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4H 伺服机构详解 在流体传动及控制领域，甚至整个机电领域，大功率、高精度的旋转直线转换机构，一直是研究的重点。因为电控量最方便、经济的输出就是旋转运动，无论是伺服电机、步进电机还是力矩马达。所以，如何把旋转的输入精确地转换成直线的输出，各国的科研人员作出了很多的努力。 美国专利（US3106226，1963）首次出现了利用螺旋槽组成的旋转直线转换机构，它的伺服阀芯是中空的，内有控制杆相配合，控制杆表面的两条螺旋槽分别部分地遮盖伺服阀芯内圆上的两个孔口，形成两个可变阻尼，这两个孔口同时连通到油源的高压或低压管路之一，而油源的另外一路，则由两个固定阻尼孔分别引到伺服阀芯的两端，再分别接通控制杆上的两条螺旋槽，对伺服阀芯两端的压力实行半桥控制。当控制杆转动时，两个可变阻尼中一个开口变大，另一个则变小，伺服阀芯两端的压力失衡，推动伺服阀芯横向移动，直到两个可变阻尼把伺服阀芯两端的压力恢复到平衡状态。控制杆的转动就精确地对应到伺服阀芯的横向位移。 德国专利（DE2806929，1979）提出的伺服马达（也可看作油缸），活塞的圆柱面的两侧各有一小段螺旋台肩，分别遮盖住相配合的筒壁上的高压和低压孔，螺旋台肩的两侧都有凹槽，各自由小孔分别连通到活塞两端的工作腔。活塞受到控制旋转后，螺旋台肩产生圆周方向的位移，分别把高、低压引到活塞两端的工作腔，活塞两端的压力失衡，推动活塞垂直移动，直到两螺旋台肩再次遮盖住筒壁上的高压和低压孔。活塞的垂直位移也和转动精确地对应。 日本专利（JP60-69277 A，1985）提出的伺服变量机构，则利用阀芯上对称的两对螺旋槽，跨接在相配合的阀套内圆表面的两对高低压孔之间，螺旋槽都连通到中间的环形槽，再连通到控制斜盘油缸的大腔，对大腔压力实行全桥控制。斜盘油缸的小腔连通高压，当阀芯转动，环形槽接通高压或低压，斜盘油缸压力失衡，推动斜盘运动，而斜盘运动反馈至阀套移动，直至螺旋槽和高低压孔之间的开口恢复到平衡状态。 90年代开始，中国有人提出了比较完整的概念双自由度阀机构，也是理论上对螺旋槽特性的总结，它由阀芯上的两对高低压孔口夹接相配合的阀套内表面的两条螺旋槽，对阀芯一端的压力实行全桥控制。 美国专利（US 2008/0149181A，2008）则有两种方式：一是由控制阀芯上的一对螺旋槽供油，再经由活塞内圆表面的一对小孔引导压力到活塞两端的控制腔；二是阀套内圆表面的两对小孔供油，再经由控制阀芯上的两对螺旋槽引导压力到活塞和主阀芯两端的控制腔。 以上的技术都是利用了螺旋运动的两个自由度圆周转动和轴向移动，把圆周转动作为控制量，把轴向移动作为输出，同时也是负反馈。4H 伺服机构基本的原理也是如此，此外还可应用于直线输入，转动输出的场合。下面就详细介绍一下4H 伺服机构。 图 一图一 显示了此机构最基本模型的简化剖面图。在两端有两个敏感腔C1 和C2。C1 中的流体压力作用在阀芯上的表面为A1，C2中的则为A2。A1面积大于A2。4条轴向对称的螺旋槽，其中两条接通C1，另两条接通C2。在内孔的表面，有两个P口和两个T口被螺旋齿所遮盖，它们也是轴向对称的。敏感腔C1中的压力是P1，C2中的压力为P2。C1中的流体压力作用在阀芯上的轴向力（P1 X A1）把阀芯向右推，而C2中的流体压力作用在阀芯上的轴向力（P2 X A2）把阀芯向左推，结果达到平衡状态：P1 X A1= P2 X A2图二图二 显示了阀芯逆时针旋转后，阀口的接通状况。由于螺旋槽的旋转，阀口P1 接通敏感腔C1，使得压力P1升高；与此同时，C2和阀口T接通，使得压力P2 降低。因此导致P1 X A1 P2 X A2,迫使阀芯向右运动。而阀芯的向右运动又使得螺旋齿逐渐关闭阀口P和T，直到敏感腔中的压力恢复到平衡的状态，P1 X A1= P2 X A2。图 三 图三 显示平衡的状态，此时阀芯已经向右移动了一定的位移。图四 图四 显示阀芯顺时针旋转后，阀口的接通状况。C1 连通到阀口T，压力P1降低；与此同时，C2 连通到阀口P，压力P2 升高。这样一来，P1 X A1 P X A2，阀芯向右移动。而阀芯的这一右向移动又使得螺旋齿逐渐关闭阀口P，直到C1中的流体压力P1 恢复到平衡的状态，P1= P X A2 /A1；P1 X A1= P X A2图 八 图八 显示平衡的状态，此时阀芯已经向右移动了一定的位移。图 九图九 显示了顺时针旋转后阀口的连通状态。C1接通阀口T ，C1中的流体压力P1下降，使得P1 X A1 P X A2，阀芯向左移动。而阀芯的这一左向移动又使得螺旋齿逐渐关闭阀口T ，直到C1中的流体压力P1 恢复到平衡的状态，P1= P X A2 /A1；P1 X A1= P X A2图 十 图十 显示平衡的状态，此时阀芯已经向左移动了一定的位移。以上所说的运动都是相对而言的，比如说阀芯顺时针旋转，实际上也可能是阀套逆时针旋转；还有，敏感腔与螺旋槽的沟通方式，可以通过阀芯内部开孔，以绕开阀芯表面的一些功能性台肩。图 十一4H伺服机构也可以在闭环系统中用作伺服放大器和转换器。例如图十一 所示，阀芯顺时针旋转作为输入量，流体的压力和流量传送到位于其他部件中的敏感腔。其结果是，其他部件运动的效果是使阀芯产生向右的反馈运动。下面介绍一下4H伺服机构在油缸中的应用。图 十二 首先，4H伺服机构可以应用在双作用流体直线作动缸中，同时控制其两个作动腔，如图十二 所示。在分配芯轴的圆柱形表面有两组螺旋槽GA1和GA2是一组，而GB1和GB2是另外一组。轴向对称分布的螺旋槽GA1 和GA2，与腔室C隔离并延伸至超出供给套筒5的轴向孔，以此和腔室A一直保持连通。轴向对称分布的螺旋槽GB1 和GB2，与腔室C和腔室A隔离并分别通过径向孔B1和B2（图中没显示），然后再经通道4、环形槽2和通道6，与腔室B一直保持连通。供给套筒5刚性联接到活塞8上，其轴向内孔的表面分布有两组小孔P1和P2是一组，而T1和T2是另外一组。小孔P1和P2，经由环形槽9、通道12，与高压管路保持连通；小孔T1和T2，经由环形槽10、通道13、15，再经腔室C和通道14，与回油管路保持连通。分配芯轴1可以相对于供给套筒5 进行转动和滑动，而供给套筒5可以在缸体7的孔内随活塞8一起滑动。流体压力在腔室A中的有效作用面积是环形面积SA1和SA2，向下推动活塞8；而腔室B中的流体压力作用在有效环形面积SB上，向上推动活塞8。由于腔室C中的流体压力是低压，它所产生的力可以忽略不计。所以，在腔室A和B中的流体从相反方向推动活塞8。FIG.1 显示平衡的状态，那些小孔都被分配芯轴圆柱形表面上的螺旋台肩所遮盖，在SA1和SA2上的流体作用力与SB上的相等。假设图十二中的分配芯轴逆时针旋转一定的角度（从上往下看），小孔P1和P2分别在螺旋槽GA1和GA2的边沿增大它们的开口度，以此提供腔室A和高压管路之间的流量通道；而小孔T1和T2则分别在螺旋槽GB1和GB2的边沿增大它们的开口度，以此提供腔室B和回油管路之间的流量通道。这样一来，腔室A中的流体压力升高，而腔室B中的则下降，导致活塞8和供给套筒5 一起向下移动。这个向下的运动引起负反馈，使那些打开的小孔关小开口度直至小孔P1、P2、T1和T2各自被螺旋槽再次遮盖。这就意味着这个流体作动缸达到一个新的平衡状态。反之亦然，当分配芯轴顺时针旋转，活塞8将和供给套筒5一起向上移动，直到此流体作动缸达到另一个平衡状态。图 十三 在某些些应用场合，图十二所示的样例可以简化成图十三所示。在图十三中，有效面积较小的作动腔B和高压管路一直保持连通，这里的位置伺服控制机构被用来控制腔室A中的流体压力。这里只需一组轴向对称分布的螺旋槽GA1和GA2，位于分配芯轴1的圆柱形表面并延伸至超出供给套筒5的轴向孔，以此和腔室A一直保持连通。供给套筒5 刚性联接到活塞8，在其轴向孔的表面有两组小孔P1和P2是一组，而T1和T2是另外一组。小孔P1和P2经由环形槽9、通道12、14和腔室B，与高压管路一直保持连通；小孔T1和T2经由环形槽10、轴向槽13、15、腔室C、通道4，与回油管路一直保持连通。分配芯轴1可以相对于供给套筒5进行转动和滑动，而供给套筒5可以随着活塞8在缸体的孔内一起移动。流体压力在腔室A中的有效作用面积为环形面积SA1和SA2，向下推动活塞8；而流体压力在腔室B中的有效作用面积为环形面积SB，向上推动活塞8。FIG.2中显示了平衡的状态，那些小孔都被分配芯轴1的圆柱形表面上的螺旋台肩所遮盖，作用在SA1和SA2上的流体力与SB上的相等。 假设图十三中的分配芯轴1逆时针旋转一个角度（从上往下看），小孔P1和P2分别在螺旋槽GA1和GA2的边沿增大它们的开口度，以此提供腔室A和高压管路之间的流量通道。这样，腔室A中的流体压力上升并导致活塞8和供给套筒5向下移动。这个向下的运动引起负反馈，关闭那些小孔的开口量直至小孔P1和P2分别又被螺旋台肩所遮盖。这意味着这个流体作动缸达到了平衡的状态。假设图十三中的分配芯轴1顺时针旋转一个角度（从上往下看），小孔T1和T2分别在螺旋槽GA1和GA2的边沿增大它们的开口度，以此提供腔室A和回油管路之间的流量通道。这样，腔室A中的流体压力下降并导致活塞8和供给套筒5向上移动。这个向上的运动引起负反馈，关闭那些小孔的开口量直至小孔T1和T2分别又被螺旋台肩所遮盖。这意味着这个流体作动缸达到了平衡的状态。图 十四 在某些场合，4H伺服机构应用在单作用流体直线作动缸中，控制唯一的作动腔，如图十四所示。这种缸的活塞回程由外部载荷完成，如弹簧力、重力和电动设备等等。分配芯轴1的圆柱形表面有一组轴向对称分布的螺旋槽，延伸至超出供给套筒5的轴向孔，以此和腔室A一直保持连通。供给套筒5刚性地联接到活塞8，其轴向孔内有两组小孔P1和P2 是一组，而T1和T2是另一组。小孔P1和P2 经由环形槽9和通道12与高压管路一直保持连通；小孔T1和T2经由环形槽10、轴向槽13和15、腔室C和通道14，与回油管路一直保持连通。分配芯轴1可以相对于供给套筒5进行旋转和滑动，并且供给套筒5可以随活塞8一起在缸体的孔中移动。流体压力在腔室A中的有效作用面积为环形面积SA1和SA2，向上推动活塞8。FIG.3中显示的是平衡状态，那些小孔都由分配芯轴1的圆柱形表面上的螺旋台肩所遮盖，流体作用在SA1和SA2上的力与活塞8承受的外部载荷相等。 假设图十四中的分配芯轴1 逆时针旋转一定的角度（从下往上看），小孔P1和P2分别在螺旋槽GA1和GA2的边沿增大它们的开口度，以此提供腔室A和高压管路之间的流量通道。这样，腔室A中的流体压力就升高，导致活塞8和供给套筒5向上移动。这个向上的运动引起负反馈，逐渐关小那些开口度直至小孔P1和P2分别又被螺旋台肩所遮盖。这意味着这个流体作动缸达到了新的平衡状态。假设图十四中的分配芯轴1 顺时针旋转一定的角度（从下往上看），小孔T1和T2分别在螺旋槽GA1和GA2的边沿增大它们的开口度，以此提供腔室A和回油管路之间的流量通道。这样，腔室A中的流体压力就下降，导致活塞8和供给套筒5向下移动。这个向下的运动引起负反馈，逐渐关小那些开口度直至小孔T1和T2分别又被螺旋台肩所遮盖。这意味着这个流体作动缸达到了新的平衡状态。图 十五 有时候，图十二中的样例也可以简化成图十五中所示。分配芯轴3被用作活塞，在其圆柱形表面上有两组螺旋槽GA1和GA2是一组，而GB1和GB2是另外一组。轴向对称分布的螺旋槽GA1和GA2，与腔室B隔离并和腔室A一直保持连通；轴向对称分布的螺旋槽GB1和GB2，与腔室A隔离并和腔室B一直保持连通。供给套筒2被用作缸体，在其轴向孔的表面分布两组小孔P1和P2是一组，而T1和T2是另外一组。小孔P1和P2与高压管路一直保持连通；而小孔T1和T2则与回油管路一直保持连通。分配芯轴3可以相对于供给套筒2 进行转动和滑动，伸出杆1和4和分配芯轴3联成一体。流体压力在腔室A中的有效作用面积为环形面积SA，向下推动分配芯轴3；而流体压力在腔室B中的有效作用面积为环形面积SB，向上推动分配芯轴3。FIG.4中显示了平衡的状态，那些小孔都被分配芯轴3的圆柱形表面上的螺旋台肩所遮盖，作用在SA上的流体力与SB上的相等。 假设图十五中的分配芯轴3顺时针旋转一定的角度（从上往下看），小孔P1和P2分别在螺旋槽GA1和GA2的边沿增大它们的开口度，以此提供腔室A和高压管路之间的流量通道；而小孔T1和T2分别在螺旋槽GB1和GB2的边沿增大它们的开口度，以此提供腔室B和回油管路之间的流量通道。这样，腔室A中的流体压力上升而腔室B中的则下降。这就导致了分配芯轴3 和伸出杆1、4往下移动，而这个向下的运动引起负反馈，关小那些小孔的开口度，直至小孔P1、P2、T1和T2分别又被螺旋台肩所遮盖。反之亦然，当FIG.4中的分配芯轴3逆时针旋转一定的角度（从上往下看），分配芯轴3 和伸出杆1、4将一起向上移动，直至达到另一个平衡状态。 实际上，图十五中所示的样例，其伸出杆1可以由相对于缸体转动且相对于分配芯轴3滑动的键连接所替代以驱动分配芯轴3旋转；伸出杆4可以相对于分配芯轴3转动并随它一起移动。 以上是孔口供油，螺旋槽接收压力并引导至作动腔的应用场合。4H伺服机构还可以设计成螺旋槽供油，孔口负责将接收到的压力引导至作动腔。图 十六图 十七图 十八图 十九图 二十图十六 至 图二十 介绍了4H伺服机构螺旋槽供油的样例。在供给芯轴的圆柱形表面上分布两组螺旋槽：GP1、GP2、GT1和GT2。其中GP1和GP2是一组，呈轴向对称分布，且经由孔口P1和P2与高压管路一直保持连通，如图十七 所示。GT1和GT2是另一组，呈轴向对称分布，且经由孔口T1和T2与回油管路一直保持连通，如图十八 所示。在分配套筒的轴向孔表面分布四个阀口：A1、A2、B1和B2，和螺旋槽相互配合。如图十九 和 图二十 所示，当供给芯轴逆时针旋转，阀口A1和A2将经由螺旋槽GP1 和GP2与高压管路连通，而阀口B1和B2则经由螺旋槽GT1和GT2与回油管路连通。反之亦然，在供给芯轴顺时针旋转后，阀口A1和A2将经由螺旋槽GT1和GT2与回油管路连通，而阀口B1和B2则经由螺旋槽GP1和GP2与高压管路连通。所以阀口A1和A2可以分为一组，而阀口B1和B2分为另一组。图 二十一图二十一所示，4H伺服机构应用在所示的流体直线作动缸中。分配套筒4刚性地联接到活塞5上，形成一体的结构。当然，具体实施的过程中，它们至少可以构建于同一个零件。所述的直线作动缸有A和B两个作动腔，作动腔 A的有效作用面是环形表面SA1和SA2，作动腔B的有效作用面是环形表面SB.作动腔A中的流体压力作用于SA1和SA2，向下推动活塞5；而作动腔B中的流体压力作用于SB，向上推动活塞，这样SA1和SA2上的流体作用力和SB上的从相反方向对立。作动腔A和B中的流体压力的变化改变作用力，活塞5将和分配套筒4一起在缸体3中滑动，活塞杆7由其他的方式导向以防止转动。螺旋槽GT1和GT2经由腔室TT和回油管路一直保持连通，而螺旋槽GP1和GP2经由径向孔P1和P2，与高压管路一直保持连通，和图十七 所示的相同。图 二十二假设供给芯轴逆时针旋转（从上往下看），如图二十二 所示，作动腔A经由阀口A1、A2、螺旋槽GP1和GP2，连通至高压管路，使作动腔A中的流体压力上升；同时作动腔B经由阀口B1、B2、螺旋槽GT1和GT2、腔室TT，连通至回油管路，使作动腔B中的流体压力下降。流体压力作用在SA1、SA2和SB上的合力使得活塞向下运动。这样一来，阀口A1、A2、B1和B2又分别被供给芯轴1 圆柱形表面上的螺旋台肩逐渐遮盖，直至作动腔A和B中的流体压力达到平衡的状态。图 二十三假设供给芯轴顺时针旋转（从上往下看），如图二十三 所示，作动腔B经由阀口B1、B2、螺旋槽GP1和GP2，连通至高压管路，使作动腔A中的流体压力上升；同时作动腔A经由阀口A1、A2、螺旋槽GT1和GT2、腔室TT，连通至回油管路，使作动腔A中的流体压力下降。流体压力作用在SA1、SA2和SB上的合力使得活塞向上运动。然后，阀口A1、A2、B1和B2又分别被供给芯轴1 圆柱形表面上的螺旋台肩逐渐遮盖，直至作动腔A和B中的流体压力达到平衡的状态。图 二十四如果上述直线作动缸的活塞出杆由其他的方式驱动而旋转，与此同时，又受到控制芯轴的控制进行滑动。所以，活塞杆的最终输出是一个很大力输出的螺旋运动，或许同时还有很大的扭矩，如图二十四 所示。活塞杆移动的直线距离取决于输入芯轴和活塞杆所得到的转角之差。图 二十五图二十五 所示，4H伺服机构应用于流体致动马达。分配套筒2刚性地联接到输出轴上，并可以随其在壳体3中旋转。孔口A和B是所述马达的控制口，当孔口A处于高压而孔口B处于低压时，输出轴和分配套筒2一起顺时针旋转（在图二十五 中从下往上看），反之亦然。当供给芯轴向下运动时，孔口A经由一个环形槽、阀口A1和A2，然后经过螺旋槽GP1和GP2，连通至高压管路；而孔口B经由一个环形槽、阀口B1和B2，然后经过螺旋槽GT1和GT2，连通至回油管路。这样一来，孔口A的流体压力上升，而孔口B的则下降，致使输出轴带动分配套筒一起顺时针旋转（在图二十五 中从下往上看），然后供给芯轴1 圆柱形表面的螺旋台肩分别逐渐遮盖阀口A1、A2、B1和B2，直至孔口A和B的流体压力达到平衡的状态。当供给芯轴向上运动时，孔口B经由一个环形槽、阀口B1和B2，然后经过螺旋槽GP1和GP2，连通至高压管路；而孔口A经由一个环形槽、阀口A1和A2，然后经过螺旋槽GT1和GT2，连通至回油管路。这样一来，孔口B的流体压力上升，而孔口A的则下降，致使输出轴带动分配套筒一起逆时针旋转（在图二十五 中从下往上看），然后供给芯轴1 圆柱形表面的螺旋台肩分别逐渐遮盖阀口A1、A2、B1和B2，直至孔口A和B的流体压力达到平衡的状态。图 二十六图二十六所示，4H伺服机构应用于通轴孔输出的流体致动马达。分配套筒2刚性地联接到固定在马达壳体4上的外壳3，供给芯轴1 以键连接的方式穿出通轴孔。孔口A和B是马达的控制口