二維軸向柱塞泵的制作方法

本實用新型涉及一種二維軸向柱塞泵，屬于流體傳動及控制領域中的液壓泵及液壓馬達。

背景技術：

柱塞泵用柱塞和油缸體作為主要工作構件。當柱塞在缸體的柱塞孔中作往復運動時，由柱塞與缸體組成的密閉工作容積腔發生容積變化，完成吸、排油過程。根據柱塞在缸體中的不同排列形式，柱塞泵分為徑向式和軸向式兩大類。徑向柱塞泵由于結構復雜、體積較大，在許多場合已經被軸向柱塞泵替代。軸向柱塞泵的柱塞中心線平行(或基本平行)于油缸體的軸線。此類泵的密封性好，具有工作壓力高(額定工作壓力一般可達32—40MPa)，在高壓下仍能保持相當高的容積效率(一般在95％左右)及總效率(一般在90％以上)，容易實現變量以及單位功率的重量輕等優點；廣泛運用于壓力加工機械、起重運輸設備、工程機械、船舶甲板機械、冶金機械、火炮和空間技術領域中，并可被作為高壓及高壓油源。

傳統常見的軸向柱塞泵的工作原理：當傳動軸帶動缸體轉動時，缸體會帶動柱塞轉動，通過改變柱塞和傾斜平面之間或與傳動軸之間的角度，使得柱塞在柱塞腔內作直線往復運動。依靠柱塞在缸體孔內往復運動，使密封工作容腔容積發生變化來實現吸、壓油。傳統的軸向柱塞泵其內部相對運動的零件多，對材料材質、加工精度要求高，對油液污染敏感，加工、使用、維護的要求和成本較高，價格昂貴；缸體隨傳動軸一起轉動，轉動慣量大，導致啟動、停止、調速的響應速度慢，不利于通過調速來控制泵的輸出流量；缸體內摩擦副較多，高速轉動下，缸體溫升較快，配流盤、柱塞等零件的磨損直接影響泵的使用壽命和耐久性。除此之外，由于柱塞泵本身工作原理的限制，傳動軸轉動一周，每個柱塞只能實現一次吸油和一次排油，其排量受到了限制。

技術實現要素：

為了克服現有軸向柱塞泵存在的上述缺陷，本實用新型提供一種結構新穎緊湊、體積小、重量輕、傳動簡單、易調速、排量高、利用柱塞雙自由度(旋轉的同時能夠軸向移動)的運動原理實現連續的吸排油的二維軸向柱塞泵。

本實用新型所述的二維軸向柱塞泵，其特征在于：包括用于進出油的第一缸體、用于與柱塞配流的第二缸體、柱塞組件、用于實現柱塞組件雙自由度運動的驅動組件以及用于容納柱塞組件的端蓋，所述第一缸體與所述第二缸體的第一端密封固連，所述第二缸體的第二端與所述端蓋密封固連；所述柱塞組件容納在所述端蓋的柱塞容腔內，并且所述柱塞組件與所述第二缸體轉動連接；

所述第一缸體上設有一條低壓進油道和一條高壓出油道，其中所述低壓進油道與所述供油箱連通、所述高壓出油道與執行件連通；

所述第二缸體設有中心插孔、有兩條用于與低壓進油道連通的第一連通油道和兩條用于與高壓出油道連通的第二連通油道，所述中心插孔的頭端嵌有用于堵住工藝孔的配合件，末端設有用于支撐柱塞組件的第一軸承；所述第一連通油道與所述低壓進油道一一對應，所述第二連通油道與所述高壓出油道一一對應；

所述柱塞組件包括柱塞、彈簧和彈簧座，所述柱塞依次分為用于與第二缸體的連通油道貫通的連通段、用于支撐彈簧的連接段以及用于與驅動組件固連的安裝段，所述連通段設有一對用于與連通油道連通配合的溝槽，且所述溝槽只能與所述第一連通油道或者所述第二連通油道中的一種對應溝通；所述柱塞的連通段插入第二缸體的中心通孔，并且所述柱塞的連通段外壁與所述中心通孔內壁緊密貼合，所述連接段通過第一軸承與所述第二缸體轉動連接，并且所述連通段上設置的溝槽恰好位于能與第一連通油道和第二連通油道溝通；所述彈簧套在所述柱塞的連接段，并且所述彈簧的一端與抵在第一軸承端面上的彈簧座固連，另一端抵在連接段與安裝段形成的臺階面上；

所述驅動組件包括聯軸節、滾輪軸、曲面凸輪導軌和滾動組件，所述柱塞的安裝段通過聯軸節與外部的驅動電機固連；所述滾輪軸與所述柱塞的安裝段固連，并且所述滾輪軸的兩端分別對稱安裝滾動組件；所述曲面凸輪導軌嵌入所述端蓋內，所述曲面凸輪的其中一端面作為供滾動組件沿其表面滾動的光滑滾動曲面，所述光滑滾動曲面對稱分布，且滾動組件運動到光滑滾動曲面的最低點時，所述第一連通油道與所述柱塞的溝槽連通，實現柱塞泵吸油過程；滾動組件運動到光滑滾動曲面的最高點時，所述第二連通油道與所述柱塞的溝槽連通，實現柱塞泵排油過程。

所述第二缸體設有兩條第一連通油道和兩條第二連通油道，所述第一連通油道與所述第二連通油道均沿所述第二缸體軸向設置，并且所述第一連通油道外端、所述第二連通油道外端分別與所述低壓進油通道、所述高壓出油通道連通，所述第一連通油道的內端、所述第二連通油道的內端通過沿第二缸體徑向設置的十字型連通油道貫通，所述十字型連通油道的中心位于所述中心通孔的中心軸上，且十字型連通油道的每條支路均與所述第一連通油道或者所述第二連通油道連通，每條支路的內端與所述中心通孔連通，支路的外端延伸至第二缸體的外部，并且每條支路的外端配有一套由鋼球和密封銷構成的密封件。

所述高壓出油道和所述低壓進油道均為Π型油道，所述高壓出油道和所述低壓進油道呈90°夾角，其中Π型油道的橫向通道一端延伸至第一缸體的外部，形成相應的低壓進油口或高壓出油口，而其中低壓進油道的兩條豎流道分別與對應的所述第一連通油道配合貫通；高壓出油道的兩條豎流道分別與對應的所述第二連通油道配合貫通。

所述柱塞為二級臺階軸，其中所述連通段、所述連接段以及所述安裝段的外徑漸增；連通段的端部設有兩個沿其軸向對稱布置的矩形溝槽；所述安裝段設有用于卡入滾輪軸的第一U型凹槽，且第一U型凹槽的壁面對應設有定位銷通孔。

所述滾輪軸通過定位銷組件與所述柱塞的安裝段固連，所述定位銷組件包括第一定位銷、第一滾針軸承以及用于限制第一滾針軸承軸向移動的軸用鋼絲擋圈，所述第一定位銷中部與柱塞安裝部和滾輪軸的中部固連，所述第一定位銷貫穿定位銷通孔后套接第一滾針軸承；所述軸用鋼絲擋圈套在第一定位銷末端的第一環形槽內。

所述聯軸節包括用于卡入柱塞安裝段的第一安裝部和用于與外界驅動電機連接的第二安裝部，所述第一安裝部設有第二U型凹槽和第三U型凹槽，所述柱塞的安裝段插入所述第二U型凹槽內，并且所述第一滾針軸承卡在所述第三U型凹槽處；所述第二安裝部為帶有矩形鍵槽的圓柱，所述第二安裝部插入所述曲面凸輪導軌的中心孔，并與之緊密配合；外部的驅動電機的輸出軸插入所述矩形鍵槽,其中所述曲面凸輪導軌的側壁設有用于插入定位銷的定位銷插孔。

所述滾動組件包括第二滾針軸承、第二軸承以及帶有中心臺階通孔的圓臺式滾輪套，滾輪軸的兩端部對稱的從內向外依次安裝第二滾針軸承、圓臺式滾輪套和第二軸承，所述第二軸承卡在所述中心臺階通孔處，實現所述圓臺式滾輪套與所述滾輪軸的緊密配合；所述滾輪軸的末端設有第二環形槽，并且所述第二環形槽內嵌有用于限制第二軸承軸向移動的彈性擋圈。

所述曲面凸輪導軌為圓柱體，所述曲面凸輪導軌通過第二定位銷與所述端蓋固連，并且曲面凸輪導軌的朝向柱塞一側的端面為滾動面，滾動面為對稱的光滑弧形曲面，且所述光滑弧形曲面設有兩個最高點和兩個最低點；所述曲面凸輪導軌與所述聯軸節的第二安裝部之間安裝用于密封和減少摩擦的J形骨架油封和深溝球軸承。

第一軸承以及第二軸承均為推力球軸承。

第一缸體的接觸端面開設有4個環形密封槽和一個總環形密封槽，其中四個環形密封槽設置在所述高壓出油道和所述低壓進油道處，一個總環形密封槽設置圈在第一缸體的接觸端面外圈，并將高壓出油道和所述低壓進油道圈在總環形密封槽內；端蓋的接觸端面設有用于嵌入密封圈的端蓋環形密封槽。

工作原理如下：驅動電機轉動時，通過聯軸節、第一滾針軸承和銷軸把扭矩傳遞給柱塞。圓錐滾輪裝在滾輪軸上并且滾輪軸與柱塞固連。彈簧的右端與柱塞固連，左端通過彈簧座壓在推力軸承上。柱塞在轉動的同時帶動滾輪軸旋轉，滾輪在彈簧力的作用下壓在凸輪導軌上，凸輪導軌壓在端蓋上。由于凸輪導軌的作用迫使柱塞在旋轉的同時也做往復直線運動。缸體上圓周均布四個窗口并且內部開有流道，兩個為高壓窗口與之相連的是高壓油道，兩個為低壓窗口與之相連的是低壓油道。進出油口缸體上開有吸油口和排油口，并且內部有高壓油道和低壓油道分別與缸體上的高低壓油道相連通形成高低壓油路。柱塞端部對稱布置兩個油槽，當滾輪運動到導軌的最高點時，容腔體積減小壓力升高，容腔通過柱塞上的兩個油槽與高壓窗口連通，在容腔內的油液通過高壓窗口流入高壓油道并從排油口排出。當滾輪運動到導軌的最低點時，容腔體積變大，腔體內形成負壓，此時容腔通過柱塞上的兩個油槽與低壓窗口連通，在油箱里的油液通過吸油口流入低壓油道，流經低壓窗口和柱塞上的油槽進入容腔。電機每旋轉一周，腔體完成兩次排油和兩次吸油。

本實用新型的有益效果是：

1)提出了軸與柱塞一體化設計，將整體結構大大簡化，利用柱塞的旋轉和滑動的雙運動自由度(2D)結構替代了傳統軸向柱塞泵的配油盤結構，來實現連續吸排油功能，而且往復運動一次，吸排油各一次，較傳統軸向柱塞泵多一次。

2)較傳統柱塞泵的多摩擦副結構，本實用新型只有一對摩擦副，使得效率得到很大提高。

3)實現了微型化，在保證流量的前提下，成本得到大大降低。

4)柱塞上的矩形溝槽與缸體上的窗口發生溝通，容積逐漸變大的腔室通過溝通的矩形溝槽和窗口從油箱吸油，容積逐漸減小的腔室通過溝通的溝槽和窗口將腔內油液排出；柱塞連續不斷往復運動使左右腔室的體積不斷的交錯變化，實現連續的吸油和排油。

附圖說明

圖1為本實用新型的二維軸向柱塞泵的結構示意圖。

圖2為本實用新型的聯軸節爆炸圖。

圖3a為本實用新型的柱塞示意圖。

圖3b為圖3a中的A-A截面圖。

圖4為本實用新型的柱塞運動到最右端時，柱塞上的溝槽未和第二缸體上的窗口油道發生溝通的截面示意圖。

圖5為本實用新型的柱塞轉動并往左端開始移動，柱塞上的溝槽分別與缸體上的油道溝通的截面示意圖。

圖6為本實用新型的進出油口缸體與缸體吸油通道剖面圖。

圖7為圖6的A-A剖視圖。

圖8為本實用新型的進出油口缸體與缸體排油通道剖面圖。

圖9為圖8的B-B剖視圖。

圖10為本實用新型的曲面凸輪導軌的結構圖。

具體實施方式

下面結合附圖進一步說明本實用新型

參照附圖：

實施例1本實用新型所述的二維軸向柱塞泵，包括用于進出油的第一缸體1、用于與柱塞配流的第二缸體4、柱塞組件5、用于實現柱塞組件雙自由度運動的驅動組件6以及用于容納柱塞組件的端蓋7，所述第一缸體1與所述第二缸體4的第一端密封固連，所述第二缸體4的第二端與所述端蓋7密封固連；所述柱塞組件5容納在所述端蓋7的柱塞容腔內，并且所述柱塞組件5與所述第二缸體4轉動連接；

所述第一缸體1上設有一條低壓進油道11和一條高壓出油道12，其中所述低壓進油道11與所述供油箱連通、所述高壓出油道12與執行件連通；

所述第二缸體4設有中心插孔41、有兩條用于與低壓進油道11連通的第一連通油道(42，43)和兩條用于與高壓出油道12連通的第二連通油道(44，45)，所述中心插孔41的頭端嵌有用于堵住工藝孔的配合件9(配合件為內六角螺塞)，末端設有用于支撐柱塞組件5的第一軸承8；所述第一連通油道(42，43)與所述低壓進油道11一一對應，所述第二連通油道(44，45)與所述高壓出油道12一一對應；

所述柱塞組件5包括柱塞51、彈簧座52和彈簧53，所述柱塞51依次分為用于與第二缸體的連通油道貫通的連通段、用于支撐彈簧的連接段以及用于與驅動組件固連的安裝段，所述連通段設有一對用于與連通油道連通配合的溝槽(511，512)，且所述溝槽只能與所述第一連通油道或者所述第二連通油道中的一種對應溝通；所述柱塞51的連通段插入第二缸體4的中心通孔41，并且所述柱塞的連通段外壁與所述中心通孔內壁緊密貼合，所述連接段通過第一軸承8與所述第二缸體4轉動連接，并且所述連通段上設置的溝槽恰好位于能與第一連通油道(42，43)和第二連通油道(44，45)溝通；所述彈簧53套在所述柱塞51的連接段，并且所述彈簧53的一端與抵在第一軸承8端面上的彈簧座52固連，另一端抵在連接段與安裝段形成的臺階面上；

所述驅動組件6包括聯軸節62、滾輪軸63、曲面凸輪導軌64和滾動組件65，所述柱塞51的安裝段通過聯軸節62與外部的驅動電機固連；所述滾輪軸63與所述柱塞51的安裝段固連，并且所述滾輪軸63的兩端分別對稱安裝滾動組件65；所述曲面凸輪導軌64嵌入所述端蓋7內，所述曲面凸輪導軌64的其中一端面作為供滾動組件65沿其表面滾動的光滑滾動曲面641，所述光滑滾動曲面641對稱分布，且滾動組件65運動到光滑滾動曲面641的最低點時，所述第一連通油道(42，43)與所述柱塞的溝槽(511，512)連通，實現柱塞泵吸油過程；滾動組件65運動到光滑滾動曲面641的最高點時，所述第二連通油道(44，45)與所述柱塞的溝槽(511，512)連通，實現柱塞泵排油過程。

所述第二缸體4設有兩條第一連通油道(42，43)和兩條第二連通油道(44，45)，所述第一連通油道(42，43)與所述第二連通油道(44，45)均沿所述第二缸體4軸向設置，并且所述第一連通油道(42，43)外端、所述第二連通油道(44，45)外端分別與所述低壓進油通道11、所述高壓出油通道連通12，所述第一連通油道(42，43)的內端、所述第二連通油道(44，45)的內端通過沿第二缸體徑向設置的十字型連通油道46貫通，所述十字型連通油道46的中心位于所述中心通孔41的中心軸上，且十字型連通油道46的每條支路均與所述第一連通油道(42，43)或者所述第二連通油道(44，45)連通，每條支路的內端與所述中心通孔41連通，支路的外端延伸至第二缸體4的外部，并且每條支路的外端配有一套由鋼球101和銷軸102構成的密封件10。

所述高壓出油道12和所述低壓進油道11均為型油道，所述高壓出油道12和所述低壓進油道11呈90°夾角，其中型油道的橫向通道一端延伸至第一缸體1的外部，形成相應的低壓進油口或高壓出油口，而其中低壓進油道11的兩條豎流道分別與對應的所述第一連通油道(42，43)配合貫通；高壓出油道12的兩條豎流道分別與對應的所述第二連通油道(44，45)配合貫通。

所述柱塞51為二級臺階軸，其中所述連通段、所述連接段以及所述安裝段的外徑漸增；連通段的端部設有兩個沿其軸向對稱布置的矩形溝槽(511，512)；所述安裝段設有用于卡入滾輪軸63的第一U型凹槽513，且第一U型凹槽513的壁面對應設有定位銷通孔514。

所述滾輪軸63通過定位銷組件13與所述柱塞51的安裝段固連，所述定位銷組件13包括第一定位銷131、第一滾針軸承132以及用于限制第一滾針軸承132軸向移動的軸用鋼絲擋圈133，所述第一定位銷131中部與柱塞51安裝部和滾輪軸63的中部固連，所述第一定位銷131貫穿定位銷通孔514后套接第一滾針軸承132；所述軸用鋼絲擋圈133套在第一定位銷131末端的第一環形槽內。

所述聯軸節62包括用于卡入柱塞51安裝段的第一安裝部和用于與外界驅動電機連接的第二安裝部，所述第一安裝部設有第二U型凹槽621和第三U型凹槽622，所述柱塞51的安裝段插入所述第二U型凹槽621內，并且所述第一滾針軸承132卡在所述第三U型凹槽622處；所述第二安裝部為帶有矩形鍵槽的圓柱，所述第二安裝部插入所述曲面凸輪導軌64的中心孔，并與之緊密配合；外部的驅動電機的輸出軸插入所述矩形鍵槽,其中所述曲面凸輪導軌64的側壁設有用于插入定位銷的定位銷插孔643。

所述滾動組件65包括第二滾針軸承651、第二軸承652以及帶有中心臺階通孔的圓臺式滾輪套653，滾輪軸63的兩端部對稱的從內向外依次安裝第二滾針軸承651、圓臺式滾輪套653和第二軸承652，所述第二軸承652卡在所述中心臺階通孔處，實現所述圓臺式滾輪套653與所述滾輪軸63的緊密配合；所述滾輪軸63的末端設有第二環形槽，并且所述第二環形槽內嵌有用于限制第二軸承652軸向移動的彈性擋圈654。

所述曲面凸輪導軌64為圓柱體，所述曲面凸輪導軌64通過第二定位銷13與所述端蓋7固連，并且曲面凸輪導軌64的朝向柱塞一側的端面為滾動面，滾動面為對稱的光滑弧形曲面，且所述光滑弧形曲面設有兩個最高點和兩個最低點；所述曲面凸輪導軌64與所述聯軸節62的第二安裝部之間安裝用于密封和減少摩擦的J形骨架油封和深溝球軸承。

第一軸承8以及第二軸承652均為推力球軸承。

第一缸體1的接觸端面開設有4個環形密封槽2和一個總環形密封槽3，其中四個環形密封槽2設置在所述高壓出油道(44，45)和所述低壓進油道(42，43)處，一個總環形密封槽3設置圈在第一缸體的接觸端面外圈，并將高壓出油道和所述低壓進油道圈在總環形密封槽內；端蓋7的接觸端面設有用于嵌入密封圈的端蓋環形密封槽。

工作原理如下：驅動電機轉動時，通過聯軸節64、第一滾針軸承132和第一定位銷131把驅動電機的扭矩傳遞給柱塞51。圓臺滾輪套653裝在滾輪軸63上并且滾輪軸63與柱塞51固連。彈簧53的右端與柱塞51固連，左端通過彈簧座52壓在第一軸承8上。柱塞51在轉動的同時帶動滾輪軸63旋轉，圓臺滾輪套653在彈簧力的作用下壓在曲面凸輪導軌64上，曲面凸輪導軌64壓在端蓋7上。由于曲面凸輪導軌64的作用迫使柱塞51在旋轉的同時也做往復直線運動。第二缸體4上圓周均布四條連通流道，兩個為第一連通流道(42，43)，與之相連的是低壓進油道11，兩個為第二連通流道(44，45)，與之相連的是高壓出油道12，第一缸體1上開有低壓進油口和高壓出油口，并且內部的低壓出油道11和高壓進油道12分別與第二缸體4上的第一連通流道(42，43)、第二連通流道(44，45)相連通形成高低壓油路。柱塞51端部對稱布置兩個溝槽(511、512)，當圓臺滾輪套653運動到曲面凸輪導軌64的最高點時，容腔體積減小壓力升高，容腔通過柱塞51上的兩個溝槽(511、512)與第二連通油道(44、45)連通，在容腔內的油液通過第二連通流道(44、45)流入高壓出油道12并從高壓出油口排出。當圓臺滾輪套653運動到導軌的最低點時，容腔體積變大，腔體內形成負壓，此時容腔通過柱塞51上的兩個溝槽(511、512)與第一連通流道(42、43)連通，在油箱里的油液通過低壓進油口流入低壓進油道11，流經第一連通流道(42、43)和柱塞51上的溝槽(511、512)進入容腔。電機每旋轉一周，腔體完成兩次排油和兩次吸油。

本實施例中，如圖3a至圖5所示，柱塞51上的兩個矩形的溝槽(511、512)，其槽口位置對稱錯開，即溝槽511槽口與溝槽512槽口方向相反。第二缸體4上與溝槽(511、512)相對應的第一連通流道(42、43)和第二連通油道(44、45)，其中第一連通流道(42、43)通過開在進出油口缸體內部Π型的低壓進油道11的豎油道(111、112)相互貫通，第二連通油道(44、45)通過開在進出油口缸體內部Π型的高壓出油道12的豎油道(121、122)相互貫通。

如圖4和圖5所示，柱塞逆時針轉動，第一連通流道(42、43)和第二連通油道(44、45)是缸體上的窗口通道，低壓進油道11的豎油道(111、112)為吸油通道，第二連通油道(44、45)為排油通道。溝槽(511、512)為柱塞51上的矩形溝槽。

圖4為柱塞運動到最右端時，此時柱塞51上的矩形溝槽(511、512)未和缸體上的低壓進油道11的豎油道(111、112)、高壓出油道12的豎油道(121、122)發生溝通。

當柱塞轉動的同時往左端開始移動，如圖5所示，柱塞上的矩形溝槽(511、512)分別與缸體上的第二連通油道(44、45)溝通，容積逐漸變小的腔室將腔內的油通過第二連通油道(44、45)將油液擠出。

當柱塞繼續轉動，則柱塞開始往右運動，腔室開始通過溝通低壓進油道11的豎油道(111、112)，第一連通流道(42、43)從油箱吸油。

本說明書實施例所述的內容僅僅是對實用新型構思的實現形式的列舉，本實用新型的保護范圍不應當被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本實用新型的保護范圍也包括本領域技術人員根據本實用新型構思所能夠想到的等同技術手段。