专利名称:用液压或气动传动的自由活塞马达的制作方法本发明是关于用以驱动一零件的装置，例如驱动轮子，皮带轮，连杆或其它类似的零件;该装置至少包括一个转动或线性的马达连接在所述零件上，并且是由一受压液体所驱动，尤其是一液压马达或类似的液压装置，其一侧是借助管道至少与一个存放加压流体，尤其是液体的蓄液罐连通，而另一侧用一出口端将所述流体引向贮液槽，此外还至少包括一个自由活塞组件，由至少有一个自由活塞的一个气缸所组成，活塞可以在气缸内往复滑动，并且在气缸内限定了一个空间，这样在活塞的膨胀冲程，即当活塞沿某一方向移动时，此空间的容积增大，而在活塞的压缩冲程，活塞沿另一方向移动，此空间的容积减小，同时设有将气体分别吸入和排出所述空间的吸、排气体装置，在活塞的压缩冲程时，在所述空间受压气体被加热。活塞是连接在通常是柱塞状的元件上，元件适宜于在至少是一个固定安装的室元件中往复滑动。柱塞状元件的柱体表面至少有不同的两部分直径，使它与室元件的部分内壁滑动配合，而且柱塞状元件具有三个不同的径向表面，各在室元件中限定了一个基本上是闭合的室，当活塞作膨胀和压缩冲程时，其容积逐渐变化。柱塞状元件的第一径向表面限定了第一圆柱状室，它是与加压流体源相联通的，而第二径向表面限定了第二室，即置换室，它通过一单向阀与贮液槽相通，还通过第二单向阀联接到蓄液罐。因此，当活塞进行冲程时因第二腔室的容积增大，贮液槽中的液体吸入到此室内，而当活塞的另一相反冲程时，第二室的容积因之而减小，迫使液体流出室外并对蓄液罐加压，而第三径向表面具有一个比第一径向表面为小的作用面积，它实质上在室中限定了第三室。当活塞在膨胀和压缩冲程时，其容积分别增大和减小。这样装置可以从US-A-4382748中得知。这种型式的装置，操作时蓄液罐中是充满着高压作用下的流体，具体地讲是液体，例如油类。通过对联接在一固定的线性和转动液压马达的常规控制的滑动阀的调节，使油从蓄液罐流到液压马达，并从液压马达流到液体贮存槽。当液压马达的输出轴输送机械功率时，蓄液罐中的压力将下降。在先有技术装置中，一对自由活塞在气缸中直线往复滑动，每一所述活塞与一个在泵缸中可滑动的泵活塞相连接，并与一在压缩气缸中的随所述泵活塞可滑动的压缩活塞相连接，这样形成这里所述及的第一、第二和第三室。第一圆柱形室与加压流体源相通，第二和第三室是通过一个单向阀与一低压入口即贮液槽相通，并通过一单向阀与一蓄液罐相通。虽然沟通第二室和蓄液罐的单向阀，以及第三室和贮液槽的单向阀可以分别打开第一和第二旁路可操作阀而被联通，而使第三室与蓄液罐相沟通的单向阀却可通过关闭第三个可操作阀而不再起作用。在运转的起始状态，第一和第三个可操作阀是关闭的，第二个可操作阀是打开的，这样第三室独自打开且与贮液槽相通，并以一个暂停时期起一个只是用来中断正常循环运转的作用，然后关闭第二个可操作阀，使得第三室在膨胀冲程的终了时，形成一个压力栓，作为起动自由活塞引擎中的一种重新起动自由活塞的方法，随后，来自外部动力源的高压流体被引入到第三室，反之用一个复位滑阀和一个复位传动装置使第二室排泄到进口压力。在运转的第二种状态，关闭第二个可操作阀，打开第一和第三个可操作阀，这样第三室代替运转时第一种状态中的第二室形成泵室。先有技术的装置中为了设计成能使自由活塞按一个预定周期连续地往复运动，必须将自由活塞用机械方式互相连接，因为对于具有两个活塞的自由活塞引擎的平稳操作，所述活塞在每一循环的起动位置必须处于所限定的容许界限范围之内。然而这种自由活塞的机械互连方式使引擎复杂化。本发明试图提出一种不具有所述缺点的装置，按照本发明的自由活塞组件在断续运转中工作效率更高，采用同一的最佳循环，也就是说每完成由一压缩冲程和一膨胀冲程组成的循环之后，活塞组件停止，因此在每一膨胀冲程之后的等待时间内，如有必要可以修正活塞的位置。在按本发明的装置中已达到此目的，第一即圆柱状腔室是通过一可操作的阀与所述加压流体源相通的，因此打开所述阀，活塞产生其压缩冲程，而只有第三室是打开的与所述蓄液罐相通，致使在膨胀冲程终结时第三室形成为一缓冲室，其中充满液体，并和蓄液罐相通，在这种安排中最好让缓冲室通过装有单向阀的管道也与置换室相通。装置是以这样的方法构成的，当蓄液罐中的压力到达一个指定的最小值时，可操作阀处于开启位置，使加压流体，最好是蓄液罐中的油，从液源流入圆柱状室，并通过所产生的压力施加于第一径向表面，引起活塞产生压缩冲程，同时油被抽入置换室，即液体室。气缸燃烧室内的气体压力因此而上升，在活塞到达一个预定位置时将燃料喷入燃烧室内，并引起燃烧，最好是采用自动点火引燃，这样燃烧室的压力急剧上升，接着活塞向相反方向移动，产生膨胀冲程。在此膨胀冲程中，被吸入到置换室的油排入蓄液罐中，而在圆柱状室内的液体被迫退回到液源。当膨胀冲程时，将阀带回到闭合位置，这样在接近膨胀冲程终了时自由活塞停止运动。
在自由活塞的膨胀冲程中，置换室和圆柱状室中的流体是受压的，致使在此冲程终了时由于流体的可压缩性，所述流体将有一个使自由活塞沿相反方向移动相当大一段距离的趋势。而在先有技术的装置中，活塞实际上沿此方向未遇到阻力。而在本发明的装置中这种阻力是存在的，在膨胀冲程终了时，第三室形成为一缓冲室充满了液体，并与蓄液罐相通，膨胀冲程时一部分油从置换室排到蓄液罐时送入缓冲室，所以在膨胀冲程终了时活塞要反向运动，此运动将由作用在第三径向表面上的压力所制止。另外，圆柱状室和液体室内的一部分油的压力能被回收，由第三径向表面将油排回到蓄液罐中。
最好在气缸内设置两个自由活塞，在压缩冲程时彼此相向移动，在膨胀冲程时彼此相背移动。
按照本发明，在这种情况下，两个圆柱状室可径由一个共同的可操作阀与加压流体源相通，亦可各个圆柱状室分别通过各自的操作阀与所述流体源相通。
在后一种情况时，将所述一个阀元件稍比另一阀件打开得早一些，在气缸内活塞在其最外端位置与对称位置的偏离，可以被校正。因为那时处于最外端的活塞要比另一活塞的压缩冲程提前。对于含有两个活塞的自由活塞组件的平稳操作，必须要使自由活塞的起动位置处于所确定的容许限度范围内。这种结构的另一优点是，缩短了两个循环之间的平均等候时间，因此产生较高的最大功率输出。
为了也可能校正前一种情况下活塞对称位置的偏离，液体室各自经过装有一可操作阀件的管道与蓄液罐相通，在每一膨胀冲程之后的等候的时间内，如果需要的话可调节其中一个或两个阀，以校正活塞的位置。
圆柱状室和置换室最好各自通过一个可操作阀与贮液槽联通。为了在较长停机之后起动活塞组件，通过打开这些阀件，自由活塞可以进入正确的起动位置，因为作用在第三表面上的油压将仍然使活塞向外移动。
为了有利于最佳地调整收缩通道，最好设置在连接置换室和贮液槽的可操作阀的下游，因此可控制自由活塞运动到起动位置的速度。
考虑到按照本发明装置中液压系统的压力基本上经常是不变的，气缸内上述空间发出的热量与传送油量之比接近常量。因此组件的气缸可以用套筒提供一个有利的方法，以达到用流体冷却气缸的目的，套筒的一端与液压马达输出端相通引向贮液槽，另一端通过冷却器与贮液槽相通。
冷却器最好包括一个用液压驱动的风机，驱动器的一端连接到蓄液罐，另一端通过冷却器连到贮液槽，这样当温度超过容许的最大值时，可以打开风机。
考虑到按照本发明的装置中可操作阀元件是十分重要的，尤其是调整阀元件必须能快速开启和关闭，这些阀件按照本发明被制造成包括一个阀体，设有相应的与有关管道高压和低压部分的接头，至少有一根贯穿的管道，内放一个阀元件，阀元件底面座落在阀座上，并且适宜于从所述阀座移开或移向所述阀座，此通道的一端与高压接头相通，另一端与低压接头相通，以使高压作用在阀件顶面，而低压作用在阀件底面。在阀的底面上方装有针状元件，可以在孔内滑动，离开或向着阀元件，并至少有一个基本上为径向表面在孔内确定一个基本上闭合的空间，它通过预先加压的单向阀与高压接头相通，因此，此空间内总是充满着高压作用下的流体，设有增压或补充液体的装置，使针状元件因此移动并使阀元件从其阀座上升起。在这种安排中，上述针状元件表面最好形成有一个肩形表面直接离开阀体元件，当放置针状元件的孔在底端与高压接头联通，这样高压作用在针状元件端面上，端面位于离开肩形表面一段距离处，便于用来升高压力的装置，至少包括一个压电元件，由此短时间延迟和短时间开关的电信号转换成大功率短冲程的机械信号。
鉴于按照本发明的装置提供了许多可能调节活塞运动和位置的方式，最好采用两个自由活塞，在压缩冲程时活塞彼此相向移动，在膨胀冲程时活塞彼此相背移动，设置在气缸内的进气口和排气口相对于气缸中心是对称的、按照本发明其中一个自由活塞的质量小于另一自由活塞。以这种方式构成的装置中，当膨胀冲程时，较轻的活塞将因此首先打开处于此活塞一侧的排气口，当压缩冲程时将首先关闭它，这将有利于燃烧室的净化。另外这种质量上的差异将对燃烧过程产生良好影响。通过采用不同的圆柱状表面面积，可能对自由活塞的冲程和运动周期产生更大的影响，以优化上述的作用，因此，前述结构中活塞的运动是典型地对称的。
现参照附图对本项发明作更为详尽的阐述。
图1为按照本项发明第一种结构形式装置的示意图。
图2为图1中所示活塞部件总成的另一种形式的轴向截面。
图3为按照本项发明的另一种结构形式装置的示意图。
图4是按照本项发明的装置中所用阀体元件的轴向截面。
如图1中所示，此装置在图1情况下包括一台可调液压马达1，经由管道2连接到一蓄液罐3，用以存放加压液体，马达1设有一个输出端4，通向蓄液槽5，可以有选择地处于低正表压之下。
另外，设有一个自由活塞组件，包括一个缸体6，内装两个自由活塞7和7′可在其内往复滑动，当压缩冲程时彼此相向移动，当膨胀冲程时彼此背向移动，所述自由活塞共同在缸体6内部限定了一个空间8;此空间形成为一燃烧室，在此情况下缸体6的壁上设有入口和出口(未示出)，并设有向燃烧室8喷注燃料的装置(未示出)，以便使所述燃料按照两冲程狄赛尔原理发生燃烧。
活塞7和7′实质上是相同的，因此将只需对活塞7作进一步描述，而带有一撇的相同标号用来标志活塞7′上的相应部位。
活塞7被连接到一个柱塞状元件9上，它包括适宜于在腔室11中往复滑动的第一部分10，使所述部分10的外圆表面与腔室11的内壁滑动配合，这样由所述部分10的端面12在腔室11中限定一个圆柱形空间13，借助管道14和阀系统26与蓄液罐3保持联系。柱塞状元件9具有第二部分15，其外圆表面与第二室16的内表面滑动配合，并有一个第一环状端面17，它在室16内限定了一个置换室18。此置换室18借助设有一个单向阀20的管道19，与贮液槽5相通，并借助设有一个单向阀22的管道21，与蓄液罐3相通。柱塞状元件9的第二部分15还有一第二环形端面23，它与端面17是背对背的，并在第二室16内限定了缓冲室24。此缓冲室24借助管道25不仅与蓄液罐而且借助阀22或29与置换室18相通。
管道14和14′装有一个可操作的阀件26，这样，蓄液罐3中的压力降到指定最小压力后此阀打开，使圆柱状室13、13′与蓄液罐3相通，因此由作用在端面12、12′上的液压驱动活塞彼此相向移动完成压缩冲程，使燃烧室8中的气压上升，与此同时，液体还从贮液槽5中抽出，经过管道19、19′和阀件20、20′进入置换室18和18′。在活塞7和7′到达一定位置之后，将燃料喷注到室8中，用自动点火方式使燃料开始燃烧，因此燃烧室8中的气压急剧上升，随后活塞彼此向外移动完成膨胀冲程。在此膨胀冲程中，存在于圆柱形室13，13′中的液体和置换室18，18′中流出的液体分别通过各自的管道14，14′和21，21′排到蓄液罐3，而一部分上述液体还通过管道25，25′流到缓冲室24，24′中。当膨胀冲程接近终了时，阀26重新关闭。在膨胀冲程结束时，由于室13、13′和18、18′中的液体具有可压缩性，而使活塞回动，然而在缓冲室24、24′中作用在表面23、23′上的液体压力阻止活塞7和7′回动。为了避免在室13、13′中出现空穴现象，通过装有单向阀28的管道27将管道14、14′连接到贮液槽5，使液体可通过管道27、14、14′抽吸到圆柱状室13、13′中。
为了保证自由活塞式马达操作良好，非常重要的是在每一次膨胀冲程之后，活塞7、7′的起动位置必须处于容许限度范围之内。为使膨胀冲程后处于等候时间之中的活塞具有正确的起动位置，而设置了可操作阀29和29′。通过打开阀元件中一个或两个全打开，可使相应的活塞7和7′稍向另一活塞的方向移动一些，这是鉴于置换室18、18′与蓄液罐3相通时，因表面17和17′比缓冲室24和24′的表面23和23′具有更大的工作面积，而使在蓄液罐3中占优势的流体压力作用在表面17和17′上。
另外，置换室18、18′可以经由管道30、30′，通过打开阀元件31而与贮液槽5相通，而圆柱状室13、13′同样可以经由管道14、14′和27，通过打开阀件32而与贮液槽5相通，这样因为流体压力作用在缓冲室24、24′的表面23、23′上，两个活塞7、7′都可以实现进入正确的外端起动位置，这点对于自由活塞式马达经过较长停机之后又开始起动是非常重要的。
此外，设置了一个可以调节的收缩管道33，通过它调整活塞7、7′的最外端起动位置的速度。并且，当起动冷却马达时，这个收缩管道可以用来控制置换室18、18′中的压力，在这种情况下只让阀件31工作。不论粘性多高燃烧效率多低，使自由活塞7、7′保持一个不变的冲程是必要的。
另外，设置了泵34，经过较长停机之后借助它来加压液力系统。
为了冷却燃烧室8，在气缸6的周围装上了冷却盘管71，并且套有用绝热材料制成的套筒72。盘管71的一端通过管道73与液压马达1的输出端4相通，另一端通过管道74与冷却器75相通，还通过管道76与贮液槽5相通，用这样方式，使燃烧室8可以借助液压系统的回油进行冷却。
为了提高冷却器75的致冷量，在个别情况下设置一台风机77，它是用液压马达78来驱动的，液压马达通过装有阀80的管道79与蓄液罐3相通。
为了在液压马达1停机时能使燃烧室8冷却，以致没有回流油，这时可以操作阀件81，使冷却了的油从贮液槽5用泵34泵入盘管71。
按照本发明图1所示型式，自由活塞组件的半个结构形式的纵向截面如图2所示。自由活塞36在气缸35中往复滑动。自由活塞36与套筒37连接，套管37在活塞一端是封闭的，套管的另一端沿径向有一变厚部分38。第二根套管39安装在一个固定块体44内，向着套管37内延伸，使套管37上的变厚部分38的内圆与套管39的外圆滑动配合，这样套管37和39共同组成了一个圆柱状室40，在其41处通过管道14″和可操作阀32′与蓄液罐3′相通，而在其另一端是以端面42为界的，由套管39的外径所限定的部分与图1中的表面12相同。一根套筒状元件43的一端安装在固定块体44中，另一端在与气缸55壁面连接的阀体45内。套筒状元件43围绕着套管37和39以这样的方式同轴设置，使径向加厚部分38的外圆表面与套筒状元件43的内圆滑动配合，这样在加厚部分38的一侧有一作用面47形成具有环状置换室46，而在加厚部分的另一侧形成具有一作用面49的缓冲室48。置换室46通过接头50与管道19″相通引入贮液槽5′，并装有单向阀20′，而通过接头51触到管道21″引到蓄液罐3′并装有单向阀22″，缓冲室48借助接头52与管道25″相通。
图2中所示实施例具有紧凑的结构和高效率，尤其在压缩冲程时由于套管39管壁的弹性变形，减小了元件38和39之间的间隙和因此而产生的泄漏现象，而取得高效率。
在膨胀冲程时套管39上不存在压力差，这样在38和39元件之间有一个较大的间隙，由于摩擦力下降使损耗减小。此外在这一实施例中，难于机械加工的表面相对说来较少，因此生产价格较低。
图3示出了按照本发明第二种结构形式的装置，其中只示出了一个自由活塞组件。
第二种结构形式不同于第一种形式，实质上仅仅在于图1中的阀26由两个阀82和83所代替，此外图1中的单个阀31，28和32，分别由两个阀84，85和两个阀86，87所取代。
自由活塞组件包括一个装有两个自由活塞89和89′的气缸88，活塞在气缸中可往复滑动;各活塞89，89′连接在柱塞状元件90和90′上，柱塞状元件包括第一部分91，91′，以其端面在室元件92，92′中限定了一个圆柱状空间93，93′。所述柱塞状元件90，90′具有第二部分94，94′。在室元件95，95内的一侧限定了一个置换室96，96′，而在另一侧限定了一个缓冲室97，97′。所述置换室96，96′是通过设有单向阀99，99′的管道98，98′与贮液槽100相通，并通过装有单向阀102，102′的管道101，101′与蓄液罐103相通，同时缓冲室97，97′不仅通过管道104，104′与蓄液罐103相通，而且还通过阀102与置换室96，96′相通。
各个圆柱状室93，93′分别通过各自的可操作阀元件82，83与蓄液罐103相通，这样当活塞89，89′处于气缸88内最外端时相对于对称位置的偏离可以通过将阀件82，83中的一个比另一个稍稍提前打开来校正，以使活塞89或89′处于气缸88内最外端位置开始压缩冲程时要比另一活塞的压缩冲程提前，因此图1中为达到此校正目的而设置的阀件29，29′在第二种实施例中就可以取消。
此外，液体室96，96′可以分别通过打开阀件84，85经过管道105，105′实现与贮液槽100相通，而圆柱状室93，93′则可分别打开阀件86，87实现与贮液槽100相通，由于作用在限定缓冲室97，97′的柱塞状元件表面的液体压力，两个活塞89，89′可以进入正确的外端起动位置。
另外，还设置了可调节的收缩管道84′，85′，通过它可以调节活塞进入外端起动位置的速度。
第二种实施例相对于第一种实施例的优点在于自由活塞组件的每一侧只要求一个进口导管和一个排出导管，这样提高了设备的可靠性，降低了事故的危险性。另外，每一循环之后的等候时间缩短了，其结果提高了最大输出功率。
图4为按照本发明的一个可操作阀的结构形式的轴向截面，这种结构形式特别适宜于可操作阀件29，22;29′，22′;82和83。
此阀包括一个阀体53，它紧密地被包围在局部示出的套筒53′中，阀体具有接头54和55，用来与高压部分连接，即连接在上述系统的蓄液罐，其低压部分则分别连接于所述问题中的相应管道上。接头54合并于通道56中，通道56再并入室56′内。一个孔57和若干个孔58以及若干个孔59通向室56′。
孔58使室56′与环状室60相通，这样在所述环状室60中经常保持高压。
孔59也通入环状室60，而且在出口处形成一个阀座，用弹簧62压住一个适宜的球形阀体61在该阀座上，环状室60内的高压作用在阀体61的顶面上，阀体的正面离开所述阀座。
另外，每一个孔59与通道63相通，通道63与接头55在低压侧相通，这样低压作用在阀体61的底面上。在各个孔59内都安装一个针状元件64，针状元件64可在孔内滑动，而且它具有肩形表面65，该肩形表面直接朝向接头54，并且在孔59内限定了一个小室，此室通过通道66，环形空间67和横向通道68与空间69相通。
孔57中放置一个或几个(在目前情况下是两个)预加负荷的单向阀，孔57还通入环状空间67，这样在肩形表面65，通道66，环形空间67，通道68和空间69之中的空间将永远充满着高压作用下的液体。在阀体53中至少装有一个致动器，明确地在本实施例中是一个压电元件70，它驱动膜片状或柱塞状体70′，致使当对该元件施加电压时，产生一个大功率短冲程的位移，用液压传动的方法置换成针状元件64的大位移，因此球形阀元件61从阀座上升起。结果在环形空间60和通道63之间建立了连系，这意味着流体可以从接头54流入，通过通道56，室56′，孔58，环状室60和通道63到接头55。若是在闭合的情况，接头55的压力上升高于在接头54的压力，由于这些球体61上的压力差将球体61升起，流体将从接头55流入，通过空间60，孔58，室56′和通道56到接头54。除了流体从接头54到接头55的通-断作用之外，阀件对于一个相反方向的液流还有一个单向作用，这样以一个单一阀可替代一个通-断阀和一个安装在一个旁路的单向阀，如图1所示，例如29，22，26，和图3中的82，83和86，87。


一种以液压或气压传动的自由活塞马达，包括一个自由活塞组件。有一个气缸和至少一个活塞，连接在柱塞状元件上，在室元件内往复滑动，在室内限定圆柱状室通过可操作阀与加压流体源相通，置换室通过单向阀与贮液槽相通，还通过第二单向阀与蓄液罐相连，缓冲室通向所述蓄液罐。最好气缸包含二个自由活塞，两个圆柱形室可通过一个公共的或各自的可操作阀与罐相通。