CN107196449A - 一种基于弹性元件的节能装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于弹性元件的节能装置，包含：框架；输出轴，与框架通过轴孔制配合连接，并与电动舵机的输出轴相连，该输出轴的表面上沿轴向设置有一字槽，且该一字槽方向朝上；扭杆，作为弹性元件固定连接在框架上，且底部插入输出轴的一字槽中；当电动舵机带动输出轴偏转时，插入输出轴的一字槽中的扭杆产生形变，辅助电动舵机的减速与加速，循环往复实现电动舵机的节能。本发明满足正弦运动的电动舵机类产品在运转过程中的节能需求；结构简单，操作方便，装配工艺性好；可通过防松垫片预防锁紧螺钉与第一凸台的连接松动，并消除传动间隙，提升节能效率；还可通过扭杆腰形孔调节插入输出轴一字槽的深度，实现扭杆的连接刚度可调。

Description

一种基于弹性元件的节能装置

技术领域

本发明涉及电动舵机类产品中具有节能功效的传动机构，具体是指一种基于弹性元件的节能装置，属于正弦运动的电动舵机类产品的研究领域。

背景技术

现有技术中，常规电动舵机产品是通过控制器控制电机的转速与方向，从而实现舵机的正弦运动。在正弦运动的一个周期内，舵机有减速和加速的过程。一般的控制方法是在减速和加速的过程中均要消耗能量，不具有节能的功效。

因此，目前亟需提出一种基于弹性元件的节能装置，在舵机进行正弦运动的过程中，能有规律的存储和释放能量，实现节能的目的。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于弹性元件的节能装置，能够满足正弦运动的电动舵机类产品在运转过程中的节能需求；结构简单，操作方便，装配工艺性好。

为实现上述目的，本发明提供一种基于弹性元件的节能装置，与电动舵机连接设置，包含：框架；输出轴，与框架之间通过轴孔制配合连接，并与电动舵机的输出轴相连接，该输出轴的表面上沿轴向设置有一字槽，且该一字槽方向朝上；扭杆，作为弹性元件固定连接设置在框架上，且底部插入输出轴的一字槽中；当电动舵机带动输出轴偏转时，插入输出轴的一字槽中的扭杆产生形变，辅助电动舵机的减速与加速，循环往复实现电动舵机的节能。

所述的框架上间隔设置第一凸台和第二凸台；其中，第一凸台和第二凸台上分别设置有轴孔；且在第二凸台的轴孔上方，还设置有螺纹孔。

所述的输出轴设置在第一凸台和第二凸台之间，且其两端分别穿过第一凸台和第二凸台的轴孔固定连接。

所述的扭杆的顶部设置有腰形孔，采用锁紧螺钉依次穿过扭杆的腰形孔以及第一凸台的螺纹孔，将扭杆压紧固定在第一凸台的侧面。

通过扭杆上的腰形孔调节扭杆底部插入输出轴的一字槽的深度，以调节扭杆与输出轴的连接刚度。

在所述的扭杆和第一凸台之间，还设置有放松垫片。

在电动舵机带动输出轴偏转的过程中，扭杆因形变对输出轴施加弹力载荷，且扭杆的刚度保持不变，弹力与输出轴的旋转角度成正比。

电动舵机在其正弦运动的一个周期内，带动输出轴顺时针或逆时针偏转时，使得扭杆变形增加，且相对输出轴的弹力增加并储存能量，对输出轴施加阻力，实现对电动舵机的辅助减速；当电动舵机带动输出轴返回时，使得扭杆变形减小，且相对输出轴的弹力减小并释放能量，对输出轴施加推力，实现对电动舵机的辅助加速；通过循环往复的正弦运动的减速与加速过程实现电动舵机的节能。

综上所述，本发明所提供的基于弹性元件的节能装置，结构简单，操作方便，装配工艺性好；在电动舵机正弦运动的偏转过程中，作为弹性元件的扭杆能够在其减速时储存能量，而在其加速时释放能量，从而实现节能效果；另外，可通过防松垫片预防锁紧螺钉与框架第一凸台螺纹孔的连接松动，并消除传动间隙，提升节能效率；还可通过扭杆的腰形孔调节插入输出轴一字槽的深度，实现扭杆的连接刚度可调。

附图说明

图1为本发明中的基于弹性元件的节能装置的结构示意图；

图2为本发明中的基于弹性元件的节能装置的剖面示意图；

图3为本发明中的扭杆与输出轴发生相对运动的示意图；

图4为本发明中的输出轴运动参数与扭杆扭力的变化曲线示意图。

具体实施方式

以下结合图1～图4，详细说明本发明的一个优选实施例。

如图1和图2所示，为本发明提供的基于弹性元件的节能装置，与电动舵机连接设置，包含：框架5；输出轴4，与框架5之间通过轴孔制配合连接，并与电动舵机的输出轴相连接，该输出轴4的表面上沿轴向设置有一字槽，且该一字槽方向朝上；扭杆1，作为弹性元件固定连接设置在框架5上，且底部插入输出轴4的一字槽中；当电动舵机接收偏转指令带动输出轴4偏转时，插入输出轴4的一字槽中的扭杆1产生形变，辅助电动舵机的减速与加速，循环往复实现电动舵机的节能。

如图1所示，所述的框架5上间隔设置第一凸台51和第二凸台52；其中，第一凸台51和第二凸台52上分别设置有轴孔；且在第二凸台52的轴孔上方，还设置有螺纹孔。

如图1所示，所述的输出轴4设置在第一凸台51和第二凸台52之间，且其两端分别穿过第一凸台51和第二凸台52的轴孔固定连接。

如图2所示，所述的扭杆1的顶部设置有腰形孔11。

如图1和图2所示，采用锁紧螺钉3依次穿过扭杆1的腰形孔11以及第一凸台51的螺纹孔，将扭杆1压紧固定在第一凸台51的侧面。

根据电动舵机的实际尺寸，以及运动正弦频率要求(也就是输出轴的旋轴角度)，可以通过扭杆1上的腰形孔11实时调节扭杆1底部插入输出轴4的一字槽的深度，进而调节扭杆1与输出轴4的连接刚度，实现扭杆1的谐振频率的调节，保证扭杆1与输出轴4之间连接与传动的可靠性。例如，如图2所示，当扭杆1的腰形孔11的底部与锁紧螺钉3相接触时，扭杆1底部插入输出轴4的一字槽的深度为最浅；而当扭杆1的腰形孔11的顶部与锁紧螺钉3相接触时，扭杆1底部插入输出轴4的一字槽的深度为最深。

如图1和图2所示，在所述的扭杆1和第一凸台51之间，还设置有放松垫片2，在输出轴4偏转带动扭杆1产生形变的过程中，该防松垫片2可预防锁紧螺钉3与第一凸台51的螺纹孔的连接松动和消除传动间隙，提升节能效率。

以下详细描述本发明所提供的基于弹性元件的节能装置的安装过程。首先，如图1所示，将输出轴4固定连接在框架5的第一凸台51和第二凸台52之间，并使得输出轴4上的一字槽方向朝上，使其处于初始零位位置，将扭杆1底部插入输出轴4的一字槽中。然后，如图2所示，将锁紧螺钉3上穿入扭杆1、防松垫片2后拧入框架5的第二凸台52的螺纹孔中，使扭杆1和防松垫片2紧压在第二凸台52的侧面。在拧紧锁紧螺钉3的过程中，通过扭杆1上的腰形孔11调节扭杆1插入输出轴4的一字槽中的深度，完成节能装置的安装。最后，将电动舵机的输出轴与节能装置的输出轴4的输入端(位于框架5的第二凸台52的背面，图中未详细显示)相互连接。

通过控制器控制电动舵机的转速与方向，实现电动舵机的正弦运动并带动节能装置的输出轴4联动。由于电动舵机在正弦运动的一个周期内分为减速过程和加速过程，当输出轴4顺时针偏转时，扭杆1通过变形对输出轴4施加阻力，实现对电动舵机的辅助减速。当输出轴4由最大偏转角位置返回初始零位位置时，扭杆1变形所积累的能量对输出轴4施加推力，实现对电动舵机的辅助加速。再当输出轴4逆时针偏转时，扭杆1实现的功能与输出轴4顺时针偏转时的功能一致，先辅助电动舵机减速再辅助其加速。由此通过循环往复的减速与加速过程实现电动舵机的节能效果。

具体如图3所示，扭杆1在输出轴4的旋转过程中因形变对其施加力载荷，电动舵机带动输出轴4小角度偏转时，扭杆1的刚度近似保持不变，弹力F与旋转角度θ近似成正比。详细计算过程为：在输出轴4小角度偏转(即旋转角度θ小于5°)的条件下，假设扭杆1的有效长度L保持不变，那么扭杆1末端的变形量D与弹力F之间的关系为：

其中，F表示扭杆1对输出轴4的弹力；L表示扭杆1的有效长度；E表示扭杆1的材料弹性模量；J表示截面惯矩；

另外，根据输出轴4与扭杆1之间的相对位置，可得输出轴4旋转后距离其初始零位位置的距离D为：

D＝R·θ；

其中，R表示输出轴4的半径；θ表示输出轴4的旋转角度；

联立上述两个公式，可得：

由此可证明，扭杆1的弹力F和旋转角度θ之间近似成正比。当扭杆1远离中心位置时，扭杆1变形增加，弹力F增加并储存能量，当扭杆1靠近中心位置时，扭杆1变形减小，弹力F减小并释放能量。因此，如图4所示，在电动舵机周期性的正弦运动过程中，电动舵机的加速度与扭杆弹力同向，循环往复实现节能效果。

综上所述，本发明所提供的基于弹性元件的节能装置，能够满足正弦运动的电动舵机类产品在运转过程中的节能需求。与现有技术先比，本发明具有以下优点和有益效果：

1、在电动舵机正弦运动的偏转过程中，作为弹性元件的扭杆能够在其减速时储存能量，而在其加速时释放能量，从而实现节能效果；

2、结构简单，操作方便，装配工艺性好；

3、输出轴在被电动舵机带动而偏转的过程中，可通过防松垫片预防锁紧螺钉与框架第一凸台螺纹孔的连接松动，并消除传动间隙，提升节能效率；

4、根据电动舵机的实际零件尺寸及频率要求，可通过扭杆的腰形孔调节插入输出轴一字槽的深度，从而实现扭杆的连接刚度可调。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种基于弹性元件的节能装置，其特征在于，与电动舵机连接设置，包含：

框架（5）；

输出轴（4），与框架（5）之间通过轴孔制配合连接，并与电动舵机的输出轴相连接；该输出轴（4）的表面上沿轴向设置有一字槽，且该一字槽方向朝上；

扭杆（1），作为弹性元件固定连接设置在框架（5）上，且底部插入输出轴（4）的一字槽中；

当电动舵机带动输出轴（4）偏转时，插入输出轴（4）的一字槽中的扭杆（1）产生形变，辅助电动舵机的减速与加速，循环往复实现电动舵机的节能。

2.如权利要求1所述的基于弹性元件的节能装置，其特征在于，所述的框架（5）上间隔设置第一凸台（51）和第二凸台（52）；其中，第一凸台（51）和第二凸台（52）上分别设置有轴孔；且在第二凸台（52）的轴孔上方，还设置有螺纹孔。

3.如权利要求2所述的基于弹性元件的节能装置，其特征在于，所述的输出轴（4）设置在第一凸台（51）和第二凸台（52）之间，且其两端分别穿过第一凸台（51）和第二凸台（52）的轴孔固定连接。

4.如权利要求2所述的基于弹性元件的节能装置，其特征在于，所述的扭杆（1）的顶部设置有腰形孔（11），采用锁紧螺钉（3）依次穿过扭杆（1）的腰形孔（11）以及第一凸台（51）的螺纹孔，将扭杆（1）压紧固定在第一凸台（51）的侧面。

5.如权利要求4所述的基于弹性元件的节能装置，其特征在于，通过扭杆（1）上的腰形孔（11）调节扭杆1底部插入输出轴（4）的一字槽的深度，以调节扭杆（1）与输出轴（4）的连接刚度。

6.如权利要求4所述的基于弹性元件的节能装置，其特征在于，在所述的扭杆（1）和第一凸台（51）之间，还设置有放松垫片（2）。

7.如权利要求1所述的基于弹性元件的节能装置，其特征在于，在电动舵机带动输出轴（4）偏转的过程中，扭杆（1）因形变对输出轴（4）施加弹力载荷，且扭杆（1）的刚度保持不变，弹力与输出轴（4）的旋转角度成正比。

8.如权利要求7所述的基于弹性元件的节能装置，其特征在于，电动舵机在其正弦运动的一个周期内，带动输出轴（4）顺时针或逆时针偏转时，使得扭杆（1）变形增加，且相对输出轴的弹力增加并储存能量，对输出轴（4）施加阻力，实现对电动舵机的辅助减速；当电动舵机带动输出轴（4）返回时，使得扭杆（1）变形减小，且相对输出轴的弹力减小并释放能量，对输出轴（4）施加推力，实现对电动舵机的辅助加速；通过循环往复的正弦运动的减速与加速过程实现电动舵机的节能。