專利名稱：排放高壓軸密封件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及旋轉(zhuǎn)流體壓力裝置，例如低速高轉(zhuǎn)矩(LSHT)齒輪轉(zhuǎn)子馬達(dá)(gerotor motor)，尤其是涉及一種用于該裝置的、改進(jìn)的高壓軸密封組件。
盡管本發(fā)明可以用于具有任意一種不同閥結(jié)構(gòu)的LSHT齒輪轉(zhuǎn)子馬達(dá)，但是它尤其適用于滑閥馬達(dá)，因此將結(jié)合滑閥馬達(dá)介紹本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)知道，滑閥齒輪轉(zhuǎn)子馬達(dá)通常限于具有相對較低的流量和壓力等級的較小馬達(dá)。這部分是因?yàn)榛y馬達(dá)的某些固有限制，因?yàn)樵诨y和殼體的相鄰柱形表面(“靜止閥表面”)之間有徑向間隙。該徑向間隙提供了潛在的橫向孔泄漏通路，這樣，當(dāng)該間隙的徑向尺寸增加時，馬達(dá)的容積效率(和總效率)減小。
與滑閥類型的齒輪轉(zhuǎn)子馬達(dá)相關(guān)的一個問題是，當(dāng)用戶希望通過增加進(jìn)口壓力而持續(xù)增加馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩輸出時，滑閥有在高壓下“破壞”的趨勢，從而增加滑閥表面和殼體的靜止閥表面之間的徑向間隙。如上所述，增加徑向間隙導(dǎo)致馬達(dá)的容積效率降低，用戶總是不希望這樣。
本領(lǐng)域技術(shù)人員已經(jīng)知道，解決滑閥“破壞”問題的一個可行方法是增加“腔排放(case drain)”壓力，即位于馬達(dá)內(nèi)部的腔室中的壓力，該馬達(dá)內(nèi)部腔室包括位于空心滑閥內(nèi)的容積部分。通常增加腔排放壓力的方法是簡單地限制腔排放孔的流出，從而導(dǎo)致在腔排放區(qū)域內(nèi)壓力升高。因此，腔排放區(qū)域壓力不是處于儲存壓力(reservoir pressure)，而是可以升高到1000psi到2000psi范圍內(nèi)的某個值，通過該壓力來抵抗滑閥破壞的趨勢。如本領(lǐng)域技術(shù)人員公知，當(dāng)限制腔排放區(qū)域的流出時，腔排放區(qū)域中的壓力通常將在進(jìn)口壓力和出口壓力之間的大約中間位置(或稍大)。
不幸的是，增加腔排放壓力并不能認(rèn)為是可接受的解決滑閥破壞問題的方法，因?yàn)檩S密封組件(即殼體和旋轉(zhuǎn)輸出軸之間的密封件)將比在其它情況下磨損更快，從而需要使馬達(dá)有更頻繁的停工時間，用于更換軸密封組件。從用戶的觀點(diǎn)看，更頻繁地更換馬達(dá)軸密封件以及馬達(dá)的相應(yīng)停工時間都是不能接受的。
特別地，本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的低速高轉(zhuǎn)矩齒輪轉(zhuǎn)子馬達(dá)，它有改進(jìn)的軸密封組件，因此可以增加該馬達(dá)的容積效率，特別是在相對較高的進(jìn)口壓力下，同時增加軸密封組件的壽命。
特別地，本發(fā)明的目的是提供一種改進(jìn)的滑閥型齒輪轉(zhuǎn)子馬達(dá)，其中，可以通過在增加腔排放壓力的情況下工作而大大增加增加馬達(dá)的容積效率，同時不會增加軸密封件的磨損速度，且不需要頻繁更換該軸密封件。
本發(fā)明的上述和其它目的通過提供一種改進(jìn)的旋轉(zhuǎn)流體壓力裝置而實(shí)現(xiàn)，該類型的旋轉(zhuǎn)流體壓力裝置包括有流體進(jìn)口和流體出口的殼體裝置。一個流體壓力操作的移動機(jī)構(gòu)與該殼體裝置相關(guān)連，并限定了多個根據(jù)移動裝置的活動部件的運(yùn)動而膨脹和壓縮流體容積的腔室。一個閥部件與該殼體裝置配合作用，以便在進(jìn)口和膨脹容積腔室之間以及在壓縮容積腔室和出口之間提供流體連通。一個輸入-輸出軸可旋轉(zhuǎn)地支承在殼體裝置上，還包括一個傳動裝置，用于在輸入-輸出軸和移動裝置的活動部件之間傳遞旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。一個密封組件徑向布置在該輸入-輸出軸和殼體裝置之間，并與它們配合作用，以便限定增壓的腔排放區(qū)域。
改進(jìn)的旋轉(zhuǎn)流體壓力裝置的特征在于沿流體從增壓的腔排放區(qū)域泄漏的方向，軸密封組件順序包括高壓軸密封件；然后是環(huán)形腔室，靠近高壓軸密封件的剛性支承部件布置在該環(huán)形腔室內(nèi)，該支承裝置與殼體裝置和高壓軸密封件中的一個配合，以便限定徑向流體通道裝置。排出通道布置在該環(huán)形腔室和腔排放口之間，因此，經(jīng)過高壓軸密封件從腔排放區(qū)域泄漏的流體將流過徑向流體通道裝置，然后通過排出通道流向腔排放口。最后，密封組件還包括一個低壓軸密封件。
圖2是類似于

圖1但是沿不同的平面的放大局部軸向剖視圖，表示本發(fā)明的改進(jìn)的高壓軸密封組件。
圖3是沿圖2的線3-3的進(jìn)一步放大的布置平面圖，表示包括本發(fā)明的一個重要方面的徑向流體通道。
閥殼體13包括前部凸緣部件31，它將在隨后更詳細(xì)地介紹。閥殼體13限定了柱形孔33，及由滑閥限定了一對環(huán)形槽35和37，這將在隨后更詳細(xì)的介紹。槽35通過通道39與進(jìn)口21流體連通，而環(huán)形槽37通過通道41與出口23流體連通，閥殼體13還限定了多個徑向開口43，各個徑向開口43開口到柱形孔33，且各徑向開口43與軸向通道45流體連通，該軸向通道45與閥殼體13的后表面連通，各軸向通道45開口于一個膨脹和壓縮流體容積的腔室29。
前部凸緣部件31限定了一個腔排放口47，圖中所示為已經(jīng)塞緊，該腔排放口47的功能將在隨后更詳細(xì)介紹。輸出軸組件布置在柱形孔33內(nèi)，該輸出軸組件包括一個輸入-輸出軸部分49和滑閥部分51。一個主驅(qū)動軸53布置在空心柱形的滑閥部分51，它通常稱為“狗骨(dogbone)”軸。輸出軸組件限定了一組直的內(nèi)花鍵55，星形部件27限定了一組直的內(nèi)花鍵57。主驅(qū)動軸53包括一組與內(nèi)花鍵55嚙合的冠形外花鍵59以及一組與內(nèi)花鍵57嚙合的冠形外花鍵61。
如圖1可見，滑閥部分51和主驅(qū)動軸53配合，以便限定腔排放區(qū)域63，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的?；y部分51限定了多個與環(huán)形槽35連通的軸向通道65以及多個與環(huán)形槽37連通的軸向通道67。軸向通道65和67通常也稱為“定時(timing)槽”。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的，正是定時槽65提供了從增壓進(jìn)口21通過環(huán)形槽35到徑向開口43的增壓液體的連通，且從該徑向開口43通向瞬時膨脹的流體容積腔室29。還如本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，有多個軸向通道65和多個軸向通道67，且該通道65和67繞滑閥部分51的外周交替布置，這樣，不管是口21還是口23包括高壓，滑閥部分51的外周上都將作用有高壓，趨向于使滑閥部分51破壞-如發(fā)明的背景技術(shù)中所提及。
在本文中，口21稱為“進(jìn)口”，這時，輸出軸部分49的旋轉(zhuǎn)將沿CC(順時針)方向。不過，如所公知的，如果口23被增壓并作為進(jìn)口時，輸出軸部分49的旋轉(zhuǎn)將沿CCW(逆時針)方向。在本實(shí)施例中，正是當(dāng)口23為進(jìn)口且環(huán)形槽37包括增壓流體時，高壓閥芯破壞問題相對比較嚴(yán)重。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知道，在本文中，對于滑閥部分51的術(shù)語“破壞”的意思是滑閥部分的半徑減小，通常，該減小將在大約0.0005英寸(0.0127mm)至大約0.001英寸(0.0254)范圍內(nèi)，從而導(dǎo)致直徑間隙增加大約0.001英寸(0.0254mm)至大約0.002英寸(0.0508mm)。因此，下面所表示的測試數(shù)據(jù)都將基于馬達(dá)沿CCW方向的操作。
下面主要參考圖2，前部凸緣部件31限定了環(huán)繞輸入-輸出軸部分49的臺階孔71，該臺階孔71的外表面在圖2中通過標(biāo)記為“S”的線示意表示。一個高壓軸密封組件布置在該臺階孔71內(nèi)，該高壓軸密封組件總體地表示為73，它包括本發(fā)明的一個重要特征。眾所周知，通常在現(xiàn)有技術(shù)中，輸入-輸出軸部分49限定了軸向流體通道75和一個或多個徑向流體通道76，流體可以通過它們從腔排放區(qū)域63流向軸密封組件73附近區(qū)域。沿流體從腔排放區(qū)域63泄漏的方向(即在圖2中從右向左)，軸密封組件73順序包括高壓軸密封件77；環(huán)形墊片79，該環(huán)形墊片79作為該高壓軸密封件77的支承環(huán)；以及排出通道81，該排出通道81使得從臺階孔71到腔排放口47流體連通，這將后面更詳細(xì)所述。最后，軸密封組件73包括普通的低壓軸密封件83。此外，盡管并不認(rèn)為是高壓軸密封組件73的一部分，但是優(yōu)選還提供有防塵密封件85，該防塵密封件85布置在凸緣部件31的前表面附近。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的，防塵密封件85的主要功能是防止灰塵和塵土從馬達(dá)外部進(jìn)入，即沿軸部分49的外表面向圖1或2的右側(cè)運(yùn)動并進(jìn)入馬達(dá)11的內(nèi)部。
還主要參考圖2，高壓軸密封件77優(yōu)選地包括高壓唇形密封件或quadseal密封件，或者其它任意類型的通常用于高壓的密封件。應(yīng)當(dāng)知道，在本文中和在附屬權(quán)利要求書中，稱為“高壓”密封件例如密封件77的意思是包括能夠密封至少大約1500psi壓力，優(yōu)選是3000psi壓力或更高的密封部件。高壓軸密封件77的彈性部分的硬度通常稍微大于用于普通低壓密封件的硬度，例如大于低壓軸密封件83的硬度。還有，通常，高壓軸密封件77的唇邊與軸部分49的相鄰表面之間的干涉量應(yīng)當(dāng)大于普通低壓軸密封件的(干涉量)。盡管在本文中高壓軸密封件77稱為“彈性體的”，但是應(yīng)當(dāng)知道，該術(shù)語用于廣義情況，該密封件77可以包括例如聚四氟乙烯這樣的材料。
下面主要參考圖3，可以看見，環(huán)形墊片79優(yōu)選地限定了多個周向間隔開的凹槽87。在本實(shí)施例中，僅作為示例，各凹槽87的軸向深度為大約0.05英寸(1.27mm)。不過，最重要的是凹槽87的形狀選擇為使它們足夠大，以便當(dāng)有流過高壓軸密封件77的泄漏流時，在高壓軸密封件77和低壓軸密封件83之間的軸部分49周圍區(qū)域中基本不會有任何的壓力積累。換句話說，從凹槽87到腔排放口47之間的壓力差應(yīng)當(dāng)最小。優(yōu)選地，環(huán)形墊片79的內(nèi)徑稍微大于軸部分49的直徑，這樣，環(huán)形墊片79松弛地繞輸入-輸出軸部分49布置，并能夠相對于該軸部分49稍微徑向運(yùn)動。
在馬達(dá)11的工作過程中，腔排放區(qū)域63接收主要是因?yàn)閺脑鰤号蛎浟黧w容積腔室29沿星形部件27的端表面徑向向內(nèi)的泄漏而產(chǎn)生的增壓流體，如本領(lǐng)域所公知的。如前面所述，進(jìn)入腔排放區(qū)域63的泄漏流體部分流過流體通道75和76，并作用在高壓軸密封組件73上。在馬達(dá)11工作的最初多個小時中，可以預(yù)期高壓軸密封件77將基本不允許任何泄漏流經(jīng)過該密封件77(即在密封件77的唇邊和軸部分49的表面之間)。根據(jù)例如流體壓力、馬達(dá)的工作速度等因素，基本沒有經(jīng)過高壓軸密封件77的泄漏的最初時間可以持續(xù)從大約20小時(馬達(dá)工作時間)到大約200小時。
因?yàn)榛緵]有泄漏流經(jīng)過高壓軸密封件77，因此，如前所述，腔排放區(qū)域63中的壓力相對較高，因此將抵抗滑閥部分51破壞的趨勢。根據(jù)本發(fā)明的一個重要方面，在如上所述基本沒有泄漏的最初階段之后，高壓軸密封件77將最終開始稍微泄漏。凹槽87和高壓軸密封件77配合，以限定多個小孔89，泄漏流體在經(jīng)過高壓軸密封件77后必然流過這些小孔89。這些孔89的尺寸保證在軸密封組件73內(nèi)幾乎沒有形成壓力，如前所述。盡管已經(jīng)結(jié)合在凹槽和密封件77之間形成孔89的實(shí)施例來舉例說明了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)知道本發(fā)明并不局限于此。僅作為示例，環(huán)形墊片79的安裝可以與圖2和3所示相反，這樣，凹槽87朝前(即朝著圖2和3的右側(cè))。這時，孔89將通過凹槽87和凸緣部件31的相鄰表面而形成。在另一可選實(shí)施例中，孔89將通過鉆出(或以其它成形方式)穿過環(huán)形墊片79的徑向孔而形成。
為了說明由本發(fā)明產(chǎn)生的較大改進(jìn)，在后面將更詳細(xì)介紹的條件下進(jìn)行了對比試驗(yàn)。在該對比試驗(yàn)中，“現(xiàn)有技術(shù)”的馬達(dá)與根據(jù)“本發(fā)明”制成的馬達(dá)進(jìn)行了比較(見下表)。
各對比在流過馬達(dá)的流量為4加侖/分或8加侖/分的情況下進(jìn)行。在各個試驗(yàn)中，“背壓(back pressure)”施加在馬達(dá)出口部分上，該背壓選擇為500psi、1000psi或1500psi。
對于各個背壓和流速，在三個不同“Δ壓力”下進(jìn)行測試，該Δ壓力是指進(jìn)口壓力和出口壓力之間的差。因此，例如當(dāng)背壓為1000psi且Δ壓力為1500psi時，進(jìn)口壓力為2500psi，出口壓力為1000psi。
比較時，在“現(xiàn)有技術(shù)”和“本發(fā)明”列中所示數(shù)值是總體效率。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，總體效率只是容積效率和機(jī)械效率的乘積(當(dāng)M.E＝70％且V.E.＝80％時，O.E.＝56％)，且總體效率可以認(rèn)為是最有效的比較基礎(chǔ)。
在進(jìn)行對比試驗(yàn)時，“現(xiàn)有技術(shù)”裝置包括本發(fā)明的受讓人在市場上購得的普通類型的滑閥馬達(dá)，這時，腔排放區(qū)域相對無限制地與腔排放口連通，這樣，腔排放區(qū)域中的流體壓力相對較低(例如50至100psi)。比較而言，“本發(fā)明”基本為相同馬達(dá)，但是根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行了改變(即，使用前部凸緣部件31和高壓軸密封組件73)。通過本發(fā)明，腔排放壓力保持在出口壓力和進(jìn)口壓力之間的差的大約50％或60％。因此，例如，當(dāng)出口壓力(背壓)是1000psi，且Δ壓力是1500psi時，腔排放壓力將為大約1750至大約1900psi。

由上面數(shù)據(jù)可以看到，通過增加背壓和增加Δ壓力，本發(fā)明裝置優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)程度大大增加，但是還應(yīng)當(dāng)知道，在相對較低流速(4加侖/分)時的增加通常比在相對較高流速(8加侖/分)時更大。因此，可以看到，本發(fā)明使得該類型的馬達(dá)可以在更高背壓和更高Δ壓力下工作，同時保持可接受的總體效率。
前面的說明已經(jīng)詳細(xì)介紹了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員通過閱讀和理解本說明可以清楚各種變化和改變。這些變化和改變包含在本發(fā)明中，因此，它們在附屬權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種旋轉(zhuǎn)流體壓力裝置(11)，所述類型的旋轉(zhuǎn)流體壓力裝置包括殼體裝置(13、31)，殼體裝置有流體進(jìn)口(21)和流體出口(23)；流體壓力操作移動裝置(15)，所述流體壓力操作移動裝置與所述殼體裝置(13、31)相連，并限定了多個根據(jù)所述移動裝置(15)的活動部件(27)的運(yùn)動而膨脹和壓縮流體容積的腔室(29)；一個閥部件(51)，所述閥部件與所述殼體裝置(13、31)配合，以便在所述進(jìn)口(21)和所述膨脹容積腔室(29)之間以及在所述壓縮容積腔室(29)和所述出口(23)之間提供流體連通；輸入-輸出軸(49)和傳動裝置(53)，所述輸入-輸出軸可旋轉(zhuǎn)地支承在所述殼體裝置(13、31)上，所述傳動裝置用于在所述輸入-輸出軸(49)和所述移動裝置(15)的所述活動部件(27)之間傳遞旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；密封組件，所述密封組件徑向布置在所述輸入-輸出軸(49)和所述殼體裝置(13、31)之間，并與它們配合，以便限定增壓的腔排放區(qū)域(63)；其特征在于，沿從所述增壓的腔排放區(qū)域(63)流出的泄漏流的方向，所述密封組件順序包括(a)高壓軸密封件(77)；(b)環(huán)形腔室(71)，一個靠近所述高壓軸密封件(77)的剛性支承部件(79)布置在所述環(huán)形腔室內(nèi)，所述支承部件(79)與所述殼體裝置(31)和所述高壓軸密封件(77)中的一個配合，以便限定徑向流體通道裝置(87、89)；(c)排出通道(81)；所述排出通道布置在所述環(huán)形腔室(71)和腔排放口(47)之間，因此，經(jīng)過所述高壓軸密封件(77)的從所述腔排放區(qū)域(63)泄漏的流體流過所述徑向流體通道裝置(87)，然后通過所述排出通道(81)流向所述腔排放口(47)；以及(d)低壓軸密封件(83)。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)流體壓力裝置(11)，其特征在于所述剛性支承部件(79)包括環(huán)形金屬部件，所述環(huán)形金屬部件限定了多個徑向延伸的凹槽(87)，所述凹槽包括所述徑向流體通道裝置(87、89)。
3.一種根據(jù)權(quán)利要求2所述的旋轉(zhuǎn)流體壓力裝置(11)，其特征在于所述凹槽(87)緊鄰所述高壓軸密封件(77)布置，所述凹槽(87)和所述密封件(77)配合，以便限定所述流體通道裝置(89)。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)流體壓力裝置(11)，其特征在于所述高壓軸密封件(77)這樣選擇，即，在最初的時間階段T1，所述高壓軸密封件(77)基本不允許從所述腔排放區(qū)域(63)到所述排出通道(81)的泄漏流，從而保持所述腔排放區(qū)域(63)中的壓力，所述壓力為在所述進(jìn)口中的壓力的大約至少一半。
5.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)流體壓力裝置(11)，其特征在于所述流體壓力操作移動裝置(15)包括有內(nèi)齒的環(huán)形部件(25)和包括所述活動部件的有外齒的星形部件(27)，所述星形部件偏心地布置在所述環(huán)形部件(25)內(nèi)，用于進(jìn)行相對的確定軌跡的運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。
6.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)流體壓力裝置(11)，其特征在于所述閥部件(51)包括空心、大致柱形的滑閥部件，其中，在所述進(jìn)口中的流體壓力至少在所述滑閥部件的有限軸向范圍內(nèi)包圍所述滑閥部件，所述腔排放區(qū)域(63)布置成至少部分位于所述滑閥部件內(nèi)。
全文摘要
一種旋轉(zhuǎn)流體壓力裝置(11)，具有殼體裝置(13、31)、進(jìn)口和出口(21、23)；內(nèi)齒輪組(15)、閥部件(51)和輸入－輸出軸(49)。密封組件(73)徑向布置在軸(49)和殼體(31)之間。沿從腔排放區(qū)域(63)流出的泄漏流的方向，所述密封組件順序包括高壓軸密封件(77)；環(huán)形腔室(71)，用于密封件(77)的剛性支承部件(79)布置在所述環(huán)形腔室內(nèi)；排出通道(81)，所述排出通道從環(huán)形腔室(71)到腔排放口(47)進(jìn)行流體連通；以及低壓軸密封件(83)。支承部件(79)可以與殼體(31)或密封件(77)配合，以便限定徑向流體流動裝置(87、89)，這樣，經(jīng)過高壓軸密封件(77)的任意泄漏流都流向腔排放口(47)。
文檔編號F04C2/00GK1469063SQ0313718
公開日2004年1月21日 申請日期2003年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月11日
發(fā)明者J·M·小勒克萊爾, J·D·米勒, A·T·米勒, J M 小勒克萊爾, 米勒 申請人:伊頓公司