CN101495191B - 速度响应啮合装置 - Google Patents

Abstract

一种速度响应啮合装置，包括：轮，其设置为围绕第一轴线旋转并具有多个向外凸出的、间隔开的齿，每一对相邻的齿被具有固定半径的圆周面分隔；棘爪，其设置为围绕第二轴线而在第一非啮合位置和第二啮合位置之间进行枢转运动，在所述第二啮合位置处，该棘爪与所述齿的其中一个啮合并接触圆周面；以及弹性装置，其设置为当该棘爪不与圆周面接触时将所述棘爪推向所述第一位置。当该轮沿着第一方向旋转时，每个齿均触碰该棘爪，使该棘爪产生从所述第一位置朝向所述第二位置的摆动运动，所述摆动运动的幅度取决于转速。当转速达到预定值时，所述摆动运动使该棘爪进入啮合位置，从而阻止该轮沿着所述第一方向进一步旋转。

Description

速度响应啮合装置

技术领域

本发明涉及一种速度响应啮合装置，且尤其涉及一种应用于防坠落装置(fall arrest apparatus)中的速度响应啮合装置。 

背景技术

公知地，与旋转部件一起使用的速度响应啮合装置用于，当所述旋转部件的转速超过了某一临界值时选择性地使所述旋转部件与其他构件啮合。 

这样的速度响应啮合装置主要有两种类型。第一种速度响应啮合装置是离心式离合器型的装置，图1示出了这种离心式离合器的示意图。所述离心式离合器具有棘爪1，所述棘爪1在固定的环形棘轮(retchet)3中旋转并安装在旋转构件2上。所述棘爪1设置为进行枢转运动，以使其能够在内部非啮合位置和外部啮合位置之间移动，在所述内部非啮合位置处，棘爪1不与棘轮3啮合，从而构件2能够自由地旋转，在所述外部啮合位置处，棘爪1与棘轮3啮合，从而阻止构件2相对于棘轮3转动。通常借助弹性装置(例如弹簧4)而使棘爪1向内朝着非啮合位置偏移，并且棘爪1设置为当构件2旋转时借助离心力而向外偏移。通过适当地选择尺寸和构件，能够将所述离心式离合器设置为在构件2处于期望转速时使棘爪1与棘轮3啮合。 

第二种速度响应啮合装置是摇摆棘爪(rocking pawl)型的装置。图2A和图2B示出了这种摇摆棘爪型的装置的示意图。该摇摆棘爪型的装置具有一棘轮机构，该棘轮机构的构成形式为附着于旋转构件12上的外齿棘轮11以及与该棘轮11接触的棘爪13。棘爪13能够在第一非啮合位置和第二啮合位置之间枢转；图2A示出了所述第一非啮合位置，该位置中棘爪13未与棘轮11啮合，从而构件12能够自由旋转；图2B示出了所述第二啮合位置，该位置中棘爪13与棘轮11啮合，阻止构件12相对于该棘爪13所附着的结构旋转。借助弹性装置14使棘爪13朝向所述第一非啮合位置偏移。当构件12旋转、并且使棘轮11相对于棘爪13旋转时，则该棘轮11的每个齿依次 击打(strike)棘爪13的第一端部，并将该第一端部向外推离棘轮11，以使棘爪13朝向啮合位置枢转。棘爪13朝向所述第一非啮合位置弹性偏移，因此，棘爪13被棘轮齿的这种向外推动致使该棘爪13进行从非啮合位置朝向啮合位置、并朝向非啮合位置返回的摆动运动。随着构件12和该棘齿11的转速增大时，该棘爪13的摆动幅度增大，直至该摆动幅度大到足以使该棘爪13进入啮合位置。随后，该棘爪13与该棘轮11啮合，并阻止构件12相对于棘爪13以及该棘爪13所附着的结构进行旋转。同样地，能够选择构件的尺寸以将驱动该棘爪13与该棘轮11啮合的临界转速设定成期望值。 

上述两种公知类型的速度响应啮合装置都应用于防坠落系统中，该防坠落系统将高空作业的人员拴到围绕卷筒(drum)缠绕的安全绳索上。该卷筒具有自动回绕机构以及上文所披露类型的速度感应附属机构，所述速度感应附属机构响应于该卷筒的高于预定临界值的转速而锁止该卷筒，以防止该卷筒相对于该卷筒支撑结构或其他固定结构进一步旋转。 

在使用中，这种类型的防坠落系统允许人员借助安全绳索而在工作区域周围自由移动，这种移动包括在该区域内上下移动，所述安全绳索在自动回绕机构的控制下根据需要而从该卷筒自动地拉出以及缠绕到该卷筒上，以允许所述人员移动并保持安全绳索张紧。当发生人员掉落时，安全绳索以比正常移动所需的速度更快的速度被拉出，且该卷筒的转速升高到速度感应啮合装置的临界值，该速度感应啮合装置锁止该卷筒以防止该卷筒进一步旋转，从而阻止坠落。 

实践中，已经发现这些公知类型的防坠落系统存在着一个问题，即在降落被阻止之后，速度感应啮合装置可能松开啮合而使人员再次开始坠落，直至卷筒的转速再次达到所述临界值，并再次阻止坠落。 

已发现，这一循环可以重复进行，使得人员以一连串短程坠落的方式下落，直至他们到达地面或某些其他的支撑表面。 

这一问题通常被称为跳动(bounce)。 

由于很多的理由，跳动是很危险的，并会造成严重的问题。首先，在多次降落过程中，人员可能会由于与其他物体的碰撞而受伤。此外，防坠落系统通常设计为使经历防坠落事件的使用者仅承受安全级别的力。然而，所述安全级别是基于单次坠落事件的假设而计算出来的。即使对使用者施加一次 坠落制动力(fall arrest force)是安全的情况下，对使用者重复地施加相同的力仍可能会导致其受伤。很多防坠落系统都包括一次性使用的能量吸收装置或振动限制装置，但是跳动所导致的连续坠落和制动可能会因系统中的这些一次性使用的能量吸收装置或振动限制装置的负载量已经用尽而致使人员承受比预期级别更大的力，这使得上述问题变得更加严重。此外，因跳动而导致的重复坠落和防坠落系统上的制动载荷可能导致防坠落系统的构件或这些构件所附着的支撑结构的失效或损坏。最后，当跳动导致人员以一连串短程坠落的方式一直下降到地面或其他支撑结构上时，人员可能会以足以导致受伤的高速度最后冲击地面或其他支撑结构。 

发明内容

本发明的目的是尝试提供一种克服上述问题的速度感应啮合装置。 

在第一方案中，本发明提供了一种速度响应啮合装置，该速度响应啮合装置包括：轮，其设置为围绕第一轴线旋转并具有多个向外凸出的、间隔开的齿，每一对相邻的齿被具有固定半径的圆周面分隔；棘爪，其设置为围绕第二轴线而在第一非啮合位置和第二啮合位置之间进行枢转运动，在第二啮合位置处，该棘爪与所述齿的其中一个啮合并接触该圆周面；以及弹性装置，其设置为当该棘爪未与该圆周面接触时将所述棘爪推向所述第一非啮合位置；这样，当该轮沿着第一方向旋转时，每个齿均触碰该棘爪，使该棘爪产生从所述第一非啮合位置朝向所述第二啮合位置的摆动运动，所述摆动运动的幅度取决于转速，而且，当转速达到预定值时，所述摆动运动使该棘爪进入啮合位置，从而阻止该轮沿着所述第一方向进一步旋转，其中该弹性装置设置为当该棘爪与圆周面接触时不对该棘爪施加推力。 

本发明是基于这样的认识：跳动的问题是由如下的事实所导致的，即，当公知的速度感应啮合装置处于啮合状态时，棘爪向非啮合状态被偏压，且仅通过由棘齿抵抗所述偏压来支持棘爪保持在啮合状态。当将这些啮合装置用于防坠落系统中、并且发生坠落制动时，由于被制动的人员在安全绳索的末端跳动，安全绳索会伸长或被张紧，随后安全绳索的张力会瞬间减小到零。在该张力瞬间减小的过程中，自动回绕机构使卷筒沿着回绕方向略微旋转，使棘爪与棘齿脱离啮合。随后，由于该偏压而致使棘爪移动到非啮合位置，从而将卷筒释放，并使人员再次开始坠落。 

而在本发明中，由于棘爪在处于与圆周面接触的啮合状态中时并未被偏压，并且卷筒沿着回绕方向的略微旋转将不足以使棘爪移动到圆周面的端部而导致棘爪从啮合状态移动到非啮合状态，所以在根据本发明的速度感应啮合装置中将不会发生上述问题。 

附图说明

现在将仅通过参照附图的实例来说明本发明的优选实施例，在附图中： 

图1示出了第一种公知类型的速度响应啮合装置； 

图2A和图2B示出了第二种公知类型的速度响应啮合装置； 

图3示出了根据本发明的速度响应啮合装置在处于第一非啮合位置时的操作部件的视图； 

图4示出了图3的速度响应啮合装置处于第二啮合位置时的视图； 

图5示出了图3的速度响应啮合装置处于在使用中可能会遇到的另一个啮合位置的视图； 

图6示出了完整的图3的速度响应啮合装置处于第二啮合位置时的视图； 

图7示出了图6的速度响应啮合装置的侧视图。 

具体实施方式

参阅图3至图6的示意图，其示出了根据本发明的速度响应啮合装置20的操作部件。该速度响应啮合装置20响应于轴21相对于固定支撑结构22沿顺时针方向旋转的转速。 

棘轮23安装在轴21上。该棘轮23包括圆周面29以及多个相同的齿24，所述齿24围绕圆周面29均匀地间隔布置并从圆周面29向外凸出。每个齿24具有内凹(undercut)的内侧前倾表面24a以及外侧后倾表面24b。所述齿24的形状和间距被构造为使得在相邻的齿24之间余留有轮23的圆周面29的一部分。每个齿24的外侧后倾表面24b终止于台阶24c，该台阶24c降到圆周面29。每个齿24的内侧前倾表面24a被设置为用于限定位于前倾表面24a和该轮23的圆周面29之间的凹部28。 

棘爪25安装为围绕轴线26进行枢转运动，该轴线26位于与棘轮23相 邻的支撑结构22上。棘爪25能够在图3所示的第一非啮合位置和图4所示的第二啮合位置之间移动，在所述第一非啮合位置处，棘轮23和轴21能够相对于固定支撑结构22旋转，在所述第二啮合位置处，该棘爪25与该棘轮23啮合，从而阻止该棘轮23和该轴21相对于该支撑结构22顺时针旋转。 

棘爪25和棘轮23之间的啮合仅阻止该轴21沿着一个方向的旋转(在图中为顺时针方向)。与现有技术的装置类似，该轴2 1在相反方向(在所描述的实施例中为逆时针方向)上的旋转能解除该棘爪25和该棘轮23之间的啮合。根据本发明的速度响应啮合装置可以制作为反向干预(oppositehanded)以响应沿逆时针方向的旋转。 

棘爪25设置为围绕轴线26枢转，并具有分别设置在该轴线26的相对两侧的第一端部25a和第二端部25b。当棘爪25处于啮合位置时，该棘爪25的第一端部25a的形状构造为能够与棘轮23的齿24啮合，如图4所示。棘爪25的第二端部25b具有平滑弯曲的凹进的内表面25c，从而当棘爪25处于如图3所示的非啮合位置且棘轮23顺时针旋转时，该棘爪的第二端部25b被该棘轮23的每个齿24的尖端触碰，从而当该棘轮23旋转时，棘爪25的第二端部25b被向外推动。片簧27连接固定支撑结构22上的位置点(point)27a与该棘爪25上的位置点25f。片簧27保持为压缩状态，以使其倾向于推动棘爪25朝向图3所示的非啮合位置顺时针旋转。由片簧27驱动的棘爪25的顺时针旋转受限于棘爪25的与该棘轮23的齿24接触的第二端部25b。 

因此，当轴21和所连接的棘轮23顺时针旋转时，棘轮23的每个齿24依次触碰棘爪25的第二端部25b并且抵制片簧27的偏压而向外推动棘爪25的第二端部25b。因此，棘爪25沿循着离开图3所示的非啮合位置、朝向图4所示的啮合位置、以及随后返回图3所示的非啮合位置的路径进行摆动运动。 

轴21和棘轮23的转速越高，棘爪25的摆动幅度将会越大。当轴21和该棘轮23顺时针旋转的转速增大到临界速度时，棘爪25的摆动幅度将足以使棘爪25的第一端部25a与棘轮23的齿24接触。 

当棘爪25位于图3所示的非啮合位置、且棘轮23逆时针旋转时，棘爪25的第二端部25b被棘轮23的每个齿24的外表面触碰，从而当该棘轮23 旋转时，使该棘爪25的第二端部25b抵制该片簧27的偏压被向外推动。由此，该棘爪25沿循着离开图3所示的非啮合位置、朝向图4所示的啮合位置、以及随后返回图3所示的非啮合位置的路径进行摆动运动。该棘爪25的第一端部25a具有平滑弯曲的凹进的内表面25g，以便当该棘爪25已经朝图4所示的啮合位置移动时，由于该棘轮23逆时针旋转，使得该棘爪的第一端部25a被该棘轮23的每个齿24的尖端碰触，从而当该棘轮23旋转时，该棘爪25的第一端部25a被向外推动，以将该棘爪25朝向图3所示的非啮合位置回推。所以，当该棘轮23逆时针旋转时，该棘爪25不可能与齿24啮合。 

如上文所述，轴21和棘轮23沿着两个方向中的任一个方向旋转都会引起每个齿24依次触碰该棘爪25。这些触碰产生咔嗒声，该咔嗒声为使用者提供该啮合装置20正常操作的声响提示。 

棘爪25的第一端部25a具有外端面25d，该外端面25d的形状与齿24的前倾表面24a相配合，以便在外端面25d触碰齿24的前倾表面24a时，将棘爪25的第一端部25a推入到该凹部28内。因此，当轴21和棘轮23的转速增大到临界值时，棘爪25将被推入图4所示的啮合位置，在该啮合位置处，棘爪25的第一端部25a尽可能地插入凹部28中，并接触齿24的前倾表面24a和棘轮23的在相邻齿24之间延伸的圆周面29。这种啮合将使棘轮23抵靠着棘爪25锁定，从而阻止该轴21和该棘轮23相对于固定支撑结构22进一步顺时针旋转。 

棘爪25设置为，当该棘爪25的尖端25e接触圆周面29时，使得该轴线26、以及该片簧27的附着位置点25f和27a都处于直线30上，由图4可见。这种几何结构的结果是，当尖端25e接触圆周面29时，该片簧27处于中性位置(neural position)，在该中性位置处，片簧27不对棘爪25施加任何力矩。 

因此，当棘爪25位于图4所示的啮合位置，且棘轮23少量地逆时针旋转时，由于没有力矩作用在棘爪25上，所以棘爪25不会围绕该轴线26旋转，并且将保持与圆周面29接触。当该棘轮23继续逆时针旋转，则将到达图5所示的位置，在该位置处该棘爪25与相邻齿24的台阶24c接触。作为对比，图5以虚线示出位于图4的位置处的棘轮23。棘轮23越过该接触位 置进一步逆时针旋转，这将致使台阶24c沿逆时针方向推动棘爪25，使该棘爪25的第二端部25b移离该棘轮23。当棘爪25逆时针运动时，该片簧27将移离中性位置并将该棘爪25沿逆时针方向推向非啮合位置。可选地，棘轮23从图5所示的接触位置开始的顺时针旋转将使该棘爪25返回到图4的啮合位置。 

因此，相邻齿24之间的圆周面29的长度设定了使该棘爪25与齿24脱离啮合所需的反向旋转(本实施例中为逆时针旋转)的临界值。小于这一临界值的反向旋转不会使该棘爪25与齿24脱离啮合。 

因此，当本发明的速度响应啮合装置20应用于防坠落系统中时，如果坠落导致安全绳索以等于或高于该临界速度的速度从卷筒上展开，则棘爪25将与棘轮23的齿24啮合，使卷筒停止旋转并制动所述坠落。这样，如果由于被阻止坠落的人员在安全绳索端部的跳动或其他短暂的影响因素而使安全绳索中的张力暂时降低到较小值或零，所导致的由自动回绕机构产生的棘轮23的小幅度的逆时针旋转不会使该棘爪25与齿24脱离啮合以及允许人员继续降落。因此，克服了跳动带来的问题。 

在任一种特定的防坠落系统中，可将速度响应啮合装置20设置为：使得相邻齿24之间的圆周面29的长度足以容许在执行坠落制动事件过程中产生不会使该速度响应啮合装置20脱开的一定量的反向旋转。 

图6和图7示出了用于防坠落系统中的、根据本发明的完整的速度感测装置20。 

该速度感测装置20设置为控制其上缠绕有安全绳索41的卷筒40的旋转。棘轮23附着到卷筒40上，且一对棘爪25设置在棘轮23的沿直径相对的两侧的位置上。使用一对棘爪25以多余度地(redundancy)提高安全性。各棘爪25能够各自独立地使棘轮23和卷筒40停止旋转。 

卷筒40安装为在一对侧板42a和42b之间旋转。速度感测装置20位于该对侧板中的一个侧板42a和另一个侧板42c之间，所述另一侧板42c设置为平行于侧板42a并通过一对根壁(endwall)42d固定到侧板42a上。所述棘爪25安装为在侧板42a和42c之间进行枢转运动。将棘爪25安装在两个侧板42a和42c之间有助于稳定所述棘爪25。 

每一棘爪25具有从棘爪25的第二端部25b的背面(即，沿远离棘轮23 的方向)延伸出的凸起25h。如果啮合的装置20过载到足以使棘爪25和侧板42a及42c之间的枢转连接断开的话，棘爪25的凸起25h将触碰根壁42d的其中之一，从而棘爪25将楔入到该棘轮23和该根壁42d之间，阻止该棘轮23脱离啮合。 

如图3所最佳示出的，棘爪25和棘轮23的形状被设置为使得棘爪25的第二端部25b不能接触圆周面29。这是优选的，但是非必要的。 

在上述对优选实施例的说明中，提到了使用安全绳索缠绕在卷筒上。这并不是必要的，并且作为替代，可以使用例如缆绳或幅状条带等其他形式的细长的维持物(support)。 

上述说明提到了用于制动使用者的坠落的防坠落系统。这是防坠落系统的最常见的应用。但是，本发明还可以用于高空安全系统以便制动物体(例如在高处使用或移动的装备)的降落。 

上文论述的各实施例仅为示例，而非本发明的详尽内容。本领域技术人员可以在所附的权利要求书限定的本发明的范围内构思出多种其他的变型。 

Claims (11)

1.一种速度响应啮合装置，包括：轮，该轮设置为围绕第一轴线旋转并具有多个向外凸出的、间隔开的齿，每一对相邻的齿被具有固定半径的圆周面分隔；棘爪，该棘爪设置为围绕第二轴线而在第一非啮合位置和第二啮合位置之间进行枢转运动，在该第二啮合位置处，该棘爪与所述齿的其中一个啮合并接触圆周面；以及弹性装置，该弹性装置设置为当该棘爪未与圆周面接触时将所述棘爪推向该第一非啮合位置；这样，当该轮沿着第一方向旋转时，每个齿均触碰该棘爪，使该棘爪产生从所述第一非啮合位置朝向所述第二啮合位置的摆动运动，所述摆动运动的幅度取决于转速，而且，当该转速达到预定值时，所述摆动运动使该棘爪进入该啮合位置，从而阻止该轮沿着所述第一方向进一步旋转，其中该弹性装置设置为当该棘爪与圆周面接触时不对该棘爪施加推力。

2.根据权利要求1所述的速度响应啮合装置，还包括位于每一圆周面的端部处的凸起，当该棘爪位于该啮合位置并且该轮沿着与该第一方向相反的第二方向旋转时，该凸起使该棘爪移动脱离该啮合位置。

3.根据权利要求2所述的速度响应啮合装置，其中每个凸起都由齿的一部分形成。

4.根据权利要求2所述的速度响应啮合装置，其中每个凸起都是一台阶。

5.根据权利要求1所述的速度响应啮合装置，其中该弹性装置连接到该棘爪上的第一位置点和一固定的第二位置点，该弹性装置设置为：当该棘爪与圆周面接触时，该第一位置点、该第二位置点和该第二轴线都位于一条直线上。

6.根据权利要求5所述的速度响应啮合装置，其中该弹性装置是压缩弹簧。

7.根据权利要求5所述的速度响应啮合装置，其中该弹性装置是片簧。

8.根据权利要求1所述的速度响应啮合装置，其中每个齿都具有内凹表面，该内凹表面设置为将该棘爪推入该啮合位置。

9.根据权利要求1所述的速度响应啮合装置，其中当该轮沿着两个方向中的任一方向旋转时，每个齿都会依次碰触该棘爪，并产生可听见的声音。

10.根据权利要求1所述的速度响应啮合装置，其中该装置包括有多个棘爪。

11.一种防坠落装置，其包括根据权利要求1所述的速度响应啮合装置、以及围绕卷筒缠绕的细长的维持装置，该速度响应啮合装置设置为响应于该卷筒沿着展开该细长维持装置的方向的旋转。

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