CN103629229A - 一种半环片环形均布的大柔度转动铰链 - Google Patents

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王念峰
梁晓合
许志杰
张宪民
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Abstract

本发明公开了一种半环片环形均布的大柔度转动铰链，包括一圆柱环形的固定部，与所述固定部同轴设置且位于同一平面的输入输出部，所述固定部与输入输出部之间相隔均匀地设置3-6个内径、外径和宽度均一致的半圆形弹簧片，所述弹簧片的一端与固定部的内壁内切连接，另一端与所述输入输出部的外壁内切连接，所述的输入输出部中心设置有十字形或花键形连接孔。本发明能获得大角度的二维转动输出，可根据具体工作环境改变弹簧片的结构尺寸和片数，得到适当的最大转角；采用弹簧片环形均布结构，提高了角度输出的稳定性，即增加了另两轴的转动刚度，降低了转动时轴心的漂移，结构简单，加工方便，可采用线切割机床一体化加工成型。

Description

一种半环片环形均布的大柔度转动铰链
技术领域
本发明涉及本发明是一种将力矩输入转换成角度输出的具有自回复功能的大柔度转动铰链，主要应用于精密传动和精密定位等仪器仪表中。
背景技术
柔性铰链是指在外部力或力矩的作用下，利用材料的弹性变形在相邻刚性杆之间产生相对运动的一种运动副结构形式，这与传统刚性运动副的结构有很大不同。对比于传统的刚性铰链(机构)，柔性铰链及柔性机构具有许多优点：（1）可一体化设计和加工，故可简化结构、减小体积和重量、免于装配；（2）无间隙和摩擦，可实现高精度运动；（3）免于磨损，提高寿命；（4）免于润滑，避免污染；（5）可增大结构刚度。
目前，常用的柔性转动铰链，绝大多数采用短臂型或缺口型铰链，少数采用直片型铰链，虽然他们在普通场合得到较好的应用，但转动角度小、应力集中等缺点限制了它们的应用范围。个别特殊转动铰链虽然提高了转动角度，但由于结构复杂加工困难，且转动角度增加的效果不够明显，以致难以得到推广。稳定的大转角输出一直都是柔性铰链的研究方向。随着加速度计、精密定位平台、陀螺仪等仪器仪表的升级优化，对相应柔性铰链的要求也不断提高。
发明内容
为了克服现有的柔性转动铰链转动角度小的不足, 此发明提供一种新型柔性铰链，该铰链能获得较大且稳定的转动输出。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种半环片环形均布的大柔度转动铰链，包括一圆柱环形的固定部，与所述固定部同轴设置且位于同一平面的输入输出部，所述固定部与输入输出部之间相隔均匀地设置3-6个内径、外径和宽度均一致的半圆形弹簧片，所述弹簧片的一端与固定部的内壁内切连接，另一端与所述输入输出部的外壁内切连接。
进一步地，所述的输入输出部中心设置有十字形或花键形连接孔。
半圆环形弹簧片呈环状平均分布，弹簧片的一端连接中间的输入输出部，另一端连接外围的固定部，连接方式为内切连接。当对中间输入输出部输入力矩时，弹簧片产生形变，输入输出部则得到相应的转角输出。
柔性铰链由柔性部分和刚性部分构成，柔性部分越长则能获得的形变量就越大。因此，本柔性转动铰链的柔性部分用半圆环形弹簧片替代直片形弹簧片，同时弹簧片和中间的输入输出部的连接方式改为内切连接，这样能再次增加柔性部分的长度。通过有限元分析可以知道，弹簧片与输入输出部分的连接点不同，对应的转动刚度和应力也不同。如果此转动铰链承受的力矩荷载一定，片数初定两片，当连接点不同时，弹簧片长度、厚度以及整个铰链的转动刚度、最大应力都随之改变。通过实验分析，在弹性极限内，弹簧片与输入输出部分内切连接时能获得最大的转角输出。由于仅有两片弹簧片的转动铰链的各个轴的平动刚度差别很大，这必将导致输出的不稳定，所以必须进行结构的优化。若弹簧片的总体积、力矩荷载一定，改变弹簧片的片数，即从两片递增到六片，同样采用内切连接方式，综合考虑它们的角度输出和稳定性，权重分别是0.4和0.6。稳定性的评价原则是：取各轴平动刚度的最低值作为评价基数，基数越大则稳定性越好。实验结果表明弹簧片数目为三时，对应铰链的评价指数最高；此时，该柔性转动铰链和直片型、缺口型铰链的最大转角分别是4.59°、2.71°和0.33°。当弹簧片总体积不定时，弹簧片数目取三至六皆可，等厚度时，数目多则更稳定，数目少则形变量更大。
本发明的有益效果是：
(1) 能获得大角度的二维转动输出，可根据具体工作环境改变弹簧片的结构尺寸和片数，得到适当的最大转角。
(2) 采用弹簧片环形均布结构，提高了角度输出的稳定性，即增加了另两轴的转动刚度，降低了转动时轴心的漂移。
(3) 与一些大柔度转动铰链相比，该铰链结构简单，加工方便，可采用线切割机床一体化加工成型。
附图说明
图1是本发明实施例1的半环片环形均布的大柔度转动铰链主视示意图。
图2是本发明实施例1的半环片环形均布的大柔度转动铰链立体示意图。
图3是本发明实施例2的半环片环形均布的大柔度转动铰链主视示意图。
图4是本发明实施例2的半环片环形均布的大柔度转动铰链立体示意图。
图5是本发明实施例3的半环片环形均布的大柔度转动铰链主视示意图。
图6是本发明实施例3的半环片环形均布的大柔度转动铰链立体示意图。
图7是本发明实施例4的半环片环形均布的大柔度转动铰链主视示意图。
图8是本发明实施例4的半环片环形均布的大柔度转动铰链立体示意图。
图1中：1.中间输入输出部分；2.半圆环形弹簧片；3.外围固定部分；4.内切连接部。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面用文字结合附图对本发明作进一步地描述。
实施例1
如图1及图2所示，在图1中，三片半圆环形弹簧片2的两端分别和输入输出部分1、固定部3内切连接于内切连接部4，具体为弹簧片2外径表面和输入输出部分1的外表面相切，弹簧片2内径表面和固定部3的内表面相切；弹簧片2内径表面和输入输出部1的外表面相交，和固定部分3内表面相交。输入输出部分1和固定部3的结构可视情况而定。每片弹簧片2的内径、外径和宽度均一致，这样可保证输出的稳定性，即获得转角输出同时尽可能减少输入输出部分的偏移。在图2中，相邻弹簧片2之间的夹角都为120°，即均匀分布在输入输出部1的周围。提供力矩输入和反映转角输出的器件则通过十字孔或花键孔安装在输入输出部1。
在图2中，中间输入输出部分1可以得到绕z轴的转动输出。该结构限制了绕x和y轴的转动，保证了绕z轴转动输出的稳定性。
整个铰链可采用一体化加工，也可分别加工外围的固定部3、输入输出部1和弹簧片2，再进行装配，各个部件之间可以通过螺栓连接固定。 
实施例2
实施例2与实施例1的区别在于：均匀分布的四片半圆环形弹簧片2的两端分别和输入输出部1、固定部3内切连接于内切连接部4，即各相邻弹簧片2之间的角度分别为90°。
实施例3
实施例3与实施例1的区别在于：均匀分布的五片半圆环形弹簧片2的两端分别和输入输出部1、固定部3内切连接于内切连接部4，即各相邻弹簧片2之间的角度分别为72°。
实施例4
实施例4与实施例1的区别在于：均匀分布的六片半圆环形弹簧片2的两端分别和输入输出部1、固定部3内切连接于内切连接部4，即各相邻弹簧片2之间的角度分别为60°。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种半环片环形均布的大柔度转动铰链，其特征在于：包括一圆柱环形的固定部(3)，与所述固定部(3)同轴设置且位于同一平面的输入输出部(1)，所述固定部(3)与输入输出部(1)之间相隔均匀地设置3-6个内径、外径和宽度均一致的半圆形弹簧片(2)，所述弹簧片(2)的一端与固定部(3)的内壁内切连接，另一端与所述输入输出部(1)的外壁内切连接。
2.根据权利要求1所述的半环片环形均布的大柔度转动铰链，其特征在于：所述的输入输出部(1)中心设置有十字形或花键形连接孔。
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