CN104528471B - 一种恒张力电缆卷筒 - Google Patents
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Abstract
一种恒张力电缆卷筒，属于电缆保持装置领域，用于电缆的卷入和卷出，结构包括电缆卷筒和设置在电缆卷筒一端或两端的盘式弹簧，其关键在于：所述电缆卷筒为楔形卷筒，所述电缆固定在楔形卷筒的直径大的一端、成单层并排缠绕在楔形卷筒上，并借助盘式弹簧的配合形成电缆卷入和卷出时的恒张力结构。通过对电缆卷筒结构的改进配合同步位移机构使用，使电缆张力始终保持恒定，避免了电缆张力过大对可移动用电设备或通信设备产生的影响，消除了因电缆张力不足产生的下垂、打结现象，同时提高了电缆的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于电缆保持装置领域，涉及电缆卷筒，特别涉及一种保持电缆卷入卷出时电缆张力保持恒定的电缆卷筒。
背景技术
立体停车库中,在旋转平台上设置的平移小车用于承载汽车从停车库中的停车位进出，需要使用电缆为平移小车提供动力输入和通讯传输，为避免在平移小车运动过程中电缆出现缠绕或打结的现象，需使用电缆卷筒对电缆进行缠绕，用以保证在平移小车运动时电缆跟随平移小车同步伸缩。
现有技术中电缆卷筒的形状为盘状，中间缠绕电缆的部位是圆柱形，并在卷筒一侧或两侧装有盘式弹簧，盘式弹簧的一端与基座国定、另一端与卷盘固定，电缆在卷筒上成多层缠绕。在工作时，当平移小车带动电缆被拉出时，电缆引出端距卷筒中心的距离逐渐变小，盘式弹簧的压缩反弹力传递到电缆的拉力逐渐增加，因电缆张力是平移小车的负荷，易出现平移小车驱动力无法抵消过大的电缆张力而无法完成动作的问题，同时过大的电缆张力会使电缆的使用寿命降低；在电缆回收时，电缆引出端距卷筒中心的距离逐渐变大，盘式弹簧的恢复力传递到电缆的拉力逐渐减小，易出现过小的电缆张力产生电缆下垂或与旋转平台摩擦产生打结现象，影响平移小车的正常运动。因此电缆在回收状态和拉出状态出现的张力相差悬殊现象主要是由盘式弹簧力变化和电缆引出端直径变化对电缆张力的影响作用发生了正向叠加，使得电缆在不同工况下张力变化悬殊，影响了平移小车使用效果，降低了电缆使用寿命。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何在电缆卷入卷出时，保持电缆张力的恒定。
为解决上述技术问题，本发明提供一种恒张力电缆卷筒，通过对卷筒结构的改进，配合同步位移机构使用，使电缆张力始终保持恒定，避免了电缆张力过大对平移小车的影响，消除了因电缆张力不足产生的下垂、打结现象，同时提高了电缆的使用寿命。
本发明采用的技术方案：一种恒张力电缆卷筒，用于电缆的卷入和卷出，结构包括电缆卷筒和设置在电缆卷筒一端或两端的盘式弹簧，其关键在于：所述电缆卷筒为楔形卷筒，所述电缆的一端固定在楔形卷筒的直径大的一端、成单层并排缠绕在楔形卷筒上，自由端连接可移动的用电设备或通信设备，并借助盘式弹簧的配合形成电缆卷入和卷出时的恒张力结构；
楔形卷筒的小端半径为 、大端半径为、所卷取电缆半径为、可卷入电缆的最大圈数为M，电缆全部收回时盘式弹簧初始扭矩为，盘式弹簧的弹性系数为K，、与M满足以下条件：
。
进一步：楔形卷筒外表面设有用于限位电缆缠绕的螺旋状凹槽。
凹槽的直径与电缆直径相等、深度与电缆直径的比值0.2～0.5。
在楔形卷筒外部设有与卷筒外表面相匹配的挡板。
挡板与凹槽底部之间的距离与电缆直径的比值1.2～1.5。
恒张力电缆卷筒结构中还包括与楔形卷筒配合使用的同步位移机构、用于保持电缆进出位置不变。
楔形卷筒中心轴中空，所述同步位移机构包括设置在支架上的同步螺纹轴，楔形卷筒中心轴内设置与同步螺纹轴配合的螺纹；所述楔形卷筒套装在同步螺纹轴上。
同步螺纹轴设有与盘式弹簧中弹簧片端头配合的限位滑槽，弹簧片端头在限位滑槽内具有沿同步螺纹轴轴向的位移自由度。
同步螺纹轴的螺距与电缆直径相等。
设电缆被全部拉出时的张力为，电缆被全部收回时的张力为，如果=，则可实现电缆在卷入、卷出过程中电缆张力恒定。
楔形卷筒的结构对电缆产生的张力分析如下：
设楔形卷筒小端半径为、大端半径为、所卷取电缆半径为、可卷入电缆的最大圈数为M、楔形卷筒长度为L，盘式弹簧的弹性系数为K，电缆全部收回时盘式弹簧初始扭矩为；
根据力矩计算公式可知：当电缆被全部收回时，电缆产生的力矩与盘式弹簧的初始扭矩相等，即：，
其中，是矢量力，+是从卷筒中心到矢量力作用点的距离，既矢量距离；
当电缆被全部拉出时，电缆产生的力矩与盘式弹簧的初始扭矩加上形变扭矩相等，即：，
其中，是矢量力，+是从卷筒中心到矢量力作用点的距离，既矢量距离；
因=，根据上述的两个等式可得出参数、与M之间的关系式：
，
忽略电缆半径进一步简化关系式可得出：楔形卷筒的半径变化量=，从中可看出电缆缠绕楔形卷筒时的卷筒半径变化量与盘式弹簧产生的压缩扭矩或释放扭矩成正比，因此只要满足楔形卷筒缠绕电缆的半径变化量与盘式弹簧产生扭矩成正比关系，缠绕楔形卷筒的电缆张力就可以保持始终恒定；
楔形卷筒中结构参数与L构成直角三角形的直边，而构成直角三角形的直边斜边，根据勾股定理，可得出参数、、M与L之间的关系式：
,
因此，楔形卷筒的结构参数、、L与M的关系满足下述两个关系式：
、
，楔形卷筒的形状结构尺寸就可以确定了。
本发明产生的有益效果：（1）改进后的楔形卷筒结构实现了在电缆卷入或卷出时电缆张力恒定，避免了因过大的电缆张力对可移动用电设备或通信设备驱动力产生的影响，消除了过小的电缆张力造成的电缆下垂、打结现象，同时提高了电缆的使用寿命；（2）挡板和螺旋状凹槽的设置，实现了电缆在卷入或卷出时始终在楔形卷筒上保持单层并排缠绕；（3）同步位移机构的设置可使与可移动用电设备或通信设备连接的电缆在卷入或卷出时保持水平位置不变，避免了因电缆进出方向倾斜而使电缆产生分力，进而使作用于可移动用电设备或通信设备的电缆张力产生变化，进一步保证了电缆对可移动用电设备或通信设备的拉力恒定，同时使电缆在楔形卷筒上保持单层并排缠绕。
附图说明
图1是本发明的电缆卷筒结构示意图；
图2是设置在同步位移机构上的电缆卷筒初始位置结构示意图；
图3是图2带有平移小车的中间过程俯视示意图；
图4是同步螺纹轴与盘式弹簧配合的示意图；
图5是本发明的楔形卷筒尺寸参数示意图；
附图中：1代表平移小车，2代表电缆，3代表卷筒，3-1代表支架，3-2代表盘式弹簧，3-2-1代表弹簧片，3-3代表凹槽，3-4代表挡板，4代表同步螺纹轴，4-1代表限位滑槽，代表卷筒小端半径，代表电缆半径，代表卷筒大端半径，L代表卷筒长度。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
参看附图1，楔形卷筒3设置在支架3-1上具有旋转自由度，电缆2的一端固定在楔形卷筒3的直径大的一端、成单层并排缠绕在楔形卷筒3上，自由端连接可移动的用电设备或通信设备，本例中，连接平移小车1，参看图3；楔形卷筒3一端或两端装有盘式弹簧3-2，在卷楔形筒3外表面设置的螺旋状凹槽3-3与借助支撑架设置在支架3-1上、与楔形卷筒3外表面匹配的挡板3-4之间的配合有助于实现电缆2在卷入或卷出时始终成单层并排缠绕在楔形卷筒3上，其中凹槽3-3的直径与电缆2直径相等、深度与电缆2直径的比值为0.5，挡板3-4与凹槽3-3底部之间的距离与电缆2直径的比值为1.2；当电缆2被从楔形卷筒3拉出时，盘式弹簧3-2在楔形卷筒3带动下一同转动并产生形变，并对楔形卷筒3产生反向的作用力；当电缆2被楔形卷筒3收回时，楔形卷筒3在盘式弹簧3-2恢复力的作用下反向旋转，并在螺旋状凹槽3-3和挡板3-4的辅助作用下，使电缆2回卷在楔形卷筒3上。
参看附图5，楔形卷筒3的结构按下述方法确定：
楔形卷筒3的小端半径为、大端半径为、所卷取电缆2半径为、可卷入电缆2的最大圈数为M，电缆2全部收回时盘式弹簧3-2初始扭矩为，盘式弹簧3-2的弹性系数为K，、与M满足以下条件：
。
在实际设计中要考虑楔形卷筒3的结构参数所形成的直角三角形之间的关系：直角三角形斜边大于直角三角形的直边,即>，
再根据参数、与M之间的关系式：，可得出，
再将再代入>中，可得出与的关系式：。
以上只考虑了一种情况，在实际设计中，满足的参数组很多，在选取时，要符合三角形的基本条件及现场条件。
楔形卷筒3结构参数的具体实施例：首先确定楔形卷筒3的小端半径=20，盘式弹簧3-2初始扭矩和弹性系数为常量，本例中=42,K=5，从，确定电缆2半径=2，根据电缆长度得出M=12，由于楔形卷筒3的大端半径没有确定，这里的缠绕圈数只是一个根据经验的大概值，从可得出楔形卷筒3的大端半径=50；
再从可得出楔形卷筒3的长度L=；楔形卷筒3的形状尺寸、和L的数值确定了。
确定楔形卷筒3的两个半径和长度后，可以计算出实际的电缆2长度。如果计算出的电缆2长度和实际需要的长度相差较大，可以调整M的值，进一步优化参数，直至满足要求。
参看附图2，恒张力电缆卷筒结构中还包括与楔形卷筒3配合使用的同步位移机构、用于保持电缆2进出位置不变。所述楔形卷筒3中心轴中空，同步位移机构包括设置在支架3-1上的同步螺纹轴4，楔形卷筒3中心轴内设置与同步螺纹轴4配合的螺纹；所述楔形卷筒3套装在同步螺纹轴4上。
参看附图3，平移小车1连接盘在楔形卷筒3上的电缆2，楔形卷筒3借助螺纹配合安装在同步螺纹轴4上，同步螺纹轴4安装在支架3-1上，同步螺纹轴4的螺距与电缆2直径相等；当电缆2卷入或卷出时，电缆2每在楔形卷筒3上缠绕或退一圈，电缆2的进出位置在楔形卷筒3上前进或后退电缆2的直径距离，要保持电缆2的进出位置不变，就必须使楔形卷筒3整体前进或后退与电缆直径相等的距离，即楔形卷筒3在垂直于电缆2进出方向上位移量等于电缆2卷入或卷出时的圈数乘以电缆2的直径。
参看附图4，同步螺纹轴4设有与盘式弹簧3-2中弹簧片3-2-1端头配合的限位滑槽4-1，弹簧片3-2-1端头在限位滑槽4-1内具有沿同步螺纹轴4轴向的位移自由度。盘式弹簧3-2中弹簧片3-2-1端头限位在限位滑槽4-1内，并与楔形卷筒3同步在限位滑槽4-1内移动，有助于保证在楔形卷筒3在转动时弹簧片3-2-1发生形变，避免了在楔形卷筒3沿同步螺纹轴4平移时盘式弹簧3-2因位移产生弹簧片3-2-1形变失效的问题。
在具体实施时，当电缆2被拉出楔形卷筒3时，由于电缆2的进出位置是由在楔形卷筒3上缠绕位置决定的，因此电缆2在楔形卷筒3每退一圈，与此同时楔形卷筒3在同步螺纹轴4上前进电缆2直径距离，可保证电缆2的进出位置保持不变；当楔形卷筒3收回电缆2时，电缆2在楔形卷筒3每缠绕一圈，与此同时楔形卷筒3在同步螺纹轴4上后退电缆2直径距离，可保证电缆2的进出位置保持不变；同步位移机构的设置可使与平移小车1连接的电缆2在卷入或卷出时保持水平位置不变，避免了因电缆2进出方向倾斜而使电缆2产生分力，进而使作用于平移小车1的电缆2张力产生变化，进一步保证了电缆2对平移小车1的拉力恒定，同时使电缆2在楔形卷筒3上保持单层并排缠绕。
Claims (7)
1.一种恒张力电缆卷筒，用于电缆（2）的卷入和卷出，结构包括电缆卷筒和设置在电缆卷筒一端或两端的盘式弹簧（3-2），其特征在于：所述电缆卷筒为楔形卷筒（3），所述电缆（2）的一端固定在楔形卷筒（3）的直径大的一端、成单层并排缠绕在楔形卷筒（3）上，自由端连接可移动的用电设备或通信设备，并借助盘式弹簧（3-2）的配合形成电缆（2）卷入和卷出时的恒张力结构；
所述楔形卷筒（3）的小端半径为、大端半径为、所卷取电缆（2）半径为、可卷入电缆（2）的最大圈数为M，电缆（2）全部收回时盘式弹簧（3-2）初始扭矩为，盘式弹簧（3-2）的弹性系数为K，、与M满足以下条件：
；在楔形卷筒（3）外部设有与卷筒（3）外表面相匹配的挡板（3-4）；所述恒张力电缆卷筒结构中还包括与楔形卷筒（3）配合使用的同步位移机构、用于保持电缆（2）进出位置不变。
2.根据权利要求1所述的恒张力电缆卷筒，其特征在于：所述楔形卷筒（3）外表面设有用于限位电缆（2）缠绕的螺旋状凹槽（3-3）。
3.根据权利要求2所述的恒张力电缆卷筒，其特征在于：所述凹槽（3-3）的直径与电缆（2）直径相等、深度与电缆（2）直径的比值0.2～0.5。
4.根据权利要求1所述的恒张力电缆卷筒，其特征在于：所述挡板（3-4）与凹槽（3-3）底部之间的距离与电缆（2）直径的比值1～1.5。
5.根据权利要求1所述的恒张力电缆卷筒，其特征在于：所述楔形卷筒（3）中心轴中空，所述同步位移机构包括设置在支架（3-1）上的同步螺纹轴（4），楔形卷筒（3）中心轴内设置与同步螺纹轴（4）配合的螺纹；所述楔形卷筒（3）套装在同步螺纹轴（4）上。
6.根据权利要求5所述的恒张力电缆卷筒，其特征在于：所述同步螺纹轴（4）设有与盘式弹簧（3-2）中弹簧片（3-2-1）端头配合的限位滑槽（4-1），弹簧片（3-2-1）端头在限位滑槽（4-1）内具有沿同步螺纹轴（4）轴向的位移自由度。
7.根据权利要求5所述的恒张力电缆卷筒，其特征在于：所述同步螺纹轴（4）的螺距与电缆（2）直径相等。
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