CN103775538B - 一种双向棘轮 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双向棘轮，属于机械制造领域。棘轮外圈、棘轮内圈和凸轮机构同轴安装，棘轮外圈和棘轮内圈共轴线、通过滚珠转动连接，棘轮内圈外缘均匀连接n个棘齿机构，n=2～20，凸轮机构与棘轮内圈转动连接，各棘齿机构中的圆弧形棘齿相对棘轮外圈的棘齿槽伸缩。本发明具有结构简单，易于操作，适应能力强，棘齿伸缩精度高的特点，可通过人工或电机自动控制迅速转换，实现两轴的顺逆双向棘轮间歇运动，还能够实现两轴的同心自由滚动，各档位切换便捷自然，在不同电机切换驱动，扳手，特技自行车等领域具有很好应用效果，在电机保护等方面也有重要应用意义。

Description

一种双向棘轮

技术领域

本发明属于机械制造领域。

背景技术

棘轮机构能实现间歇送进、制动和超越等，单向棘轮只有一种工作状态，限制了产品功能，双向棘轮可实现两个方向的棘轮功能，对于工程机器人行进驱动轴的切换、扳手、机床回转工作台、千斤顶、双向对称自行车和特技自行车等都具有重要意义。目前双向棘轮结构采用两套棘轮相反安装，制造过程繁琐，转换不方便。另外其他双C型弹簧交替控制棘齿收缩的方案中，只实现棘齿顺逆两个位置的转换，当两个轴处于相对自由滚动时便无法实现，并且棘齿伸收控制精度较低，C型弹簧不容易固定，容易发生弹簧侧移等现象。各种扳手所用棘轮随意性大，转动中无法完成转换，不便用在其他设备上。

发明内容

本发明提供一种双向棘轮，以解决目前双向棘轮存在的制造过程繁琐，转换不方便的问题。

本发明采取的技术方案是：棘轮外圈、棘轮内圈和凸轮机构同轴安装，棘轮外圈和棘轮内圈共轴线、通过滚珠转动连接，棘轮内圈外缘均匀连接n个棘齿机构，n=2～20，凸轮机构与棘轮内圈转动连接，各棘齿机构中的圆弧形棘齿相对棘轮外圈的棘齿槽伸缩；

所述棘轮内圈的端盖一与棘轮内圈轮毂螺纹连接，棘轮内圈的端盖二和棘轮内圈轮毂通过挡圈连接，挡圈和棘轮内圈轮毂通过螺纹连接，圆弧形棘齿一端通过螺栓杆一连接到棘轮内圈轮毂上，该圆弧形棘齿另一端以螺栓杆一中心线为轴线自由旋转，在该圆弧形棘齿所对应的棘轮内圈轮毂上开一个小圆柱通孔，该通孔轴线同棘轮内圈轮毂在此处切线相互垂直；

所述凸轮机构结构是，内凸轮盖和外凸轮盖相互贴合并通过螺栓杆固定连接成完整凸轮，并形成凸轮槽；

所述棘齿机构结构是，弹簧穿过棘轮内圈轮毂上的小圆柱通孔与圆弧形棘齿固定连接，该弹簧同推杆的圆柱形端连接，该推杆在靠近凸轮的一端是宽度和凸轮槽相同的方形端，该推杆的方形端通过螺栓杆二和滚轮连接，该滚轮的旋转平面同凸轮端面平行，该滚轮与凸轮槽滚动连接，推杆轴线垂直于过滚轮和凸轮接触直线的凸轮切面，该推杆和弹簧在棘轮内圈轮毂上的小圆柱通孔中沿着该通孔轴线自由伸缩。

本发明一种实施方式是，棘轮内圈外缘均匀连接个棘齿机构。

本发明一种实施方式是，还包括手动机构，其结构是：操作柄与棘轮内圈轮毂固定连接，两个中心对称的圆弧状弹簧片分别通过螺栓固定在挡圈内圈上，该圆弧状弹簧片同挡圈内圈共中心线且紧密贴合，外凸轮盖的外侧固定连接正3n边形档位环，各圆弧状弹簧片前段同外凸轮盖外侧的正3n边形档位环紧密平行贴合。

本发明一种实施方式是，还包括电动机构，其结构是：电机通过支架与棘轮内圈轮毂固定连接，小齿轮与该电机输出轴固定连接，大齿轮与外凸轮盖的外侧固定连接，该小齿轮与该大齿轮啮合连接。

本发明提供一种双向棘轮机构。可以实现两连接轴的顺时针方向，逆时针方向的棘轮效果，同时还可以实现两轴的共轴线自由滚动。具有结构简单，易于操作，适应能力强，棘齿伸缩精度高的特点，可通过人工或电机自动控制迅速转换，实现两轴的顺逆双向棘轮间歇运动，还能够实现两轴的同心自由滚动，各档位切换便捷自然，在不同电机切换驱动，扳手，特技自行车等领域具有很好应用效果，在电机保护等方面也有重要应用意义。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，且为手动方式；

图2是本发明内外圈配合的结构示意图；

图3是本发明内外圈连接局部剖视图；

图4是本发明电控方式的结构示意图，图中还包括了本发明在使用时用于连接的两个轴，来表示使用状态；

图5是本发明凸轮轮廓设计示意图，图中是以4个棘齿机构为例说明，图中A.Ⅰ档滚轮对应位置，B.Ⅱ档滚轮对应位置,C.Ⅲ档滚轮对应位置,D.凸轮设计曲线,E.实际凸轮曲线；

图6是各组推杆和凸轮接触点相对凸轮轴线的理论位置曲线图，图中实线表示：一组棘齿所连推杆与凸轮接触点相对凸轮轴线的位置曲线；图中虚线表示：另一组棘齿所连推杆与凸轮接触点相对凸轮轴线的位置曲线。

具体实施方式

棘轮外圈1、棘轮内圈2和凸轮机构3同轴安装，棘轮外圈1和棘轮内圈2共轴线、通过滚珠5转动连接，棘轮内圈2外缘均匀连接n个棘齿机构4，n=2～20，凸轮机构3与棘轮内圈2转动连接，各棘齿机构中的圆弧形棘齿401相对棘轮外圈1的棘齿槽101伸缩；

所述棘轮内圈2的端盖一204与棘轮内圈轮毂203螺纹连接，棘轮内圈的端盖二205和棘轮内圈轮毂203通过挡圈202连接，挡圈202和棘轮内圈轮毂203通过螺纹连接，圆弧形棘齿401一端通过螺栓杆一201连接到棘轮内圈轮毂203上，该圆弧形棘齿401另一端以螺栓杆一201中心线为轴线自由旋转，在该圆弧形棘齿401所对应的棘轮内圈轮毂203上开一个小圆柱通孔，该通孔轴线同棘轮内圈轮毂203在此处切线相互垂直；

所述凸轮机构3结构是，内凸轮盖302和外凸轮盖304相互贴合并通过螺栓杆301固定连接成完整凸轮，并形成凸轮槽303；

所述棘齿机构4结构是，弹簧402穿过棘轮内圈轮毂203上的小圆柱通孔与圆弧形棘齿401固定连接，该弹簧402同推杆403的圆柱形端连接，该推杆在靠近凸轮的一端是宽度和凸轮槽303相同的方形端，该推杆403的方形端通过螺栓杆二404和滚轮405连接，该滚轮405的旋转平面同凸轮端面平行，该滚轮405与凸轮槽303滚动连接，推杆403轴线垂直于过滚轮和凸轮接触直线的凸轮切面，该推杆403和弹簧402在棘轮内圈轮毂203上的小圆柱通孔中沿着该通孔轴线自由伸缩。

本发明一种实施方式是，棘轮内圈2外缘均匀连接4个棘齿机构。

凸轮设计原理：为了在凸轮旋转过程中减小凸轮和推杆之间的摩擦，降低磨损，故采用滚轮推杆。推杆行程与棘齿伸缩近似长度相同为h，即凸轮最高位和最低位半径差为h。由于四个推杆360度均匀布置，每个档位中各推杆处于一个固定位置，即任一推杆每两个档位间的切换需旋转30度。三个档位要求一组两个相对棘齿伸出，另一组两个相对棘齿收缩，或是一组两个相对棘齿收缩，另一组两个相对棘齿伸出，或是所有棘齿全部收缩。

如图5所示，若推杆滚轮处在Ⅱ档对应位置B，凸轮逆时针旋转30度，推杆滚轮转到Ⅰ档对应位置A，推杆上升h，凸轮再逆时针旋转30度，推杆滚轮转到Ⅲ档对应位置C，推杆下降h。凸轮和各组推杆接触点相对凸轮轴线的理论半径随凸轮旋转的变化如图6所示。

（1）先确定凸轮的基本尺寸

初步确定凸轮的基圆半径为r₀，推杆滚轮半径为r_r，对推程运动规律可选用正弦加速度运动规律，回程运动规律可选用五次多项式运动规律。

（2）求理论廓线

对于对心直线滚轮推杆盘形凸轮机构，凸轮的理论廓线的坐标可令e=0，s₀=r₀，得

x=（r₀+s）sinδ，y=（r₀+s）cosδ

式中，位移s应分段计算

1）推程阶段δ₀₁=π/6

s₁=h[(δ₁/δ₀₁)-sin(2πδ₁/δ₀₁)/2π]=h[6δ₁/π-sin(12δ₁)/(2π)]δ₁=[0,π/6]

2)最高位s₂=h

3)回程阶段δ₀₃=π/6

δ₀₃=10hδ₃ ³/δ₀₃ ³-15hδ₃ ⁴/δ₀₃ ⁴+6hδ₃ ⁵/δ₀₃ ⁵=2160hδ₃ ³/π³-19440hδ₃ ⁴/π⁴+46656hδ₃ ⁵/π⁵δ₃=[0,π/6]

4)最低位s₄=0

（3）求工作轮廓线

由工作轮廓线为内等距轮廓线，x′=x-r_rcosθ，y′=y-r_rsinθ

其中：sinθ=（dx/dδ）/[（dx/dδ）²+（dy/dδ）²]^1/2

cosθ=-（dy/dδ）/[（dx/dδ）²+（dy/dδ）²]^1/2

1）推程阶段δ₀₁=π/6

dx/dδ=（ds/dδ）sinδ₁+（r₀+s）cosδ₁={6h/π[1-cos(12δ₁)]}sinδ₁+（r₀+s）cosδ₁

dy/dδ=（ds/dδ）cosδ₁-（r₀+s）sinδ₁={6h/π[1-cos(12δ₁)]}cosδ₁+（r₀+s）sinδ₁

2）回程阶段δ₀₃=π/6

dx/dδ=（ds/dδ）sin（δ₃+π）+（r₀+s）cos（δ₃+π）

=[6480hδ₃ ²/π³-77760hδ₃ ³/π⁴+233280hδ₃ ⁴/π⁵]sin（δ₃+π）+（r₀+s）cos（δ₃+π）dy/dδ=（ds/dδ）cos（δ₃+π）-（r₀+s）sin（δ₃+π）

=[6480hδ₃ ²/π³-77760hδ₃ ³/π⁴+233280hδ₃ ⁴/π⁵]cos（δ₃+π）-（r₀+s）sin（δ₃+π）

其他各推杆对应凸轮曲线同理可得，计算得凸轮轮廓曲线如图5所示，当凸轮旋转时推杆在凸轮的推动下实现预期的运动。

本发明一种实施方式是，还包括手动机构，其结构是：操作柄601与棘轮内圈轮毂203固定连接，两个中心对称的圆弧状弹簧片602分别通过螺栓603固定在挡圈202内圈上，该圆弧状弹簧片602同挡圈202内圈共中心线且紧密贴合，外凸轮盖304的外侧固定连接正3n边形档位环604，各圆弧状弹簧片602前段同外凸轮盖304外侧的正3n边形档位环604紧密平行贴合。

本发明一种实施方式是，还包括电动机构，其结构是：电机701通过支架与棘轮内圈轮毂203固定连接，小齿轮702与该电机输出轴固定连接，大齿轮703与外凸轮盖304的外侧固定连接，该小齿轮与该大齿轮啮合连接。

工作原理：当棘轮机构安装在便于手工操作的场合，操作柄601停留在某一档位，设为图2所示档位(Ⅰ档位），上下两个棘齿处于伸出状态，左右两个棘齿处于缩进状态，此时，可实现棘轮内圈连接轴带动外圈连接轴的顺时针方向转动，当内圈连接轴逆时针方向转动时，外圈连接轴处于静止状态。还可实现外圈连接轴带动内圈连接轴的逆时针方向转动，当外圈连接轴顺时针方向转动时，伸出棘齿被外圈压回内圈轮毂203处，内圈连接轴处于静止状态。

若操作柄601带动凸轮顺时针旋转一个位置（即弹簧片约束下的30度），左右两个棘齿处于伸出状态（Ⅱ档位），上下两个棘齿处于缩进状态，可实现内圈连接轴带动外圈连接轴的逆时针方向转动，当内圈连接轴顺时针方向转动时，外圈连接轴处于静止状态。还可实现外圈连接轴带动内圈连接轴的顺时针方向转动，当外圈连接轴逆时针方向转动时，伸出棘齿被外圈压回内圈轮毂203处，内圈连接轴处于静止状态。

若操作柄601带动凸轮逆时针旋转一个位置（即弹簧片约束下的30度），各棘齿全部处于缩进状态（Ⅲ档位），可实现内圈连接轴和外圈连接轴处于相对共轴线自由旋转状态。

本发明电动操作的原理同上述手动方式相同。

Claims (4)

1.一种双向棘轮，其特征在于：棘轮外圈、棘轮内圈和凸轮机构同轴安装，棘轮外圈和棘轮内圈共轴线、通过滚珠转动连接，棘轮内圈外缘均匀连接n个棘齿机构，n=2～20，凸轮机构与棘轮内圈转动连接，各棘齿机构中的圆弧形棘齿相对棘轮外圈的棘齿槽伸缩；

所述棘轮内圈的端盖一与棘轮内圈轮毂螺纹连接，棘轮内圈的端盖二和棘轮内圈轮毂通过挡圈连接，挡圈和棘轮内圈轮毂通过螺纹连接，圆弧形棘齿一端通过螺栓杆一连接到棘轮内圈轮毂上，该圆弧形棘齿另一端以螺栓杆一中心线为轴线自由旋转，在该圆弧形棘齿所对应的棘轮内圈轮毂上开一个小圆柱通孔，该通孔轴线同棘轮内圈轮毂在此处切线相互垂直；

所述凸轮机构结构是，内凸轮盖和外凸轮盖相互贴合并通过螺栓杆固定连接成完整凸轮，并形成凸轮槽；

所述棘齿机构结构是，弹簧穿过棘轮内圈轮毂上的小圆柱通孔与圆弧形棘齿固定连接，该弹簧同推杆的圆柱形端连接，该推杆在靠近凸轮的一端是宽度和凸轮槽相同的方形端，该推杆的方形端通过螺栓杆二和滚轮连接，该滚轮的旋转平面同凸轮端面平行，该滚轮与凸轮槽滚动连接，推杆轴线垂直于过滚轮和凸轮接触直线的凸轮切面，该推杆和弹簧在棘轮内圈轮毂上的小圆柱通孔中沿着该通孔轴线自由伸缩。

2.根据权利要求1所述的一种双向棘轮，其特征在于：棘轮内圈外缘均匀连接4个棘齿机构。

3.根据权利要求1或2所述的一种双向棘轮，其特征在于：还包括手动机构，其结构是：操作柄与棘轮内圈轮毂固定连接，两个中心对称的圆弧状弹簧片分别通过螺栓固定在挡圈内圈上，该圆弧状弹簧片同挡圈内圈共中心线且紧密贴合，外凸轮盖的外侧固定连接正3n边形档位环，各圆弧状弹簧片前段同外凸轮盖外侧的正3n边形档位环紧密平行贴合。

4.根据权利要求1或2所述的一种双向棘轮，其特征在于：还包括电动机构，其结构是：电机通过支架与棘轮内圈轮毂固定连接，小齿轮与该电机输出轴固定连接，大齿轮与外凸轮盖的外侧固定连接，该小齿轮与该大齿轮啮合连接。