CN102867663A - 一种断路器弹簧操动机构的齿轮传动系统的离合装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种断路器弹簧操动机构的齿轮传动系统的离合装置，包括：储能轴、大齿轮和小齿轮；大齿轮在储能保持位置与小齿轮相对处设置有一个缺齿及特殊齿区域，该区域及延后部分的大齿轮内部的空腔中设置有一个由复位弹簧驱动复位的离合凸轮，大齿轮在所述区域有第1特殊齿、第2特殊齿和位于两者之间的空挡；储能结束时小齿轮推动第1特殊齿将大齿轮和储能轴推送到脱离摩擦死区的储能保持位置，然后小齿轮与大齿轮自动脱离啮合。储能到达储能保持位置后，小齿轮惯性转动随机停止在任何可能的位置，合闸快动作大齿轮转动时，都可以实现大齿轮与小齿轮间可靠、平稳的再啮合，任何情况下都不可能出现大、小齿轮相互卡住不动，不能合闸的现象。

Description

一种断路器弹簧操动机构的齿轮传动系统的离合装置

技术领域

本发明涉及断路器技术领域，特别涉及一种断路器弹簧操动机构的齿轮传动系统的离合装置。 

背景技术

断路器弹簧操动机构的储能传动系统中必须包含一种离合装置，可在储能完毕，储能轴停转时使传动系统与储能轴自动脱开，在合闸弹簧释能快动作合闸并带动储能轴转动过程中或合闸结束后再次储能时又使储能轴与传动系统自动连接顺利储能。 

现有弹簧操动机构实现上述离合功能的装置有两种类型。第1类是传动系统中设置有可控制的单向传动部件，如棘轮配棘爪或其他间歇传动件、整圈转动的驱动爪配驱动轮、可控制离合的单向离合器、端面离合部件加单向离合器等，这一类传动系统除减速传动齿轮外，还需另外增加其他单向传动件，而且还需在主传动链空间之外另外增设控制离合的部件，传动结构较复杂，成本较高，机构尺寸也较大。棘轮等间歇传动还存在传动效率大大降低的问题，必须大幅增加驱动电机的功率，才能在规定的操作允许时间内完成储能。第2类传动系统是纯齿轮（有的包含有链轮或蜗轮）减速传动，所需离合装置设置在主传动链的一对互相啮合的大小齿轮内部，没有外部的传动件和离合控制部件，结构很简单，机构尺寸较小，不存在第1类传动系统的缺点。 

现有技术设置在一对大、小齿轮内部的离合装置的例子见图8、图9、图10。图8、图9为在合闸保持位置与小齿轮相对的大齿轮的缺齿区域设置一个可伸缩齿的离合装置。由于小齿轮在驱动电机断电后惯性转动的停转位置具有随机性，快动作合闸大齿轮转动再啮合时，如果小齿轮停转正好在两齿轮的齿尖接触位置，如与大齿轮正常齿啮合将被卡住，不能完成合闸，离合装置设置可伸缩齿后，与小齿轮齿尖首先接触的是可伸缩的齿尖，大齿轮转动时可伸缩齿会内缩退让，顺利实现再啮合。图8所示离合装置的小齿轮的齿，大齿轮缺齿区域前后的齿及可伸缩齿端都是正常齿形，据分析，在小齿轮惯性转动停转如处于其齿尖再啮合时与大齿轮齿尖接触的某种特殊位置，虽然首先接触的大齿轮可伸缩齿可内缩退让，但两齿尖的摩擦力可带动小齿轮一起转动，有可能出现后面的大小齿轮正常齿齿尖接触被卡住的现象。图9的离合装置正是针对这种出现机率不大，但可能出现的卡住现象采取了若干克服存在问题的措施，其中的一项重要的与图8离合装置明显区别的措施是，小齿轮的齿尖、伸缩齿的齿尖以及伸缩齿后的附加空挡（缺齿）后第一固定齿的齿尖，都改为与齿两侧渐开线齿形面相交的斜面，解决了卡住问题。较晚出现的图10的发明目的主要也应当是解决图8离合装置的卡住问题。图10的离合装置将原有单个可伸缩齿，改为由中间空缺一齿的两个正常齿形的齿连体构成的摆动齿，摆动齿可向内摆动退让实现再啮合。由于图10的离合装置继续采用正常齿形，仍有不令人满意或不够完善之处，主要是摆动齿所受冲击力大，必须采用特殊材料及特殊的加工工艺方法而使其造价太高等问 题，后续又出现了替代图10的离合装置，该装置为所述的第1类传动系统的端面离合部件加单向离合器等组成的离合装置，可靠性较高，但结构的复杂程度大大增加，机构增加的体积也较大，离合装置部分的成本也很高。图8、图9、图10的离合装置在小齿轮停转的某些位置，快动作合闸再啮合时大齿轮都要空转较大角度（接近一个齿距甚至大于一个齿距），可伸缩齿或摆动齿才与静止的小齿轮接触，这一过程中力量很大的合闸弹簧释放的能量较大，可伸缩齿或摆动齿与小齿轮接触的冲击力也大。这几种离合装置齿尖各表面间均无小圆弧面过渡，尖端接触应力很大，都使得两种活动齿必须具有很高抗冲击强度。操作功大幅增加的大的或超大操作功弹簧操动机构，如采用上述几种离合装置，由于快动作合闸再啮合大齿轮空转时合闸弹簧释放能量大幅增加，活动齿承受的冲击力及抗冲击强度要求也将大幅提高，可能达到难以满足要求的程度。要满足大齿轮承受大幅增加的转矩，又不过度增加大齿轮直径及减少大小齿轮的传动比，齿轮应选取较大的模数和齿宽，大小齿轮的齿数也要大幅减小，这又会进一步增加快动作合闸再啮合时大齿轮的空转角度及冲击力。另外，作图分析显示，小齿轮齿数很少时，采用图8、图10两种离合装置，都无法消除可能（小几率）出现的卡住不能合闸现象。 

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种特别适用于大的或特大操作功的（同时也适用于中等及较小操作功）断路器弹簧操动机构的齿轮传动系统的离合装置，其位于大小齿轮内部，该离合装置能实现合闸弹簧储能结束时由小齿轮将大齿轮可靠地推送到储能保持位置并实现小齿轮与大齿轮自动脱离啮合，合闸弹簧释能快动作合闸带动大齿轮转动时，实现大齿轮与小齿轮间可靠、平稳的再啮合。无论小齿轮在驱动电机断电后的惯性转动随机停转在任何位置，都不会出现大小齿轮卡住不能合闸的现象。传动装置中的活动件离合凸轮只可能受到大齿轮极小空转角度的冲击，冲击力很小，抗冲击强度要求低，离合凸轮尺寸较小，造价低，离合作用段大小齿轮各齿的齿尖，活动件的尖角处都有小圆弧面过渡，不会有尖角接触过大应力造成的损伤。 

为达到上述目的，本发明采取了以下的技术方案予以实现： 

一种断路器弹簧操动机构的齿轮传动系统的离合装置，包括：轴上固定连接有合闸驱动凸轮的储能轴、储能轴上固定连接的大齿轮和与大齿轮啮合且由电机经减速齿轮带动的小齿轮；所述的大齿轮在储能保持位置与小齿轮相对处设置有一个缺齿及特殊齿区域，该区域及延后部分的大齿轮内部的空腔中设置有一个由复位弹簧驱动复位的离合凸轮，大齿轮在所述区域有第1特殊齿、第2特殊齿和位于第1特殊齿和第2特殊齿之间的空挡；储能结束时小齿轮推动第1特殊齿将大齿轮和储能轴推送到脱离摩擦死区的储能保持位置，然后小齿轮与大齿轮自动脱离啮合。 

本发明进一步的改进在于：在所述大齿轮的缺齿及特殊齿区域的转动方向的前端是大齿轮的第1特殊齿；第1特殊齿是将该处正常齿去掉后侧部分，只保留其前侧的一部分形成；保留部分两侧汇聚的外侧尖端处由圆弧面过渡连接。 

本发明进一步的改进在于：在所述的大齿轮的第1特殊齿后是一个仅缺一齿的空挡， 设置在大齿轮空腔的离合凸轮的前端凸伸于该空挡中；在离合凸轮的复位限位位置，离合凸轮的前端位于缺失齿与第1特殊齿之间；离合凸轮的前端在小齿轮转动时被小齿轮的齿带动退入所述大齿轮的内部空腔内，小齿轮转动中及停转没有阻挡时，离合凸轮的前端在离合凸轮复位弹簧作用下，复位到限位位置。 

本发明进一步的改进在于：离合凸轮与固定于大齿轮的轴销活动连接的孔是一个长圆孔。 

本发明进一步的改进在于：离合凸轮在距大齿轮轴心较近的方向，还包含有一个偏向一侧的扩展部分。 

本发明进一步的改进在于：第2特殊齿位于偏离该处缺失的正常齿向前，更靠近空挡的位置。 

本发明进一步的改进在于：所述大齿轮的第2特殊齿，其齿顶圆与大齿轮正常齿齿顶圆同轴，但半径比大齿轮正常齿的齿顶圆半径小，第2特殊齿的齿高比大齿轮正常齿的齿高小，第2特殊齿的齿宽比大齿轮正常齿的齿宽小，第2特殊齿两侧齿形面与齿顶圆相交处用圆弧面过渡连接。 

本发明进一步的改进在于：大齿轮的缺齿及特殊齿区域为大齿轮去掉三个正常齿形成。 

本发明进一步的改进在于：所述与大齿轮啮合的小齿轮，其所有齿的齿尖具有相同的形状；小齿轮的齿尖在转动方向前侧有一个与每一齿的对称中心线的夹角为锐角的斜面，此斜面与齿两侧的渐开线齿面相交处用圆弧面过渡连接。 

本发明进一步的改进在于：小齿轮的齿数大于或等于8。 

本发明进一步的改进在于：离合凸轮前端的两侧为圆弧面，前端部分两圆弧面间的距离比大齿轮正常齿的齿宽小，离合凸轮前端的外侧有一个斜面，该斜面由后向前，向大齿轮内侧方向倾斜，斜面与两侧圆弧面相交处由圆弧面过渡连接。 

本发明进一步的改进在于：离合凸轮的复位弹簧为螺旋压簧，可为有导向杆或者没有导向杆。 

本发明进一步的改进在于：离合凸轮的复位弹簧还可为扭转弹簧或片状弹簧。 

离合凸轮可绕在空腔区域内装于大齿轮上的一个轴销旋转摆动。大齿轮上还装有一个限位销，可限定离合凸轮沿半径向外方向摆动的复位位置。 

本发明离合装置可以适用于机构的其余部分为不同结构的弹簧操动机构，机构的合、分闸弹簧可以是任何类型的弹簧，如螺旋弹簧、盘簧、碟簧、扭杆弹簧等。 

大齿轮在所述缺齿及特殊齿区域的中间部位有缺失一齿的空档，缺失齿前后各有一个特殊齿。按旋转方向缺失齿之前，是第1特殊齿。第1特殊齿由位于该处的大齿轮正常齿去掉后侧大部分，只保留其前侧的一小部分形成，保留部分外侧尖端处用圆弧面过渡，保留部分的形状和尺寸与小齿轮的最大外圆尺寸的配合应保证，当电机通电转动，经过齿轮传动系统给合闸弹簧储能临近到达储能保持位置时，由小齿轮强制推动大齿轮和储能轴越过死点，再超出摩擦死区一个恰当的小角度，使大齿轮必定在合闸弹簧产生的力矩作用下再转动一个小角度到达储能保持位置。齿轮传动系统转动时，由装设于大齿轮上也可以是 装设于固定连接在储能轴上的其它部件上的掛簧销带动与其相连的连杆或链条，再带动合闸弹簧变形，实现储能。当储能转动到达储能保持位置时，大齿轮上或固定连接于储能轴上的其他部件上装设的一个储能保持滚子被另外装设于机构支架上的储能保持挚子挡住，实现合闸弹簧的储能保持。当合闸脱扣电磁铁通电动作后，所述储能保持挚子可以自由转动，不能限定所述储能保持滚子的位置，合闸弹簧将释能，带动储能轴及大齿轮转动，产生合闸快动作，带动断路器动作完成合闸。在大齿轮所述缺齿及特殊齿区域中，缺失齿的沿转方向的后侧，是大齿轮的第2特殊齿，第2特殊齿位于该处大齿轮正常齿（已不存在）向前适当角度的位置。第2特殊齿两侧的齿形面为与大齿轮正常齿渐开线非常接近的圆弧面，其齿宽比正常齿小，其齿顶圆为与正常齿的齿顶圆同轴但直径比正常齿的齿顶圆小许多，即其齿高比正常齿小很多，第2特殊齿两侧齿面与齿顶圆弧面相交处由小半径圆弧面过渡连接。 

在所述大齿轮的缺齿及特殊齿区域及其近旁的空腔内装设的一个离合凸轮与大齿轮空腔处沿转动方向后侧装设的一个轴销可转动连接，在临近储能到位及储能保持位置，在转动的小齿轮的齿推压作用下，离合凸轮可向空腔内侧摆动退让，不妨碍小齿轮转动，在小齿轮的齿转动离开离合凸轮时，在装于大齿轮空腔靠前部位内侧的复位弹簧作用下，离合凸轮可向空腔外侧摆动复位。离合凸轮复位摆动的复位位置由装于大齿轮空腔靠前靠外的一个限位销限定。离合凸轮在复位位置，其前端位于大齿轮的缺失齿沿转动方向向前恰当角度的位置，离合凸轮前端两侧为较大半径的圆弧面，前端部分两圆弧面间的距离（宽度）比大齿轮正常齿的齿宽小得多，离合凸轮前端的外侧有一个斜面，由后向前向大齿轮内侧方向倾斜，斜面与两侧圆弧面相交处由小半径圆弧面过渡连接。离合凸轮前端在复位时位于大齿轮齿顶圆内侧，与所述齿顶圆有较大距离。离合凸轮与所述大齿轮的轴销活动连接的孔不是常规的圆孔，而是一个含有两个靠近的半圆构成的长圆孔，长圆孔的两个半圆圆心的连线由后向前时，向大齿轮外侧适当倾斜。离合凸轮还特别增加了向大齿轮内侧方向凸出的体积相对较大的部分。 

所述与大齿轮啮合的小齿轮，其所有齿的齿尖具有相同的形状：齿尖在转动方向的前侧有一个与每一齿的对称中心线的夹角为锐角的斜面，此斜面与齿两侧的渐开线齿面相交处用小半径圆弧面过渡连接，齿尖离小齿轮轴心的最大距离略小于正常齿顶圆半径。 

另外，本发明使用于大的或特大操作功弹簧操动机构时，离合装置中的大小齿轮应采用较大的模数，较大的传动比，较少的齿数（尤其是小齿轮齿数特别少），两齿轮都采用正变位齿轮且变位系数适当偏大，目的是齿轮可以传动大的或特大转矩而齿轮直径不至过大。 

相对于现有技术，本发明具有以下优点： 

1）合闸弹簧储能到达临近储能保持位置时，小齿轮与大齿轮自动脱离啮合，保证驱动电机断电（甚至因意外故障未能断电）惯性转动时，合闸保持部件及所有其他零件都不会承受因转动惯性附加的冲击力。 

2）合闸弹簧储能到达临近储能保持位置时，小齿轮必定强制推动大齿轮和储能轴到达十分恰当的位置，必定会再由合闸弹簧产生的转矩带动大齿轮和储能轴转动一个非常恰 当的小角度到达储能保持位置，即可保证储能到位的可靠性及稳定性，也不会出现有的离合装置为保证储能可靠到位，因结构特征限制只好采用由合闸弹簧带动转动较大转角到位而引起的较大冲击力。 

3）储能到达储能保持位置后，小齿轮惯性转动随机停止在任何可能的位置，合闸快动作大齿轮转动时，都可以实现大齿轮与小齿轮间可靠、平稳的再啮合，任何情况下都不可能出现大、小齿轮相互卡住不动，不能合闸的现象。 

4）储能到达储能保持位置后，小齿轮惯性转动随机停转可能的位置中，只有其中非常小的一个角度范围，大小齿轮再啮合时，所述离合凸轮（强度较薄弱的活动件）可能受到大齿轮空转时合闸弹簧释放能量引起的冲击，引起冲击的大齿轮可能的最大的空转角度非常小，且都出现在释能启动的最初段，因而离合凸轮可能承受到的冲击力非常小。其强度要求低，不需特殊高强度材料及特殊方法加工，其尺寸较小（较薄），造价很低。 

附图说明

图1是本发明的离合装置处于储能保持位置的示意图。 

图2是本发明的离合装置处于合闸弹簧释能快动作合闸后且电机未再通电储能时，大齿轮停转位置示意图。 

图3a是本发明的离合装置主要部件结构特征的放大示意图（储能保持位置）； 

图3b为小齿轮的局部放大图。 

图4a是小齿轮惯性转动停转后，出现几率最大的停止位置及离合凸轮可能受到冲击的停转范围，以及快动作合闸再啮合初始段动作的示意图。 

图4b、图4c是接续图4a的快动作合闸大齿轮与小齿轮再啮合过程示意图。 

图5a是小齿轮惯性转动停转在位于图4a向前，与储能保持位置的离合凸轮不接触，以及合闸快动作大齿轮转动与小齿轮再啮合初始段大小齿轮的齿刚接触示意图。 

图5b、图5c是小齿轮惯性转动停转在小齿轮推压并与离合凸轮前端的后侧接触的几种位置（示例）的示意图。 

图5d是小齿轮惯性转动停转时，小齿轮齿尖小半径圆弧面与离合凸轮前端最外侧的小半径圆弧面相接触并可能稳定保持该位置，且在合闸快动作再啮合时，可能因摩擦力由离合凸轮带动小齿轮转动的最大范围示意图。 

图6a、图6b是小齿轮惯性转动停转在到达或超出图5d范围向前的边界位置后，离合凸轮在其复位弹簧作用下后退并向外摆动，推动小齿转动直到最终停止在5E、5E2、6E、6bE位置的连续变换位置的过程示意图。 

图7a是小齿轮惯性转动停止在图5d的范围内以后，合闸快动作再啮合初始，在轴销8（8E-8F-8E1）作用下，离合凸轮先向内摆动，再向前转动并向外摆动与小齿轮接触的过程示意图。 

图7b是小齿轮惯性转动停止在图5d的范围内，假定合闸快动作由于意外的原因离合凸轮仍可带动小齿轮转动时，顺利实现再啮合过程的示意图。 

图8是现有一种离合装置的结构示意图； 

图9是现有另一种离合装置的结构示意图； 

图10是现有另一种离合装置的结构示意图； 

注：图4a～图7b各图下方，绘出了与各图中大齿轮、离合凸轮的不同位置一一对应的大齿轮上的轴销8和离合凸轮的长圆孔6a间的相对位置示意图。 

附图标记说明： 

1.储能轴；2.合闸驱动凸轮；3.离合凸轮复位弹簧；4.大齿轮；4a.第1特殊齿；4b.空档；4c.第2特殊齿；4d.第1正常齿；5.小齿轮；6.离合凸轮；6a.长圆孔；6b.离合凸轮的前端；7.限位销；8.轴销；9.挂簧销；10.储能保持滚子。 

图1、图2中，标记号9后加D、S字母，表示挂簧销的两个特殊位置。9D为合闸弹簧变形最小储能最少时挂簧销的位置。9S为合闸弹簧变形最大，储能最多时挂簧销的位置，即死点位置。 

图4a～图7b中，在上述主要标记号后附加E、F，表示同一部分的两个不同位置。如同一图中某一部分有三个位置，再加数字或字母Z表示，Z表示某一部分的局部处于E、F位置之间的位置。小齿轮5的5E、5F位置后再加数字（例如5E2、5F1），数字是表示在图中的某一具体齿的顺序编号。 

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明的具体实施方式等做进一步的详细说明。 

如图1所示，本发明一种断路器弹簧操动机构的齿轮传动系统的离合装置包括：轴上固定连接有合闸驱动凸轮2的储能轴1，储能轴1上固定连接的大齿轮4，与大齿轮4啮合且由电机经减速齿轮带动的小齿轮5（图中未绘出电机和减速齿轮），以及由复位弹簧3驱动复位的离合凸轮6。 

如图1、图3a所示，大齿轮4在储能保持位置与小齿轮5相对处设置有一个缺齿及特殊齿区域（该区域占据大齿轮4的三个正常齿的空间），在大齿轮4该区域及图中箭头所示转动方向后侧相邻部分的大齿轮4的内部，有图中虚线所示的内部空腔，在所述的内部空腔范围，大齿轮4上装设有限位销7和轴销8。所述的大齿轮4的缺齿和特殊齿区域已不存在的三个正常齿，在图3中用虚线表示，大齿轮4的第1特殊齿4a由该区域最前面的一个正常齿去掉其后侧的大部分，只保留其前侧的小部分形成，保留部分两侧汇聚的外侧尖端处，改由圆弧面过渡连接。大齿轮第1特殊齿4a后面，是缺失一个齿形成的空挡4b。空挡4b后面是大齿轮的第2特殊齿4c，第2特殊齿4c后面紧接相邻的是大齿轮缺齿及特殊齿区域后的第一个正常齿4d。大齿轮的第2特殊齿4c位于空挡4b后的正常齿（已不存在）向前偏移的位置。第2特殊齿4c两侧的齿形面为与大齿轮正常齿的渐开线齿形面非常近似的圆弧面，其齿宽小于正常齿的齿宽，其齿顶圆与正常齿的齿顶圆同轴但其直径比正常齿齿顶圆直径小，其齿高比正常齿的齿高小很多（本实施例中，其齿高为正常齿高的49％）。第2特殊齿两侧面与其齿顶圆弧面相交处由小半径圆弧面过渡连接。 

如图1、图3a所示，在所述大齿轮4的虚线所示的内部空腔，设置有离合凸轮6，离合凸轮6有一个包含两个靠近的半圆构成的长圆孔6a，在离合凸轮6的复位位置，长圆孔 6a两个半圆圆心的连线由后向前，向大齿轮4的外侧适当倾斜。离合凸轮6用长圆孔6a与大齿轮4上装设的轴销8活动连接，离合凸轮6可绕轴销8摆动，并可沿长圆孔6a的两个半圆圆心连线方向平移串动。在小齿轮5按图中箭头所示方向转动时，小齿轮的齿推压离合凸轮的前端6b向所述内部空腔的内侧摆动，小齿轮5的齿转动离开离合凸轮的前端6b时，在复位弹簧3推动下，离合凸轮6向外侧摆动复位，大齿轮4上装设的限位销7限定了离合凸轮6的复位位置。在离合凸轮6位于复位位置时，离合凸轮的前端6b位于图3a所示大齿轮的空档4b处虚线所示的第2缺失齿与第1特殊齿4a之间，离合凸轮前端6b的两侧为较大半径的圆弧面，前端部分两圆弧面间的距离（宽度）比大齿轮正常齿的齿宽小得多，离合凸轮前端6b的外侧有一个斜面，该斜面由后向前，向大齿轮内侧方向倾斜，斜面与两侧圆弧面相交处由小半径圆弧面过渡连接。离合凸轮6在复位位置，其前端6b位于大齿轮齿顶圆内侧，与所述齿顶圆有较大的距离。另外，离合凸轮6在偏向大齿轮内部空腔的内侧方向，还特别增加了体积相对较大的一部分，利用这一部分的惯性作用使离合装置具备更好的离合性能。 

如图1、图3a所示，离合装置中与大齿轮4啮合的小齿轮5位于储能保持位置时大齿轮的缺齿及特殊齿区域对面。小齿轮5的所有齿的齿尖都具有相同的形状（参见图3b的放大图），在小齿轮5按图中箭头所示的转动方向的前侧，齿尖处有一个与每一齿对称中心线的夹角为锐角的斜面，此斜面与齿两侧的渐开线齿面相交处用小半径圆弧面过渡连接，齿尖最外侧离小齿轮5的轴心的最大距离略小于正常齿顶圆半径。 

使用本发明离合装置的齿轮传动系统中，应装设弹簧操动机构通常都有的单向离合器，保证离合装置的大、小齿轮都按图中箭头所示转向单向转动。 

下面说明本发明离合装置的动作原理和离合性能。 

本发明离合装置是用于断路器弹簧操动机构的给合闸弹簧储能的齿轮传动系统的离合装置。参见图1、图2。电机通电转动时，经过减速齿轮（图中未绘出）带动小齿轮5按图中箭头所示转向逆时针旋转，带动大齿轮4按图中箭头所示顺时针转动，由图2所示合闸弹簧释能快动作合闸后的停转位置开始一直运动到图1所示的储能保持位置。转动过程中，固定于大齿轮4上的挂簧销9通过链条或连杆（图中未给出）带动机构的合闸弹簧储能，挂簧销9转动到图1中的死点位置9S（在S点划线上）时，合闸弹簧的变形及储存能量为最大值。转动超过死点后，小齿轮5的齿将强制推动大齿轮4的第1特殊齿4a超出摩擦死区一个适当的小角度（应正确选择此小角度及β，保证实现下述可靠动作），挂簧销9到达图1的B点划线的位置，在此位置，合闸弹簧产生的转矩必定能带动大齿轮4转动，在合闸弹簧作用下，再转动一个小角度β，到达A点划线所示的储能保持位置。此时，装设于大齿轮4上的储能保持滚子10被装于机构支架上的储能保持掣子（未绘出）挡住，不能转动，实现合闸弹簧的储能保持。事实上，只要转动到刚好超出摩擦死区的边界（未达到图1中B线之前）合闸弹簧就已经带动大齿轮转动，小齿轮5强制推动第1特殊齿4a超出死区一个适当的小角度，是为了保证动作可靠性及必要的裕度。本装置在保证动作可靠的前提下可做到储能保持位置超过死点位置的角度α较小（本实施例的角度α为5°），因而弹簧释能引起的储能保持滚子10对储能保持掣子的冲击较小，储能保 持位置保留的可利用的弹簧能量较大，避免了前面所述第1类或第2类离合装置中，有一些装置因其结构特征的限制，为了保证储能到位动作的可靠性，只能采用较大的过死点角度α，从而所述弹簧释能冲击较大及可利用弹簧能量较小的不足。 

储能运动临近到达图1所示储能保持位置前，行程开关已切换，使电机断电，但因惯性，小齿轮5还会继续转动。到达储能保持位置时，如图1所示，小齿轮5已经与大齿轮4脱离啮合，小齿轮惯性转动时只会推压离合凸轮前端6b使其内缩退让，小齿轮5不能与大齿轮接触，储能保持滚子10及储能保持掣子以及其他相关零件都不会受到转动的电机、减速齿轮及小齿轮的惯性引起的附加的冲击力。 

电机断电后，小齿轮5惯性转动的停转位置具有随机性，小齿轮5停止位置不同，合闸弹簧释能快动作合闸时，大齿轮4与小齿轮5的重新再啮合过程有区别。不论小齿轮5随机停转在任何位置，本离合装置都可顺利实现可靠、平稳的再啮合。图4a～图7b显示了小齿轮5可能出现的停止装置，其中有的图还绘出了小齿轮5停止在某处后，快动作合闸时，大小齿轮再啮合的动作过程。 

如图4a所示，位置5E、5E1是电机断电后，小齿轮5停止运动出现机率最大的位置，此时，位于5E1的小齿轮的1号齿与储能保持位置的且已复位的离合凸轮前端6b(6bE位置）接触。图中5E、5E1与5F、5F1位置是再啮合时首先由离合凸轮6的前端6b推动小齿轮5转动的小齿轮停转位置的一个范围的两侧边界。只要小齿轮在此范围内停转，快动作合闸大小齿轮再啮合时，首先由离合凸轮前端6b在空转一个小角度后（其最大值为图示θ角，最小值为0°），推动小齿轮的1号齿转动，直到小齿轮的1号齿转动到5F1位置且离合凸轮前端6bF位置，此时大齿轮的第2特殊齿到达4CF位置与处于5F2位置的小齿轮2号齿接触。此后继续转动时，离合凸轮前端6b将与小齿轮的1号齿分离，转换为大齿轮第2特殊齿推动小齿轮的2号齿转动。接下来，如图4b所示，大小齿轮由与图4a相同的4CF、5F2位置开始，由大齿轮的第2特殊齿4C推动小齿轮5的2号齿转动，经过中间的4CEZ、5E2Z位置，再转动到4CE、5E2位置，此时大齿轮4在缺齿及特殊齿区域后的第一个正常齿4d已转动到4dE位置，与同时转动到5E3位置的小齿轮3号齿接触。继续转动时，大齿轮的第2特殊齿4C与小齿轮的2号齿分离，转换为由大齿轮4的4d正常齿推动小齿轮的3号齿转动，再往后就成为图4c所示由大、小齿轮的正常齿传动。 

图5a为小齿轮5惯性转动停转在超出图4a所示范围的前侧边界，与离合凸轮前端6b两侧都不接触的5E1、5E2、6bE位置，快动作合闸再啮合时，大齿轮4空转一个角度，其第2特殊齿4C由4CE位置到达4CF位置，与位于5E2的小齿轮5的2号齿接触，离合凸轮前端6b到达6bF位置，但前端6b接触不到位于5E1还未启动的小齿轮5的1号齿。此后，大齿轮第2特殊齿4C推动小齿轮2号齿转动，再经过图4b至图4c类似的过程，转换为大小齿轮正常齿传动。 

图5b、图5c为小齿轮惯性转动停转在与离合凸轮前端6b的后侧接触的位置。图中列举了三种位置的例子，其中图5b的5E2位置，小齿轮2号齿是与复位位置（6bE）的前端6b后侧接触，而图5b的5F2与6bF位置及图5c的5E2与6bE位置的两例接触，离合凸轮前端6b已受小齿轮推压，离开限位销7，向内侧摆动了一定的角度。处于类似这几 种位置，快动作合闸大齿轮4转动时，大齿轮4都要空转与小齿轮5停转位置对应的大小不等的角度，其第2特殊齿4C再与小齿轮2号齿接触，推动小齿轮转动，再后经图4b、4C类似的过程转换为正常齿传动。 

图5d所示为，小齿轮惯性转动停转时，小齿轮5齿尖的小半径圆弧面与离合凸轮前端6b最外侧的小半径圆弧面相互接触并可以稳定保持，且在快动作合闸再啮合时，可能由离合凸轮通过摩擦力带动小齿转动的最大范围。如小齿轮停转时未到达5E2位置（与6bE位置的离合凸轮前端6b接触），即使摩擦系数达到无润滑干摩擦的最大值，离合凸轮也不能带动小齿轮转动，再啮合过程与图5b，图5c相同，但再啮合时大齿轮空转角度较大。如小齿轮停转时超过了5F2位置（与6bF位置的前端6b接触），则小齿轮不能稳定地停留在该位置，而会有下面所述的后续变化。由于离合凸轮的连接孔采用了特殊的长圆孔，可以缩小图5d所示的范围，使所述的范围也即范围两侧边界位置间的夹角γ非常小。 

图6a、图6b所示为小齿轮5惯性转动到达或超过5d所示转动方向前侧边界停转后，小齿轮位置的后续变化。与小齿轮一起转动的零件的惯性能量全部消耗完毕，小齿轮停转在所述位置后，在离合凸轮复位弹簧3的弹簧力及小齿轮5齿尖支持反力的作用下，离合凸轮将按图6a的凸轮内部箭头所示方向后退平移，并在复位弹簧3作用下向外摆动。离合凸轮后退平移时，其长圆孔6a将由图6a下方小图所示的6aF位置向6aE位置移动，直至如6aE、8E位置所示长圆孔6a与轴销8间左侧间隙完全消除为止，同时离合凸轮前端6b由6bF位置移至6bE位置。此后，如图6b所示，离合凸轮6及其前端6b向外侧摆动，离合凸轮前端6b摆动时推动小齿轮5按箭头所示逆时针转动，经过举例的5F2、6bF中间位置，最终停止在离合凸轮6被限位销7挡住后停下来的5E2、6bE位置。图6b中小齿轮及离合凸轮的5E2、6bE位置与图4a所示5E、5E1及6E、6bE位置实质上是相同的位置。由于小齿轮的惯性等原因，小齿轮的齿与离合凸轮前端6b之间也可能出现一个很小的间隙。如果在复位弹簧3推动移位前，小齿轮惯性转动停转在如图6a所示其齿尖与离合凸轮前端6b的外侧斜面接触的位置，或停转在如图6b所示小齿轮的齿后侧与离合凸轮前端6b的前侧小圆弧面接触的位置，接下来在复位弹簧3的作用下，离合凸轮也将如上面所述向外侧摆动，推动小齿轮5转动直至最终停止在图6b也即图4a的如上所述位置。由于有这种后续变化，所述的最终停止位置（图4a的5E1、6bE也即图6b的5E2、6bE位置）出现机率非常大。快动作合闸时，将按前面所述图4a－图4b－图4c的过程实现大小齿轮再啮合。 

当小齿轮惯性转动稳定地停留在图5d所示范围内时，快动作合闸再啮合初始段的动作参见图7a。快动作合闸大齿轮4转动时，大齿轮上的轴销8将在离合凸轮长圆孔6a内按图7a下方的小图所示由8E位置向8F位置移动，由于离合凸轮的长圆孔6a向外侧倾斜，轴销8移动时将带动离合凸轮6绕其前端6b与小齿轮齿尖的接触点向内侧逆时针摆动，当轴销8转动到与未向前转动的离合凸轮长圆孔6a的前侧接触时，不大的撞击力将使总质量很小的离合凸轮向前串动，由于离合凸轮向内侧的凸出部分的体积、质量和惯性相对较大因而加速较慢，所述串动的同时离合凸轮将绕轴销8向内侧顺时针摆动并与小齿轮齿尖脱离接触，所述较早的轴销8转动过程中离合凸轮向内侧的摆动将强化离合凸轮串动时 的顺时针摆动。然后，在复位弹簧3的作用下，离合凸轮前端向外摆动，与小齿轮齿尖恢复接触时，轴销8及离合凸轮已向前移动了一小段距离，离合凸轮前端6b由6bE位置经6bF位置到达6bE1位置。前端6b与小齿轮齿尖撞击反弹又使两者间出现一次或多次离开－接触的过程，两者最终稳定贴紧时，离合凸轮已不能通过与小齿轮齿尖的摩擦力带动小齿轮转动。在此过程中，加速转动的轴销8会追上串动后减速的离合凸轮，与长圆孔6a前侧发生再次或多次撞击，使离合凸轮前段与小齿轮齿尖最终紧贴时离合凸轮处于更向前的位置，更不易出现由摩擦力带动小齿轮旋转。经过上述再啮合初始阶段后，大齿轮4空转一定的角度后，其第2特殊齿4C与小齿轮5的2号齿后侧接触，推动小齿轮转动直至图4c所示大、小齿轮正常啮合传动。 

当小齿轮惯性转动稳定地停留在图5d所示可能因摩擦力带动小齿轮转动的范围内，经过前一段中所述快动作合闸再啮合初始段动作后，可以转换为不会因摩擦力带动小齿轮转动的状态。假定由于某种意外原因，例如摩擦力意外超大，或两个小圆弧接触处有意外的轻微损伤变形等，出现了小齿轮的齿尖紧贴离合凸轮前端6b的小圆弧面随同后者一起转动，这种意外的非正常情况下的再啮合过程如图7b所示。由所述稳定停留位置开始，快动作合闸大齿轮4转动时，离合凸轮前端6b通过与其接触的小齿轮5的2号齿齿尖带动小齿轮转动，当各部分由停留位置6bE、5E2、5E3、4CE转动到6bF、5F2、5F3、4CF时，小齿轮5的3号齿的齿尖与位于4CF位置的大齿轮第2特殊齿4C接触，小齿轮被阻挡不能再转动，此后大齿轮4空转直至其第2特殊齿4C到达4CE1位置，与暂停在5F2位置的小齿轮2号齿接触，同时离合凸轮的前端6b随大齿轮顺时针转动并在复位弹簧3的作用下向外摆动，先与小齿轮的2号齿分开再到达6bE1位置，然后由大齿轮的第2特殊齿4C推动小齿轮5转动。接下来与前面所述大齿轮第2特殊齿与小齿轮的齿接触后的运动及转换过程类似，由大齿轮直接带动小齿轮，最后进入图4c所示大小齿轮的正常齿啮合传动的过程。上述过程说明，即便所述的再啮合初始段采取的使离合凸轮串动及摆动消除由摩擦力带动小齿轮的措施失效，仍能顺利、可靠的再啮合。 

上面叙述了小齿轮惯性转动停止在所有可能的位置后，快动作合闸大齿轮转动带动小齿轮的再啮合过程，综合起来，本发明离合装置具有以下的离合特性及优点： 

1）储能动作临近储能保持位置时，由小齿轮的齿强制推送大齿轮到达与储能保持位置非常临近的恰当位置，储能到位可靠。设计适当时，在保证动作可靠的前提下，储能保持位置超过死点位置的角度α及必须由合闸弹簧释能推送到达储能保持位置的角度β可以取一个非常恰当的最小的数值（参见图1）。因合闸弹簧释能到位产生冲击的能量可以是恰当的最小值。 

2）电机断电及储能到位后，小齿轮惯性转动随机停转在任何位置，其后合闸弹簧释能快动作合闸大齿轮转动时，都可以顺利实现大小齿轮的平稳再啮合，停转在任何位置都不可能出现卡住或其他不正常以及不能合闸的现象，本离合装置可靠性很高。 

3）因所述小齿轮惯性转动到达或超过图5d所示转动方向前侧边界后，复位弹簧3的作用都可以使小齿轮、离合凸轮的位置产生后续变化，再转动到图4a的5E1、6bE位置，这一停止位置出现的几率很大，本实施例可以经过后续变化到达这一停止位置的小齿轮惯 性转动的停转角度范围达到其总转角的18%。在这一停止位置快动作合闸再啮合时，整个过程，所有部位都不会有大齿轮空转引起的合闸弹簧释能产生的冲击。 

4）小齿轮惯性转动只有停转在图4a所示范围内，快动作合闸再啮合时离合凸轮6才可能有大齿轮空转引起的合闸弹簧释能产生的冲击。小齿轮停转在其他绝大多数位置，再啮合时离合凸轮前端6b都不会与小齿轮接触受到冲击，小齿轮只有稳定停留在图5d所示范围，再啮合时前端6b才可能与小齿轮接触，但其后如前面所述按图7a或图7b所示过程再啮合，离合凸轮前端所受冲击力也小到可以忽略不计的程度。如图4a所示，离合凸轮前端6b可能受到冲击的小齿轮停转范围的夹角δ非常小（本实施例只有其相邻两齿间夹角的5.5%），相对应的可引起冲击的大齿轮最大空转角度θ也很小（本实施例为大齿轮相邻两齿间夹角的8.9%），因为正处于大齿轮合闸转动的起始位置，其单位转角合闸弹簧释放的能量大大低于合闸靠后位置的释放值，因而离合凸轮6及其前端6b可能承受的冲击能量和冲击力很小，离合凸轮可以较薄较小，不需使用强度特别高的材料及特殊的加工工艺方法，其制造成本很低。 

5）无论采用何种类型及结构的离合装置，快动作合闸时都无法完全避免大齿轮或棘轮等空转一定角度时合闸弹簧释能引起的冲击。本离合装置克服了有的离合装置由强度薄弱的对离合起关键作用的活动件承受较大的所述冲击的问题，而是由厚度大，强度高很多的大小齿轮的固定齿承受，大齿轮为第2特殊齿承受，其齿高小而齿宽较大，强度高。小齿轮齿宽比大齿轮第2特殊齿大得多，抗冲击强度也很高。本离合装置可以将引起这种冲击的大齿轮空转角度控制到较小范围（本实施例引起这种冲击的大齿轮最大空转角度为一个齿所占角度的约90%，比有的离合装置由强度薄弱的对离合起关键作用的活动件承受冲击的大齿轮空转角度还要小许多）。 

6）本发明装置可以使用于大小齿轮变比大，模数及齿宽大，大小齿轮齿数少（本实施例，小齿轮为8齿），外径较小但传递转矩很大的齿轮传动系统，为开发设计大的及特大操作功的弹簧操动机构提供了优越的前提条件。图8、图9、图10所示现有技术第2类离合装置用于这种齿轮传动系统，将遇到难以克服的困难，由于大的及特大操作功的弹簧操动机构不能采用现有技术第2类离合装置，有的又退回到采用所述第1类离合装置，大大增加机构的复杂程度及造价。 

7）本发明装置结构简单，零件少，造价低，不另外占用空间，可使弹簧操动机构结构简化，缩小尺寸，降低成本。 

其他实施方式 

以上按具体实施例说明了本发明离合装置的具体实施方式，但本发明并不限定于这种实施方式，还可以是包含本离合装置所述特征的其他实施方式，例如： 

1）实施例中，挂簧销9及储能保持滚子10固定或转动连接于大齿轮4上（参见图1），但这两种零件也可以固定或转动连接于与储能轴固定连接的其他部件上，例如连接于与储能轴固定连接的拐臂或凸轮等零件上。 

2）实施例中，小齿轮的齿数为8齿，但本发明也可以是小齿轮有较多的齿数。 

3）实施例中，离合凸轮复位弹簧3为螺旋压簧，有导向杆，但也可以没有导向杆，也可以使用其他类型的弹簧，如扭转弹簧，片状弹簧等。 

4）实施例中离合凸轮6具体型状如图1、图3，但也可以是具体形状与图中有所区别，尤其是向内凸出的体积较大部分，可以为各种其他不同形状。 

Claims (9)

1.一种断路器弹簧操动机构的齿轮传动系统的离合装置，包括：轴上固定连接有合闸驱动凸轮的储能轴、储能轴上固定连接的大齿轮和与大齿轮啮合且由电机经减速齿轮带动的小齿轮；其特征在于，所述的大齿轮在储能保持位置与小齿轮相对处设置有一个缺齿及特殊齿区域，该区域及延后部分的大齿轮内部的空腔中设置有一个由复位弹簧驱动复位的离合凸轮，大齿轮在所述区域有第1特殊齿、第2特殊齿和位于第1特殊齿和第2特殊齿之间的空挡；储能结束时小齿轮推动第1特殊齿将大齿轮和储能轴推送到脱离摩擦死区的储能保持位置，然后小齿轮与大齿轮自动脱离啮合。

2.如权利要求1所述的离合装置，其特征在于，在所述大齿轮的缺齿及特殊齿区域的转动方向的前端是大齿轮的第1特殊齿；第1特殊齿是将该处正常齿去掉后侧部分，只保留其前侧的一部分形成；保留部分两侧汇聚的外侧尖端处由圆弧面过渡连接。

3.如权利要求1所述的离合装置，其特征在于，在所述的大齿轮的第1特殊齿后是一个仅缺一齿的空挡，设置在大齿轮空腔的离合凸轮的前端凸伸于该空挡中；在离合凸轮的复位限位位置，离合凸轮的前端位于缺失齿与第1特殊齿之间；离合凸轮的前端在小齿轮转动时被小齿轮的齿带动退入所述大齿轮的内部空腔内，小齿轮转动中及停转没有阻挡时，离合凸轮的前端在离合凸轮复位弹簧作用下，复位到限位位置。

4.如权利要求1所述的离合装置，其特征在于，离合凸轮与固定于大齿轮的轴销活动连接的孔是一个长圆孔。

5.如权利要求3所述的离合装置，其特征在于，离合凸轮在距大齿轮轴心较近的方向，还包含有一个偏向一侧的扩展部分。

6.如权利要求1所述的离合装置，其特征在于，第2特殊齿位于偏离该处缺失的正常齿向前，更靠近空挡的位置。

7.如权利要求6所述的离合装置，其特征在于，所述大齿轮的第2特殊齿，其齿顶圆与大齿轮正常齿齿顶圆同轴，但半径比大齿轮正常齿的齿顶圆半径小，第2特殊齿的齿高比大齿轮正常齿的齿高小，第2特殊齿的齿宽比大齿轮正常齿的齿宽小，第2特殊齿两侧齿形面与齿顶圆相交处用圆弧面过渡连接。

8.如权利要求1所述的离合装置，其特征在于，大齿轮的缺齿及特殊齿区域为大齿轮去掉三个正常齿形成。

9.如权利要求1至8中任一项所述的离合装置，其特征在于，所述与大齿轮啮合的小齿轮，其所有齿的齿尖具有相同的形状；小齿轮的齿尖在转动方向前侧有一个与每一齿的对称中心线的夹角为锐角的斜面，此斜面与齿两侧的渐开线齿面相交处用圆弧面过渡连接。

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