專利名稱：流體軸承及操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及止推軸承和軸頸軸承，特別涉及靜液壓軸承。
背景技術(shù)：
流體軸承是利用運動部件之間的流體層進行操作的軸承，諸如氣 體或液體。較之傳統(tǒng)軸承諸如例如滾柱軸承或滾珠軸承，流體軸承顯 著降低摩擦和磨損。 一種常見的流體軸承是靜液壓軸承，其中轉(zhuǎn)子元 件由流體支撐而相對于定子元件旋轉(zhuǎn)。通常，軸承設(shè)置地讓流體在壓 力下供應(yīng)到轉(zhuǎn)子元件和定子元件之間的一個或多個凹坑，這些凹坑有 時稱為"墊"，它們通常形成在定子元件上。當(dāng)凹坑中的總表面力平衡 了轉(zhuǎn)子元件向下的力時，轉(zhuǎn)子元件離開定子元件，使得轉(zhuǎn)子懸浮在流 體上。這樣設(shè)置消除了轉(zhuǎn)子和定子之間的機械接觸，允許轉(zhuǎn)子基本上 無摩擦地旋轉(zhuǎn)。這種狀態(tài)在文中稱為完全靜液壓操作。
表面力是墊表面積和墊中流體壓力(psi)的函數(shù)。如果表面力下
降到平衡力以下，則轉(zhuǎn)子將接觸定子，可能導(dǎo)致這兩個表面或其中之 一損壞。如果流體供應(yīng)壓力大于建立平衡力所需的壓力，則轉(zhuǎn)子元件 將進一步分離，且流體從墊逃逸，而表面力基本上保持恒定，且等于 平衡力。通常維持流體供應(yīng)略微過壓，以確保轉(zhuǎn)子和定子之間不發(fā)生 接觸。但是，任何過大的供應(yīng)壓力都會導(dǎo)致流體損失。由于向流體施 壓有關(guān)的能耗成本居于首位，所以這種流體損失表示了能量損失以及 經(jīng)濟性降低，所以要盡可能地使這種損失最小化。
已經(jīng)提出了若干種設(shè)計來在液壓設(shè)備諸如泵/馬達中布置靜液壓 軸承。但是，由于靜液壓軸承的局限性，仍存在與使用有關(guān)的問題。 在軸承上的載荷變化的應(yīng)用場合下，諸如在角度可變的泵/馬達中，重 要的是流體供應(yīng)壓力足夠高，以便在最大載荷水平時，表面力也足以維持平衡力，以避免軸承損壞。但是，這意味著當(dāng)載荷水平降低時， 將會存在顯著的過壓，導(dǎo)致流體損失。雖然有許多提議設(shè)計試圖解決 這個問題，但是它們大多數(shù)都不切實際或者無濟于事。
圖1A-1C示出了現(xiàn)有技術(shù)中一種彎折軸線泵/馬達100—部分的截 面圖。馬達100包括閥板102和缸筒104，缸筒具有多個缸體106，活 塞108在其中往復(fù)運動。每個活塞108嚙合形成在驅(qū)動板110上個各 底座。驅(qū)動板IIO耦接到輸出軸120，該輸出軸由馬達10旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。 驅(qū)動板110貼靠止推軸承118，該軸承配置成允許驅(qū)動板110和軸120 自由旋轉(zhuǎn)，同時抵抗作用于其上的徑向力和軸向力而保持驅(qū)動板的位 置。徑向軸承119位于軸120上，穩(wěn)定該軸同時允許其自由旋轉(zhuǎn)。軸 承118示為組合軸承，配置成承載徑向和軸向載荷。許多馬達采用單 獨的軸向載荷軸承和徑向載荷軸承。
缸筒104配置成圍繞第一軸線A旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動板110圍繞軸線B旋 轉(zhuǎn)，并借助定速接頭116 (在圖1A-1C中僅示出了其局部)耦接到旋 轉(zhuǎn)缸筒104。因此，缸筒104和驅(qū)動板110以共同的速率4t轉(zhuǎn)。
閥板102、筒104、活塞108限定軸線A，配置成相對于驅(qū)動板 110i走轉(zhuǎn)，而該驅(qū)動玲反110限定軸線B，為了改變泵/馬達100的位移 量。軸線A從與軸線B共軸的關(guān)系旋轉(zhuǎn)離開的程度通常稱為該設(shè)備的 行程角度。
當(dāng)馬達IOO以馬達模式操作時，高壓流體在經(jīng)過上死點(TDC) 時被引入每個缸體106。高壓流體向活塞108的表面施加驅(qū)動力，該 驅(qū)動力相對于軸線A軸向作用在活塞108上。該力借助活塞108傳遞 到驅(qū)動板110。隨著每個活塞108經(jīng)過下死點(BDC),流體從活塞106 離開，隨著筒將其轉(zhuǎn)向TDC，允許活塞被退回缸體中。
參照圖1A,可以看出，活塞108上的驅(qū)動力相對于軸線A為軸 向，但是包括相對于軸線B的軸向和徑向力分量。驅(qū)動力在軸向分量 和徑向分量之間的分布取決于馬達100的行程角度。軸向分量傾向于 驅(qū)動驅(qū)動板110從筒104沿著軸線B離開，這種趨勢被止推軸承118 阻止。驅(qū)動力的徑向分量傾向于驅(qū)動其中支座活塞108第二端的驅(qū)動板110底座向下移動，導(dǎo)致驅(qū)動板110旋轉(zhuǎn)，以便底座與筒離地更遠(yuǎn)， 與此同時筒104與驅(qū)動板110 —起4t轉(zhuǎn)。
應(yīng)該理解，行程角度越小，越多的驅(qū)動力將作為軸向力分布到驅(qū) 動板110上，直到在如圖1C所示的零行程角度時，全部的驅(qū)動力作 為軸向力分布到驅(qū)動板110上。另一方面，當(dāng)馬達100處于如圖1A 所示的大行程角度時，更多的驅(qū)動力將徑向分布并將作為徑向力而由 軸承118承擔(dān)。此外，由于從圖中來看，驅(qū)動力沿著向下方向，所以 全部的徑向力將由軸承118的下部承擔(dān)。與此同時，驅(qū)動板110和軸 120構(gòu)成杠桿，而以軸承118作為支軸，使得在徑向軸承119上施加 向上的徑向力。
當(dāng)馬達處于如圖1C所示的零行程角度時，以TDC和BDC限定 的線分開的下部，筒104—側(cè)的釭體106為高壓，而相對一側(cè)的缸體 為低壓。因此，止推軸承在一側(cè)承受非常高的軸向載荷，而在另一側(cè) 承受非常低的軸向載荷。所述高低側(cè)相對于徑向分布的高低側(cè)隔開 90。。此外，如果驅(qū)動馬達的流體回路中壓力反轉(zhuǎn)，而馬達向前旋轉(zhuǎn)， 則馬達切換到泵模式，并且軸向載荷分布反轉(zhuǎn)，所以軸承118在相對 側(cè)上承受較高的軸向載荷。
圖1A-1C所示的馬達IOO描述為具有彼此直接相對的缸體，使得 一個缸體106處于TDC時，另一個缸體將處于BDC。這種布置圖用 來在同一幅圖中給出處于TDC和BDC兩處的缸體106。但是，在實 踐中，大多數(shù)液壓馬達采用奇數(shù)個缸體，通常為7個或9個。因此， 在9缸體馬達中，加壓到高壓的缸體數(shù)目將在4個和5個之間來回循 環(huán)，缸體每轉(zhuǎn)一圏循環(huán)9次。這意味著，每一次在4個缸體受壓時， 馬達軸承上的軸向和徑向載荷將下降20%，然后在5個缸體受壓時， 以相同的量返回。
在通常應(yīng)用場合中，這里所述的這種泵/馬達經(jīng)歷方向和速度的頻 繁改變。雖然認(rèn)為這種泵/馬達適合采用流體軸承，以便改善效率和降 低磨損，但是發(fā)現(xiàn)會出現(xiàn)問題，原因在于應(yīng)用在這種系統(tǒng)中的時候， 力和矢量變化的規(guī)律復(fù)雜?？梢钥闯觯R達100的軸承承受范圍寬泛的力。行程角度從高變
到低，又返回到高，可能發(fā)生地非常迅速且頻繁。旋轉(zhuǎn)速度和方向變 化，并且馬達可能頻繁停止。最后，由于缸筒為奇數(shù)布置，所以當(dāng)筒
轉(zhuǎn)動時存在恒定的20%的力波動。由于這些極端條件，在使用流體軸 承方面尚未看到一絲曙光。
針對液壓泵/馬達操作和結(jié)構(gòu)更為詳盡的討論可見于專利號為 7,014,429、授權(quán)日為2006年3月21日，題為"HIGH-EFFICIENCY， LARGE ANGLE, VARIABLE DISPLACEMENT HYDRAULIC PUMP/MOTOR，，的美國專利，以及專利,^開號為2005/0193888Al
公開日為2005年9月8日、題為"EFFICIENT PUMP/MOTOR WITH REDUCED ENERGY LOSS"的美國專利申請公開，所述專利和專利 申請公開通過引用而全文包含在本文中。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的實施方式，提供了一種流體軸承，其包括配置成接 收在設(shè)備的第一和第二元件之間的插件，所述第二元件適配成相對于 所述笫一元件旋轉(zhuǎn)；靜液壓墊，其形成在所述插件的表面上并定位成 在所述第一和第二元件之間施加分離力；和位于所述第一和第二元件 之間的襯套，該襯套允許所述第二元件相對于所述第一元件旋轉(zhuǎn)，同 時所述第一和第二墊以小于建立靜液壓平衡力所需的壓力受到加壓。
插件的表面具有柱狀形狀，該柱狀形狀配置成接收柱狀第二元件； 或者可以基本上為平面，以接收配置成圍繞軸線旋轉(zhuǎn)的元件，該軸線 相對于所迷插件的表面成較大角度。在柱狀插件的情況下，該插件可 以構(gòu)型為包括小于360度的柱狀。
受壓流體向插件墊的流動受到控制，以使軸承不會在完全靜液壓 模式下操作。相反，流體表面力所產(chǎn)生的分離力受到控制，以使施加 在軸承上的力超過該分離力，雖然對于限定的墊而言，流體壓力也受 到控制，以保持分離力處于施加在軸承上的力的選定范圍內(nèi)，以控制 軸承摩擦和磨損。根據(jù)實施方式，控制分離力借助有選擇地向個別靜液壓墊施壓來 實現(xiàn)，從而有效改變軸承的活動靜液壓面積。


圖1A是現(xiàn)有技術(shù)中的液壓泵/馬達部件處于最大行程角度時的截
面圖1B和1C分別示出了圖1A中的泵/馬達處于中間行程角度和零
行程角度時的截面圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實施方式的液壓泵/馬達的簡化截面圖； 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實施方式的流體軸承的插件的平面圖； 圖4是圖2所示馬達行程角度與圖3所示軸承上的軸向載荷之間
關(guān)系的曲線圖，以馬達最大軸向載荷的百分比來表示； 圖5示出了圖2所示馬達的徑向軸承的上下座圏； 圖6是圖2所示馬達的行程角度與圖5所示軸承的徑向栽荷之間
關(guān)系的曲線圖，以馬達最大軸向載荷的百分比來表示；
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明替代實施方式的液壓泵/馬達的簡化截面
具體實施例方式
現(xiàn)在參照圖2-6說明本發(fā)明的各種實施例。為了滿足公開和權(quán)利 要求的目的，術(shù)語"流體壓力"將用來指代流體相對于面積的壓力，諸 如例如psi。術(shù)語"表面力"將用來指代施加在相對表面上的靜液壓力， 這是流體壓力乘以與相對表面接觸的受壓流體總表面積的函數(shù)。"分離 力"指代表面力所施加的用來分離元件的力。術(shù)語"平衡力"將用來指代 表面力施加的力等于相對表面施加的相對力時的靜液壓力。術(shù)語"馬 達"和"泵/馬達"任一可以認(rèn)為表示液壓馬達、泵或泵/馬達。
術(shù)語"軸向力"在本文中指代基本上與馬達驅(qū)動板旋轉(zhuǎn)軸線平行的 力矢量，而"徑向力"用來指代基本上垂直于該旋轉(zhuǎn)軸線的平面上的力 矢量。術(shù)語均未限定于與軸線相交的矢量。具體來說，文中所述的徑向力可能沿著從所限定的軸線隔開一定距離的矢量，使得配置成圍繞 該軸線旋轉(zhuǎn)的設(shè)備在受到該徑向力的作用時，傾向于響應(yīng)該力而旋轉(zhuǎn)。 術(shù)語"襯套材料"用來指代配置成抵靠非移動表面接收移動表面的 材料，并且該材料不會因磨蝕、擦傷等受到破壞。用這種材料制成的 襯套對于缸體襯套來說眾所周知的，諸如用作耳軸軸承的青銅套管。
這種套管位于設(shè)備的孔或接頭中，并且軸位于該襯套內(nèi)，受到旋轉(zhuǎn)支 撐。通常，提供薄油膜來進一步減少摩擦。在本說明書和權(quán)利要求書 中，"襯套"更為寬泛地指代發(fā)揮類似作用的材料和結(jié)構(gòu)，而不論其是 否為柱狀或其他形狀，諸如例如具有平坦表面的部件。術(shù)語"襯套，，也 用來指代傳統(tǒng)機械軸承，諸如例如輥子軸承和滾珠軸承。在說明書中， "固體襯套"可以用來區(qū)分襯套材料制成的元件和配置成作為傳統(tǒng)機械 軸承與輥子、滾珠等一起操作的元件。雖然如此，但是用在權(quán)利要求 書中的時候，"襯套"應(yīng)該寬泛地理解為包括一般類型的結(jié)構(gòu)，除非具 體指明。
參照圖2,示出了液壓泵/馬達200 —部分的簡化截面圖。馬達200 根據(jù)圖1A-1C闡述的原理進行操作，并包括承載在殼體204中的驅(qū)動 板202，該驅(qū)動^反以活塞206進4亍驅(qū)動?；钊?06由圖2中未示出的 缸筒內(nèi)的缸體中的受壓流體進行驅(qū)動，常見的彎折軸線液壓馬達的基 本操作在前面已經(jīng)敘述過并為本領(lǐng)域所熟知。流體軸承用于操作馬達 200。更具體地說，軸向軸承或止推軸承208定位并配置成從驅(qū)動板 202接收軸向載荷，而徑向軸承配置成接收驅(qū)動板施加于其上的徑向 載荷。徑向軸承212可以為流體類型的軸承或者傳統(tǒng)軸承，并且配置 成支撐輸出軸220。
一般以214示意性地表示的流體供應(yīng)線路向止推軸承208提供受 壓流體，而流體供應(yīng)線路216向徑向軸承210提供受壓流體。圖2示 出的流體供應(yīng)線路214和216并不用來表示任何特別實施方式所需的 供應(yīng)線路的實際數(shù)量和布置，因為這些細(xì)節(jié)將取決于各種設(shè)計因素，
一些彎折軸線泵/馬達被稱為偏心設(shè)備，因為它們在負(fù)方向即圖1中向下的方向能改變行程角度。這樣允許這種設(shè)備通過向負(fù)角度移動
而反向旋轉(zhuǎn)，而非反轉(zhuǎn)驅(qū)動馬達的流體壓力極性。圖2中的馬達200 并未在以下描述為偏心設(shè)備，而是更為常見的類型，其中的活塞角度 總是為0?；蛞陨?。雖然如此，但是文中所述的原理也可以適用于偏心 設(shè)備的操作。
在以下說明中，各種實施方式的結(jié)構(gòu)和操作將參照9缸體馬達進 行說明。普通技術(shù)人員明白，所述的原理可以容易地適配其他結(jié)構(gòu)的 馬達，包括具有偶數(shù)缸體的馬達。
來自活塞206的力分為平行于軸線C的軸向力和垂直于軸線C的 徑向力。隨著活塞角度變化，作用于驅(qū)動板202的力分布也在軸向和 徑向之間發(fā)生變化。如果角度為O。，即活塞平行于軸線C，則該分布 會是100%為軸向而0%為徑向。隨著行程角度增大，軸向力作為行程 角度的余弦函數(shù)而減小，而徑向力作為行程角度的正弦函數(shù)而增大。 根據(jù)馬達200的設(shè)計，最大角度可以為45?；蚋?。在45。時，徑向力 和軸向力將各為最大軸向力的約70%。
現(xiàn)在參照圖3，止推軸承208表示在平面圖中，示出了接觸驅(qū)動 板202的表面。軸承208的上表面包括平臺區(qū)域、第一和第二弧形靜 液壓墊330、 331以及第三和第四弧形靜液壓墊332、 334，第三和第 四弧形靜液壓墊可以包括多個徑向浸濕凹槽336。才艮據(jù)一種實施方式， 墊330、 331、 332和334形成在插件338中，而該插件則配合入殼體 204內(nèi)i殳置的凹部中。受壓流體經(jīng)由供應(yīng)線路214供應(yīng)到凹槽330、331、 332和334中。
軸承插件338,或者至少包括平臺328的上表面，由襯套材料形 成，這種襯套材料配置成容許以選定的公差與驅(qū)動板202接觸。這種 材料在本領(lǐng)域是已知的。例如，已經(jīng)研制出了各種有效控制摩擦的聚 合金屬。在其他情況下，可以采用浸漬有潤滑劑的金屬來協(xié)助形成低 摩擦接觸。
根據(jù)一種實施方式，平臺的表面積以及軸承插件338的形式經(jīng)過 選擇，使得軸承208在馬達200操作過程中可以容許的載荷至多為馬達200最大軸向載荷的35%。由于軸承208的平臺328配置成作為與 驅(qū)動板202接觸的固體襯套進行操作，所以對于在軸承208和驅(qū)動板 202之間維持潤滑流體薄膜有利。因此，在所示實施方式中，當(dāng)驅(qū)動 板202旋轉(zhuǎn)時，徑向浸濕凹槽336用來使液壓流體接觸驅(qū)動板202和 軸承208之間接觸表面積的較大部分，以便將所述流體作為潤滑劑進 行分布?？蛇x的實施方式可以省略這種凹槽，或者設(shè)置其他裝置來浸 濕軸承和驅(qū)動板的接觸表面。
操作中，在馬達200的行程角度從靜止?fàn)顟B(tài)從0。開始旋轉(zhuǎn)之前， 墊330和334或331和332設(shè)置有液壓流體，其流體壓力足以抵消最 大軸向載荷的至少65%,以使剩余軸向載荷落入軸承208可以容許的 35%之內(nèi)。確定哪個凹槽受壓是由馬達200的極性決定的從圖3中 的軸承208的取向來看，如果左側(cè)的缸體受到高壓，則將向凹槽330 和334加壓，以抵消這些缸體的活塞施加的力。相反，如果馬達極性 反轉(zhuǎn)，以使高壓力施加在右側(cè)，則墊331和332將受壓。這種情形可 以借助兼顧控制馬達極性的閥來實現(xiàn)，或者可以使用單獨的流體閥來 實現(xiàn)這一目的。為了說明，假設(shè)馬達極性導(dǎo)致高壓力施加在左側(cè)，即 墊330和334上。可以理解，馬達在相反極性下的操作基本上相同， 除了墊331、 332將承受高壓力。
隨著行程角度從0。增大且驅(qū)動板202開始相對于殼體204和軸承 208旋轉(zhuǎn)，軸承208上的載荷開始下降。圖4是示出9缸體馬達行程 角度與止推軸承諸如圖3的軸承208軸向載荷之間關(guān)系的曲線，以馬 達最大軸向載荷的百分比示出。曲線L!跟蹤9個缸體中的4個受壓時 施加的軸向載荷，而曲線L2跟蹤9個缸體中的4個受壓時施加的軸向 載荷。隨著馬達缸筒旋轉(zhuǎn)，軸向載荷在L和L2之間沿著與馬達特性 行程角度對應(yīng)的垂線穩(wěn)定地波動。曲線跟蹤受壓流體施加在墊330 和334上的抵消表面力，而曲線！^和曲線Li和L2之間的面積表示驅(qū) 動板202在任意給定行程角度下分別由5個和4個活塞的壓力施加在 軸承208平臺323上的殘余力。該力可以稱為夾緊力，保持驅(qū)動板202 貼靠軸承208并防止流體從軸承208流失。只要墊330、 334的抵消表面力保持低于完全靜液壓操作所需的平 衡力，則軸承保持夾緊，并且不會出現(xiàn)流體從墊330、 334顯著泄漏。 本實施方式的軸承208配置成如此操作，以使流體損失最小，從而改 善操作經(jīng)濟性?？梢钥闯?，隨著軸向載荷響應(yīng)行程角度增大而減小， 曲線Hi與L,和Lr匯聚。如果在馬達操作過程中的任意點，由曲線 HU和L2表示的力相交，則表面力將超過平衡力，并且在此行程角度 下，軸承將開始以完全靜液壓模式操作，并且在軸向力每次從L,下降 到L2時，流體將從墊330、 334被擠出。如上所述，這種情況導(dǎo)致受 壓流體損失，并且應(yīng)該予以規(guī)避。因此，當(dāng)馬達行程角度增大到31° 以上時，根據(jù)文中所述的實施方式，去除墊330上的流體壓力，即借 助適當(dāng)供應(yīng)線路214上的閥進行關(guān)斷。這樣減小了軸承208靜液壓墊 的總有效面積，因此降低了表面力，如圖4所示，從而保持軸承208 上的夾緊力。這種調(diào)節(jié)靜液壓墊有效面積的能力使得軸承承受變化的 力，而不會導(dǎo)致否則將會出現(xiàn)的顯著過壓或泄漏。
為了說明，墊330、 334兩者都受壓的范圍將表示第一操作區(qū)域， 而僅墊334受壓的范圍將表示為第二操作區(qū)域。墊330和334的各區(qū) 域經(jīng)過選擇，以使在整個第二操作區(qū)域中，夾緊力仍然處于軸承墊328 的35%限度內(nèi)，而不會在最大行程角度45。時與L2相交。在非?？拷?第一和第二區(qū)域過渡點的行程角度時，為了避免馬達震顫，可以設(shè)置 滯變路徑，以使系統(tǒng)在更大的角度從第一區(qū)域過渡到第二區(qū)域，如圖 4中的H^所示，該更大的角度大于從第二區(qū)域向第一區(qū)域的返回過 渡的角度，如路徑H^所示。
在軸承表面上包含額外的流體墊，可以設(shè)置額外的操作區(qū)域。這 樣將允許軸承構(gòu)型不必承受如此高的栽荷，但是將需要隨著行程角度 變化而更為頻繁地切換并需要改變到額外的操作區(qū)域。在一些替代實 施方式中，設(shè)置了單個流體墊，從而與具有兩個或多個墊的馬達相比， 降低了軸承的復(fù)雜性。在這種實施方式中，單個流體單盤例如可以配 置成約在圖4的第二區(qū)域所示的水平處提供恒定的分離力，或者可以 在選定的行程角度減小或切斷流體壓力。應(yīng)該明白，在某些這種實施方式中，可能需要襯套配置成比所示的實施例容許更高的載荷。
軸承的特性特征，諸如例如墊數(shù)目，每個墊的面積以及軸承平臺 的面積，流體切換機制，以及浸濕凹槽的布置，都是會被諸如最大軸 向載荷、工作循環(huán)、設(shè)備尺寸、缸體數(shù)目等影響的設(shè)計因素，并且都 被本領(lǐng)域普通技術(shù)人員的能力所掌握。
根據(jù)一種實施方式，墊面積經(jīng)過選擇，在向墊施壓的流體供應(yīng)壓 力等于驅(qū)動馬達所用的高壓流體時，使得系統(tǒng)如上所述那樣操作。與 需要為靜液壓操作調(diào)節(jié)壓力的系統(tǒng)相比，這樣降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性并 提升了可靠性?？梢赃x擇的是，靜液壓墊的流體壓力可以調(diào)節(jié)到與向 馬達提供動力所用的流體壓力不同的壓力。
在此處所述類型的許多液壓馬達中存在的問題是靜摩擦問題。當(dāng) 馬達處于零行程角度且不旋轉(zhuǎn)時，最大軸向載荷施加在軸承上，但是
沒有機會來保持流體潤滑，就像馬達旋轉(zhuǎn)且浸濕凹槽336持續(xù)擦拭驅(qū) 動板202表面時發(fā)生的那樣保持流體潤滑。因此，潤換流體薄膜可能 被從驅(qū)動板202和軸承208之間擠出。這樣就會在平臺328和驅(qū)動板 之間引發(fā)靜摩擦效應(yīng)，反抗馬達的最初旋轉(zhuǎn)。為了防止靜摩擦，當(dāng)馬 達首先從零行程角度旋轉(zhuǎn)時，可以利用流體壓力進行脈動相對墊331 、 332兩者或其一?？梢越柚@種流體脈沖輕易地克服夾緊力，瞬時地 抬起驅(qū)動馬達202并迫4吏流體進入平臺328和驅(qū)動板202之間。
現(xiàn)在參照圖5，根據(jù)本發(fā)明的實施方式，示出了徑向軸承210。軸 承210包括上下軸承座圏502、 504，它們配置成接收在馬達202殼體 204的凹部中，如圖2所示。下座圏504包括第一、第二和第三靜液 壓墊506、 508和510，它們被平臺512包圍。第一墊506在下座圈504 內(nèi)居中，而第二墊508包括在任一側(cè)與第一墊506向外隔開的區(qū)段 508a和508b，第三墊510包括與墊506和508向外隔開的區(qū)段510a 和510b。區(qū)段508a和508b借助未詳細(xì)示出的流體線路彼此流體連通， 而區(qū)段510a和510b類似地彼此流體連通。軸承210由適當(dāng)?shù)囊r套材 料形成，并配置成支持驅(qū)動板直接接觸直到最大軸向載荷的約25%， 或最大徑向載荷的約35%。流體供應(yīng)線路216向每個墊506、 508和上下座圈502、 504分別在TDC 和BDC上居中，如圖2所示。因為該設(shè)備中的任何徑向載荷總是指 向下(根據(jù)圖2中的取向)，所以上座圏502僅接收標(biāo)稱載荷，因此上 座圏并未設(shè)置流體墊。
圖6是示出了馬達200行程角度和軸承210徑向載荷之間關(guān)系的 曲線，以馬達200最大徑向載荷的百分比示出。曲線L3跟蹤9個缸體 中的5個受壓時施加的徑向載荷，而曲線L4跟蹤9個缸體中的4個受 壓時施加的徑向載荷。曲線H2跟蹤受壓流體施加在墊506、 508和501
上的抵消表面力。夾緊力由曲線H;j和曲線"和L4之間的垂直距離表示。
與參照圖3所述的軸向載荷相對照，在馬達處于零行程角度時， 軸承210上的徑向載荷基本上為零，并隨著行程角度增大、作為行程 角度的正弦函數(shù)而增大。因此，僅提供足以浸濕軸承210的平臺的流 體壓力，直到行程角度達到約18。，在此點，向第一墊506提供高壓 流體。以類似的方式，當(dāng)行程角度到達約25°時，第二墊508也受壓， 而當(dāng)行程角度到達約36。時，第三墊也受壓。由于第二和第三墊508、 510各自分成兩個區(qū)段，所以所提供的抵消力相對于驅(qū)動板202保持 平衡。雖然圖6未示出，但是可以滯變性地切換各墊506、 508和510 的流體壓力，以避免震顫，如參照圖4更詳細(xì)說明的那樣。
以與上述避免徑向軸承208靜摩擦的類似方式，可以在小行程角 度時以流體壓力脈動全部墊506、 508或510或其中任意，瞬時地克服 徑向夾緊力并允許馬達開始旋轉(zhuǎn)。另外，在要求極高扭矩以使需要最 大行程角度來開始旋轉(zhuǎn)的情況下，如果馬達配置成在這樣的情況下操 作，則可以設(shè)置額外的流體墊或者瞬時地提升流體供應(yīng)壓力的裝置， 以建立足夠的分離力來克服靜摩擦。
由于驅(qū)動板上的徑向力基本上為單向力，所以軸承210僅在靜液 壓墊506、 508和510支撐的區(qū)域接收這些力。驅(qū)動板202并不承受明 顯的橫向徑向載荷，因此不需要增大板202側(cè)部的承載表面。因此， 軸承210可以包括上下座圏502、 504,而它們兩者之間的主要面積并不得到軸承的支撐。這樣設(shè)置在文中所述的這種彎折軸線泵/馬達中特 別具有優(yōu)勢。雖然未示出，但是這種馬達通常包括支撐閥板和缸筒的 軛架，且該軛架在銷或耳軸上旋轉(zhuǎn)，所述銷或耳軸位于驅(qū)動板任一側(cè)，
以控制行程角度旋轉(zhuǎn)。在采用傳統(tǒng)軸承的馬達中，諸如圖1A-1C所示 的馬達，徑向軸承必須位于驅(qū)動板以下，如118處所示，以避免與耳 軸發(fā)生干涉。但是，這樣引起了參照圖1A-1C所述的杠桿/支軸效應(yīng)， 這種效應(yīng)會將徑向載荷沿著輸出軸長度傳遞下去，因此需要額外的主 要承受徑向載荷的軸承。與此相對照，根據(jù)本發(fā)明實施方式的徑向軸 承可以在驅(qū)動板上定位成更高，以使它們更為接近地直接相對著徑向 力矢量，從而基本上消除了杠桿/支軸效應(yīng)。因此，支撐輸出軸的軸承 (諸如圖2中的第二徑向軸承)不需要配置成容許較大的徑向載荷。
根據(jù)本發(fā)明的實施方式，徑向軸承210的上座圏502設(shè)置有類似 于參照下座圏504所述的那種靜液壓墊，用來與偏心馬達一起操作， 以使在馬達進行負(fù)角度行程時，上座圏的墊像參照下座圏504所述的 那樣受壓。
控制流體軸承中的靜液壓壓力，根據(jù)本發(fā)明的實施方式，可以借 助閥來實施，該閥與軸承關(guān)聯(lián)的設(shè)備整體形成。例如，在參照圖2所 述的這種彎折軸線泵/馬達中，兼顧向馬達200提供高低壓流體的閥也 可以適配成向軸承提供受壓流體。該閥還可以包含壓力調(diào)節(jié)器等。可 以選擇的是，單獨的控制閥也可以用作該目的。此外，控制設(shè)備諸如 機械聯(lián)桿、電子設(shè)備和電路，以及計算機模塊可以用來調(diào)節(jié)流體開關(guān) 和壓力。全部這些控制系統(tǒng)都被本領(lǐng)域普通技術(shù)人員的能力所涵蓋。
已經(jīng)參照接收在艙體凹部內(nèi)的插件說明了本發(fā)明的實施方式，所 述艙體通常為靜止艙體，諸如圖2中的馬達殼體。根據(jù)本發(fā)明的另一 種實施方式，靜液壓墊直接形成在艙體的其中一個表面中。此外，根 據(jù)一種實施方式，墊可以形成在旋轉(zhuǎn)艙體中。在這種情況下，可以由 靜止艙體內(nèi)的供應(yīng)線路和靜止艙體表面上的開口提供流體壓力，以使 當(dāng)墊旋轉(zhuǎn)到供應(yīng)線路端部上方時，流體供應(yīng)到墊。
已經(jīng)說明的本發(fā)明實施方式中，固體襯套用作平臺來承受軸承上的全部夾緊力。應(yīng)該明白，尤其是在具有偶數(shù)軸承的馬達中，夾緊力 在某些行程角度時可能比較明顯，需要具有較大表面積的平臺。根據(jù) 替代實施方式，夾緊力全部或一部分可能由配置為傳統(tǒng)機械軸承的村
套接收。例如，圖7示出的馬達700基本上與圖2所示的馬達200相 同，除了馬達700包括小型斜輥子軸承718。軸承718配置成用作補 充軸承，接收一部分夾緊力，否則這一部分夾緊力將施加在軸承208 和210的平臺上。這樣允許各平臺的表面積顯著減小，從而與圖2所 示的馬達200相比，減小了馬達700的總體尺寸。雖然如此，但是由 于驅(qū)動板202施加的大部分載荷由軸承208和210的流體墊支撐，所 以軸承208、210以及718總的尺寸至少基本上與所述軸承的尺寸或者 其他同等傳統(tǒng)馬達的軸承的尺寸相當(dāng)，而對應(yīng)的效率則顯著更優(yōu)。
根據(jù)本發(fā)明的實施方式，傳統(tǒng)軸承可以用來補充或取代徑向或軸 向載荷軸承兩者中的固體村套。此外，流體軸承可以與非流體軸承聯(lián)
合使用。例如，在一些實施方式中，可以更為實際地使用流體軸向軸 承和機械徑向軸承，反之亦然。最后，雖然本發(fā)明的實施方式已經(jīng)參 照液壓馬達中的操作進行了說明，但是本發(fā)明的范圍并未限于這種應(yīng) 用場合。本發(fā)明的原理可以在廣泛的應(yīng)用場合實施，以支撐軸向和徑 向載荷。
以上說明書中引述和/或申請數(shù)據(jù)頁中列舉的全部美國專利、美國 專利申請公開、美國專利申請、外國專利、外國專利申請和非專利公 開物都通過引用而全文包含在本文中。
從前述內(nèi)容應(yīng)該理解，雖然本發(fā)明的具體實施方式
已經(jīng)為了說明 的目的而進行了闡述，但是可以在不背離本發(fā)明精神和范圍的前提下 進行各種改動。因此，本發(fā)明并未受到除附帶的權(quán)利要求書之外的任 何限制。
權(quán)利要求
1. 一種軸承，包括配置成接收在設(shè)備的第一和第二元件之間的插件，其中，所述第二元件適配成相對于所述第一元件旋轉(zhuǎn)；第一靜液壓墊，其形成在所述插件的表面上并定位成在受到加壓時在所述第一和第二元件之間施加分離力；第二靜液壓墊，其形成在所述插件的表面上并定位成在受到加壓時在所述第一和第二元件之間施加分離力；和位于所述第一和第二元件之間的襯套，該襯套配置成允許所述第二元件相對于所述第一元件旋轉(zhuǎn)，同時所述第一和第二墊以小于靜液壓平衡力的力被加壓。
2. 如權(quán)利要求l所述的軸承，其特征在于，所述第一靜液壓墊包 括多個形成在所述插件表面上的第一靜液壓墊，所述多個第一靜液壓 墊彼此流體連通。
3. 如權(quán)利要求2所述的軸承，其特征在于，所述第二靜液壓墊包 括多個形成在所述插件表面上的第二靜液壓墊，所述多個第二靜液壓 墊彼此流體連通。
4. 如權(quán)利要求l所述的軸承，其特征在于，包括形成在所述插件 表面上的第三靜液壓墊。
5. 如權(quán)利要求l所述的軸承，其特征在于，所述插件的表面為柱 狀，且配置成接收柱狀第二元件。
6. 如權(quán)利要求5所述的軸承，其特征在于，所述插件的表面包含 小于360度的柱體形狀。
7. 如權(quán)利要求6所述的軸承，進一步包括額外的插件，該額外的 插件包含一部分未被所述插件的表面包含的360度的柱體形狀。
8. 如權(quán)利要求7所述的軸承，進一步包括形成在所述額外的插件 的表面上的第三靜液壓墊。
9. 如權(quán)利要求5所述的軸承，其特征在于，所述第二靜液壓墊被分開，使得所述第二靜液壓墊的第一部分定位在所述第一靜液壓墊一 側(cè)，而所述第二靜液壓墊的第二部分定位在所述第一靜液壓墊的相對側(cè)。
10. 如權(quán)利要求l所述的軸承，其特征在于，所述插件的表面基本上為平面，并配置成接收圍繞與所述表面垂直的軸線旋轉(zhuǎn)的所述第 一元件，而且所述第一和第二靜液壓墊各自具有弧形形狀。
11. 如權(quán)利要求l所述的軸承，進一步包括控制器，該控制器配 置成有選擇地將流體壓力提供給所述第一靜液壓墊和第二靜液壓墊， 以使施加在所述第 一和第二元件之間的分離力總和小于所述靜液壓平 衡力，當(dāng)所述平衡力接近所述分離力時，通過從所述第一和第二靜液 壓墊中的一個基本上去除流體壓力，從而降低所述分離力總和。
12. 如權(quán)利要求11所述的軸承，其特征在于，所述控制器配置成 調(diào)節(jié)所述第一和第二靜液壓墊中的流體壓力，以使施加在所述第一和 第二元件之間的分離力總和小于所述靜液壓平衡力，當(dāng)所述平衡力接 近減小的分離力時，通過從所述第一和第二靜液壓墊中的另一個基本 上去除流體壓力，從而降低所述分離力總和。
13. 如權(quán)利要求11所述的軸承，其特征在于，所述控制器構(gòu)造成 調(diào)節(jié)供應(yīng)給所述第一和第二靜液壓墊的受壓流體，以使施加在所述第 一和第二元件之間的所述分離力總和瞬時地至少等于所述平衡力。
14. 一種i殳備，包括 第一元件；第二元件，其配置成相對于所述第一元件旋轉(zhuǎn)；第一靜液壓墊，其配置在所述第一和第二元件之間，并配置成在 受壓時向所述第一和第二元件之間施加分離力；和位于所述第一和第二元件之間的襯套，該襯套配置成允許所述第 二元件相對于所述第 一元件旋轉(zhuǎn)，同時所述第 一靜液壓墊以小于靜液 壓平衡力的力^皮加壓。
15. 如權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其特征在于，所述第一靜液壓墊 形成在所述第一和第二元件其中之一的表面上。
16. 如權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其特征在于，所述第一靜液壓墊 形成在插件的表面上，而該插件接收在所述第一和第二其中之一上形 成的凹部中。
17. 如權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其特征在于，所述第一元件是設(shè) 備殼體，而所述第二元件是液壓設(shè)備的驅(qū)動板。
18. 如權(quán)利要求14所述的設(shè)備，包括第二靜液壓墊，該第二靜液 壓墊位于所述笫一和第二元件之間，并配置成在受壓時在所述第一和 第二元件之間施加分離力。
19. 如權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其特征在于， 所述第二元件的一部分為柱狀；所述第一元件包括孔，所述第二元件的所述一部分接收在所述孔 中；和所述第一和第二靜液壓墊以及所述襯套位于所述第一元件的所述 孔中。
20. 如權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其特征在于， 所述第一靜液壓墊位于與所述i殳備的下死點對應(yīng)的位置；和 所述第二靜液壓墊包括位于所述第一靜液壓墊的相對側(cè)的第一和第二區(qū)段。
21. 如權(quán)利要求20所述的設(shè)備，包括第三靜液壓墊，第三靜液壓 墊具有位于所述第二靜液壓墊的相對側(cè)的第一和第二區(qū)段。
22. 如權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其特征在于，所述襯套的形狀仿 形地小于所述第二元件的所述部分的整個圓周，并且基本上在與所述 設(shè)備的下死點對應(yīng)的位置處居中布置。
23. 如權(quán)利要求22所述的設(shè)備，包括額外的襯套，該額外的襯套 位于所述第一元件的所述孔中，處于所述第一和第二元件之間，并且 基本上居中地位于與所述設(shè)備的上死點對應(yīng)的位置處。
24. 如權(quán)利要求18所述的設(shè)備，包括位于所述第一和第二元件之 間的第三和第四靜液壓墊，第三和第四靜液壓墊各自配置成在受壓時 在所述第一和第二元件之間施加分離力，并且所述第一、第二、第三和第四靜液壓墊基本上為弧形，而且位于所述第一和第二元件其中之 一的表面上，并且被所述襯套包圍。
25. 如權(quán)利要求24所述的設(shè)備，其特征在于，所述第一和第三靜 液壓墊各自占據(jù)第一環(huán)圏的相應(yīng)半部的部分，而所述第二和第四靜液 壓墊各自占據(jù)與第一環(huán)圏同心的第二環(huán)圏的相應(yīng)半部的部分，所述第 一和笫二靜液壓墊設(shè)置在延伸于所述設(shè)備的上死點和下死點之間的線條的一側(cè)，而所述第三和第四靜液壓墊設(shè)置在該線條與所述第 一和第 二靜液壓墊相對的一側(cè)。
26. 如權(quán)利要求25所述的設(shè)備，包括控制器，當(dāng)所述設(shè)備根據(jù)第 一極性操作時，所述控制器配置成有選擇地向第一和第二靜液壓墊提 供流體壓力，使得由所述第 一和第二靜液壓墊施加的總分離力小于所 述設(shè)備的平衡力，而在所述設(shè)備根據(jù)第二極性操作時，所述控制器配 置成有選擇地向所述第三和第四靜液壓墊提供流體壓力，以使由所述 第三和第四靜液壓墊施加的總分離力小于所述設(shè)備的平衡力。
27. 如權(quán)利要求14所述的設(shè)備，包括用于消除所述第一和第二元 件之間靜摩擦的裝置。
28. —種方法，包括在具有流體軸承且流體軸承位于第 一和第二元件之間的設(shè)備中， 向所述流體軸承的第 一和第二靜液壓墊施加流體壓力，同時由第 一和 笫二靜液壓墊施加的分離力小于所述軸承的平衡力，以使所述分離力 抵消所述軸承上的一部分載荷；相對于所述第一元件旋轉(zhuǎn)所述第二元件；在襯套上支撐未被所述分離力抵消的一部分載荷；降低所述軸承上的載荷；和在所述軸承上的載荷下降到所述分離力以下之前，從所述第一靜 液壓墊上去除流體壓力，以建立僅由所述第二靜液壓墊單獨施加的較 低分離力。
29. 如權(quán)利要求28所述的方法，在所述軸承上的載荷下降到所述 較低分離力以下之前，從所述第二靜液壓墊上去除流體壓力。
30.如權(quán)利要求28所述的方法，包括當(dāng)所述設(shè)備極性反轉(zhuǎn)時， 將所述第一和第二靜液壓墊上的流體壓力切換到所述第三和第四靜液 壓墊。
全文摘要
一種流體軸承(203)，包括第一和第二靜液壓墊(330、331、332、334)，所述靜液壓墊形成在插件(338)的表面上并定位成施加分離力；和形成在所述插件的表面上的平臺(328)，該平臺配置成用作允許旋轉(zhuǎn)的襯套，同時以小于靜液壓平衡力的壓力向所述第一和第二靜液壓墊加壓。所述插件的墊上的受壓流體受到控制，阻止以完全靜液壓模式操作。更具體地說，所述墊的表面力產(chǎn)生的分離力受到控制，使得該分離力不超過施加在所述軸承上的力，從而控制所述軸承的磨損?？刂品蛛x力通過有選擇向個別靜液壓墊施壓來實現(xiàn)，從而有效改變所述軸承的活動靜液壓面積。
文檔編號F04B1/20GK101432503SQ200780015426
公開日2009年5月13日 申請日期2007年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月28日
發(fā)明者C·L·格雷 申請人:由美國環(huán)境保護署署長代表的美利堅合眾國政府