CN104913018A - 一种具有缓冲耗能功能的驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有缓冲耗能功能的驱动装置，包括互相连接的高速级部分、缓冲耗能部分及低速级部分。其中，电机M1依次与第一齿轮副、第二齿轮副、单向传动机构、第一NGW行星轮系串联组成高速级部分；第三齿轮副、弹簧机构、第四齿轮副、NGW行星差动轮系与阻尼器组成缓冲耗能部分；第二NGW行星轮系与第五齿轮副组成低速级部分。该装置正传动（从电机到末端）时低速级起减速作用，逆传动（从末端至弹簧机构）时低速级起增速作用。该装置具有低转速大扭矩输出功能、过载保护功能、逆向传动卡滞功能、逆向传动缓冲耗能功能，并且具有小型化、轻量化、高效率、高可靠性的特点。

Description

一种具有缓冲耗能功能的驱动装置

技术领域

本发明涉及一种驱动装置，特别涉及一种具有缓冲耗能功能的驱动装置。

背景技术

我国载人航天工程分三步走：出舱活动、交会对接、空间站，其中第三步组建长期在轨空间站。由于受到运能能力问题，大型长期在轨空间站需完成在轨组件，组件过程由空间机械臂完成；另外空间站在轨运作过程中，需完成大量舱外活动，舱外活动大多需由机械臂完成。空间机械臂按照控制方式分为：闭环控制机械臂与开环控制机械臂，其中闭环控制机械臂主要有加拿大机械臂、欧空局机械臂等，开环控制机械臂主要有“和平号”转位机构等。相比闭环控制机械臂，开环控制机械臂可靠性高，动作时序简单等特点，适用于末端载荷大、动作路径简单明确的工况。由于受到空间机械臂末端载荷惯量影响，开环控制空间机械臂关节驱动装置需具备低转速大扭矩输出、过载保护、缓冲制动功能。

现有的驱动装置不能良好地满足开环控制机械臂的正向传动、逆向缓冲的需求，从而不能有效地驱动某空间机械臂完成空间站各舱段在轨组建。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有缓冲耗能功能的驱动装置，以解决现有的驱动装置不能良好地满足开环控制机械臂的正向传动、逆向缓冲的需求的问题。

本发明的第二目的在于提供一种具有缓冲耗能功能的驱动装置，以实现开环控制机械臂的驱动装置具有低转速大扭矩输出功能、过载保护功能、逆向传动卡滞功能及逆向传动缓冲耗能功能。

为实现上述目的，本发明提供了一种具有缓冲耗能功能的驱动装置，包括高速级部分、缓冲耗能部分及低速级部分；

高速级部分包括依次相连的电机、第一齿轮副、第二齿轮副、单向传动机构、第一NGW行星轮系；

缓冲耗能部分包括第三齿轮副、弹簧机构、第四齿轮副、NGW星型差动轮系及阻尼器，其中，所述第一NGW行星轮系的输出端分别与所述第三齿轮副及弹簧机构的输入端相连，所述第三齿轮副的输出端与所述NGW星型差动轮系的行星架输入端相连，所述弹簧机构的输出端与所述第四齿轮副的输入端相连，所述第四齿轮副的输出端与所述NGW星型差动轮系的内齿圈输入端相连，所述NGW星型差动轮系的太阳轮输出端与所述阻尼器相连，第三齿轮副与第四齿轮副的传动比互为倒数，所述弹簧机构为涡卷弹簧且具有一初始力矩；

低速级部分包括互相连接的第二NGW行星轮系与第五齿轮副，其中，所述弹簧机构的输出端还与所述第二NGW行星轮系的输入端相连，所述第二NGW行星轮系的输出端与所述第五齿轮副的输入端相连，所述第五齿轮副的输出端与输出轴相连。

较佳地，所述单向传动机构为棘轮棘爪式传动装置、摩擦式传动装置或钢球式传动机构中的任意一种。

较佳地，所述阻尼器为无源永磁式阻尼器或电磁式阻尼器。

较佳地，当所述弹簧机构的正传动末端过载且所述弹簧机构的传递力矩超过所述初始力矩时，所述弹簧机构正向上紧，所述NGW星型差动轮系的内齿圈固定，所述弹簧机构的输出力矩通过所述NGW星型差动轮系的行星架输入，所述NGW星型差动轮系的太阳轮输出端带动阻尼器运动进行过载保护。

较佳地，当所述输出轴的末端承受逆向载荷，且弹簧机构的传递力矩小于所述初始力矩时，所述弹簧机构作为联轴器使得所述逆向载荷以此经过所述第五齿轮副、第二NGW行星轮系、弹簧机构、第一NGW行星轮系后传递到单向传递机构卡滞。

较佳地，当所述输出轴的末端承受逆向载荷，且弹簧机构的传递力矩超过所述初始力矩时，弹簧机构作为缓冲装置且其输入端传动链由所述单向传动机构卡滞；

所述第三齿轮副控制所述NGW星型差动轮系的行星架固定不动，所述第四齿轮副带动所述NGW星型差动轮系的内齿圈运动，所述NGW星型差动轮系的太阳轮输出端带动阻尼器运动进行能量消耗。

本发明所提供的具有缓冲耗能功能的驱动装置实现了如下的技术效果：

1、通过采用多级直齿、行星轮系串联使用，具备低转速大扭矩输出功能，实现了传动链高效率与大传动比。

2、通过采用单向传动机构，能够实现正向（顺、逆时针旋转）传动流畅、逆向（顺、逆时针旋转）传动卡滞；

3、通过内部采用具有一定初始力矩的弹簧机构，实现一定力矩的正、逆向传动，同时能够实现大载荷（大于初始力矩）的缓冲传动；

4、内部采用NGW行星差动轮系，通过行星架与内齿圈输入，太阳轮输出。两路输入前的齿轮副传动比互为倒数，实现正向传动时太阳轮无输出，逆向缓冲传动时，太阳轮高速输出。

5、通过行星差动轮系与阻尼器连接，实现正向传动高效率输出，逆向传动耗能制动功能。

6、本发明的一种具有缓冲耗能功能的驱动装置具有小型化、轻量化、高效率、高可靠性的特点。

附图说明

图1为本发明实施例的具有缓冲耗能功能的驱动装置的原理图；

图2为本发明实施例的具有缓冲耗能功能的驱动装置正向传动原理图；

图3为本发明实施例的具有缓冲耗能功能的驱动装置逆向传动原理图。

标号说明：1—电机M1；2—第一齿轮副；3—第二齿轮副；4—单向传动机构；5—第一NGW行星轮系；6—第三齿轮副；7—弹簧机构；8—第四齿轮副；9—第二NGW行星轮系；10—第五齿轮副；11—NGW行星差动轮系；        12—阻尼器。

具体实施方式

为更好地说明本发明，兹以一优选实施例，并配合附图对本发明作详细说明，具体如下：

本实施例提供的具有缓冲耗能功能的驱动装置，包括电机M1、第一齿轮副、第二齿轮副、单向传动机构、第一NGW行星轮系、第三齿轮副、弹簧机构、第四齿轮副、第二NGW行星轮系、第五齿轮副、NGW行星差动轮系与阻尼器。

电机M1依次与第一齿轮副、第二齿轮副、单向传动机构、第一NGW行星轮系串联组成驱动装置的高速级部分，其中电机为无刷直流电机；第三齿轮副、弹簧机构、第四齿轮副、NGW行星差动轮系与阻尼器组成驱动装置的缓冲耗能部分，其中第三齿轮副与第四齿轮副传动比互为倒数；第二NGW行星轮系与第五齿轮副组成驱动装置的低速级部分。

单向传动机构为一种棘轮棘爪式传动装置，可实现正向（顺、逆时针旋转）传动与逆向（顺、逆时针旋转）传动卡滞功能。弹簧机构内部采用涡卷弹簧，具有一定的初始力矩，可实现正向传动（顺、逆时针旋转）与逆向传动（顺、逆时针旋转）上紧产生弹簧力。阻尼器为一种无源永磁式阻尼器，其金属转子旋转切割磁力线产生阻尼力矩。

现以一具体实施例详细说明本发明的一种具有缓冲耗能功能的驱动装置：

如图1所示，为本发明实施例的一种具有缓冲耗能功能的驱动装置的原理图。该驱动装置的传动链包括高速级部分、缓冲耗能部分与低速级部分。高速级部分由电机M1、第一齿轮副2、第二齿轮副3、单向传动机构4与第一NGW行星轮系5依次串联组成。缓冲耗能部分由第三齿轮副6、弹簧机构7、第四齿轮副8、NGW行星差动轮系11与阻尼器12组成，弹簧机构7与NGW行星差动轮系11通过第三齿轮副6与第四齿轮副8并联，阻尼器12与NGW行星差动轮系11的太阳轮固定连接。低速级部分由第二NGW行星轮系9与第五齿轮副10串联组成，第五齿轮副的输出端与该驱动装置的输出轴相连。

本实施例中，电机M1选用无刷直流电机；第一齿轮副2、第二齿轮副3、第三齿轮副6与第四齿轮副8为圆柱直齿齿轮；单向传动机构4为一种棘轮棘爪式传动装置；第一NGW行星轮系5与第二NGW行星轮系9均为太阳轮输入，行星架输出的NGW行星传动装置，其中，第一NGW行星轮系的输出端分别与第三齿轮副6及弹簧机构7的输入端相连，弹簧机构7的输出端与第二NGW行星轮系9的输入端相连；弹簧机构7为一种双向（顺、逆时针旋转）上紧的传动装置，内部采用涡卷弹簧；NGW行星差动轮系11为行星架与内齿圈输入，太阳轮输出的NGW行星传动装置，其中，行星架输入端与第三齿轮副6的输出端相连，内齿圈输入端与第四齿轮副8的输出端相连；阻尼器12与NGW行星差动轮系11的太阳轮输出端相连，阻尼器12为一种无源式电磁阻尼器，通过金属转子旋转切割磁力线产生阻尼力矩，阻尼器12结构简单、无需控制，具有体积小、重量轻、可靠性高、寿命长等特点。

图2是本发明实施例的一种具有缓冲耗能功能的驱动装置正向传动原理图。驱动装置正向传动可分为两种情况：正常驱动与过载保护。

正常驱动：电机M1依次驱动第一齿轮副2、第二齿轮副3、单向传动机构4、第一NGW行星轮系5、弹簧机构7、第四齿轮副8、第二NGW行星轮系9与第五齿轮副10输出转速转矩。第三齿轮副6与第四齿轮副8分别通过NGW行星差动轮系11的行星架与内齿圈输入，其太阳轮由阻尼器12保持。由于第三齿轮副6与第四齿轮副8传动比互为倒数，NGW行星差动轮系11的行星架输入转速与内齿圈输入转速互相抵消，此时，太阳轮无转速输出，阻尼器12保持不动且无阻尼力矩输出。

过载保护：驱动装置的末端（即输出轴）负载较大，即折算到弹簧机构7上的力矩大于其初始力矩时，弹簧机构7输出端与第四齿轮副8保持不动；在驱动装置高速级部分的驱动下，弹簧机构7输入端运动上紧弹簧机构产生逐步增大的弹簧力。第三齿轮副6带动NGW行星差动轮系11的行星架运动，NGW行星差动轮系11的内齿圈在第四齿轮副8的作用下保持不动，其太阳轮输出转速带动阻尼器12运动，产生阻尼力矩。从而实现一定范围内的过载保护。

图3是本发明实施例的一种具有缓冲耗能功能的驱动装置逆向传动原理图。驱动装置逆向传动可分为两种情况：逆向传动卡滞与逆向缓冲耗能。

逆向传动卡滞：驱动装置末端承受逆向载荷，电机M1下电停止运动。逆向载荷折算到弹簧机构7的力矩小于其初始力矩，此时弹簧机构7处于非上紧状态，相当于联轴器。逆向载荷依次经过第五齿轮副10、第二NGW行星轮系9、弹簧机构7与第一NGW行星轮系5后由单向传动机构4卡滞。驱动装置处于逆向卡滞状态时，第三齿轮副6、第四齿轮副8、 NGW行星差动轮系11与阻尼器12保持不动。

逆向缓冲耗能：驱动装置末端承受逆向惯量载荷，电机M1下电停止运动。逆向惯量载荷折算到弹簧机构7的力矩大于其初始力矩，此时弹簧机构7输入端与第三齿轮副6在单向传动机构4的作用下保持不动。在逆向惯量载荷的作用下，弹簧机构7输出端与第四齿轮副8作往复运动，弹簧机构7输出端往复运动过程中其内部涡卷弹簧上紧与放松实现缓冲功能。第四齿轮副8往复运动带动NGW行星差动轮系11的内齿圈输入，NGW行星差动轮系11的行星架在第三齿轮副6的作用下保持不动，其太阳轮输出转速带动阻尼器12旋转实现耗能制动。直到末端的惯量载荷消耗完毕，缓冲与耗能过程结束。

在其他优选实施例中，单向传动机构还可以为摩擦式传动装置或钢球式传动机构等其他任意适合应用在本发明装置中的传动机构，同理，阻尼器也可替换为电磁式阻尼器，本发明不以上述实施例为限。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对本发明所做的变形或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述的权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种具有缓冲耗能功能的驱动装置，其特征在于，包括高速级部分、缓冲耗能部分及低速级部分；

高速级部分包括依次相连的电机、第一齿轮副、第二齿轮副、单向传动机构、第一NGW行星轮系；

缓冲耗能部分包括第三齿轮副、弹簧机构、第四齿轮副、NGW星型差动轮系及阻尼器，其中，所述第一NGW行星轮系的输出端分别与所述第三齿轮副及弹簧机构的输入端相连，所述第三齿轮副的输出端与所述NGW星型差动轮系的行星架输入端相连，所述弹簧机构的输出端与所述第四齿轮副的输入端相连，所述第四齿轮副的输出端与所述NGW星型差动轮系的内齿圈输入端相连，所述NGW星型差动轮系的太阳轮输出端与所述阻尼器相连，第三齿轮副与第四齿轮副的传动比互为倒数，所述弹簧机构为涡卷弹簧且具有一初始力矩；

低速级部分包括互相连接的第二NGW行星轮系与第五齿轮副，其中，所述弹簧机构的输出端还与所述第二NGW行星轮系的输入端相连，所述第二NGW行星轮系的输出端与所述第五齿轮副的输入端相连，所述第五齿轮副的输出端与输出轴相连。

2.根据权利要求1所述的具有缓冲耗能功能的驱动装置，其特征在于，所述单向传动机构为棘轮棘爪式传动装置、摩擦式传动装置或钢球式传动机构中的任意一种。

3. 根据权利要求1所述的具有缓冲耗能功能的驱动装置，其特征在于，所述阻尼器为无源永磁式阻尼器或电磁式阻尼器。

4.根据权利要求1所述的具有缓冲耗能功能的驱动装置，其特征在于，当所述弹簧机构的正传动末端过载且所述弹簧机构的传递力矩超过所述初始力矩时，所述弹簧机构正向上紧，所述NGW星型差动轮系的内齿圈固定，所述弹簧机构的输出力矩通过所述NGW星型差动轮系的行星架输入，所述NGW星型差动轮系的太阳轮输出端带动阻尼器运动进行过载保护。

5.根据权利要求1所述的具有缓冲耗能功能的驱动装置，其特征在于，当所述输出轴的末端承受逆向载荷，且弹簧机构的传递力矩小于所述初始力矩时，所述弹簧机构作为联轴器使得所述逆向载荷以此经过所述第五齿轮副、第二NGW行星轮系、弹簧机构、第一NGW行星轮系后传递到单向传递机构卡滞。

6.根据权利要求1所述的具有缓冲耗能功能的驱动装置，其特征在于，当所述输出轴的末端承受逆向载荷，且弹簧机构的传递力矩超过所述初始力矩时，弹簧机构作为缓冲装置且其输入端传动链由所述单向传动机构卡滞；

所述第三齿轮副控制所述NGW星型差动轮系的行星架固定不动，所述第四齿轮副带动所述NGW星型差动轮系的内齿圈运动，所述NGW星型差动轮系的太阳轮输出端带动阻尼器运动进行能量消耗。