專利名稱：一種流體輸入轉(zhuǎn)化為扭矩和擺角輸出的方法及專用油缸的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種將流體輸入轉(zhuǎn)化為扭矩和擺角輸出的方法、以及為實(shí)施該 方法專門設(shè)計(jì)的液壓兩級螺旋擺動油缸。
技術(shù)背景-
目前，通過液壓油缸傳遞扭矩和擺角，是將帶有能量的流體輸入轉(zhuǎn)化為扭 矩和擺角輸出的方法之一，這類的液壓擺動(回轉(zhuǎn))油缸常用的有兩種結(jié)構(gòu)形 式，S卩齒輪齒條擺動(回轉(zhuǎn))油缸和葉片擺動(回轉(zhuǎn))油缸。
齒輪齒條擺動(回轉(zhuǎn))油缸組成包括直線油缸、齒輪、齒條等，齒輪齒條 擺動油缸是通過油缸推動齒條，齒條搓動齒輪從而達(dá)到把往復(fù)直線運(yùn)動輸入轉(zhuǎn) 變?yōu)閿[動(回轉(zhuǎn))運(yùn)動輸出的目的。如果齒輪的輸出角度為360度，則齒條的
最小有效長度為一倍的齒輪節(jié)園周長。如旋轉(zhuǎn)720度，則齒條的最小有效長度
為兩倍的齒輪節(jié)園周長，其余以次類推。由于齒條搓動齒輪的作用點(diǎn)在齒輪的 外側(cè)節(jié)圓上，故存在一個(gè)極大的徑向無效載荷，使齒輪回轉(zhuǎn)軸及齒條承受了一
個(gè)很大的彎曲應(yīng)力。同時(shí)，由于齒輪齒條在嚙合過程中，只有1-2個(gè)齒參與嚙
合，基于現(xiàn)有材料的限制，油缸推動齒條輸出的作用在嚙合齒上的直線力不能
超過其所能承受的彎曲應(yīng)力，這就限制了過高壓力油液的輸入(《16Mpa)，大 大降低了液壓能驅(qū)動油缸帶動齒條輸入的直線運(yùn)動轉(zhuǎn)化為齒輪輸出回轉(zhuǎn)運(yùn)動的 效率。同時(shí)由于齒輪的輸出轉(zhuǎn)角與其節(jié)園周長的關(guān)系(iiX節(jié)園直徑)決定了 齒條的最小長度，故這種油缸的外形尺寸很大，使應(yīng)用領(lǐng)域受到了極大的限制。 而且在油缸的設(shè)計(jì)中還需要考慮支承零件用以抵消嚙合點(diǎn)上的徑向無效載荷。
葉片擺動(回轉(zhuǎn))油缸組成包括缸體、轉(zhuǎn)動葉片、固定葉片等，葉片擺動 油缸是在一個(gè)完全封閉的空間中通過固定葉片和轉(zhuǎn)動葉片把該封閉空間分割成 兩個(gè)獨(dú)立的空間。當(dāng)其中一個(gè)空間由于液壓油的進(jìn)入而逐漸增大時(shí)，則另一個(gè) 空間逐漸減小，從而推動轉(zhuǎn)動葉片繞其固定軸線轉(zhuǎn)動，達(dá)到輸出回轉(zhuǎn)運(yùn)動的目 的。該種擺動(回轉(zhuǎn))油缸存在兩個(gè)致命的弱點(diǎn)，第一，由于有固定葉片的存 在，使其輸出的最大轉(zhuǎn)角小于360度，也就是說理論上無法實(shí)現(xiàn)360度旋轉(zhuǎn)。 第二，由于活動葉片需要將完全封閉的大空間重新分割成兩個(gè)完全封閉的小空
間，且兩個(gè)小空間之間的大小完全處在變化中。故要求活動葉片(外形長方形) 的周邊必須形成極可靠的密封。目前國際上圓形零件已能做到極其可靠的密封，
耐壓程度己達(dá)到100MPa以上，但對矩形零件尚無有效地解決辦法，耐壓程度小 于等于6.3Mpa。由于密封問題使其不能輸入高壓，這就大大降低了輸出扭矩的 大小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種流體輸入轉(zhuǎn)化為扭矩和擺角輸出的方法及液壓兩級 螺旋擺動油缸，在小的空間內(nèi)，使油缸從小的往復(fù)直線運(yùn)動，轉(zhuǎn)化到輸出大的 擺動(回轉(zhuǎn))角度，輸出大扭矩，解決背景技術(shù)中存在的上述問題。
本發(fā)明的技術(shù)方案是
流體輸入轉(zhuǎn)化為扭矩和擺角輸出的方法包含以下步驟
① 向缸筒內(nèi)充入帶有能量的流體，驅(qū)動缸筒內(nèi)的旋轉(zhuǎn)活塞；
② 旋轉(zhuǎn)活塞為帶有內(nèi)、外螺旋槽的套，其旋向相反，套上的外螺旋槽與缸 筒內(nèi)壁上的內(nèi)螺旋槽匹配，套上的內(nèi)螺旋槽與輸出軸上的外螺旋槽匹配，
旋轉(zhuǎn)活塞在發(fā)生水平位移的同時(shí)，還進(jìn)行旋轉(zhuǎn)； (D通過上述兩級螺旋轉(zhuǎn)換、傳遞，使帶有能量的流體輸入轉(zhuǎn)化為輸出軸的 扭矩和擺角輸出。
在缸筒、旋轉(zhuǎn)活塞、輸出軸之間設(shè)有密封，將缸體內(nèi)空間分割成兩個(gè)獨(dú)立 的封閉空間，每個(gè)獨(dú)立的封閉空間分別與缸筒上的流體孔連通，流體孔是帶能 量的流體進(jìn)出缸筒的通道；上述兩個(gè)封閉空間充入帶能量的流體，通過壓力變 化，此消彼長，總體積不變，驅(qū)動缸筒內(nèi)的旋轉(zhuǎn)活塞移動、轉(zhuǎn)動，輸出軸輸出 大的扭矩和擺角。
所說的帶有能量的流體最好是油，也可以是乳化液、水等，所說的缸筒就 是油缸的缸體。
為實(shí)施上述方法，專門設(shè)計(jì)的液壓兩級螺旋擺動油缸，它包含缸筒、旋 轉(zhuǎn)活塞、輸出軸，缸筒上設(shè)有流體孔，旋轉(zhuǎn)活塞設(shè)置在缸筒內(nèi)，旋轉(zhuǎn)活塞為帶 有內(nèi)、外螺旋槽的套，其旋向相反，套上的外螺旋槽與缸筒內(nèi)壁上的內(nèi)螺旋槽 匹配，套上的內(nèi)螺旋槽與輸出軸上的外螺旋槽匹配，在缸筒、旋轉(zhuǎn)活塞、輸出 軸之間設(shè)有密封，將缸筒內(nèi)空間分割成兩個(gè)獨(dú)立的封閉空間，每個(gè)獨(dú)立空間分
別與缸筒上的流體孔連通。
在缸筒、旋轉(zhuǎn)活塞、輸出軸之間設(shè)置的密封，可以是如下結(jié)構(gòu)形式 在輸出軸與缸筒內(nèi)壁之間設(shè)有支撐密封，流體孔旁的缸筒內(nèi)壁與旋轉(zhuǎn)活塞 之間設(shè)有孔用密封，旋轉(zhuǎn)活塞與輸出軸之間設(shè)有軸用密封，缸筒內(nèi)壁、旋轉(zhuǎn)活 塞、輸出軸之間通過上述密封形成一個(gè)獨(dú)立的封閉空間，該空間連通缸筒上的 一個(gè)流體孔；缸筒內(nèi)其余部分構(gòu)成另一個(gè)獨(dú)立的封閉空間，該空間連通缸筒上 的另一個(gè)流體孔，上述兩個(gè)封閉空間充入(能量流體)液壓油，通過壓力變化， 此消彼長，總體積不變，驅(qū)動缸體內(nèi)的旋轉(zhuǎn)活塞移動、轉(zhuǎn)動，輸出軸輸出大的 扭矩和擺角。
輸出軸的輸出方式是任意的，例如通過法蘭輸出、雙軸輸出、單軸輸出、 內(nèi)孔輸出等等。
工作原理假定缸體固定，當(dāng)流體孔進(jìn)入(能量流體)高壓油時(shí)，與之連 通的封閉空間將增大，旋轉(zhuǎn)活塞假定向右移動，與此同時(shí)在旋轉(zhuǎn)活塞上外螺旋 槽與缸體內(nèi)壁上內(nèi)螺旋槽的精確配合作用下又產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，即邊移動邊旋轉(zhuǎn)。 而旋轉(zhuǎn)活塞上的內(nèi)螺旋槽又與輸出軸上的外螺旋槽精確配合，將回轉(zhuǎn)運(yùn)動傳遞 給輸出軸。由于輸出軸與缸體在軸線方向上相對靜止，所以當(dāng)前述封閉空間增 大時(shí)，旋轉(zhuǎn)活塞相對于輸出軸也向右移動，由于旋轉(zhuǎn)活塞上的內(nèi)螺旋槽與輸出 軸上的外螺旋槽的精確配合，使輸出軸又產(chǎn)生一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動。至此，輸出軸輸 出的回轉(zhuǎn)角度為兩級螺旋轉(zhuǎn)角的矢量疊加，從而實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)活塞很小的軸向位 移，便可使輸出軸輸出很大的旋轉(zhuǎn)角度，大大降低了油缸的軸向長度。
由于理論上油缸的軸向長度可以無限延長，也就是說上述封閉空間可以無 限大，旋轉(zhuǎn)活塞就可以一直向右運(yùn)動，從而也就可以連續(xù)不斷輸出任意回轉(zhuǎn)角。 反之，當(dāng)另一流體孔進(jìn)入(能量流體)高壓油時(shí)，則輸出軸可以連續(xù)不斷輸出 反向任意回轉(zhuǎn)角度，從而完成油缸的擺動(回轉(zhuǎn))過程。如果輸出軸固定，則 缸體輸出。
缸筒內(nèi)壁的形狀最好是圓筒，所有密封均采用圓形結(jié)構(gòu)，密封的可靠性極
好，可承受極高的壓強(qiáng)(常規(guī)情況《35Mpa)。而且同等條件下，由于該油缸在
任何工作過程中，所有槽齒均參與嚙合，象花鍵聯(lián)結(jié)一樣，從而使該種油缸達(dá) 到了輸出(扭矩)功率極大的目的。
采用本發(fā)明，兩級螺旋擺動(回轉(zhuǎn))油缸，由于巧妙地在液壓油缸中采用 了兩級螺旋傳動，使每級(螺旋)轉(zhuǎn)角得到了矢量疊加，達(dá)到了較大的角度， 實(shí)現(xiàn)了油缸從小的往復(fù)直線運(yùn)動，轉(zhuǎn)化到輸出大的擺動(回轉(zhuǎn))角度的目的。 同時(shí)又由于采用了可靠的高壓密封和任何過程中所有齒槽均參與嚙合，象滑動 花鍵聯(lián)結(jié)一樣，故可實(shí)現(xiàn)輸出極大扭矩和功率的目的。
由于兩級螺旋擺動(回轉(zhuǎn))油缸的上述優(yōu)點(diǎn)，在空間極小，需要輸出扭矩 極大，輸出轉(zhuǎn)角范圍寬廣的領(lǐng)域中將有極大的應(yīng)用。同時(shí)，在兩級螺旋傳動原 理不變的前提下，還可以在輸出方式、結(jié)構(gòu)上任意組合以滿足不同領(lǐng)域設(shè)備的 需要。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例一的F—F剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明實(shí)施例三的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為本發(fā)明實(shí)施例四的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中輸出軸l、支撐墊2、支撐密封3、孔用密封4、軸用密封5和9、旋 轉(zhuǎn)活塞6、缸筒7、端蓋8、緊定螺釘IO、封閉空間11和12、流體孔14和15。
具體實(shí)施例方式
以下通過實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
實(shí)施例一，參照附圖1和2。
本實(shí)施例是通過輸出軸上的法蘭輸出扭矩，輸出軸上設(shè)有法蘭連接孔。 液壓兩級螺旋擺動油缸，它包含缸筒7、旋轉(zhuǎn)活塞6、輸出軸l，缸筒上 設(shè)有兩個(gè)流體孔14和15，旋轉(zhuǎn)活塞設(shè)置在缸筒內(nèi)，旋轉(zhuǎn)活塞為帶有內(nèi)、外螺旋 槽的套，其旋向相反，套上的外螺旋槽與缸筒內(nèi)壁上的內(nèi)螺旋槽匹配，套上的 內(nèi)螺旋槽與輸出軸上的外螺旋匹配；在缸筒7、旋轉(zhuǎn)活塞6、輸出軸l之間設(shè)置 如下密封形式在輸出軸與缸筒內(nèi)壁之間設(shè)有支撐密封3，同時(shí)設(shè)有支撐墊2， 流體孔14旁的缸筒7內(nèi)壁與旋轉(zhuǎn)活塞6之間設(shè)有孔用密封4，旋轉(zhuǎn)活塞6與輸 出軸1之間設(shè)有軸用密封5，缸筒內(nèi)壁、旋轉(zhuǎn)活塞、輸出軸之間通過上述密封形 成一個(gè)獨(dú)立的封閉空間11，該空間連通缸筒上的一個(gè)流體孔14;缸筒內(nèi)其余部
分構(gòu)成另一個(gè)獨(dú)立的封閉空間12，該空間連通缸筒上的另一個(gè)流體孔15，上述 兩個(gè)封閉空間充入液壓油，通過壓力變化，此消彼長，總體積不變，驅(qū)動缸體 內(nèi)的旋轉(zhuǎn)活塞移動、轉(zhuǎn)動，輸出軸輸出大的扭矩和擺角。
缸筒的端部設(shè)有端蓋8，通過緊定螺釘10固定在輸出軸1上，端蓋與輸出
軸之間設(shè)有軸用密封9，端蓋與缸筒之間也設(shè)有密封。
缸筒7、旋轉(zhuǎn)活塞6、輸出軸1之間的關(guān)系旋轉(zhuǎn)活塞6安裝在輸出軸1上， 并使輸出軸1的外螺旋槽與旋轉(zhuǎn)活塞6上的內(nèi)螺旋槽精確配合，同時(shí)旋轉(zhuǎn)活塞6 又裝在缸體7的內(nèi)部，并使旋轉(zhuǎn)活塞6外螺旋槽與缸體7上的內(nèi)螺旋槽精確配合。
工作過程假定缸體7固定，液壓油的壓強(qiáng)大于160MP，當(dāng)流體孔14進(jìn)入 高壓油時(shí)，與之連通的封閉空間ll將增大，旋轉(zhuǎn)活塞向右移動，與此同時(shí)在旋 轉(zhuǎn)活塞上外螺旋槽與缸體內(nèi)壁上內(nèi)螺旋槽的精確配合作用下又產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動， 即邊移動邊旋轉(zhuǎn)。而旋轉(zhuǎn)活塞上的內(nèi)螺旋槽又與輸出軸上的外螺旋槽精確配合， 將回轉(zhuǎn)運(yùn)動傳遞給輸出軸。由于輸出軸與缸體在軸線方向上相對靜止，所以當(dāng) 前述封閉空間ll增大時(shí)，旋轉(zhuǎn)活塞相對于輸出軸也向右移動，由于旋轉(zhuǎn)活塞上 的內(nèi)螺旋槽與輸出軸上的外螺旋槽的精確配合，使輸出軸又產(chǎn)生一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動。 至此，輸出軸輸出的回轉(zhuǎn)角度為兩級螺旋轉(zhuǎn)角的矢量疊加，從而實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)活 塞很小的軸向位移，便可使輸出軸輸出很大的旋轉(zhuǎn)角度，大大降低了油缸的軸 向長度。反之，當(dāng)另一流體孔15迸入高壓油時(shí)，則輸出軸可以連續(xù)不斷輸出反 向任意回轉(zhuǎn)角度，從而完成油缸的擺動(回轉(zhuǎn))過程。
實(shí)施例二，參照附圖3。
本實(shí)施例是通過輸出軸上的內(nèi)孔輸出扭矩和擺角，輸出軸1上設(shè)有連接內(nèi)孔。
實(shí)施例三，參照附圖4。
本實(shí)施例是通過雙軸輸出扭矩和擺角，輸出軸1的兩端都可以同時(shí)輸出扭矩。
實(shí)施例四，參照附圖5。
本實(shí)施例是通過單軸輸出扭矩，輸出軸1的一端輸出扭矩和擺角。
權(quán)利要求
1.一種流體輸入轉(zhuǎn)化為扭矩和擺角輸出的方法，其特征在于包含以下步驟①向缸筒內(nèi)充入帶有能量的流體，驅(qū)動缸筒內(nèi)的旋轉(zhuǎn)活塞；②旋轉(zhuǎn)活塞為帶有內(nèi)、外螺旋槽的套，其旋向相反，套上的外螺旋槽與缸筒內(nèi)壁上的內(nèi)螺旋槽匹配，套上的內(nèi)螺旋槽與輸出軸上的外螺旋槽匹配，旋轉(zhuǎn)活塞在發(fā)生水平位移的同時(shí)，還進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；③通過上述兩級螺旋轉(zhuǎn)換、傳遞，使帶有能量的流體輸入轉(zhuǎn)化為輸出軸的扭矩和擺角輸出。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述之流體輸入轉(zhuǎn)化為扭矩和擺角輸出的方法，其特征 在于缸筒、旋轉(zhuǎn)活塞、輸出軸之間設(shè)有密封，將缸體內(nèi)空間分割成兩個(gè)獨(dú)立的 封閉空間，每個(gè)獨(dú)立的封閉空間分別與缸筒上的流體孔連通，流體孔是帶能量 的流體進(jìn)出缸筒的通道；上述兩個(gè)封閉空間充入帶能量的流體，通過壓力變化， 此消彼長，總體積不變，驅(qū)動缸筒內(nèi)的旋轉(zhuǎn)活塞移動、轉(zhuǎn)動，輸出軸輸出大的 扭矩和擺角。
3、 為實(shí)施權(quán)利要求1專門設(shè)計(jì)的液壓兩級螺旋擺動油缸，其特征在于包含 缸筒(7)、旋轉(zhuǎn)活塞(6)、輸出軸(1)，旋轉(zhuǎn)活塞設(shè)置在缸筒內(nèi)，旋轉(zhuǎn)活塞為 帶有內(nèi)、外螺旋槽的套，其旋向相反，套上的外螺旋槽與缸筒內(nèi)壁上的內(nèi)螺旋 槽匹配，套上的內(nèi)螺旋槽與輸出軸上的外螺旋槽匹配。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述之液壓兩級螺旋擺動油缸，其特征在于缸筒(7) 上設(shè)有流體孔(14、 15)，缸筒(7)、旋轉(zhuǎn)活塞(6)、輸出軸(1)之間設(shè)有密 封，將缸筒內(nèi)空間分割成兩個(gè)獨(dú)立的封閉空間，每個(gè)獨(dú)立空間分別與缸筒上的 流體孔連通。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述之液壓兩級螺旋擺動油缸，其特征在于缸筒(7)、 旋轉(zhuǎn)活塞(6)、輸出軸(1)之間設(shè)置的密封，是如下結(jié)構(gòu)在輸出軸與缸筒內(nèi)壁之間設(shè)有支撐密封(3)，流體孔(14)旁的缸筒(7)內(nèi)壁與旋轉(zhuǎn)活塞(6)之間設(shè)有孔用密封(4)，旋轉(zhuǎn)活塞(6)與輸出軸(1)之 間設(shè)有軸用密封(5)，缸筒內(nèi)壁、旋轉(zhuǎn)活塞、輸出軸之間通過上述密封形成一個(gè)獨(dú)立的封閉空間(11)，該空間連通缸筒上的一個(gè)流體孔(14);缸筒內(nèi)其余部分構(gòu)成另一個(gè)獨(dú)立的封閉空間(12)，該空間連通缸筒上的另一個(gè)流體孔(15)。
6、根據(jù)權(quán)利要求3或4所述述之液壓螺旋兩級擺動油缸，其特征在于缸筒 (7)的端部設(shè)有端蓋(8)，通過緊定螺釘(10)固定在輸出軸(1)上，端蓋 與輸出軸(1)之間設(shè)有軸用密封(9)，端蓋與缸筒之間也設(shè)有密封。
全文摘要
本發(fā)明是一種將流體輸入轉(zhuǎn)化為扭矩和擺角輸出的方法、以及為實(shí)施該方法專門設(shè)計(jì)的液壓兩級螺旋擺動油缸。技術(shù)方案是向缸筒內(nèi)充入帶有能量的流體，驅(qū)動缸筒內(nèi)的旋轉(zhuǎn)活塞；旋轉(zhuǎn)活塞為帶有內(nèi)、外螺旋槽的套，其旋向相反，套上的外螺旋槽與缸筒內(nèi)壁上的內(nèi)螺旋槽匹配，套上的內(nèi)螺旋槽與輸出軸上的外螺旋槽匹配。本發(fā)明巧妙地在液壓油缸中采用了兩級螺旋傳動，使每級(螺旋)轉(zhuǎn)角得到了矢量疊加，達(dá)到了較大的角度，實(shí)現(xiàn)了油缸從小的往復(fù)直線運(yùn)動，轉(zhuǎn)化到輸出大的擺動(回轉(zhuǎn))角度的目的。在空間極小，需要輸出扭矩極大，輸出轉(zhuǎn)角范圍寬廣的領(lǐng)域中將有極大的應(yīng)用，還可以在輸出方式、結(jié)構(gòu)上任意組合以滿足不同領(lǐng)域設(shè)備的需要。
文檔編號F15B15/00GK101372992SQ20081011044
公開日2009年2月25日 申請日期2008年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月4日
發(fā)明者郭玉恒 申請人:郭玉恒