CN104047955A - 一种紧凑型大转角范围柔性轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紧凑型大转角范围的柔性轴承，属于柔性轴承设计技术领域，该轴承包括结构相同的两个轴套，结构相同的两个轴瓦，以及三组弹簧片；其中，两个轴套的轴线重合，沿轴向方向间隔一段距离排列，两个轴瓦相对放置分别位于两个轴套内侧；每组弹簧片结构相同，由水平、垂直、水平依次排列的三片弹簧片组成，三片弹簧片沿轴套的轴向互不接触；第一轴套与第一轴瓦通过第一组弹簧片连接在一起；第一轴瓦与第二轴瓦通过第二组弹簧片连接在一起；第二轴瓦与第二轴套通过第三组弹簧片连接在一起。该轴承具有结构紧凑，体积小，方便与其他外部零件链接，方便批量生产，简化安装步骤，提高生产和装配效率等诸多优点。

Description

一种紧凑型大转角范围柔性轴承

技术领域

本发明属于柔性轴承设计技术领域，尤其是指一种结构紧凑、具有大转角范围的柔性轴承的结构设计。

背景技术

随着仪器设备对扭转定位要求的精度越来越高，柔性轴承以其无间隙、运动灵敏度高、分辨率高等特点，在精密定位领域得到了越来越广泛的应用，比如光源同步加速器、扫描仪器、摆镜、光盘或磁盘的读写磁头、测量传感器等。此外，柔性轴承利用柔性弹簧片的变形来实现相对运动，无需润滑、无机械摩擦，也不会卡死，故可以在真空、温差大、强辐射等恶劣条件下应用。

当前的柔性轴承大多采用缺口型设计，转动范围受到缺口大小的限制，转动范围一般不超过±30°，例如Richard Blythe等人发明的“Apparatus for scanning and area withan oscillatory scanning element”(美国专利：3479107)、Henry Troeger发明的“Methodof making an eccentric flexural pivot”(美国专利：3825992)、毕树生等人发明的“一种对称螺旋交叉簧片柔性轴承”(申请号：201310129882.7)等。这种缺口型结构的柔性轴承的转动范围限制了其在大转角实际需求中的应用，例如可展开机构的轴承运动范围一般要求大于90°，某些摆镜的转动范围要求大于60°等等。为了提高柔性轴承的运动范围，Andrew L.Bullard发明了“Multi-stage flexural pivot”(美国专利：US8556533B2)，这个发明设计了一个联接轴(coupler)，通过采用轴套-联接轴-轴套的多级串联方式，实现了两倍于普通缺口型柔性轴承的运动范围。并通过串联多个多级柔性轴承的方式，实现4倍(两个多级柔性轴承沿轴线方向串联)、6倍(三个多级柔性轴承沿轴线方向串联)于普通缺口型柔性轴承的转角范围等组合方式。

发明内容

本发明的目的是实现柔性轴承在大转角范围实际需求中的应用，提供一种紧凑型大转角范围的柔性轴承，该轴承具有结构紧凑，体积小，方便与其他外部零件链接，方便批量生产，简化安装步骤，提高生产和装配效率等诸多优点。

本发明提出的一种紧凑型大转角范围柔性轴承，其特征在于：该轴承包括结构相同的两个轴套，结构相同的两个轴瓦，以及三组弹簧片；其中，两个轴套的轴线重合，沿轴向方向间隔一段距离排列，两个轴瓦相对放置分别位于两个轴套内侧；每组弹簧片结构相同，由水平、垂直、水平依次排列的三片弹簧片组成，三片弹簧片沿轴套的轴向互不接触；第一轴套与第一轴瓦通过第一组弹簧片连接在一起；第一轴瓦与第二轴瓦通过第二组弹簧片连接在一起；第二轴瓦与第二轴套通过第三组弹簧片连接在一起。

所述轴套内侧壁可设有两个中部均开有凹槽的突棱，两个凹槽相互垂直，用于安装弹簧片；

所述轴瓦内侧开可有两个凹槽，两个凹槽相互垂直，用于安装弹簧片。

所述第一轴套与第一轴瓦通过第一组弹簧片连接在一起，具体可为，第一组弹簧片的第一水平弹簧片的一端插在第一轴瓦的水平凹槽中，另一端插在第一轴套的水平凹槽中；第一组弹簧片的垂直弹簧片的一端插入第一轴瓦的垂直凹槽中，另一端插入第一轴套的垂直凹槽中；第一组弹簧片的第二水平弹簧片一端插入第一轴瓦的水平凹槽中，另一端插入第一轴套的水平凹槽中；

所述第一轴瓦与第二轴瓦通过第二组弹簧片连接在一起，具体可为，第二组弹簧片的第一水平弹簧片的一端插入第一轴瓦的水平凹槽中，另一端插入第二轴瓦的水平凹槽中；第二组弹簧片的垂直弹簧片的一端插入第一轴瓦的垂直凹槽中，另一端插入第二轴瓦的垂直凹槽中；第二组弹簧片的第二水平弹簧片的一端插入第一轴瓦的水平凹槽中，另一端插入第二轴瓦的水平凹槽中；

第二轴瓦与第二轴套通过第三组弹簧片连接在一起；其中，第三组弹簧片的第一水平弹簧片的一端插第二轴套的水平凹槽中，另一端插入第二轴瓦的水平凹槽中；第三组弹簧片的垂直弹簧片的一端插入第二轴套的垂直凹槽中，另一端插入第二轴瓦垂直凹槽中；第三组弹簧片的第二水平弹簧片的一端插入第二轴套的水平凹槽中，另一端插入第二轴瓦的水平凹槽中。

所述两个轴套的突棱与轴套可一体成型或使用焊接将轴套与突棱固联。

所述轴套和轴瓦的凹槽可使用线切割加工。

所述轴套和轴套均可采用轴承钢、不锈钢、硬铝合金或者钛合金制成。

所有弹簧片可采用低碳钢、不锈钢或钛合金制成，厚度可在0.01mm～5mm之间。

本发明大转角范围柔性轴承的特点及优点在于：

本发明设计了两个分立式、相对安装的轴瓦，利用了三组弹簧片将两个轴套和两个轴瓦按照串联的方式连接在一起，实现了轴套、轴瓦转动之间的串联；突破了缺口型柔性轴承的转角范围限制，进而达到了同等体积下三倍于普通缺口型柔性轴承的运动范围，满足大转角范围的需求，其结构十分紧凑。

本发明柔性轴承采用多个轴套和轴瓦串联的布局方式，扩展了柔性轴承的转角范围。其转角范围是同等尺寸的缺口型柔性轴承的转角范围的三倍。

该轴承充分利用轴套内部的空间，结构紧凑，体积小，方便与其他外部零件链接。

该轴承的两个轴套完全一致，两个轴瓦也完全一致，弹簧片分为两组，方便批量生产。

采用卡槽式弹簧片安装方案，简化安装步骤，提高生产和装配的效率。

附图说明

图1是本发明整体结构图。

图2是本发明整体结构剖视图。

图3(a)是本发明轴套I与轴瓦I通过三个弹簧片连接在一起的爆炸图。

图3(b)是本发明轴套I与轴瓦I通过三个弹簧片连接在一起的装配图。

图4是本发明轴瓦I与轴瓦II通过三个弹簧片连接在一起的结构图。

图5(a)是本发明轴瓦II与轴套II通过三个弹簧片连接在一起的爆炸图。

图5(a)是本发明轴瓦II与轴套II通过三个弹簧片连接在一起的装配图。

具体实施方法

下面将结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明提出的一种紧凑型大转角范围柔性轴承，其特征在于：该轴承包括结构相同的两个轴套，结构相同的两个轴瓦，以及三组弹簧片；其中，两个轴套的轴线重合，沿轴向方向间隔一段距离排列，两个轴瓦相对放置分别位于两个轴套内侧；每组弹簧片结构相同，由水平、垂直、水平依次排列的三片弹簧片组成，三片弹簧片沿轴套的轴向互不接触；第一轴套与第一轴瓦通过第一组弹簧片连接在一起；第一轴瓦与第二轴瓦通过第二组弹簧片连接在一起；第二轴瓦与第二轴套通过第三组弹簧片连接在一起。

参见图1和图2所示，本发明的一种紧凑型大转角范围柔性轴承实施例有两个轴套，两个轴瓦，六片A型弹簧片，以及三片B型弹簧片。其中轴套I100、轴瓦I300、轴瓦II400、轴套II200，顺次通过三组弹簧片连接在一起，从而达到了轴套I100、轴瓦I300、轴瓦II400、轴套II200之间转角的串联，达到三倍于普通缺口型柔性轴承的运动范围。

所述轴套结构可参见图3(a)与图5(a),轴套I100与轴套II200结构一致。每个轴套为内侧壁设有两个中部均开有凹槽的突棱的圆柱壳，两个凹槽相互垂直，用于安装弹簧片。在本实施例中，轴套的外径为30mm，内径为27mm，沿轴线长度44mm。突棱高度2.5mm，宽度2mm，沿轴线长度与轴套整体长度一致。槽深1.5mm，沿轴线长度与突棱一致。

所述轴瓦结构可参见图3(a)与图5(a)，轴瓦I300、轴瓦II400结构一致。每个轴瓦为内侧开有两个凹槽的1/4圆柱壳，两个凹槽相互垂直，用于安装弹簧片。在本实施例中，轴瓦的外径为26mm，内径为22mm，沿轴线长度58mm。槽深1.5mm，沿轴线方向长度与轴瓦一致。

所述轴套I100、轴瓦I300、轴瓦II400、轴套II200的装配总体关系可参见图2。参见图3(b)，在本实施例中，以轴套I100为装配基准，轴瓦I300位于轴套I100内，中心线重合。轴瓦I300的左侧端面与轴套I100的左侧端面共面。参见图4，轴瓦II400与轴瓦I300相对安装，中心线重合，且沿轴向错开了32mm。参见图5(b)，轴套II200位于轴瓦II400外侧，中心线与轴瓦II400重合，右侧端面与轴瓦II200的右侧端面重合，此时轴瓦II200与轴瓦I300恰好沿轴向错开一段距离，在本实施例中为2mm。

所述A型弹簧片是指弹簧片510、弹簧片530、弹簧片610、弹簧片630、弹簧片710和AF弹簧片730，在本发明中所有A型弹簧片是相同的。其形状如图2～图5所示，其厚度一般为0.01mm～2mm。

所述B型弹簧片是指弹簧片520、弹簧片620和弹簧片720，在本发明中所有B型弹簧片是相同的。其形状如图2～图5所示，其厚度一般为0.01mm～2mm，B型弹簧片一般沿轴向方向宽于A型弹簧片，其沿径向方向的长度相等。例如本实施例中，A型弹簧片长度为25mm，宽度为10mm；B型弹簧片长度也为25mm，宽度为15mm。

本实施例中，两个轴套、两个轴瓦采用轴承钢、不锈钢、硬铝合金或者钛合金材料，两种类型的弹簧片均采用低碳钢、不锈钢或者钛合金材料。

两个轴套的突棱与轴套可一体成型或使用焊接将轴套与突棱固联。轴套和轴瓦的凹槽可使用线切割加工。

下面详细介绍各部件之间的装配关系。

(一)轴套I100与轴瓦I300装配关系

参见图3(a)与图3(b)，轴套I100与轴瓦I300通过第一组弹簧片连接在一起。第一组弹簧片包括弹簧片510、弹簧片520、弹簧片530。其中弹簧片510与弹簧片530平行。弹簧片520与弹簧片510、弹簧片530垂直且位于弹簧片510和弹簧片530之间。弹簧片510、弹簧片520与弹簧片530沿轴套的轴向错开，互不接触。弹簧片510的一端511与轴瓦I300的槽301连接，另一端512与轴套I100的槽102连接。弹簧片520的一端521与轴瓦I300的槽302连接，另一端522与轴套I100的槽101连接。弹簧片530的一端531与轴瓦I300的槽301连接，另一端532与轴套I100的槽102连接。所述的连接方式可以为胶粘、焊接等。

(二)轴瓦I300与轴瓦II400装配关系

参见图4，轴瓦I300与轴瓦II400通过第二组弹簧片连接在一起。第二组弹簧片包括弹簧片610、弹簧片620、弹簧片630。其中弹簧片610与弹簧片630平行。弹簧片620与弹簧片610、弹簧片630垂直且位于弹簧片610和弹簧片630之间。弹簧片610、弹簧片620与弹簧片630沿轴套的轴向错开，互不接触。弹簧片610的一端611与轴瓦I300的槽301连接，另一端612与轴瓦II400的槽402连接。弹簧片620的一端621与轴瓦I300的槽302连接，另一端622与轴瓦II400的槽401连接。弹簧片630的一端631与轴瓦I300的槽301连接，另一端632与轴瓦II400的槽402连接。所述的连接方式可以为胶粘、焊接等。

(三)轴瓦II400与轴套II200装配关系

参见图5(a)与图5(b)，轴瓦II400与轴套II200通过第三组弹簧片连接在一起。第三组弹簧片包括弹簧片710、弹簧片720、弹簧片730。其中弹簧片710与弹簧片730平行。弹簧片720与弹簧片710、弹簧片730垂直且位于弹簧片710和弹簧片730之间。弹簧片710、弹簧片720与弹簧片730沿轴套的轴向错开，互不接触。弹簧片710的一端711与轴套II200的槽201连接，另一端712与轴瓦II400的槽402连接。弹簧片720的一端721与轴套II200的槽202连接，另一端722与轴瓦II400的槽401连接。弹簧片730的一端731与轴套II200的槽201连接，另一端732与轴瓦II400的槽402连接。所述的连接方式可以为胶粘、焊接等。

本实施例采用分立式的轴瓦，使得轴套I100与轴套II200的相对运动范围是轴套I100相对于轴瓦I300的运动范围、轴瓦I300相对于轴瓦II400的运动范围与轴瓦II400相对于轴套II200的运动范围的总和，达到三倍于普通缺口型柔性轴承的转动范围。单个紧凑型大转角范围柔性轴承的转角范围一般能达到±90°～±120°。

采用多个大转角范围柔性轴承沿轴线方向串联，能够实现6倍(两个大转角范围柔性轴承沿轴线方向串联)、9倍(三个大转角范围柔性轴承沿轴线方向串联)于普通缺口型柔性轴承的转角范围等组合方式。

Claims (9)

1.一种紧凑型大转角范围柔性轴承，其特征在于：该轴承包括结构相同的两个轴套，结构相同的两个轴瓦，以及三组弹簧片；其中，两个轴套的轴线重合，沿轴向方向间隔一段距离排列，两个轴瓦相对放置分别位于两个轴套内侧；每组弹簧片结构相同，由水平、垂直、水平依次排列的三片弹簧片组成，三片弹簧片沿轴套的轴向互不接触；第一轴套与第一轴瓦通过第一组弹簧片连接在一起；第一轴瓦与第二轴瓦通过第二组弹簧片连接在一起；第二轴瓦与第二轴套通过第三组弹簧片连接在一起。 

2.根据权利要求1所述的紧凑型大转角范围的柔性轴承，其特征在于：所述轴套内侧壁设有两个中部均开有凹槽的突棱，两个凹槽相互垂直，用于安装弹簧片； 

所述轴瓦内侧开有两个凹槽，两个凹槽相互垂直，用于安装弹簧片。 

3.根据权利要求2所述的紧凑型大转角范围的柔性轴承，其特征在于：所述第一轴套与第一轴瓦通过第一组弹簧片连接在一起，具体为，第一组弹簧片的第一水平弹簧片的一端插在第一轴瓦的水平凹槽中，另一端插在第一轴套的水平凹槽中；第一组弹簧片的垂直弹簧片的一端插入第一轴瓦的垂直凹槽中，另一端插入第一轴套的垂直凹槽中；第一组弹簧片的第二水平弹簧片一端插入第一轴瓦的水平凹槽中，另一端插入第一轴套的水平凹槽中。 

4.根据权利要求2所述的紧凑型大转角范围的柔性轴承，其特征在于：所述第一轴瓦与第二轴瓦通过第二组弹簧片连接在一起，具体为，第二组弹簧片的第一水平弹簧片的一端插入第一轴瓦的水平凹槽中，另一端插入第二轴瓦的水平凹槽中；第二组弹簧片的垂直弹簧片的一端插入第一轴瓦的垂直凹槽中，另一端插入第二轴瓦的垂直凹槽中；第二组弹簧片的第二水平弹簧片的一端插入第一轴瓦的水平凹槽中，另一端插入第二轴瓦的水平凹槽中。 

5.根据权利要求2所述的紧凑型大转角范围的柔性轴承，其特征在于：第二轴瓦与第二轴套通过第三组弹簧片连接在一起；其中，第三组弹簧片的第一水平弹簧片的一端插第二轴套的水平凹槽中，另一端插入第二轴瓦的水平凹槽中；第三组弹簧片的垂直弹簧片的一端插入第二轴套的垂直凹槽中，另一端插入第二轴瓦垂直凹槽中；第三组弹簧片的第二水平弹簧片的一端插入第二轴套的水平凹槽中，另一端插入第二轴瓦的水平凹槽中。 

6.根据权利要求2所述的紧凑型大转角范围的柔性轴承，其特征在于：所述两个轴套的突棱与轴套一体成型或使用焊接将轴套与突棱固联。 

7.根据权利要求2所述的紧凑型大转角范围的柔性轴承，其特征在于：所述轴套和轴瓦的凹槽使用线切割加工。 

8.根据权利要求1至6任一项所述的紧凑型大转角范围柔性轴承，其特征在于：所述轴套和轴套均采用轴承钢、不锈钢、硬铝合金或者钛合金制成。 

9.根据权利要求1至6任一项所述的紧凑型大转角范围柔性轴承，其特征在于：所有弹簧片采用低碳钢、不锈钢或钛合金制成，厚度在0.01mm～5mm之间。