一种变量液压泵、马达的变量控制活塞及其应用

摘要

本发明公开了一种变量液压泵、马达的变量控制活塞，控制活塞（1A ）安装在泵、马达主体（5A）上，控制活塞（1A）通过连杆或其他辅助机构与斜盘相连,控制活塞（1A）的内部安装有控制阀芯（2A）、弹簧（3A）和弹簧座（4A），控制阀芯（2A）有环形台阶面；所述的结构包含有三个油腔：连通控制油源的Pi腔，连通控制活塞右端的Pc腔和连通泄油口的T腔；在控制阀芯（2A）上，设置有一个宽度为b的配流台阶；在控制活塞（1A）内孔上，设置有有效宽度为a的配流窗。本发明将控制阀芯、弹簧和主要油道集成到控制活塞的内部，针对某些特殊用途的微型变量液压泵、马达，最大限度减小其外形尺寸和重量。

权利要求

1.一种变量液压泵、马达的变量控制活塞，控制活塞（1A ）安装在泵、马达主体（5A）上，控制活塞（1A）通过连杆与斜盘相连,其特征在于：控制活塞（1A）的内部安装有控制阀芯（2A）、弹簧（3A）和弹簧座（4A），控制阀芯（2A）有环形台阶面；

还包含有三个油腔：连通控制油源的Pi腔，连通控制活塞右端的Pc腔和连通泄油口的T腔；

在控制阀芯（2A）上，设置有一个宽度为b的配流台阶；在控制活塞（1A）内孔上，设置有有效宽度为a的配流窗。

2.如权利要求1所述的一种变量液压泵、马达的变量控制活塞，其特征在于：所述配流台阶宽度b小于等于配流窗宽度a。

3.如权利要求1所述的一种变量液压泵、马达的变量控制活塞，其特征在于：弹簧座（4A）和活塞端盖（6A）内增加了一个辅助阀芯（1B）。

4.如权利要求1所述的一种变量液压泵、马达的变量控制活塞，其特征在于：将控制活塞（1A）固定在泵、马达主体（5A）上，增加活塞筒 (1C)。

5.如权利要求1-4之一所述的一种变量液压泵、马达的变量控制活塞的应用，其特征在于：应用于斜盘式变量柱塞泵、马达，也可应用于斜轴式变量柱塞泵、马达，以及叶片式的变量泵、马达。

说明书

一种变量液压泵、马达的变量控制活塞及其应用

技术领域

[0001] 本发明属于液压技术领域，具体的涉及一种变量液压泵、马达的变量控制活塞及其应用。

背景技术

[0002] 常见的变量液压泵、马达有斜盘式、斜轴式和叶片式等结构形式。各种变量液压泵、马达都常用液压力来驱动变量机构，这就需要用到变量控制活塞，配以各种功能的控制阀及附件（如连杆、弹簧、位置反馈机构等），来实现设计所需的各种变量控制功能。

[0003] 现有技术的变量控制活塞和控制阀，是两个相对独立的模块，两者之间通过内置油道或外接管路连通。

[0004] 如图1所示是开式回路用斜盘式变量液压泵的结构示意图。复位活塞6上作用有复位弹簧7，同时其右腔作用有泵出口压力Pi。复位活塞6通过顶杆A8顶在斜盘1上，初始状态下斜盘1在复位活塞6所受的液压力和弹簧力的共同作用下，工作于最大摆角。

[0005] 斜盘的另一端，安装有控制活塞3和顶杆B2，控制活塞右腔压力Pc由控制阀4控制。由于控制活塞3和复位活塞6对斜盘摆动中心的作用力臂大致相当，而控制活塞3的作用面积比复位活塞6的作用面积大得多，因此当控制活塞腔压力Pc升高时，控制活塞将向左移动，斜盘摆向小角度，泵排量减小。

[0006] 控制活塞右腔压力Pc，受控于控制阀4，通过调节控制活塞右腔压力Pc，可以调节泵的排量。控制阀的进油腔Pi，控制腔Pc与泄油腔T通过在端盖5上加工的内置油道，分别连通泵出油口、控制活塞右腔和泵泄油腔。控制阀4的功能是根据使用需求而设计的，采用不同功能的控制阀可获得不同的变量控制功能，如恒压控制、负载敏感控制、恒功率控制、电控或液控正负流量控制等等许多种。

[0007] 现有技术的控制阀，是一个独立的组件，安装在泵、马达的外部。控制阀的进油腔Pi、控制腔Pc和泄油腔T通过内置油道或外部管路分别连通控制油源口、控制活塞腔和泄油腔。这种结构对零部件的模块化、通用化设计是有利的，因此在常规应用领域鲜有质疑。

[0008] 但是当这种结构应用于特殊用途（如航空、航天、小型机器人等）的微型变量泵、马达时，其紧凑性不足、外形和重量偏大的缺陷就暴露无遗。

[0009] 由于安装和加工的需要，控制阀不能因为泵、马达的排量大幅度减小而成比例的缩小。具体来说，为保证阀芯孔的可加工性和保证阀芯配流的可靠性，阀芯直径不能设计得过小；为布置阀内油道和控制阀附件（如弹簧、螺套、工艺孔堵头、螺钉和密封件等），控制阀体也不能设计得太小（控制阀的重量构成中通常阀体占比是最大的）。当控制阀整体重量减小到百克数量级时，即使所需的控制流量非常小，再想进一步减轻控制阀整体重量就很难有实质性突破。百克级重量对于常规用途的变量泵、马达，基本可以忽略不计；但对于特殊用途的、主体重量也仅有几百克的微型泵、马达而言，却是一个巨大的数字。

[0010] 针对特殊应用的、对重量和安装尺寸要求非常严格的微型变量泵、马达，来探讨上述问题的解决方案时，会发现按常规技术来设计控制阀和变量控制活塞，很难有效减小产品整体重量和外形尺寸。其主要原因，除控制阀自身、特别是控制阀体的重量相比泵、马达主体所占比例较大外，为了将阀安装到泵、马达主体而在主体上设置的螺钉孔、油道孔、密封圈等所占的空间，对整体重量和外形尺寸的影响都是不容忽视的。

发明内容

[0011] 本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种变量液压泵、马达的变量控制活塞，该活塞将控制阀阀芯、弹簧和主要油道集成到控制活塞的内部，针对某些特殊用途（如航空、航天、小型机器人等）的微型变量液压泵、马达，最大限度减小其外形尺寸和重量。

[0012] 本发明的目的及解决其主要技术问题是采用以下技术方案来实现的：一种变量液压泵、马达的变量控制活塞，控制活塞安装在泵、马达主体上，控制活塞通过连杆或其他辅助机构与斜盘相连,其特征在于：控制活塞的内部安装有控制阀芯、弹簧和弹簧座，控制阀芯有环形台阶面；

[0013] 所述的控制活塞、控制阀芯、泵或马达主体、活塞端盖所组成的空间内，包含有三个油腔：连通控制油源的Pi腔，连通控制活塞右端的Pc腔和连通泄油口的T腔；

[0014] 在控制阀芯上，设置有一个宽度为b的配流台阶；在控制活塞内孔上，设置有有效宽度为a的配流窗。

[0015] 所述的一种变量液压泵、马达的变量控制活塞，其中：所述配流台阶宽度b小于等于配流窗宽度a。

[0016] 所述的一种变量液压泵、马达的变量控制活塞，其中：控制活塞的左端直径小于右端直径。

[0017] 所述的一种变量液压泵、马达的变量控制活塞，其中：弹簧座和活塞端盖内增加了一个辅助阀芯。

[0018] 所述的一种变量液压泵、马达的变量控制活塞，其中：将控制活塞固定在泵、马达主体上，增加活塞筒。

[0019] 所述的一种变量液压泵、马达的变量控制活塞的应用，其特征在于：应用于斜盘式变量柱塞泵、马达，也可应用于斜轴式变量柱塞泵、马达，以及叶片式或其他结构形式的变量泵、马达。

[0020] 本发明原理：Pi作用于控制阀芯2A的环形台阶面，其有效作用面积为π·(d22-d12)/4， 作用方向向右。控制阀芯2A的右侧作用有弹簧3A，控制阀芯2A所受的液压力与弹簧3A的弹力相抗衡。

[0021] 当Pi增大到一定程度，控制阀芯2A所受的液压力将克服其右端的弹簧预压力，推动控制阀芯2A右移，控制阀芯2A上的配流台阶将逐渐对齐、越过控制活塞1A上的配流窗口，封闭Pc腔与T腔的油道，并将Pi腔与Pc腔连通，压力油进入到控制活塞1A的右腔，推动控制活塞1A左移，带动斜盘向小摆角转动，泵排量减小，从而实现恒压控制。但是本发明的技术方案并不局限于实现恒压控制，通过在控制活塞内设置不同功能的控制阀芯和辅助元件，也可以实现其他多种控制方式。

[0022] 本发明涉及的控制活塞和控制阀芯的具体结构可以有多种选择，在本发明的基础上，无论控制活塞和控制阀芯如何变化，都具有以下共同特征：

[0023] 1、控制阀芯内置于控制活塞内。

[0024] 2、所述结构至少包含三个容腔：连通控制油源的Pi腔（通常来自于泵的出口或马达进口，但也可以来自于外部油源）；连通控制活塞腔的Pc腔，Pc腔的压力油对控制活塞产生轴向力，可推动活塞或活塞筒产生轴向位移；连通内置或外接泄油油路的T腔。

[0025] 3、所述结构的控制阀芯上设置了有效宽度为b的配流台阶，所述结构的控制活塞内设置了有效宽度为a的配流窗。作为优选，b略小于或等于a。

[0026] 4、控制阀芯相对于控制活塞产生轴向位移时，在配流台阶与配流窗的配合作用下，可以使Pc腔在连通T腔状态和连通Pi腔状态之间进行切换。

[0027] 本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上技术方案可知，本发明涉及的变量控制活塞，将控制阀阀芯、弹簧和主要油道集成到控制活塞的内部。由于本发明减少了零件数量，特别是减少了在控制阀中重量占比最大的阀体，使得变量泵、马达总重量和外形尺寸得到显著减小。同时，相比于按照传统技术设计的产品，因泵、马达的主体上不需预留空间来安装控制阀和设置连通控制阀与控制活塞腔之间的油道，又充分利用了控制活塞的内部空间，使变量泵、马达的总重量和外形尺寸得到进一步减小。按照本发明设计的微型变量泵、马达，相比于现有技术的同规格产品，其功率重量比具有绝对领先优势。

[0028] 本发明可应用于斜盘式变量柱塞泵、马达，也可应用于斜轴式变量柱塞泵、马达，以及叶片式或其他结构形式的变量泵、马达。

附图说明

[0029] 图1是现有技术开式回路用斜盘式变量液压泵的结构示意图，

[0030] 图2-1是本发明的结构示意图，

[0031] 图2-2是图2-1的液压原理图，

[0032] 图3-1是本发明另一实施例的结构示意图，

[0033] 图3-2是图3-1的液压原理图，

[0034] 图4-1是本发明另一实施例的结构示意图，

[0035] 图4-2是图4-1的液压原理图，

[0036] 图5-1是本发明另一实施例的结构示意图，

[0037] 图5-2是图5-1的液压原理图，

[0038] 图6是本发明控制的变量液压泵、马达示意图。

[0039] 图中标记：1、斜盘，2、顶杆B，3、控制活塞，4、控制阀，5、端盖，6、复位活塞，7、复位弹簧，8、顶杆A。

[0040] 1A、控制活塞，2A、控制阀芯，3A、弹簧，4A、弹簧座，5A、主体，6A、活塞端盖，7A、复位活塞，8A、复位弹簧；

[0041] 1B、辅助阀芯；

[0042] 1C、活塞筒；

[0043] 1D、本体，2D、斜盘，3D、连杆，4D、弹簧，5D、弹簧顶杆。

[0044] a为控制活塞1A内孔配流窗有效宽度；

[0045] b为控制阀芯2A上配流台阶的宽度。

[0046] 连通控制油源的Pi腔；

[0047] 连通控制活塞右端的Pc腔；

[0048] 连通泄油口的T腔。

具体实施方式

[0049] 以下结合附图和较佳实施例，对依据本发明提出的一种变量液压泵、马达的变量控制活塞及其应用具体实施方式、特征及其功效，详细说明如后。

[0050] 参见图2-1，一种变量液压泵、马达的变量控制活塞，控制活塞1A 安装在泵、马达主体5A上，控制活塞1A的内部安装有控制阀芯2A、弹簧3A和弹簧座4A，控制活塞1A通过连杆或其他辅助机构与斜盘相连,图2-1中未画出辅助机构和斜盘，控制活塞移动时会驱动斜盘摆动而变量；控制阀芯2A有环形台阶面；

[0051] 所述的控制活塞1A、控制阀芯2A、泵主体5A、活塞端盖6A所组成的空间内，包含有三个油腔：连通泵出口油的Pi腔，连通控制活塞右端的Pc腔和连通泄油口的T腔；

[0052] 在控制阀芯2A上，设置有一个宽度为b的配流台阶；在控制活塞1A内孔上，设置有有效宽度为a的配流窗，作为优选，b小于等于a。

[0053] 本发明原理：如图2-2，斜盘在复位活塞7A和复位弹簧8A的作用下，起始工作于大摆角。其中的复位活塞7A也可以取消，仅依靠复位弹簧8A的作用使斜盘起始工作于大摆角。2 2
Pi作用于控制阀芯2A的环形台阶面，其有效作用面积为π·(d2-d1)/4， 作用方向向右。控制阀芯2A的右侧作用有弹簧3A，控制阀芯2A所受的液压力与弹簧3A的弹力相抗衡。

[0054] 当Pi增大到一定程度，控制阀芯2A所受的液压力将克服其右端的弹簧预压力，推动控制阀芯2A右移，控制阀芯2A上的配流台阶将逐渐对齐、越过控制活塞1A上的配流窗口，封闭Pc腔与T腔的油道，并将Pi腔与Pc腔连通，压力油进入到控制活塞1A的右腔，推动控制活塞1A左移，带动斜盘向小摆角转动，泵排量减小，从而实现恒压控制。

[0055] 本发明的技术方案并不局限于实现恒压控制，通过在控制活塞内设置不同功能的控制阀芯和辅助元件，也可以实现其他多种控制方式；控制活塞和控制阀芯的具体结构，根据空间布局和加工工艺性等需要，可以有所变化。下面再举三个实施例。

[0056] 如图3-1、3-2所示，上述的一种变量液压泵、马达的变量控制活塞，控制活塞1A的两端直径不相等，左端直径D1小于其右端直径D2，Pi腔作用在控制活塞1A的环形台阶面，其有效作用面积为π·(D22-D12)/4，作用方向向右，在复位弹簧8A的共同作用下，初始状态下将控制活塞1A推到右位，斜盘起始工作于大摆角。其工作原理和作用过程与图2-1,2-2所示的方案基本相同。

[0057] 如图4-1,4-2所示，上述的一种变量液压泵、马达的变量控制活塞，增加了一个辅助阀芯1B。控制阀芯2A的环形台阶面仍然受到Pi的作用力，其右端则同时受到弹簧3A的弹力和辅助阀芯1B在外部压力Pr作用下的向左的推力。通过调节外部压力Pr，可以实现泵恒压压力的远程调节，即实现远程恒压控制；在设计上如果让Pc对控制阀芯2A 的有效作用面积与Pr对辅助阀芯1B 的有效作用面积相等，π·(d22-d12)/4 =π·d32/4，则可以实现负载敏感控制。

[0058] 如图5-1所示，相比于图2所示的方案，是将控制活塞1A固定在泵主体5A上，增加活塞筒1C。控制活塞1A右腔压力升高时推动活塞筒1C向右移动，由活塞筒1C驱动斜盘摆动。

[0059] 上述的一种变量液压泵、马达的变量控制活塞的应用，应用于斜盘式变量柱塞泵、马达，也可应用于斜轴式变量柱塞泵、马达，以及叶片式或其他结构形式的变量泵、马达。

[0060] 使用上述变量控制活塞的一种变量液压泵、马达的变量控制活塞控制的液压泵、马达，如图6。所述的变量控制活塞安装在本体1D上，通过连杆3D与斜盘2D相连；弹簧4D的弹力通过弹簧顶杆5D作用于斜盘的另一端。

[0061] 本发明无论控制活塞和控制阀芯如何变化，都具有以下共同特征：

[0062] 1、控制阀芯内置于控制活塞内。

[0063] 2、所述结构至少包含三个容腔：连通控制油源的Pi腔（通常来自于泵的出口或马达进口，但也可以来自于外部油源）；连通控制活塞腔的Pc腔，Pc腔的压力油对控制活塞产生轴向力，可推动活塞或活塞筒产生轴向位移；连通内置或外接泄油油路的T腔。

[0064] 3、所述结构的控制阀芯上设置了有效宽度为b的配流台阶，所述结构的控制活塞内设置了有效宽度为a的配流窗。作为优选，b略小于或等于a。

[0065] 4、控制阀芯相对于控制活塞产生轴向位移时，在配流台阶与配流窗的配合作用下，可以使Pc腔在连通T腔状态和连通Pi腔状态之间进行切换。

[0066] 本发明涉及的变量控制活塞，将控制阀阀芯、弹簧和主要油道集成到控制活塞的内部。由于本发明减少了零件数量，特别是减少了在控制阀中重量占比最大的阀体，使得变量泵、马达总重量和外形尺寸得到显著减小。同时，相比于按照传统技术设计的产品，因泵、马达的主体上不需预留空间来安装控制阀和设置连通控制阀与控制活塞腔之间的油道，又充分利用了控制活塞的内部空间，使变量泵、马达的总重量和外形尺寸得到进一步减小。按照本发明设计的微型变量泵、马达，相比于现有技术的同规格产品，其功率重量比具有绝对领先优势。

[0067] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。