專利名稱：一種液壓螺旋半橋先導級結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于液壓伺服控制技術領域，涉及一種新型的液壓螺旋半橋先導級結構。
背景技術：
在液壓伺服控制技術領域，伺服閥是液壓和氣動流體伺服控制技術的關鍵部件， 由于液動力的存在，使大流量的液壓伺服閥閥芯推動需要很大的作動力，目前的電機械轉 換器在合理的體積、功率前提下很難直接推動，所以大流量的伺服閥普遍采用液壓兩級或 三級控制。傳統(tǒng)的噴嘴擋板或射流管閥采用噴嘴擋板和射流管二級液壓放大，解決了大流 量伺服閥設計的問題，但其缺點是加工困難，對油液要求高，可靠性低。

發(fā)明內容
本發(fā)明為了解決現有伺服閥工作當中存在的問題，提出了一種新型的液壓螺旋半 橋先導級結構，對于研制新型的液壓螺旋半橋先導伺服閥有著很高的實用意義。本發(fā)明的液壓螺旋半橋先導級結構包括螺旋先導控制棒、液壓放大活塞與液壓放 大活塞筒三個部分，其中的螺旋先導控制棒為圓柱形結構，外表面加工有螺旋槽和一道與 螺旋槽相交的周向環(huán)槽；液壓放大活塞為非對稱雙作用活塞，液壓放大活塞的活塞桿中心 沿軸向有一個中心孔，液壓放大活塞上的活塞一側作用面的面積是另一側作用面的面積的 二倍。在面積作用面較小一側和作用面面積較大一側的液壓放大活塞上各有一個徑向通油 孔連通中心孔和活塞腔，在作用面面積較大一側的液壓放大活塞上還有一個徑向通油孔連 通中心孔和回油，但該徑向通油孔不連通活塞腔。液壓放大活塞筒在活塞作用面面積較小 一側有一徑向通油孔連通供油。所述的液壓螺旋半橋先導級結構利用螺旋先導控制棒的螺旋槽與液壓放大活塞 上的徑向通流孔形成弓形可變節(jié)流面積，即可變液壓阻尼，形成液壓半橋結構，通過先導控 制棒的旋轉或直線運動調節(jié)可變液壓阻尼，使活塞左右兩腔形成壓差推動液壓放大活塞直 線運動，液壓活塞直線運動對液壓阻尼半橋起負反饋作用，液壓阻尼半橋達到新的平衡停 止運動，實現了螺旋先導控制棒的轉角與液壓放大活塞直線位移之間的一一對應關系，實 現了液壓放大功能。該結構可以利用現在已經十分成熟的旋轉電機或直線電機控制技術實 現先導級的控制。螺旋先導控制棒負載力矩或力極小，對電機的力矩或推力要求很低，可以 選用轉動慣量很小的旋轉電機或慣性很小的直線電機，使先導級具有很高的動態(tài)特性。本發(fā)明的優(yōu)點及積極效果在于1.與螺旋全橋先導級結構相比結構更簡單，加工難度較低，控制方式靈活。2.螺旋先導控制棒可以采用旋轉或直線驅動，利用成熟的旋轉電機或直線電機技 術，降低成本。螺旋先導控制棒負載力矩或負載力極小，驅動電機可以選用轉動慣量很小的 旋轉電機或慣性很小的直線電機，使驅動級的動態(tài)特性達到很高。3.可變節(jié)流孔的阻尼變化范圍大，使液壓阻尼半橋放大系數大，如果將圓形通流 孔改成與螺旋槽平行的方孔，阻尼全橋變化梯度可以更大且更加線性。
4.螺旋槽和通流孔采用對稱加工，具有天然的余度，同時在弓形可變節(jié)流孔堵塞 的情況下具有自清潔功能，當油液中的微小雜質顆粒堵塞一端可變節(jié)流孔的時候，造成該 節(jié)流孔的通油面積減小，液阻增大，使液壓阻尼半橋失去平衡，液壓放大活塞在左右兩腔的 壓差推動下向增大阻尼孔面積方向運動，從而迫使油液中的雜質通過節(jié)流孔，從而避免被 堵塞，從而降低了對油液清潔度的要求，大大提高了可靠性。


圖1是本發(fā)明液壓螺旋半橋先導級結構剖視圖；圖2是本發(fā)明螺旋先導控制棒結構示意圖；圖3是本發(fā)明液壓放大活塞剖面圖；圖3a是本發(fā)明液壓放大活塞結構示意圖；圖3b是本發(fā)明液壓放大活塞的活塞兩側面積的示意圖；圖4是本發(fā)明液壓放大活塞筒結構示意圖；圖5是本發(fā)明液壓螺旋半橋先導級的結構原理圖；圖6是本發(fā)明液壓螺旋半橋先導級的液壓原理圖；圖中1-螺旋先導控制棒；2-液壓放大活塞；3-液壓放大活塞筒；101-螺旋槽； 102-環(huán)槽；103-軸孔；201-中心孔；202-第二徑向通油孔；203-第三徑向通油孔；204-H 一徑向通油孔；205-活塞；206-活塞面積大側作用面；207-活塞面積小測作用面；301-第 四徑向通油孔；302-活塞腔；4-第一容腔；5-第二容腔。
具體實施例方式下面結合附圖和實例對本發(fā)明的螺旋先導級結構做進一步詳細說明。本發(fā)明提供了一種液壓螺旋半橋先導級結構，如圖1所示，該結構包括螺旋先導 控制棒1、液壓放大活塞2、液壓放大活塞筒3，所述的液壓放大活塞筒3套在液壓放大活塞 2的外部，螺旋先導控制棒1在液壓放大活塞2的中心孔往復旋轉運動，改變活塞兩側壓差， 推動活塞桿直線運動，實現液壓放大。如圖2所示的是螺旋先導控制棒1的結構示意圖，所述的螺旋先導控制棒1為圓 柱形結構，螺旋先導控制棒1的第一端截面上開有軸孔103，用于與旋轉電機或直線電機連 接，起到帶動螺旋先導控制棒1旋轉運動的作用。螺旋先導控制棒1的第二端外表面加工 有沿軸向的螺旋槽101和周向環(huán)槽102，螺旋槽101采用成對對稱加工，用來平衡螺旋先導 控制棒1的徑向力，螺旋槽101和環(huán)槽102相交，如圖1所示，環(huán)槽102的寬度大于第三徑 向通油孔203的直徑，螺旋先導控制棒1和液壓放大活塞2裝配后，環(huán)槽102與第三徑向通 油孔203相通，且液壓放大活塞2運動過程中，環(huán)槽102始終和第三徑向通油孔203相通。如圖3所示是液壓放大活塞2的結構示意圖，所述的液壓放大活塞2采用雙出桿 活塞結構，主體為一個圓柱形結構的活塞桿，該活塞桿中心加工中心孔201，中心孔201的 內徑與螺旋先導控制棒1的第二端直徑相同，螺旋先導控制棒1的第二端在中心孔201內 作旋轉或直線運動。液壓放大活塞2上帶有活塞205，活塞205兩側作用面的面積不相等， 如圖3b所示，活塞面積大側作用面206的面積是活塞面積小側作用面207面積的2倍，液 壓放大活塞2上在活塞205的作用面面積較小一側的活塞桿上加工有第一徑向通油孔204，在活塞205的作用面面積大的一側的活塞桿上加工有第二徑向通油孔202和第三徑向通油 孔203，如圖3a所示。第二徑向通油孔202和第一徑向通油孔204在活塞桿的周向任意角 度設置，通常為了便于加工，這個角度可以取0度，即第二徑向通油孔202和第一徑向通油 孔204在同一個軸線上，在活塞桿軸向上分別位于活塞205的兩側。在與螺旋先導控制棒1 裝配后，如圖1，要保證第二徑向通油孔202和第一徑向通油孔204分別在螺旋先導控制棒 1的一對螺旋槽101兩側，與一對螺旋槽101各有一定的相交，構成可變節(jié)流孔。第三徑向 通油孔203的位置應保證在與螺旋先導控制棒1裝配后，與螺旋先導控制棒1的周向環(huán)槽 102連通，第三徑向通油孔203處于第二徑向通油孔202和第一徑向通油孔204之間。第二 徑向通油孔202不連通活塞腔302，需要通過油路連通回油。如圖4所示，在活塞205的面積較小一側的液壓放大活塞筒3上，加工有第四徑向 通油孔301，第四徑向通油孔301連通活塞筒3外側和活塞腔302，裝配時，將液壓放大活塞 筒3套在液壓放大活塞2外表面，第四徑向通油孔301在活塞205面積小的一側，與第一徑 向通油孔204連通。下面介紹本發(fā)明的螺旋半橋先導級結構的工作原理。圖5是本發(fā)明螺旋半橋先導級結構的工作原理圖，令第四徑向通油孔301連通活 塞筒3外側供油壓力為PS，活塞筒3與液壓放大活塞2在活塞205的作用面面積較小一側 形成第二容腔5，第二容腔5與第四徑向通油孔301連通，壓力也是PS，第二容腔5通過第 一徑向通油孔204與中心孔201連通，在螺旋先導控制棒1裝配到中心孔201之后，螺旋槽 101與通油孔204相交一個可變節(jié)流孔，并形成弓形面積S1,活塞筒3與液壓放大活塞2在 活塞205的作用面面積較大一側形成第一容腔4，第一容腔4通過第三徑向通油孔203與 螺旋先導控制棒1上的環(huán)槽102連通，第一容腔4中的壓力PA等于螺旋槽101中的壓力， 第二徑向通油孔202連通回油壓力PT，螺旋槽101和第二徑向通油孔202相交一個可變節(jié) 流孔，并形成弓形面積S2。兩個可變節(jié)流孔構成液壓阻尼半橋結構，通過螺旋先導控制棒1 的旋轉或直線運動改變兩個可變節(jié)流孔的弓形面積S1與S2，調節(jié)可變液壓阻尼。相交形成的弓形面積S1與S2相等時，液壓阻尼半橋處于平衡位置，螺旋槽101中 的壓力PA = (PS-PT)/2,由于液壓放大活塞2和液壓放大活塞筒3組成的第一容腔4的活 塞作用面積等于2倍第二容腔5的活塞作用面積，根據液壓推力公式(推力等于壓力乘以 面積)，作用在活塞205上的合力為零，液壓放大活塞2處于平衡。以旋轉電機驅動螺旋先 導控制棒1轉動輸出為例，如圖5，驅動螺旋先導控制棒1按照從螺旋先導控制棒1左端看 去的順時針方向轉過一個角度，螺旋先導控制棒1上的螺旋槽101將和液壓放大活塞2上 的第二徑向通油孔202相交面積S2增大，與第一徑向通油孔204的相交面積S1減小，將造 成螺旋槽101和環(huán)槽102中的壓力下降，即作用在活塞205的面積大側作用面206上的壓 力PA要小于(PS-PT) /2，則液壓放大活塞2將受到向左方向的推力從而向左運動，液壓放大 活塞2向左運動將帶著第一徑向通油孔204和第二徑向通油孔202向左運動，第一徑向通 油孔204和第二徑向通油孔202向左運動將使螺旋槽101和第一徑向通油孔204相交的面 積S1增大，螺旋槽101和第二徑向通油孔202相交的面積S2減小，當向左運動到某一位置 S1和S2的面積相同時，環(huán)槽102中的壓力將再次等于(PS-PT)/2，即作用在活塞205的面積 大側作用面206上的壓力PA等于(PS-PT)/2，液壓放大活塞2受力平衡，停在新的平衡位 置。
如果要控制液壓放大活塞2向右運動，則需要驅動螺旋先導控制棒1按照從螺旋 先導控制棒1左端看去的逆時針方向轉過一個角度，螺旋先導控制棒1上的螺旋槽101將 和液壓放大活塞2上的第二徑向通油孔202相交面積S2減小，與第一徑向通油孔204的相 交面積S1增大，將造成螺旋槽101和環(huán)槽102中的壓力上升，即作用在活塞205面積大側 作用面206上的壓力PA要大于(PS-PT)/2，則液壓放大活塞2將受到向右方向的推力從而 向右運動，液壓放大活塞2向右運動將帶動第一徑向通油孔204和第二徑向通油孔202向 右運動，第一徑向通油孔204和第二徑向通油孔202向右運動將使螺旋槽101和第一徑向 通油孔204相交的面積S1減小，螺旋槽101和第二徑向通油孔202相交的面積S2增大，當 向右運動到某一位置S1和S2面積相同時，環(huán)槽102中的壓力將再次等于(PS-PT)/2，即作 用在活塞205面積大側作用面206上的壓力PA等于(PS-PT) /2，液壓放大活塞2受力平衡， 停在新的平衡位置。此過程實現了螺旋先導控制棒1一定角度對應一定直線位移的目的， 通過液壓推動液壓放大活塞2運動，實現了液壓放大的目的。上述螺旋先導控制棒1的轉角和液壓放大活塞2平動的對應關系由螺旋槽101的 螺距決定，比如螺旋槽101的螺距是72mm—周，則螺旋先導控制棒1轉5°對應液壓放大活 塞2運動1mm。旋轉電機控制螺旋先導控制棒1來回旋轉擺動，控制液壓放大活塞2來回平
動。圖5中所示是一種可行的螺旋槽101螺旋方向和第二徑向通流孔202、第一徑向通 流孔204位置分布，螺旋槽101從螺旋先導控制棒1的左端看是順時針旋向，第二徑向通油 孔202位于螺旋槽101的下方形成可變節(jié)流孔，第一徑向通油孔204位于螺旋槽101上方 形成可變節(jié)流孔。如果螺旋槽101選用另一種螺旋方向，即從螺旋先導控制棒1的左端看 是逆時針旋向，則同時需要調換第二徑向通流孔202、第一徑向通流孔204與螺旋槽101的 相對關系，即第二徑向通油孔位于螺旋槽101的上方形成可變節(jié)流孔，第一徑向通油孔位 于螺旋槽101下方形成可變節(jié)流孔。圖5中所示的第二徑向通油孔202、第一徑向通流孔204截面形狀為圓形。圖6所示是本發(fā)明螺旋半橋先導級結構的液壓原理圖，PS為系統(tǒng)供油壓力，As 為活塞面積大側206的作用面積，則活塞面積小側207的作用面積為As/2，PA為螺旋槽 101中的壓力，PT為回油壓力。螺旋先導控制棒1的角度輸入改變液壓阻尼半橋的平衡， 造成螺旋槽101中的壓力PA高于或低于系統(tǒng)供油壓力PS的一半，則根據液壓推力公式， PAXAs ^ PSXAs/2，在活塞205兩側產生推力差推動液壓放大活塞2運動，液壓放大活塞 2的運動對液壓阻尼半橋形成負反饋作用，促使液壓阻尼半橋重新平衡，液壓放大活塞2兩 側的推力重新平衡，停在新的平衡位置。實現通過螺旋先導控制棒1的角度輸入經過液壓 放大推動液壓放大活塞2運動的液壓放大功能。
權利要求
一種液壓螺旋半橋先導級結構，其特征在于，包括螺旋先導控制棒、液壓放大活塞與液壓放大活塞筒三個部分，所述的液壓放大活塞筒套在液壓放大活塞外部，所述的螺旋先導控制棒在液壓放大活塞的活塞桿中心做往復旋轉或直線運動，旋轉或直線運動通過改變可變節(jié)流孔的面積，在液壓放大活塞的活塞兩側形成壓差推動液壓放大活塞做直線運動，形成角度到位移轉換，實現液壓的放大作用。
2.根據權利要求1所述的液壓螺旋半橋先導級結構，其特征在于，所述的螺旋先導控 制棒采用圓柱形結構，螺旋先導控制棒的第一端開有軸孔用于與電機連接，螺旋先導控制 棒的第二端外表面加工有沿軸向的螺旋槽和一道沿周向的環(huán)槽，螺旋槽采用成對對稱加 工，用來平衡螺旋先導控制棒的徑向力，螺旋槽和環(huán)槽相交。
3.根據權利要求2所述的液壓螺旋半橋先導級結構，其特征在于，所述的電機是旋轉 電機或直線電機，用于驅動螺旋先導控制棒旋轉或做直線運動。
4.根據權利要求1或2所述的液壓螺旋半橋先導級結構，其特征在于，所述的液壓放大 活塞采用雙出桿活塞結構，主體為一個圓柱形結構的活塞桿，該活塞桿一端的中心加工有 中心孔，中心孔的內徑與螺旋先導控制棒的第二端直徑相同，液壓放大活塞上帶有活塞，活 塞兩側的作用面面積不相等，一側作用面的面積是另一側作用面面積的兩倍，液壓放大活 塞在活塞作用面面積小側的活塞桿上加工有連通中心孔的第一徑向通油孔，在活塞作用面 面積大側的活塞桿上加工有連通中心孔的第二徑向通油孔和第三徑向通油孔。
5.根據權利要求1或2所述的液壓螺旋半橋先導級結構，其特征在于，所述第一徑向通 油孔與第二徑向通油孔，在液壓放大活塞與螺旋先導控制棒裝配后，分別在螺旋先導控制 棒的螺旋槽兩側，與螺旋槽相交構成可變節(jié)流孔。
6.根據權利要求1或2所述的液壓螺旋半橋先導級結構，其特征在于，所述第三徑向通 油孔，位于第一徑向通油孔和第二徑向通油孔之間，在液壓放大活塞與螺旋先導控制棒裝 配后，與螺旋先導控制棒的周向的環(huán)槽始終連通。
7.根據權利要求1所述的液壓螺旋半橋先導級結構，所述的液壓放大活塞筒加工有第 四徑向通油孔連通供油，該第四徑向通油孔將活塞筒外側和活塞腔連通，在液壓放大活塞 筒與液壓放大活塞裝配后，第四徑向通油孔與第一徑向通油孔連通。
8.根據權利要求1或7所述的液壓螺旋半橋先導級結構，其特征在于，所述第一徑向通 油孔和第三徑向通油孔連通活塞腔。
9.根據權利要求1或7所述的液壓螺旋半橋先導級結構，其特征在于，所述第二徑向通 油孔通過油路連通回油，在液壓放大活塞與液壓放大活塞筒裝配后，不連通活塞腔。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種液壓螺旋半橋先導級結構，包括螺旋先導控制棒、液壓放大活塞及液壓放大活塞筒三部分，該結構通過旋轉電機驅動螺旋先導控制棒在液壓放大活塞的活塞桿的中心作旋轉運動，通過改變液壓阻尼半橋的平衡改變活塞兩側的壓差從而推動液壓放大活塞運動，達到液壓放大的作用，可應用于先導型伺服閥的設計中。本發(fā)明的先導結構與傳統(tǒng)的噴嘴擋板或射流先導結構相比，先導放大系數大，便于制作大流量的比例、伺服閥，螺旋先導控制棒轉動慣量小，受負載力矩極小，便于控制和提高動態(tài)性能，并且結構簡單，便于加工，降低了對油液清潔度的要求，提高了先導級的工作可靠性。
文檔編號F15B13/043GK101806314SQ201010144570
公開日2010年8月18日 申請日期2010年4月9日 優(yōu)先權日2010年4月9日
發(fā)明者俞軍濤, 吳帥, 焦宗夏, 阮健 申請人:北京航空航天大學