CN103352820A - 基于齿轮齿条传动且由形状记忆效应驱动的旋转装置 - Google Patents

Abstract

一种基于齿轮齿条传动且由形状记忆效应驱动的旋转装置，它主要由驱动组件，齿条换位组件，齿轮轴组件和壳体组件等组成，依靠驱动组件中形状记忆聚合物驱动体和齿条换位组件形状记忆聚合物换位体有机配合，能够实现正反转和连续转动。本发明具有结构简单、易于控制、质量轻、耐磨损、减震效果好等优点，全部外露件均采用聚合物制作，可用于强酸、强碱等高腐蚀性环境。

Description

基于齿轮齿条传动且由形状记忆效应驱动的旋转装置

技术领域

本发明涉及一种旋转机械装置，尤其是一种齿轮齿条传动的旋转装置，具体地说是一种适用于强酸强碱环境中使用的基于齿轮齿条传动且由形状记忆效应驱动的旋转装置。

背景技术

旋转装置是工程实践中广泛使用的一种机械部件。目前，大多数旋转装置均采用传统驱动方式如电动机驱动，而且其组成零部件多数为金属材质。然而，工程实践中工况非常复杂，尤其是一些特种环境如处于强酸、强碱条件下使用的旋转装置，其对抵抗环境介质的腐蚀要求极高，现有以金属材质为主的旋转装置已不能满足其使用要求。可见，开发一种具有高耐腐蚀性的旋转装置已迫在眉睫。

聚合物具有极强的耐腐蚀性能，已成为一种重要的新型工程材料。以聚合物取代金属材质制作旋转装置，其耐蚀性可以大幅提高；然而，若仍以传统驱动方式如电动机进行驱动，其适用性仍不够理想。事实上，很多聚合物材料具有显著的形状记忆效应，能够感知环境的变化，并以形变的方式做出响应，具有大变形和高恢复的特性。同时，形状记忆聚合物，不仅力学性能可调整范围大，而且其驱动方式有多种，如热驱动、光驱动、溶液驱动等。换言之，形状记忆效应提供了一种新型驱动方式。综上可见，若以形状记忆效应驱动取代传统驱动如电动机驱动，再采用聚合物材料制作旋转装置中其他零件，则可望获得一种适合强酸强碱等恶劣工况下工作的旋转装置。

但是，据申请人所知，目前尚未有一种基于形状记忆效应驱动的全聚合物材质的旋转装置可供使用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有以金属材质为主的旋转装置不适于强酸、强碱等环境下工作且存在结构复杂、质量重及震动衰减性差等不足，发明一种基于齿轮齿条传动且由形状记忆效应驱动的旋转装置。

本发明的技术方案是：

一种基于齿轮齿条传动且由形状记忆效应驱动的旋转装置，其特征是它包括：

两个上下布置的由形状记忆聚合物组成的驱动体、齿条15和第一紧固件2组成的驱动组件；所述的上或下驱动体由未经过预压缩变形的形状记忆聚合物17和已经过预压缩变形的形状记忆聚合物14组成，用于与齿轮相啮合的齿条15的两端分别通过各自的紧固件2与未经过预压缩变形的形状记忆聚合物17和已经过预压缩变形的形状记忆聚合物14的一端相连；所述的上或下驱动体的未经过预压缩变形的形状记忆聚合物17和已经过预压缩变形的形状记忆聚合物14反向布置以保证齿轮向同一方向转动，即所述的上驱动体布置的连接关系为未经过预压缩变形的形状记忆聚合物17接齿条15，齿条接已经过预压缩变形的形状记忆聚合物14时，所述的下驱动体布置的连接关系为已经过预压缩变形的形状记忆聚合物14接齿条15，齿条接未经过预压缩变形的形状记忆聚合物17；

两个左右对称布置的由换位中间体1，形状记忆聚合物换位体组成的齿条换位组件；所述的未经过预压缩变形的形状记忆聚合物17和已经过预压缩变形的形状记忆聚合物14的另一端分别采用第二紧固件16与对应的换位中间体1相连；所述的形状记忆聚合物换位体由经过预压缩变形的形状记忆聚合物换位体19和未经过预压缩变形的形状记忆聚合物换位体18组成，它们的一端分别与对应的换位中间体1的一端相连，它们的另一端分别定位在壳体组件的定位槽中；

齿轮轴组件；

以及壳体组件；

所述的驱动组件、齿条换位组件和齿轮轴组件的主体均装在壳体组件内部。

所述的齿条换位组件中的经过预压缩变形的形状记忆聚合物换位体19和未经过预压缩变形的形状记忆聚合物换位体18采用粘结剂或焊接的方法连接在换位中间体1的两端，它们均为圆柱结构。

所述的齿轮轴组件由聚合物齿轮轴3，轴承4，轴承上端盖5，密封圈6，轴承挡圈7和轴承下端盖8组成，在聚合物齿轮轴3上从上至下依次安装轴承上端盖5、两个轴承4、轴承挡圈7和轴承下端盖8，在轴承上端盖5中装有密封圈6，而且聚合物齿轮轴3上端伸出壳体组件外。

所述的壳体组件由聚合物前壳体9和聚合物后壳体13组成，它们通过4组聚合物螺栓10，聚合物垫圈11和聚合物螺母12连接在一起。

所述的驱动组件中的未经过预压缩变形的形状记忆聚合物17为长条板状结构，已经过预压缩变形的形状记忆聚合物14呈连续的V型结构。

所述的经过预压缩变形的形变量范围为5~99%。

所述的形状记忆聚合物为纯聚合物、聚合物泡沫或者聚合物复合材料中的一种或者多种组合。

所述的所述聚合物复合材料是由粉体或者纤维与纯聚合物共混复合所形成的复合材料，或者是聚合物与弹性材料分层复合而形成的复合材料。

所述的形状记忆聚合物的驱动方式为温度变化、磁场变化、光场变化、电场变化或浸泡溶液浓度变化中的一种或多种组合。

所述的所述的温度变化驱动方式采用电流热效应来实现，旋转装置的旋转角度通过控制变形部件内置的电阻丝的阻热效应来控制。

本发明的有益效果是：

（1）本发明所述的基于形状记忆聚合物的旋转装置，创造性的引入形状记忆效应，提出了一种旋转装置新的驱动方式；同时，依靠驱动组件中形状记忆聚合物驱动体和齿条换位组件形状记忆聚合物换位体有机配合，能够实现正反转和连续转动。

（2）本发明所述的基于形状记忆聚合物的旋转装置具有结构简单、易于控制、耐磨损、减震效果好，使用寿命长，其综合技术经济性突出等特点。

（3）本发明所述的基于形状记忆聚合物的旋转装置具有很好的耐腐蚀性，可用于强酸、强碱等高腐蚀性环境。

（4）本发明所述的基于形状记忆聚合物的旋转装置具有质量轻的优点；聚合物材料的密度一般约为2，钢质材料约为8，相同体积下其重量减轻了3倍。

附图说明

图1 本发明旋转装置结构图。

图2是图1的俯视结构示意图。

图中：1-换位中间体，2-第一紧固件，3-聚合物齿轮轴，4-轴承，5-轴承上端盖，6-密封圈，7-轴承挡圈，8-轴承下端盖，9-聚合物前壳体，10-聚合物螺栓，11-聚合物垫圈，12-聚合物螺母，13-聚合物后壳体，14-经过预变形的形状记忆聚合物驱动体，15-齿条，16-第二紧固件，17-未经过预变形的形状记忆聚合物驱动体，18-经过预变形的形状记忆聚合物换位体，19-未经过预变形的形状记忆聚合物换位体。

具体实施方式

下面参照附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。本发明的保护范围不受具体的实施例所限制，以权利要求书为准。另外，以不违背本发明技术方案的前提下，对本发明所作的本领域普通技术人员容易实现的任何改动或改变都将落入本发明的权利要求范围之内。

如图1所示。

一种基于齿轮齿条传动且由形状记忆效应驱动的旋转装置，它包括两个上下布置的由预变形形状记忆聚合物驱动体14、未预变形形状记忆聚合物驱动体17，齿条15，第一紧固件2组成的驱动组件；两个左右对称布置的由换位中间体1，预变形形状记忆聚合物换位体18、未预变形形状记忆聚合物换位体19组成的齿条换位组件；由聚合物齿轮轴3，轴承4，轴承上端盖5，密封圈6，轴承挡圈7和轴承下端盖8组成的齿轮轴组件，在聚合物齿轮轴3上从上至下依次安装轴承上端盖5、两个轴承4、轴承挡圈7和轴承下端盖8，在轴承上端盖5中装有密封圈6，而且聚合物齿轮轴3上端伸出壳体组件外；以及由聚合物前壳体9，聚合物后壳体13，聚合物螺栓10，聚合物垫圈11和聚合物螺母12组成壳体组件，聚合物前壳体9和聚合物后壳体13由4组聚合物螺栓10，聚合物垫圈11和聚合物螺母12组成紧固件通过聚合物前壳体9和聚合物后壳体13上连接孔连接在一起。驱动组件、换位组件和齿轮轴组件均装在壳体组件内部。所述的上或下驱动体由未经过预压缩变形的形状记忆聚合物17和已经过预压缩变形的形状记忆聚合物14组成，用于与齿轮相啮合的齿条15的两端分别通过各自的紧固件2与未经过预压缩变形的形状记忆聚合物17和已经过预压缩变形的形状记忆聚合物14的一端相连，已经过预压缩变形的形状记忆聚合物14和未过预压缩变形的形状记忆聚合物17的结构可为长条板状结构，且其中的已经过预压缩变形的形状记忆聚合物14的形状为连续V型形状，如图2；所述的上或下驱动体的未经过预压缩变形的形状记忆聚合物17和已经过预压缩变形的形状记忆聚合物14反向布置以保证齿轮向同一方向转动，即所述的上驱动体布置的连接关系为未经过预压缩变形的形状记忆聚合物17接齿条15，齿条接已经过预压缩变形的形状记忆聚合物14时，所述的下驱动体布置的连接关系为已经过预压缩变形的形状记忆聚合物14接齿条15，齿条接未经过预压缩变形的形状记忆聚合物17，在任一工作时刻，只有一根上齿条或一根下齿条与齿轮相啮合（注：图2中齿轮同时与两根齿条相啮合是由于投影关系造成的），如图2所示；所述的未经过预压缩变形的形状记忆聚合物17和已经过预压缩变形的形状记忆聚合物14的另一端分别采用第二紧固件16与对应的换位中间体1相连；经过预压缩变形的形状记忆聚合物换位体19和未经过预压缩变形的形状记忆聚合物换位体18的一端分别与对应的换位中间体1的一端相连，它们的另一端分别定位在壳体组件的定位槽中，如图1所示。具体实施时形状记忆聚合物换位体18、19可为圆柱形结构并采用粘结剂或焊接的方法连接在换位中间体1的两端。具体实施时，凡经过预压缩变形的形变量范围可为5~99%。所述的形状记忆聚合物可以是纯聚合物、聚合物泡沫或者聚合物复合材料中的一种或者多种组合。所述聚合物复合材料是由粉体或者纤维与纯聚合物共混复合所形成的复合材料，或者是聚合物与弹性材料分层复合而形成的复合材料。所述的形状记忆聚合物的驱动方式为温度变化、磁场变化、光场变化、电场变化或浸泡溶液浓度变化中的一种或多种组合。所述的温度变化驱动方式可采用电流热效应来实现，旋转装置的旋转角度可通过控制变形部件内置的电阻丝的阻热效应来控制，具体工作过程为：加热形状记忆聚合物驱动体14和17至其达到玻璃化转变温度以上，处于弯曲状态的形状记忆聚合物驱动体14发生形状回复而伸展，处于伸展状态的形状记忆聚合物驱动体17产生预变形而弯曲，驱动齿条顺时针移动相应的位移，齿条驱动齿轮轴顺时针转过相应的角度，当温度冷却，聚合物齿轮轴3固定在转过相应角度的状态；当温度再次加热到其玻璃化转变温度以上，此时处于弯曲状态的形状记忆聚合物驱动体17发生形状回复而伸展，处于伸展状态的形状记忆聚合物驱动体14发生预变形而弯曲，驱动齿条逆时针移动对应的位移，齿条带动齿轮逆时针转过对应的角度，当温度下降至加热前的温度如室温，齿轮轴固定在转过相应角度的状态，回到起始状态。上述过程，仅能实现在0到180°范围转动。若需要实现在180°到360°同方向旋转时，可通过加热形状记忆聚合物换位体18、19到其玻璃化转变温度以上，处于压缩状态的形状记忆聚合物换位体19发生形状回复而伸长，同时处于伸长状态的形状记忆聚合物换位体18发生预变形而压缩，此时上部齿条与齿轮轴上齿轮分离，而下部齿条与齿轮啮合，再重复前述过程即可实现在180°到360°同方向旋转。通过上下两组齿条配合，可以驱动齿轮轴连续旋转。

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种基于齿轮齿条传动且由形状记忆效应驱动的旋转装置，其特征是它包括：

两个上下布置的由形状记忆聚合物组成的驱动体、齿条（15）和第一紧固件（2）组成的驱动组件；所述的上或下驱动体由未经过预压缩变形的形状记忆聚合物（17）和已经过预压缩变形的形状记忆聚合物（14）组成，用于与齿轮相啮合的齿条（15）的两端分别通过各自的紧固件（2）与未经过预压缩变形的形状记忆聚合物（17）和已经过预压缩变形的形状记忆聚合物（14）的一端相连；所述的上或下驱动体的未经过预压缩变形的形状记忆聚合物（17）和已经过预压缩变形的形状记忆聚合物（14）反向布置以保证齿轮向同一方向转动，即所述的上驱动体布置的连接关系为未经过预压缩变形的形状记忆聚合物（17）接齿条（15），齿条接已经过预压缩变形的形状记忆聚合物（14）时，所述的下驱动体布置的连接关系为已经过预压缩变形的形状记忆聚合物（14）接齿条（15），齿条接未经过预压缩变形的形状记忆聚合物（17）；

两个左右对称布置的由换位中间体（1），形状记忆聚合物换位体组成的齿条换位组件；所述的未经过预压缩变形的形状记忆聚合物（17）和已经过预压缩变形的形状记忆聚合物（14）的另一端分别采用第二紧固件（16）与对应的换位中间体（1）相连；所述的形状记忆聚合物换位体由经过预压缩变形的形状记忆聚合物换位体（19）和未经过预压缩变形的形状记忆聚合物换位体（18）组成，它们的一端分别与对应的换位中间体（1）的一端相连，它们的另一端分别定位在壳体组件的定位槽中；

齿轮轴组件；

以及壳体组件；

所述的驱动组件、齿条换位组件和齿轮轴组件的主体均装在壳体组件内部。

2.根据权利要求1所述的旋转装置，其特征是所述的齿条换位组件中的经过预压缩变形的形状记忆聚合物换位体（19）和未经过预压缩变形的形状记忆聚合物换位体（18）采用粘结剂或焊接的方法连接在换位中间体（1）的两端，它们均为圆柱结构。

3.根据权利要求1所述的旋转装置，其特征是所述的齿轮轴组件由聚合物齿轮轴（3），轴承（4），轴承上端盖（5），密封圈（6），轴承挡圈（7）和轴承下端盖（8）组成，在聚合物齿轮轴（3）上从上至下依次安装轴承上端盖（5）、两个轴承（4）、轴承挡圈（7）和轴承下端盖（8），在轴承上端盖（5）中装有密封圈（6），而且聚合物齿轮轴（3）上端伸出壳体组件外。

4.根据权利要求1所述的旋转装置，其特征是所述的壳体组件由聚合物前壳体（9）和聚合物后壳体（13）组成，它们通过4组聚合物螺栓（10），聚合物垫圈（11）和聚合物螺母（12）连接在一起。

5.根据权利要求1所述的旋转装置，其特征是所述的驱动组件中的未经过预压缩变形的形状记忆聚合物（17）为长条板状结构，已经过预压缩变形的形状记忆聚合物（14）呈连续的V型结构。

6.根据权利要求1所述的旋转装置，其特征是所述的经过预压缩变形的形变量范围为5~99%。

7.根据权利要求1所述的旋转装置，其特征是所述的形状记忆聚合物为纯聚合物、聚合物泡沫或者聚合物复合材料中的一种或者多种组合。

8.根据权利要求7所述的旋转装置，其特征是所述的所述聚合物复合材料是由粉体或者纤维与纯聚合物共混复合所形成的复合材料，或者是聚合物与弹性材料分层复合而形成的复合材料。

9.根据权利要求1所述的旋转装置，其特征是所述的形状记忆聚合物的驱动方式为温度变化、磁场变化、光场变化、电场变化或浸泡溶液浓度变化中的一种或多种组合。

10.根据权利要求1所述的旋转装置，其特征是所述的所述的温度变化驱动方式采用电流热效应来实现，旋转装置的旋转角度通过控制变形部件内置的电阻丝的阻热效应来控制。

Images