配在这些汽缸16内，能够自由滑动，各个活塞8的基础端8b与各个汽缸16的底面之间形成上述空间13。此外，上述汽缸套筒15通过欧氏联轴节20等零件与上述转矩环2连接，以同样的角速度和该转矩环2一起旋转。另外，上述枢轴14是一个外表面为圆锥面的截顶圆锥体，它的圆锥角几乎与转矩环2的周壁2a的圆锥角相等，使各个活塞8沿着与转矩环2的周壁2a垂直的方向能够自由地前后进退。而且，枢轴14的滑动部分14a加工成横剖面为台形的长条块状，嵌合在上述机壳1内表面的台形槽19内，能够自由滑动。也就是说，枢轴14保持在与上述旋转轴心m垂直的方向，能够滑动。因此，可以把该枢轴14的轴心±n与上述轴心m之间的距离±D调整到所希望的值，包括零在内。而且，如第2图所示，以与枢轴14的滑动方向一致的假想分割线P为界线，把机壳1的内部分成第1区域A和第2区域B两部分，使正在通过第1区域A的空间13与第1流体流通线路21连通，同时，使正在通过第2区域B的空间13与第2流体流通线路22连通。第1流体流通线路21由流体通路23、贯穿枢轴的通道24和流体的出入口25构成，流体通路23使上述各个空间13的开口处位于汽缸套筒15的内表面，通道24的一端位于枢轴14靠近第1区域A一边的外表面，另一端位于枢轴14靠近第2区域B一边的滑动部分14a上的斜面14b，流体的出入口25在机壳1上位于与贯穿枢轴的通道24的另一端对应的位置。而且，为了在枢轴14的外表面与汽缸套筒15的内表面之间形成第3静压支承26，在上述贯穿枢轴的通道24的一端设有压力凹穴27，同时，为了在枢轴 14的斜面14b与机壳1的内表面之间形成第4静压支承28，在另一端设有压力凹穴29。上述压力凹穴27沿圆周方向是细长的形状，它还起着把所有位于第1区域A中的空间13与贯穿枢轴的通道24连通起来的作用。另外，压力凹穴29沿枢轴14的滑动方向是细长的形状，使枢轴14滑动时，它还起着防止贯穿枢轴的通道24与流体的出入口25断开的作用。另一方面，第2流体流通线路22由上述流体通路23、贯穿枢轴的通道34和流体的出入口25构成，通道34的一端位于枢轴14靠近第2区域B一边的外表面，另一端位于枢轴14靠近第1区域A一边的滑动部分14a上的斜面14C，流体的出入口35在机壳1上位于与贯穿枢轴的通道34的另一端对应的位置。而且，为了在枢轴14与汽缸套筒15之间形成第3静压支承36，在上述贯穿枢轴的通道34的一端设有压力凹穴27，同时，为了在枢轴14的斜面14C与机壳1的内表面之间形成第4静压支承38，在另一端设有压力凹穴39。这两个压力凹穴37和39的结构与上述压力凹穴27和29相同。

另外，在这样的结构中，通过设在活塞8的轴心处的压力注入通路41，把与各个活塞8对应的空间13内的流体压注入相应的第2静压支承9的压力凹穴11内，同时，通过贯穿上述转矩环2的流体通路42a、42b和42c，再把该压力凹穴11内的流体压注入相应的第1静压支承3的压力凹穴7a、7b和7c内。并且，上述两个静压支承3和9的方向和面积，设计得使注入第1静压支承3的流体静压所引起的作用在转矩环2上的力，和注入第2静压支承9的流体静压所引起的作用在转矩环2上的力大小相等，方向相反。另外，上述第2静压支承9的面积，还设计得使注入该静压支承9的流体静压所引起的作用 在活塞8上的力，与空间13内的流体静压所引起的作用在活塞8上的力相互抵消。第3静压支承26（36）的面积，设计得使注入该静压支承26（36）的静压所引起的作用在汽缸套筒15上的力，与相应的区域A（B）中的空间13内的流体静压所引起的作用在机壳1上的力相互抵消。第4静压支承28（38）和该静压支承28（38）所在的斜面14b（14c）的倾斜角，设计得使注入该静压支承28（38）的流体静压所引起的作用在枢轴14上的力，与注入上述斜面14b（14c）对面的区域A（B）中的第3静压支承26（36）的流体静压所引起的作用在枢轴14上的力相互抵消。

此外，43是密封垫圈，44是用来辅助支持旋转轴的支承。45是制动器，用来使汽缸套筒15止住枢轴14，46是永久磁铁，用来把枢轴14向后盖1b的内表面吸引，后盖1b构成机壳1的一部分。

在这样的静压型流体能量转换器中，为了使上述转矩环2的支撑部件枢轴14沿着与旋转轴心垂直的方向移动，还具有下面这样一些机构。首先，在与机壳1上的槽19嵌合的枢轴14的基块14a上，从与其纵向重合的一端沿着与旋转轴心垂直的方向加工成凹穴51，并把弹簧52装在该凹穴51内部的底面51a与机壳1内表面之间，依靠弹簧52的推压力使枢轴14向上述偏心位置+n移动。另外，还设置了流体式机构53，该流体式机构53对枢轴14产生与弹簧52的推压力协同作用的力。这个流体式机构53由汽缸55和平衡活塞56构成，汽缸55构成把工作流体注入内部的注入器54，平衡活塞56与汽缸55嵌合在一起，能够自由滑动，通过密封垫圈58在靠近上述凹穴51处把汽缸55装配在机壳1上的安装穴57内，它的外面顶住封口部件59，固定在机壳1上。此外，平衡活塞56的前端56a与上述 凹穴51内部的底面51a接触。而且，上述弹簧52装配在流体式机构53的平衡活塞前端56a的背面与活塞55的基础端面之间，通过平衡活塞56，把推压力作用到枢轴14上。另外，这个流体式机构53能够把转换器排出或吸入的高压流体诱导进注入器54内，并且能够把弹簧52的推压力变成支撑力作用到枢轴14上。也就是说，在实施例中，具有由贯穿枢轴的通道24、流体通路61和流体通路62构成的流体压力回路，首先，通道24上能够作为转换器的高压流体出入口的一端与流体出入口25连通，流体通路61是贯穿枢轴的通道24的分支，而且它的开口处在与平衡活塞的前端56a紧密接触的凹穴内部的底面51a上，而凹穴在枢轴14上，流体通路62穿过平衡活塞56的轴心，而且它的一端开口处与上述流体通路61的开口处连通，另一端的开口处在上述注入器54上，依靠这样的机构，可以使高压流体的压力不断地传给注入器54。这就是说，这个流体式机构53依靠注入的高压流体压力与汽缸截面积相乘得到的力支持枢轴14。在与流体通路61和62的连通部位相对应的平衡活塞前端56a上，装配着密封垫圈63，防止工作流体在接触面上泄漏。另外，在汽缸55的内部基础端面上，装配着进退可调的螺栓64，当嵌合的平衡活塞56缩进汽缸内时，亦即当枢轴14反抗弹簧52的推压力向另一端移动时，碰到平衡活塞56的下端面以后，螺栓64可以阻止枢轴14继续移动。也就是说，螺栓64的作用把枢轴14的移动量限制在一定的值，具体说来，本实施例中就是使枢轴14从机壳1的轴心m只移动D的距离，到了偏心位置-n处，就停止移动。

其次，在这个能量转换器中，为了使枢轴14另一方向亦即与弹簧52和流体式机构53的推压和支持方向相差180度的反向移动， 具有利用转换器中的压力补偿机构而工作的流体式传动装置66。也就是说，在凹穴51的背面即与机壳1上的槽19嵌合在一起的枢轴基块14a的端面上，具有与旋转轴心垂直并与凹穴51对置的凹穴67，在该凹穴67内，形成向内部注入工作流体的注入器68，同时，通过装在其内部基础端的台阶69b与凹穴67内部的底面67a之间的弹簧71，使其基础端面与机壳1的内表面紧密接触，并把汽缸69嵌合得相对该凹穴67的内表面能够自由滑动。借助于安装在与机壳1的内表面接触的汽缸端面69a上的密封垫圈72，防止工作流体在接触面上泄漏。

另外，通过安装孔73，枢轴支撑杆74从机壳1外面装配在与枢轴14上的凹穴67嵌合在一起的汽缸69的空心处，它的前端74a与凹穴67内部的底面76a紧密接触。支撑杆74的头部74a突出在机壳1的外面，在其内表面与机壳1的外表面之间装有适当的弹簧75，在此状态下，该头部74a与固定在机壳1上的轴承盖76嵌合在一起，而且，借助于安装在其顶部的销紧螺栓77的销钉，可以调整其头部74a从汽缸69突出的长度。也就是说，枢轴支撑杆74的作用是限制受到弹簧52推压的枢轴14在一个方向的移动，具体说来，在本实施例中，就是使枢轴14从机壳1的轴心m只移动D的距离，到了偏心位置+n处，就停止移动。于是，这种用来决定移动位置的流动式传动装置66具有流体压力回路，该流体压力回路通过压力补偿阀把能量转换器的高压流体诱导进汽缸69内的注入器68。也就是说，这个流体压力回路由贯穿枢轴的通道24、流体通路81（第1图中，用点画线简单表示）、流体通路83、流体通路84、注入器68和流体通路85构成，如前所述，首先，通道24上能够作为转换器的高压流 体出入口的一端与流体出入口25连通，流体通路81是贯穿枢轴的通道24的分支，它把工作流体注入机壳1的后盖1b上的通道82，流体通路83使该通道82与压力补偿机构中的基块91内的流体通路92连通，而基块91紧密地装配在机壳1的后盖1b上，流体通路84通过压力补偿阀93把工作流体从基块内的流体通路92诱导到机壳1一边，注入器68的一端与流体通路84连通，另一端在上述汽缸69内，流体通路85与机壳1的安装孔73侧壁上的开口连通，枢轴支撑杆74穿过该安装孔73。另外，上述基块91内的压力补偿阀93嵌合在上述流体通路92内，能够自由滑动，根据所指定的工作压力不断地推压并支撑阀芯凸台94。具体说来，在流体通路92内，阀芯凸台94装配得使其凸缘滑动面完全跨过流体通路84的开口位置，同时，阀芯凸台94的移动端伸进直径较大的支撑孔95内，支撑孔95穿通流体通路84，而且，在套在其头部的推压板96与安装在支撑孔95另一端的销紧螺栓97之间装配有弹簧98。借助于销紧螺栓97的销钉调整冲程，可以改变弹簧98的推压力。而且，当从流体通路83传递过来的转换器的高压流体压力超过弹簧98的推压力即压力补偿阀93的设定压时，阀芯凸台94稍微向前端滑动一点，这时，阀芯凸台94就解除了对流体通路84的封锁，该流体通路84便和流体通路92连通，因此，能够把高压流体注入用来改变移动位置的流体式传动装置66，另外，毫无疑问，当高压流体压力低于设定压时，阀芯凸台94复位，于是切断向传动装置66供给高压流体。86、87和88是流体通路，分别用来把从传动装配66返回的工作流体注入机壳内表面上的排水沟。另外，99是闭锁器，使阀芯凸台94保持复位的位置。

然而，通过这样的压力补偿阀93把工作流体从转换器的高压端注入上述流体式传动装置66时，流体压力超过上述弹簧52的弹力和上述平衡活塞56的作用力，使枢轴14向另一端移动。这里，该传动装置66作用到枢轴14上的驱动力，等于工作流体的注入器即凹穴67内部的底面67a的面积乘以注入的高压流体的压力，这个力使枢轴14移动到偏心位置-n。因此，该传动装置66输出的驱动力比平衡活塞56克服对面的推压力的作用力大。换言之，根据流体式传动装置66和平衡活塞56的作用力来设计弹簧52的弹性，使之满足当转换器的高压流体压力偏离压力补偿阀93的设定压向增大的方向变化时，枢轴14能够圆滑地移动。而且，弹簧52的弹性还应该设计得当转换器的高压流体压力达到压力补偿阀93的设定压时，在流体式传动装置66刚要驱动的阶段，弹簧52和平衡活塞56的作用力还稍大于该驱动力，如果使设定压稍微提高一点，那么，它应该能够使枢轴14立即向另一端移动。如上所述，流体式机构53内的螺钉64的作用是限制枢轴14移动时的位移量。

下面，说明图示实施例的作用。

这个转换器本体部分的基本作用与特开昭和58-77178号公报介绍的一样。也就是说，如果把枢轴14的轴心设定在+n的位置，当转矩环2在外力作用下向箭头R方向旋转时，那么，高压流体就从第1流体流通线路21喷出，于是，起泵的作用。反之，如果把枢轴14的轴心设定在-n的位置，通过上述第1流体流通线路21向第1区域中的空间13供给高压流体时，就会产生使转矩环2沿箭头S方向旋转的力偶，于是，起马达的作用。而且，在作为泵或马达使用的状态下，转 换器的旋转轴6按照各自指定的轴心位置沿一定方向旋转。

其次，说明将转换器改变容积使用时的作用。

假定把转换器作为液压源，应用于流体压驱动式的液压机器，在图示枢轴14的轴心位于+n的偏心状态下，作为泵使用时，该泵把偏心量所决定的流量靠近高压端的第1流体流通线路21向外喷出。然而，当高压端的负荷压力即喷出压达到指定的设定压时，那么，安装在注入高压流体的流体压力回路上的压力补偿阀93就打开，于是，流体式传动装置66就把高压流体诱导进注入器68，并且，流体式传动装置66应该设定过渡性的与喷出压力相适应的喷出量，以便当该流体压有一点增大的倾向时，能够使枢轴14发生移动，当压力进一步上升时，流体式传动装置66就克服对面的弹簧52和平衡活塞56的推压力，使枢轴14的轴心偏离由上述限制手段所决定的偏心位置-n即偏离旋转轴心向另一端移动。而且，当枢轴14完成它的移动时，转换器就变成从第1流体流通线路21喷出负流量的泵，也就是说，注入高压流体以后，运转自动地切换，变成沿同一方向旋转的马达。发生这样的容积变化的转换器的喷出流量与负荷压力之间的关系表示在第5图。如该图所示，这种转换器与已往的具有压力补偿功能的泵比较，像a和b那样，与喷出压力相对应，只是控制喷出量的压力不同，如果超过该设定压，那么，就和C那样，基本上保持压力一定（这个压力相当于压力补偿阀的设定压），逐渐地增加高压端的流入量，在达到指定的流入量之前，以高压流体所具有的流体能量作为马达而运转。因此，壁如，如果把单向旋转式发电机与这个转换器的旋转轴b连接起来，那么，在作为上述C和d处的马达使用时，能够回收流体能量，依靠这种能量回收功能，可以作为节能转换器而工作。

以上说明的实施例特别与本发明的第2项发明有关，依靠弹簧52的推压力和平衡活塞56的驱动力使枢轴14移动并把它支撑住，从原 理上说来，本发明不是同时使用平衡活塞56，也就是说，只依靠弹簧52的推压力使枢轴移动并把它支撑住，也可以达到这个推压力与位移用的流体式传动装置66的驱动力相平衡，因此，本发明把由这样的结构所构成的装置包含在第1项发明内。另外，如上述实施例所介绍的那样，在实施本发明时，设置平衡活塞56是有利的。关于这一点，可以通过下列情况说明。对于上述实施例的静压型转换器，当把它的枢轴轴心移动到+n的偏心位置作为泵使用时，原理上，作用到支撑部件即枢轴14上的力相互平衡，位移力不起作用，但是，实际上，由于工作流体的压缩性，各个空间13内的压力变化滞后一般时间，于是，要把枢轴14拉回到中立位置的非平衡力起作用。因此，如果只用上述弹簧52支撑，那么，该弹簧52必须能够产生相当大的推压力，然而，为了产生上面所述的移动，需要很长的冲程，所以，弹簧52的设计非常困难（譬如：可能会超过弹簧线圈所容许的线断裂应力，如果增加圈数，又容易发生座屈现象等等），而且，进行装配或折卸时，也比较困难而且有危险。然而，如果使用平衡活塞56来支撑枢轴14，那么，就可以解决这些问题，并且使弹簧52具有理想的特性，进而可以使这种转换器具有稳定的容积变化。

此外，对于本发明的转换器，毫无疑问，完成泵功能或马达功能的本体部分的结构并不只限于上述实施例的情况，譬如，也可以是通常的辐射形的活塞式泵或马达等等。

由于本发明的转换器是上面所述的结构，所以，既能使旋转轴的旋转方向保持一定，又能随高压端的压力自动地切换运转状态，不仅有泵的功能，也有马达的功能，因此，能够发挥高效率的能量回收功能，而具有普通压力补偿功能的能量转换回则不可能达到。

1    机壳

2    转矩环

13    空间

14    支撑部件（枢轴）

52    弹簧

56    平衡活塞

64    限制机构（螺钉）

66    位移用的流体式传动装置

24、81、82、83、84、85、92    流体压力回路

93    压力补偿阀

Claims (1)

1、一种旋转式流体能量转换器包括：

一机壳，是一端具有开口而另一端有底的圆筒，朝开口的方向形成直径逐渐减小的圆锥面，

一转矩环，通过静压支承嵌合在机壳内表面上并能转动，转矩环为杯形，其周壁的圆锥角与上述圆锥面相同，在其一端的轴心处与旋转轴构成一整体，旋转轴的前端通过上述开口伸到机壳的外面，在转矩环的内圆锥面上有一组内平面，

一组可滑动地装在活塞缸内的活塞，装配在与上述内平面对应的部位上，通过第二静压支承与所对应的内平面紧密接触，

一个装在上述转矩环内的枢轴，其滑动部分支撑在机壳上，汽缸套筒与枢轴的外表面嵌合在一起并能够转动，枢轴滑动部分的轴心n和壳体的轴心m平行，其间距为D，枢轴滑动部分可在机壳内滑动，使距离±D可被调整到包括零在内的所希望的值，

本发明的特征在于该能量转换器中设置有弹簧、平衡活塞、流体式传动装置和流体压力回路，弹簧用来推压上述支撑部分使之偏离旋转轴心向一边移动，平衡活塞用来产生抵消上述部件在移动方向受到的非平衡力的作用力，流体式传动装置用来使上述支撑部件朝着与上述弹簧推压的相反方向，从一边通过旋转轴心向另一边移动，流体压力回路用来产生通过压力补偿阀把能量转换器的高压流体诱导到上述平衡活塞端面上的作用力，由于通过压力补偿阀把能量转换器的高压流体注入流体式传动装置，所以，能够使高压流体的压力不论在作为泵使用时还是在作为马达使用时都保持在压力补偿阀的设定压。

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