CN100424369C - 基于超声悬浮力控制的离合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于微型高速转轴的离合器。基于超声悬浮力控制的离合器由主动旋转盘(2)、被动旋转盘(1)、压电陶瓷片(7)、复位弹簧(3)和高频电源(5)组成，被动旋转盘(1)扣合在主动旋转盘(2)的圆环体(2-1)内，主动旋转盘(2)的端面与被动旋转盘(1)的一个端面相接触，压电陶瓷片(7)固定在被动旋转盘(1)的另一个端面上，高频电源(5)连接在压电陶瓷片(7)的接线端上，复位弹簧(3)设置在主动旋转盘(2)或被动旋转盘(1)上使主动旋转盘(2)和被动旋转盘(1)保持接触。另一种方案是圆环体(2-1)的内表面是圆锥形，被动旋转盘(1)的轮缘是圆锥形，圆环体(2-1)的内表面与被动旋转盘(1)的轮缘相接触。本发明利用超声悬浮力作为分离的驱动力，利用摩擦力矩传递动力，结构简单、尺寸小、响应速度快、不受电磁干扰。

Description

基于超声悬浮力控制的离合器

技术领域：

本发明涉及一种用于微型高速转轴的利用超声悬浮原理的离合器。

背景技术：

目前使用在微型、高转速旋转轴之间的的离合器种类很多，虽各有其独特的特征，但基本上都是使用电磁原理或者机械原理设计的，因此存在以下缺陷：1、响应速度不高；2、易受电磁干扰，运动不稳定；3、离合器以及装配尺寸较大。

发明内容：

为了克服电磁干扰，提高响应速度，同时使尺寸减小，本发明提供一种基于超声悬浮力控制的离合器。该离合器不仅能在有电磁干扰的场合使用，还能运用于对启停响应要求高的高速微型轴。本发明的技术方案如下：它由主动旋转盘2、被动旋转盘1、压电陶瓷片7、复位弹簧3和高频电源5组成，主动旋转盘2和被动旋转盘1具有同一个旋转轴心，被动旋转盘1扣合在主动旋转盘2的圆环体2-1内，主动旋转盘2的端面与被动旋转盘1的内端面相接触，压电陶瓷片7固定在被动旋转盘1的外端面上，高频电源5连接在压电陶瓷片7的接线端上，复位弹簧3设置在主动旋转盘2或被动旋转盘1上使主动旋转盘2和被动旋转盘1保持接触。被动旋转盘1与主动旋转盘2相接触的端面上开有凹槽6。

本发明还提供了另一种技术方案，它由主动旋转盘2、被动旋转盘1、压电陶瓷片7、复位弹簧3和高频电源5组成，主动旋转盘2和被动旋转盘1具有同一个旋转轴心，被动旋转盘1扣合在主动旋转盘2的圆环体2-1内，圆环体2-1的内表面是圆锥形，被动旋转盘1的轮缘是圆锥形，圆环体2-1的内表面与被动旋转盘1的轮缘相接触，主动旋转盘2和被动旋转盘1的相对表面之间存在间隙8，压电陶瓷片7固定在被动旋转盘1的外端面上，高频电源5连接在压电陶瓷片7的接线端上，复位弹簧3设置在主动旋转盘2或被动旋转盘1上使主动旋转盘2和被动旋转盘1保持接触。

本发明的离合器工作时，主动旋转盘2和被动旋转盘1通过复位弹簧3的弹簧力在二者之间产生摩擦力矩从而实现二者间的传动和加载。当需要断开主动旋转盘2和被动旋转盘1之间的传动时，通过高频电源5对压电陶瓷片7所施加的大于20KHz的高频电压在压电陶瓷片7上产生超声波振动，进而在主动旋转盘2和被动旋转盘1之间产生超声悬浮力，使主动旋转盘2和被动旋转盘1脱离开。本发明的离合器结构简单，因此体积和尺寸小，响应速度快，而且不受电磁干扰。由于离合器响应时间短，因此减小了离合器结合和脱离时主动旋转盘2和被动旋转盘1之间的磨损，延长了离合器工作寿命。

附图说明：

图1是本发明实施方式一的结构示意图，图2是本发明实施方式二的结构示意图，图3是实施方式一中超声悬浮力的原理示意图。

具体实施方式：

具体实施方式一：下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式由主动旋转盘2、被动旋转盘1、压电陶瓷片7、复位弹簧3和高频电源5组成，主动旋转盘2和被动旋转盘1具有同一个旋转轴心，被动旋转盘1扣合在主动旋转盘2的圆环体2-1内，主动旋转盘2的端面与被动旋转盘1的内端面相接触，压电陶瓷片7固定在被动旋转盘1的外端面上，高频电源5连接在压电陶瓷片7的接线端上，复位弹簧3设置在主动旋转盘2或被动旋转盘1上使主动旋转盘2和被动旋转盘1保持接触。复位弹簧3设置在主动旋转盘2的外端面和压电陶瓷片7的外端面上，借助其它零件使主动旋转盘2与被动旋转盘1相互压紧。被动旋转盘1与主动旋转盘2相接触的端面上开有凹槽6，如此设置使凹槽6中存有空气，有利于空气超声悬浮力的产生。下面具体解释超声悬浮力产生的原理：超声悬浮力是由压电陶瓷的高频振动产生的，积压薄膜理论可解释所产生的升力是受高频振动的空气薄膜产生的升力。如图3所示，一个半径为a的圆形浮力空气膜在一个小间隙的振动表面上，整个表面有统一的排挤量，所产生的浮力可以通过以下公式计算：

$f_s=\underset{0}{\overset{a}{\∫}}{p}_s\·2\mathrm{\πrdr}=\frac{\mathrm{\π}{a}^2{\mathrm{\ρ}}_0{c_0}^2}{2\mathrm{\γ}}$

式中

c₀--相关条件下的声速[m/s]

f_s--升浮力[N]

p_s--挤压薄膜的平均压强[p₀]

γ--比热系数

ρ₀--相关条件下的空气密度[Kg/m³]

主动旋转盘2与被动旋转盘1之间的压强是均匀分布的，其接触面间的静摩擦力矩可以通过以下公式计算得到。

T＝Fr＝μr^p/2cosθ

式中：p--弹簧力，r--半径，θ--圆锥面与竖直面的夹角，μ--摩擦系数。

本发明的超声离合器因而只要在主动旋转盘2与被动旋转盘1之间选择适当的摩擦接触面积就能完成传动任务，选择适当的空气膜尺寸就能完成主动旋转盘2与被动旋转盘1之间的断开。应用压电陶瓷结构的离合器没有电磁绕组和磁路，不会受电磁力的干扰，工作稳定；而且使整个系统结构简单，尺寸减小。

具体实施方式二：下面结合图2具体说明本实施方式。本实施方式由主动旋转盘2、被动旋转盘1、压电陶瓷片7、复位弹簧3和高频电源5组成，主动旋转盘2和被动旋转盘1具有同一个旋转轴心，被动旋转盘1扣合在主动旋转盘2的圆环体2-1内，圆环体2-1的内表面是圆锥形，被动旋转盘1的轮缘是圆锥形，圆环体2-1的内表面与被动旋转盘1的轮缘相接触，压电陶瓷片7固定在被动旋转盘1的外端面上，高频电源5连接在压电陶瓷片7的接线端上，复位弹簧3设置在主动旋转盘2或被动旋转盘1上使主动旋转盘2和被动旋转盘1保持接触。主动旋转盘2和被动旋转盘1的相对表面之间存在间隙8，此间隙8的存在有利于气体超声悬浮力的产生。

Claims (2)

1. 基于超声悬浮力控制的离合器，其特征在于它由主动旋转盘(2)、被动旋转盘(1)、压电陶瓷片(7)、复位弹簧(3)和高频电源(5)组成，主动旋转盘(2)和被动旋转盘(1)具有同一个旋转轴心，被动旋转盘(1)扣合在主动旋转盘(2)的圆环体(2-1)内，主动旋转盘(2)的端面与被动旋转盘(1)的内端面相接触，压电陶瓷片(7)固定在被动旋转盘(1)的外端面上，高频电源(5)连接在压电陶瓷片(7)的接线端上，复位弹簧(3)设置在主动旋转盘(2)或被动旋转盘(1)上使主动旋转盘(2)和被动旋转盘(1)保持接触；被动旋转盘(1)与主动旋转盘(2)相接触的端面上开有凹槽(6)。

2. 基于超声悬浮力控制的离合器，其特征在于它由主动旋转盘(2)、被动旋转盘(1)、压电陶瓷片(7)、复位弹簧(3)和高频电源(5)组成，主动旋转盘(2)和被动旋转盘(1)具有同一个旋转轴心，被动旋转盘(1)扣合在主动旋转盘(2)的圆环体(2-1)内，圆环体(2-1)的内表面是圆锥形，被动旋转盘(1)的轮缘是圆锥形，圆环体(2-1)的内表面与被动旋转盘(1)的轮缘相接触，主动旋转盘(2)和被动旋转盘(1)的相对表面之间存在间隙(8)，压电陶瓷片(7)固定在被动旋转盘(1)的外端面上，高频电源(5)连接在压电陶瓷片(7)的接线端上，复位弹簧(3)设置在主动旋转盘(2)或被动旋转盘(1)上使主动旋转盘(2)和被动旋转盘(1)保持接触。

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