具有自由轮转动能力的旋转式流体压力装置

本发明涉及旋转式液压装置，而更详细地说，涉及这样的装置，它具有工作在自由轮工况下的能力。

虽然本发明可以用于各种类型的旋转式液压装置，并可用于带有各种类型的变容式液压机构的这样的装置，但是它特别适于用在低速大扭矩摆线马达上，并将结合这种马达加以描述。

低速大扭矩摆线马达已经在工业上使用多年，特别适于车辆驱动、绞盘驱动之类的应用场合并为各种其他运输工具提供旋转扭矩。这种类型的马达已经在商业上取得成功，其部分原因是摆线齿轮副特别适于在结构紧凑、造价低的装置里提供所希望的低速大扭矩输出。

在上述类型的摆线马达的许多应用场合里，寻求希望能够偶尔使马达工作在不同于它的正常工况的某些工况下。例如，如果马达被用来为车辆的驱动轮提供扭矩，则当车辆被拖带时能够使马达工作在自由轮工况下，将是十分有用的。一般来说，当正常情况下由一个摆线马达推进的车辆被拖带时，马达的输出轴被车轮驱动，而摆线齿轮副被输出轴驱动。为了避免摆线马达起制动器作用的问题，通常在这种应用场合中采用一个开放中位方向控制阀，从而在拖带期间允许流体通过开放中位阀循环。

在拖带期间摆线齿轮副被驱动这一事实有几个缺点。正常情况下由一个摆线马达推进的一个车辆一般在比它的正常行驶车速高得多的一个车速下被拖带。因此，摆线构件及配套的轴及花键的运动速度高于正常工作期间的速度，这可能引起由于摆线构件、花键等过热而损坏。此外，这些构件的这种较高速度的运动引起流体严重发热，这可能损坏整个液压系统的各种其他零件。应该指出，在拖带这样一个车辆期间，车辆的发动机不开动，结果没有风扇工作去冷却车辆液压系统中的流体。最后，由于在这样的拖带工作期间摆线马达象一个泵一样起作用，因此拖带这样一个车辆需要更大的功率值。

先有技术试图提供一种能工作在自由轮工况下的马达，这由美国专利第4，435，130号说明。虽然文中所公开的装置被描述成具有自由轮工况，但实际工况是通过转接阀建立从进口到出口的短路途径。因此，转接阀的工作有点类似于上面提到的开放中位方向控制阀。由于马达输出轴仍然连接着旋转的摆线构件，摆线齿轮内的容腔仍然随着输出轴的旋转而逐渐增大和变小。这样一个马达不是处于真正的自由轮工况下，至少在某种程度上仍然存在上述的每一个缺点。

实现真正的自由轮工况的一个方案在共同待审批申请U.S.S.N.697，596中说明和描述，该申请是以M.L.Bernstrom和S.J.Zumbusch的名义为一种“具有自由轮工况和同步工况的液压马达”提出的，已转让给本发明的受让人，共同待审批申请所包括的方案使得可以实际上把马达输出轴与摆线齿轮副脱开，以便实现自由轮旋转。

因此，本发明的一个目的在于提供这里所描述的一种旋转式液压装置，它能工作在真正的自由轮工况下，其中输入输出轴的旋转不会引起在变容式液压机构中排挤流体。

本发明的一个更具体的目的在于提供一种旋转式液压装置，其中可以由操作者选择一种自由轮工况，在此工况下在变容机构的通常为静止的件与变容机构的可转动件之间没有相对运动。

本发明的上述目的和其他目的由改进下述旋转式液压装置的结构来实现的，此型式包括构成流体进口和流体出口的壳体部件，和与壳体部件连接的并包括一个旋转组件和一个通常为静止的反作用扭矩承受部件的一个旋转变容式液压能量转换机构。通常为静止的部件可与旋转组件连接，并借此与壳体部件连接，当反作用扭矩承受部件固定不动时，旋转组件的旋转构成逐渐增大和变小的流体容腔。一个阀部件可随着上述旋转组件的旋转而工作，以便把流体从流体进口转接到逐渐增大的容腔和从逐渐变小的容腔转接到流体出口。液压装置包括一个输入或输出轴和可在输入或输出轴与旋转组件之间传递扭矩的部件。

液压装置的特征在于有一个与壳体部件和通常为静止的反作用扭矩承受部件连接的约束件，以及一个可控制地与约束件连接的操纵部件。操纵部件可在两个位置之间移动约束件。在第一位置上，约束件被配置成防止反作用扭矩承受部件相对于壳体部件的旋转运动，借此旋转组件正常旋转以便构成逐渐增大和变小的流体容腔，在第二位置上，约束件被配置成允许反作用扭矩承受部件相对于壳体部件的旋转运动，借此旋转组件的旋转不引起反作用扭矩承受部件与旋转组件之间正常的相对运动，而流体容腔不增大也不变小。

根据发明的特殊实施例，通常为静止的反作用扭矩承受部件包括内齿轮副的一个带内齿的外齿轮件，而旋转组件包括一个带外齿的内齿轮件，内外齿轮件正常地啮合以便随着内齿轮件的旋转构成逐渐增大和变小的流体容腔。

图1是一个纵剖视图，表示本发明可以运用于其上的一个低速大扭矩摆线马达。

图2是沿图1的2-2线截取的并且以与图1大体上相同的比例尺画出的一个横剖视图，表示本发明及处于正常工作位置的变容式摆线机构。

图3是类似于图2的横剖视图，表示处于自由轮工况的变容式摆线机构，摆线构件已从图2所示的位置旋转位移。

图4是类似于图2的视图，但表示另一个实施例，其中本发明运用于一个滑动叶片式变容机构。

图5是本质上类似于图2的一个横剖视图，表示另一个实施例，其中本发明用于一个带月牙形件的内啮合齿轮式变容式机构。

图6是另一个实施例的纵剖视图，其中本发明运用于一个马达，其中变容机构是轴向柱塞式的。

下面参照附图（附图无意限制本发明），图1表示本发明可以运用于该类型的一个低速大扭矩摆线马达，它在美国专利第3，572，983和4，343，600号中更详细地说明和描述，这两项专利已转让给本发明的受让人并包括在文中供参考。

图1所示的液压马达包括例如用一组螺栓（11）（仅在图2和图3中画出）连成一体的几段。马达包括一个轴支承壳体（13）、一个防磨板（15）、一个变容式摆线机构（17）、一个油口板（19）和一个阀壳体部分（21）。

变容式摆线机构（17）在先有技术中是已经公知的，本文中仅详细描述到与本发明有关的程度。在此变容机构（17）被表示成一个Geroler机构。在图2中可以清楚地看出，机构（17）包括一个构成大体上圆柱形内表面（22a）的壳体件（22）。配置在壳体件（22）中的是一个带内齿的环形件（23），它构成一组大体上半圆柱形槽（24），配置在槽（24）中的是一组圆柱件（滚子）（25a）～（25g）。偏心配置在环形件（23）中的是一个带外齿的星形件（27），它有外齿（27a）～（27f）。概括地说，环形件（23）有N+1个内齿而星形件（27）有N个外齿，因此允许星形件（27）相对于环形件（23）公转和自转。

为了描述本发明，假设星形件（27）在环形件（23）内逆时针公转，结果星形件（27）在环形件（23）内顺时针自转（见箭头）。星形件（27）相对于环形件（23）的这种公转和自转构成一组逐渐增大的容腔（28a）～（28c）和一组逐渐变小的容腔（29a）～（29c）以及一个过渡容腔（30）。应该指出，当星形件（27）处于图2中所示的位置时，逐渐增大和变小的容腔（28a）和（29a）大小是互相相等的，逐渐增大和变小的容腔（28b）和（29b）及（28c）和（29c）也是如此。过渡容腔（30）也称为“最小”容腔，因为正是在过渡点上此容腔处于最小容积状态。

再参照图1，马达包括放在轴支承壳体（13）内并由适当的轴承组（33）和（35）可旋转地支承在其内的一个输出轴（31）。轴（31）包括一组内直花键（37），而与它啮合的是在主驱动轴（41）一端制成的一组外鼓形花键（39）。应该指出，为了简单起见，在图2和3的横剖视图中未画出驱动轴（41）。配置在主驱动轴（41）的另一端的是另一组外鼓形花键（43），与在星形件（27）的内孔上制成的一组内直花键（45）啮合。因而在所述实施例中，由于形环件（23）包括7个内齿（25），而星形件（27）包括6个外齿，所以星形件（27）的7次公转产生它的一个完整的自转，以及主驱动轴（41）及输出轴（31）的一整转。

象所属技术领域的专业人员所公知的那样，驱动轴（41）的轴线总是相对于马达的主轴线，即环形件（23）和输出轴（31）的轴线配置成一个角度。驱动轴（41）的主要功能是把扭矩从摆线星形件（27）传递到输出轴（31），这是通过把星形件（27）的公转和自转运动转换成输出轴（31）的纯旋转运动来实现的。

此外，与内花键（45）啮合的是绕阀驱动轴（49）的一端制成的一组外花键（47），阀驱动轴在其另一端有另一组外花键（51），与绕阀件（55）的内圆周制成的一组内花键（53）啮合。阀件（55）可旋转地配置在阀壳体（21）中。阀驱动轴（49）与星形件（27）及阀件（55）花键连接，以便保持它们之间的正确的配流时间，如在先有技术中所公知的那样。

阀壳体（21）包括一个与环绕阀件（55）的环形腔（59）连通的流体口（57）。阀壳体（21）还包括一个与配置在阀壳体（21）与阀件（55）之间的腔（63）流体连通的出口（61）。阀件（55）构成一组交错的配流通道（65）和（67），通道（65）依次地与环形腔（59）流体连通，而通道（67）依次地与腔（63）流体连通。在此实施例中，有6个通道（65）和6个通道（67），对应着星形件（27）的6个外齿。油口板（19）构成一组流体通道（69）（其中仅有一个在图1中画出），其中每一个都配置成依次地与相邻的容腔（28a）～（28c）、（29a）～（29c）及（30）流体连通。图1所示类型的马达是可以买到的，而且对所属技术领域的专业人员来说是公知的，有关这样一个马达的结构和工作的任何其他细节应参考上面提到的专利。

下面主要参照图2和图3描述本发明和由本发明所提供的自由轮工况。首先参照图2，图中包括一个总标号为（71）的自由轮控制机构。机构（71）包括一个约束件（73），它最好是大体上圆柱形的并装在由壳体件（22）构成的阶梯孔（75）中。当摆线齿轮副处于图2中所示的正常工作位置时，约束件（73）的径向内端插进由环形件（23）的外表面构成的圆柱窝（77）中。约束件（73）还包括一个伸出部（79），它从孔（75）中伸出并适于连接或固定上一个操纵件（手柄）（81）。

当机构（71）处于图2中所示的位置时，约束件（73）的内端配置在窝（77）里，因此防止环形件（23）相对于壳体件（22）的旋转运动。结果，当压力流体通入逐渐增大的容腔（28a），（28b）和（28c）时，压力流体向星形件（27）施加一个力，使它如上所述公转和自转。与此同时，象所属技术领域的专业人员所公知的那样，存在着一个反作用扭矩，它传递到环形件（23）部分及邻接逐渐增大的容腔（28a）、（28b）和（28c）的滚子（25a）、（25b）和（25c）。于是，在图1～3中所示的本发明的实施例中，星形件（27）构成旋转件而环形件（23）及滚子（25）构成反作用扭矩承受部件。此外应该指出，从压力流体传递到环形件（23）和滚子（25）的反作用扭矩又借助于约束件（73）传递到壳体件（22）上。一般来说壳体件（22）相对于马达的其余部分是固定的，而马达本身也相对于车辆固定。

下面参照图3，对照图2，描述本发明的自由轮工况。为了实现自由轮工况，操作者可以借助于手柄（81）把自由轮机构（71）移到图3中所示的位置，此位置可以称为自由轮位置或脱开位置。当机构（71）处于脱开位置（即约束件（73）从窝（77）中脱开）时，环形件（23）可在圆柱形内表面（22a）中自由旋转。当环形件（23）可相对于壳体（22）自由旋转时，输出轴（31）的旋转（例如当车辆被拖带时）将导致主驱动轴（41）的旋转及星形件（27）和环形件（23）象一个整体那样一起旋转（见图3中的两个箭头）。当星形件（27）和环形件（23）一起旋转时，没有一个流体容腔增大或变小。因而，在图2的正常工况下逐渐增大的每个容腔（28a）、（28b）和（28c），当马达处于图3中所示的自由轮工况时，保持容积恒定。同理，在正常工况下逐渐变小的流体容腔（29a）、（29b）和（29c），在图3的自由轮工况下，也保持容积恒定。最后，在正常工况下从逐渐变小的容腔变为逐渐增大的容腔的过渡容腔（30），当马达处于自由轮工况时，也保持恒定于其最小容积。

所属技术领域的工业人员能够理解，在图3的自由轮工况下，由于没有一个流体容腔增大或变小，既没有流体被泵出摆线齿轮副，也没有任何流体吸入摆线齿轮副。其实，整个摆线齿轮副自由转动，因此转动输出轴（31）仅需要很小的功率。此外，由于星形件（27）的正常公转运动不发生，结果象花键之类零件较高速度的摩擦也不发生，而且发热量小得多。最后，由于没有流体在摆线齿轮副中受排挤，马达中的液压流体不过热，而且事实上在可以没有冷却风扇的工作情况下，也不致引起液压系统的各种零件的热损坏。

比较图2和图3可以看出，在图3中环形件（23）和星形件（27）二者都从图2中所示的它们的位置大约旋转170度。例如，星形件（27）的外齿（27a）仍然处于滚子（25a）和（25g）之间，说明在自由轮工况下，没有星形件（27）相对于环形件（23）的运动，但星形件（27）和环形件（23）确实象一个整体一样转动。

在图2和3中所示的本发明的特殊实施例中，说明了自由轮机构（71）的一种简单的形式。然而，所属技术领域的专业人员能够理解，可以采用各种其他形式的自由轮机构，而且操纵部件可以包括任意类型的机械、液压或电气式操纵。因而，具体机构（71）仅作为例子给出，而不是本发明的重要特点。

再参照图1，结合图2和3，应该指出，在本发明的最佳实施例中，油口板（19）并不象在这种类型的马达中一般所发现的那样仅是一个实心的固定油口板。其实，有一个仅用作外固定壳体的油口板（19），可旋转地配置在油口板（19）内的是一个阀板（82），而正是可旋转的阀板（82）构成流体通道（69）。如图1～3中所示，有一个连接销（83）（或者最好有几个）把阀板（82）连接成随环形件（23）旋转。当马达工作在图2的正常工况下而且环形件（23）固定不动时，阀板（82）也固定不动，正如普通的先有技术摆线马达中一样。

然而，当马达处于图3中所示的自由轮工况而环形件（23）可以自由旋转时，阀板（82）随环形件（23）旋转。由于环形件（23）和阀板（82）的共同旋转，每个流体通道（69）保持相对于各自的流体容腔（28a）～（28c）、（29a）～（29c）、（30）的相同位置。在马达完成其在自由轮工况下的工作后，通过阀通道（65）和（67）并通过流体通道（69）供入少量压力流体，使环形件（23）旋转到窝（77）对正约束件（73），即可把摆线构件“驱动”到它的约束位置（图2）。最好，约束件（73）能朝约束位置偏置，这样只要环形件（23）转到图2中所示的位置，约束件就移进与窝（77）结合状态。

另一方面，可以采用普通的油口板，其中油口板（19）及所有流体通道（69）相对于马达的其余部分始终静止不动，而流体通道（69）不随着环形件（23）转动，在那种可供选择的实施例中，在完成自由轮工况下的工作之后，必须把环形件（23）转到约束位置，例如通过非常慢地拖带车辆直到环形件（23）处于图2中所示的约束位置为止。所属技术领域的专业人员应该清楚地理解，上面描述的可供选择的实施例的任何一个都完全处于本发明的范围之内。

下面参照图4～6描述本发明的几个其他可供选择的实施例。在这些可供选择的实施例中，本发明将运用于不同类型的旋转变容式液压能量转换机构，但所属技术领域的专业人员将会明白，在每种实实施例中，上面详细描述的工作原理仍然适用。为了图示和描述的方便，图4～6的每个实施例将包括关于图1～3的实施例所图示和描述的相同的自由轮机构（71），并带有相同的标号。

图4的装置包括一个壳体件（101），它构成一个大体上圆柱形的内表面（101a）。配置在壳体件（101）中的是一个偏心环形件（103），而配置在偏心环形件（103）中的是一个旋转组件，总标号为（105）。旋转组件（105）包括一个转子件（107），它借助于键（111）固定成随轴（109）旋转。转子件（107）构成一组径向槽（113），而配置在每个槽（113）中的是一个叶片件（115）。

旋转组件（105）在偏心环形件（103）中的旋转，造成依次形成的一组逐渐增大的流体容腔（117a）、（117b）和（117c），以及一对过渡流体容腔（119a）和（119b），然后形成一组逐渐变小的流体容腔（121c）、（121b）和（121a）。

如果图4所示的装置被用作一个马达，则压力流体将通过适当的口（未画出）供入逐渐增大的容腔（117a）、（117b）和（117c），它将使旋转组件（105）旋转，同时低压的排出流体将通过适当的口（也未画出）从逐渐变小的容腔（121c）、（121b）和（121a）中流出。与此同时，有一个反作用扭矩从压力流体传递到偏心环形件（103）的与逐渐增大的容腔（117a）、（117b）和（117c）邻接的那个部分。因此，在图4中所示的发明的实施例中，偏心环形件（103）构成反作用扭矩承受部件。

仍然参照图4，可以看出，偏心环形件（103）具有窝（77），当图4的装置处于图4中所示的它的正常工作位置时，此窝承装约束件（73）。当操作者希望让装置工作在自由轮工况时，约束件（73）可被移到脱开位置（类似于图3中所示的），使偏心环形件（103）可以随旋转组件（105）旋转，但没有一个逐渐增大的容腔（117a）～（117c）改变容积，也没有一个逐渐变小的容腔（121a）～（121c）改变容积。

下面参照图5，图中示出了另一个可供选择的实施例，其中本发明运用于带月牙形件的旋转式内啮合齿轮式变容机构。在图5的实施例中，装置包括一个壳体件（201），它构成一个大体上圆柱形的内表面（201a）。配置在壳体件（201）里的是一个偏心环形件（203），它构成一个大体上圆柱形的内表面（203a）。最好与环形件（203）制成一体的是月牙形件（204），它的形状和功能对所属技术领域的专业人员来说是公知的。

配置在偏心环形件（203）内的是一个总标号为（205）的旋转组件，它包括一个带内齿的件（207）和一个带外齿的件（209），后者借助于键（213）固定成随轴（211）旋转。

象所属技术领域的专业人员所公知的那样，本文所图示和描述的各种形式的变容机构，即可用作马达元件又可用作泵元件，但图1～3的实施例主要用作马达元件，而图4的实施例是按用作马达元件来描述的。然而，由于本发明在用于泵元件时也是有用的，所以图5的变容机构按泵元件来描述。

象所属技术领域的专业人员所公知的那样，当图5的带有月牙形件的内啮合齿轮式变容机构被用作一个泵时，旋转扭矩输入供到轴（211）上，它使带外齿的件（209）旋转。由于带内齿的件（207）与件（209）啮合，件（207）和（209）二者都旋转（见图5中的箭头）。件（207）和（209）的齿联合构成一个逐渐增大的流体容腔（215），此腔与一个进口流体连通;同时件（207）和（209）的齿还联合构成一个逐渐变小的流体容腔（217），此腔与一个出口流体连通。

当自由轮机构（71）配置在图5中所示的约束位置时，偏心环形件（203）被固定，即被防止相对于壳体件（201）的转动，而月牙形件（204）被固定在其图5所示位置。在这种正常工况下，带内齿的和带外齿的件（207）和（209）的旋转，造成流体被吸入逐渐增大的容腔（215），然后流体的某部分被件（207）和（209）的齿带过月牙形件（204）进入逐渐变小的容腔（217），在容腔（217）和在出口中造成流体的升压。

如果遇到暂时不需要来自容腔（217）的压力流体的工况且操作者希望节省功率，则操作者可以把机构（71）的手柄（81）移到脱开位置（对应着图3中所示的位置），那么它将使偏心环形件（203）可以相对于壳体件（201）自由旋转。因而，轴（211）的旋转将造成件（207）和（209）及环形件（203）和月牙形件（204）象一个整体一样在壳体件（201）中旋转，结果腔（215）不增大，腔（217）不变小，没有流体从进口排到出口。当装置处于这种自由轮工况时，不排出流体，大大降低了驱动轴（2110所需的输入功率。

下面将参照图6描述最后一个实施例，其中本发明运用于轴向柱塞式旋转变容式液压能量转换机构。图6中所示的装置象图1～3和图4的实施例那样将作为一个马达元件来描述。由于图6中所示类型的轴向柱塞马达是公知的，所以将仅简要地描述该装置，图6的轴向柱塞装置包括一个壳体件（301），其上连接着一个油口壳体件（303）。油口壳体件（303）具有一个高压进油口（305）和一个低压出油口（307）。由壳体件（301）和（303）可旋转地支承的是输出轴（309）。

与输出轴（309）的花键部分（311）花键连接的是一个旋转缸体（313），它具有一组轴向缸孔（315）。配置在每个缸孔（315）内并能在其中轴向运动的是柱塞件（317）。每个柱塞件（317）包括一个滑靴（319），它与一个定量斜盘（323）的滑动表面（321）保持滑动接触。

当图6的装置被作为一个马达用于其正常工况下时，压力流体经进油口（305）通入一组逐渐增大的流体容腔（325），引起其各自的柱塞件（317）向图6中的左方运动。这本身又引起缸体（313）和输出轴（309）相对于斜盘（323）和壳体件（301）和（303）旋转。当缸体（313）旋转时，某些柱塞（317）受表面（321）形状的作用开始向图6中的右方运动，因此形成一组逐渐变小的流体容腔（327）。低压排出流体经出油口（307）从腔（327）中排出，然后返回泵或系统油箱，如先有技术中所公知的那样。

因而，当图6的轴向柱塞马达处于其正常工作位置时，逐渐增大的容腔（325）中的压力流体经各自的柱塞（317）和滑靴（319）向斜盘（323）传递一个反作用扭矩，在图6的实施例中，当机构（71）处于其约束位置以防止斜盘（323）相对于壳体（301）旋转时，斜盘构成反作用扭矩承受部件。

当一个或多个图6的轴向柱塞马达被用来驱动车辆的车轮，而操作者希望拖带车辆时，自由轮机构（71）可由操作者移动到其脱开状态，因此使斜盘（323）可以相对于壳体（301）自由旋转。在这种自由轮工况下，车辆的拖带将造成输出轴（309）旋转，这本身将造成缸体（313）及一组柱塞（317）和滑靴（319）旋转，然而，此时斜盘（323）可以自由旋转，故此时缸体（313）、柱塞（317）和斜盘（323）将象一个整体一样旋转，而逐渐增大的腔（325）将不增大，逐渐变小的腔（327）也不变小。其实，所有腔将保持同样大小，没有流体进入或排出任何缸孔（315）。因而，输出轴（309）将能自由旋转而不从由缸体（313）和柱塞（317）组成的旋转组件中排出流体;柱塞（317）在缸孔（315）内及滑靴（319）沿滑动表面（321）的高速滑动接触也不存在，它们二者会严重发热并引起磨损和潜在的损坏。

已就结合几个不同的实施例描述了本发明，并详细到足以使所属技术领域的专业人员能制造和使用。据信通过阅读和理解上述说明书，对于所属技术领域的专业人员来说各种变更和修改是显而易见的，本发明的其他可供选择的应用也是如此，打算把所有这样的变更、修改和实施例都包括为本发明的部分，只要它们位于所附权利要求的范围之内。