CN110953306B - 一种基于非圆行星齿轮的非线性弹簧机构 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的一种基于非圆行星齿轮的非线性弹簧机构，包括圆筒外壳，以及容纳于该圆筒外壳内的行星臂、共第一齿轮轴设置的线性扭转弹簧和第一齿轮、共第二齿轮轴设置的第二齿轮和太阳齿轮，共系杆设置的下层行星轮和上层行星轮、以及附于圆筒外壳内侧壁的齿圈；第一、第二齿轮均为圆形齿轮，太阳齿轮、下层、上层行星轮和齿圈均为非圆齿轮；线性扭转弹簧的中心嵌入第一齿轮轴底端，行星臂顶端穿过圆筒外壳顶部作为输出端，第一、第二齿轮外啮合，太阳齿轮和下层行星轮外啮合，上层行星轮与齿圈内啮合。本发明由线性扭转弹簧作为动力源，引入非圆行星轮系作为非线性调节机制，可解析输出非线性载荷位移关系，且结构简单，非线性调节范围大。
Description
技术领域
本发明属于机械结构设计技术领域，涉及一种基于非圆行星齿轮的被动弹簧机构，可实现非线性的输出载荷—变形关系，特别是非圆行星轮系与弹簧的结构组合形式。
背景技术
传统的拉伸弹簧或扭转弹簧可输出与形变量成正比的力或力矩，但对于隔振系统、能量收集器、重力补偿等实际工程场景，经常需要提供非线性的弹簧变形与输出载荷间的对应关系，例如零刚度隔振器的设计中常用正负刚度弹簧相结合的方法构造零刚度，而机器人领域则常会需要非线性弹簧提供较为复杂或大传动比调节的输出力/力矩以达到更为精准的控制效果。
常见的非线性弹簧设计多采用普通弹簧与调节机构相结合的形式，例如公开号为CN208749896U的中国实用新型专利采用嵌套的圆筒套筒与压缩弹性元件实现非线性弹簧组，可根据不同压力大小灵活匹配，但套筒的层级多、结构复杂，可调节范围受限于套筒级数，调节能力有限；又如公开号为CN105757208A的中国发明专利基于外啮合齿轮系设计了网状天线的展开驱动器，但由于外啮合非圆齿轮的传动效率限制，每级齿轮可调节的传动比不大，总体可实现的非线性不强，为控制转动范围引入了前后的力矩放大和缩小轮系，结构相对复杂，同时级数过多将明显降低传动效率，缺乏普遍适用性。
总的来看，现有非线性弹簧机构可实现的传动比调节能力有限，受结构空间尺寸的制约较大，整体结构的复杂度较高，并且在工程应用中难以根据具体工况更换调节元件。
发明内容
本发明为克服现有技术在工程应用中的不足，提出了一种基于非圆行星齿轮的非线性弹簧机构，具有非线性调节范围大、组装简单、工程普适性好的特点。
为了实现上述目的，本发明设计非线性弹簧采用的技术方案是：由线性扭转弹簧作为能量源，经过一对减速齿轮后传递至中心太阳轮，再经由太阳轮与下层行星轮的外啮合非圆齿轮对和上层行星轮与固定齿圈的内啮合非圆行星齿轮对调节力矩关系，上下两层行星轮同轴转动，转动轴系杆连接至行星臂作为本机构输出转轴。设计中引入行星轮系传动，能够仅用两级传动实现大传动比调节，并且弹簧整体采用层叠结构形式，便于根据不同工况更换不同的非圆齿轮。
上述机构的具体结构包括圆筒外壳，以及容纳于该圆筒外壳内的行星臂、共第一齿轮轴设置的线性扭转弹簧和第一齿轮、共第二齿轮轴设置的第二齿轮和太阳齿轮，共系杆设置的下层行星轮和上层行星轮、以及附于圆筒外壳内侧壁的齿圈；所述第一齿轮和第二齿轮均为圆形齿轮，所述太阳齿轮、下层行星轮、上层行星轮和齿圈均为非圆齿轮；所述圆筒外壳由依次叠设且通过螺栓和螺母约束相对位置的9个结构层构成，9个结构层由上至下分别为1个顶面层、1个支撑层以及交错设置的4个工作层和3个隔断层；所述第一齿轮轴两端分别安装于第一工作层和第二隔断层内偏离圆筒外壳中心的一侧；所述第二齿轮轴两端分别安装于第一隔断层和第三隔断层的中心处；所述行星臂呈L形，该行星臂的水平段位于所述支撑层内，行星臂的竖直段一端穿过所述顶面层中心作为所述非线性弹簧机构的输出端；所述系杆一端位于第三工作层内偏离圆筒外壳中心的另一侧，该系杆另一端通过轴承安装于所述行星臂的水平段；所述线性扭转弹簧位于第一工作层一侧的凹槽内，该线性扭转弹簧的中心嵌入第一齿轮轴一端，线性扭转弹簧的外侧与第一工作层的内侧壁固定；所述第一齿轮和第二齿轮外啮合构成减速齿轮对，均位于第二工作层内；所述太阳齿轮和下层行星轮外啮合，均位于第三工作层内；所述齿圈位于第四工作层内侧，与所述上层行星轮内啮合。
本发明的特点和有益效果是：
本发明提出的一种基于非圆行星齿轮的非线性弹簧机构，由线性扭转弹簧作为动力源，引入非圆行星轮系作为非线性调节机制，充分发挥行星轮传动优势，仅用两级传动就可实现大范围的非线性调节，可以精确输出所需的非线性载荷位移关系，相较现有的非线性弹簧简化了结构形式，增大了调节范围，引入便于调节齿轮对更换的层叠结构形式，具备更强的设计性和工程应用普适性。
本发明具有结构形式简单，应用领域广泛、非线性调节范围大等优点，可适用于机器人控制，重力补偿机构等。
附图说明
图1是本发明的非线性弹簧机构的线性弹簧力矩与非线性输出力矩的对比示意图。
图2是本发明的非线性弹簧机构的非圆行星轮系的平面排布示意图。
图3是本发明的非线性弹簧机构的非圆行星轮系的结构示意图。
图4是本发明的非线性弹簧机构的等轴测图。
图5是本发明的非线性弹簧机构的等轴测剖面图。
图6是本发明的非线性弹簧机构的第一工作层示意图。
图7是本发明的非线性弹簧机构的第一隔断层示意图。
图8是本发明的非线性弹簧机构的第一齿轮轴与第二齿轮轴示意图。
图9是本发明的非线性弹簧机构的第二工作层和第三工作层示意图。
图10是本发明的非线性弹簧机构的第二隔断层示意图。
图11是本发明的非线性弹簧机构的第三隔断层示意图。
图12是本发明的非线性弹簧机构的圆形减速齿轮对示意图。
图13是本发明的非线性弹簧机构的外啮合非圆齿轮对示意图。
图14是本发明的非线性弹簧机构的内啮合非圆齿轮齿圈示意图。
图15是本发明的非线性弹簧机构的支撑层示意图。
图16是本发明的非线性弹簧机构的顶面层示意图。
图17是本发明的非线性弹簧机构的行星臂示意图。
具体实施方式
本发明提出的一种基于非圆行星齿轮的非线性弹簧机构结合附图与实施例进一步说明如下：
本发明提出的一种基于非圆行星齿轮的非线性弹簧机构，具体包括圆筒外壳，空间轴线位置相对固定的第一齿轮轴、第二齿轮轴和“L”形行星臂，轴线位置不固定的系杆，由圆形的第一齿轮、第二齿轮外啮合构成的减速齿轮对(第一齿轮较第二齿轮小)，一对外啮合非圆齿轮，一对内啮合非圆齿轮齿圈以及线性扭转弹簧。其中圆筒外壳包括九层叠设的结构层，分别为四层工作层、三层隔断层、一层支撑层和一层顶面层。线性扭转弹簧安装于最下方的第一工作层，线性扭转弹簧的中心固定于第一齿轮轴底端，外侧固定于外壳内表面，其上为第一隔断层。减速齿轮对安装于第二工作层，其中第一齿轮安装于第一齿轮轴，第二齿轮安装于第二齿轮轴，第二工作层上方为第二隔断层。外啮合非圆齿轮对包括太阳齿轮与下层行星轮，安装于第三工作层，太阳齿轮与减速齿轮对的第二齿轮同轴转动，第三工作层上方为第三隔断层。内啮合齿轮齿圈安装于第四工作层，齿圈的齿形直接位于第四工作层圆形外壳的内表面，上层行星轮与下层行星轮绕系杆同轴转动，系杆的顶端轴承安装于“L”形行星臂的水平段端部，工作过程中系杆将跟随行星臂绕本非线性弹簧机构的中心轴线公转。行星臂位于支撑层内，其竖直段一端通过顶面层的中心伸出作为本非线性弹簧机构的输出端，该输出端轴线与第二齿轮轴同心，且该输出端通过轴承安装于顶面层。
本实施例以实现如图1所示的力矩调节关系为设计目标，其中a表示使用的线性扭转弹簧所能提供的线性力矩，b表示非线性弹簧机构调节后输出的非线性力矩(即通过输出端输出的非线性力矩)，可据此需求具体设计出本实施例中使用的非圆行星轮系。非圆行星轮系的组成与传动原理如图2、图3所示，传动过程中能量源自线性扭转弹簧1经过减速齿轮对(21和22)后传递至位置固定的第二齿轮轴8，带动同轴安装的太阳齿轮3和与之啮合的下层行星轮4转动，上层行星轮5与下层行星轮4同轴于系杆9，同时上层行星轮5与位置固定的齿圈6内啮合传动，带动行星臂10绕第二齿轮轴8的轴心同轴转动，并从行星臂10的顶端输出。
使用时可分为弹簧加载与卸载两种工况，若使用加载方向(即图1中曲线转角增大的方向)，初始状态下应保持扭转弹簧松弛，工作中本机构提供的非线性力矩由输出轴逆时针转动输出；若采用卸载方向(即图1中曲线转角减小的方向)，初始安装状态下应通过输出轴将本机构逆时针转动至末位置并通过一定的外加装置锁定，工作时释放输出轴使其顺时针转动，可输出相应的非线性力矩。
本实施例的整体机械结构如图4、图5所示，包括圆筒外壳，以及容纳于该圆筒外壳内的“L”形行星臂10、共第一齿轮轴7设置的线性扭转弹簧1和第一齿轮21、共第二齿轮轴8设置的第二齿轮22和太阳齿轮3，共系杆9设置的下层行星轮4和上层行星轮5；圆筒外壳的内侧壁还设有与上层行星轮5内啮合的齿圈6；第一齿轮21和第二齿轮22均为圆形齿轮，太阳齿轮3、下层行星轮4、上层行星轮5和齿圈6均为非圆齿轮；其中，圆筒外壳由外径大小相同的9个结构层依次叠设构成，9个结构层从下至上分别为第一工作层01、第一隔断层02、第二工作层03、第二隔断层04、第三工作层05、第三隔断层06、第四工作层07、支撑层08和顶面层09，全部结构层间通过螺栓11和螺母12连接紧固，约束相对位置。线性扭转弹簧1安装于第一工作层01的圆形凹槽内，线性扭转弹簧1的中心固连于第一齿轮轴7底端。第一齿轮轴7两端分别安装于第一工作层01和第二隔断层04内偏离圆筒外壳中心的一侧。第一齿轮21和第二齿轮22均位于第二工作层03内，并通过外啮合构成减速齿轮对，第一齿轮21安装于第一齿轮轴7，第二齿轮22安装于第二齿轮轴8，该第二齿轮轴8两端分别安装于第一隔断层02和第三隔断层06的中心处。太阳齿轮3和下层行星轮4外啮合均位于第三工作层05内，太阳齿轮3安装于第二齿轮轴8，下层行星轮4安装于系杆9。上层行星轮5安装于第四工作层07内，且与第四工作层07内侧壁局部设置的齿圈6形成内啮合，上层行星轮5安装于系杆9，齿圈6的齿形直接加工附着于第四工作层07环形内侧。“L”形行星臂10的水平段位于支撑层08内，可绕伸出顶面层09中心的行星臂10竖直段转动，行星臂10竖直段的轴线与第二齿轮轴8同轴线，系杆9底端位于第三工作层05内偏离圆筒外壳中心的另一侧，系杆9的顶端通过轴承安装于行星臂10的水平段端部，行星臂10竖直段伸出顶面层09中心的端部作为整个非线性弹簧机构的输出端。
本实施例的第一工作层01具体结构如图6所示，整体呈圆形，通过在一圆形板的内部一侧(图中所示为右侧，为便于描述，以下均以此侧作为右侧)镂空为月牙形、在未进行镂空一侧(即左侧)开设圆形凹槽形成，线性扭转弹簧1安装于该凹槽内，线性扭转弹簧1外侧固定于圆形凹槽最左端的卡槽内011，镂空设计用于使内部结构可视便于装配与检查(下同)；在工作层01与设置齿圈6相对的一侧环向开有三个供螺栓11穿过的螺孔00，本实施例中三个螺孔00位于左上、左下、右下的45度方向，右上为齿圈6工作区域不设定位螺孔，原则上可开设更多定位螺孔，但应保证在避让齿圈6工作区域的前提下尽量均匀分布。第一隔断层02如图7所示，整体为圆形，通过在一圆形板内部的上下侧对称镂空一个半圆形后在中部形成横梁022得到，在该横梁的中心与左侧分别开有一个轴承孔021，分别用以安装第二齿轮轴8和第一齿轮轴7，在第二隔断层环向开有与第一工作层01位置相同的三个螺孔00。第一齿轮轴7和第二齿轮轴8的具体结构如图8所示，在齿轮安装段的上下两侧开有圆形凹槽71和81用于安装弹性挡圈来约束相应齿轮在轴向的运动，在齿轮安装段范围内设有凸起结构72和82，相应齿轮上设有与该凸起结构匹配的凹槽，通过该凸起结构和凹槽约束齿轮轴与齿轮间的相对转动；第一齿轮轴7的底端开有贯穿横切槽70，线性扭转弹簧1的中心插入该横切槽内实现与第一齿轮轴7底端的固定。第二工作层03与第三工作层05的结构相同，如图9所示，整体为一同心圆环，并在与第一工作层01相同的位置开有三个定位螺孔00。第二隔断层04的结构如图10所示，整体为圆形，通过在一圆形板内部的上下侧对称镂空一个半圆形后在中部形成横梁043得到，在该横梁043的左侧开有轴承孔041，以安装第一齿轮轴7顶端的轴承，横梁043的中心开孔042，用以通过第二齿轮轴8；第二隔断层04的环向开有与第一工作层01位置相同的三个螺孔00。第三隔断层06的结构如图11所示，外侧为一圆环结构并在相同位置开有三个螺孔00，右侧在系杆9公转的工作范围内镂空，左侧有两条连接臂062，中心开有轴承孔061，以定位第二齿轮轴8的顶端。
本实施例的减速齿轮对如图12所示，包括标准圆形小齿轮(作为第一齿轮21)和大齿轮(作为第二齿轮22)，分别安装于第一齿轮轴7与第二齿轮轴8，减速齿轮对的减速比为工作过程中线性扭转弹簧1的释放角度与中心第二齿轮轴8的工作角度之比，基于非圆行星轮系的设计原则，应将减速齿轮对的输出角度限制在一圈以内，同时考虑传动效率限制，减速齿轮对的总体传动比应控制在1.5至3。太阳齿轮3与下层行星轮4的结构如图13所示，为有效啮合角度在180°～360°间的外啮合非圆齿轮对，该齿轮对在工作角度范围的起始和最终位置设有相对应的限位平台。由于非圆齿轮的传动限制，下层行星轮4的工作角度应大于等于太阳齿轮3，太阳齿轮3与下层行星轮4的轴心距与减速齿轮对的轴心距相同。工作过程中，太阳齿轮3绕第二齿轮轴8定轴转动，下层行星轮4则将跟随系杆9绕本非线性弹簧机构的中心转动，同时与太阳齿轮3外啮合传动。
本实施例的内啮合非圆齿轮对如图14所示，由在第四工作层07内侧局部设置的齿圈6与上层非圆行星轮5内啮合构成。第四工作层07整体为圆环，齿圈6的齿形在加工过程中直接形成于第四工作层07的右上方内表面，齿圈6的工作角度即为本非线性弹簧机构的总输出角度，以水平正右侧0°位置为工作起始点，一般情况下最大范围设定在70°至130°之间。第四工作层07在非工作区域开有与第一工作层位置相同的三个定位螺孔00。上层行星轮5与齿圈6的节曲线均为根据实际工况设计的非圆曲线，在啮合首尾两侧均设置限位平台，上层行星轮5和齿圈6(齿圈6的中心即为整个机构的中心)的轴心距与外啮合齿轮对(3和4)的轴心距相同。由于上层行星轮5与下层行星轮4均与系杆9同轴转动，两者的有效工作角度应相同，齿轮模数可根据具体结构的尺寸选取，应保证相互啮合的齿轮对模数相同。
本实施例的支撑层08的结构如图15所示，为一圆环，其内环半径大于齿圈6齿根所对应的最大半径，以避让上层行星轮5与齿圈6的啮合范围，同时在与第一工作层01螺孔位置相同的支撑层08内侧壁上开有三个凹槽81，对螺栓11进行不完全定位。顶面层09的结构如图16所示，整体为与圆形，在一圆板内部对称镂空形成十字形梁093，十字形梁中心开有轴承孔092以通过输出端，在顶面层09的环向开有安装螺栓11的三个沉头孔091。行星臂10的结构如图17所示，整体呈“L”形，水平段端部开有轴承孔102以安装系杆9，竖直段与顶面层09相接触的范围内开有圆环槽101以安装弹性挡圈来约束顶面层09在轴向的运动，竖直段顶端通过顶面层09中心的轴承伸出，作为本非线性弹簧机构的输出端。
本实施例中的两对非圆齿轮(太阳齿轮3和下层行星轮4，上层行星轮5和齿圈6)节曲线的求解方法说明如下：
行星轮系并非定轴传动，相较于一般的外啮合齿轮节曲线求解方法，本发明中采用参考机构法，即假定系杆无公转仅自转，齿圈6跟随上层行星轮5同向转动，此时非圆齿轮部分的传动比定义为太阳齿轮3转动角度与齿圈6输出角度之间的导数关系。需要注意的是，参考机构下，太阳齿轮3转角为实际太阳齿轮3转角减去实际系杆9公转角度，齿圈6转角为实际系杆9公转角度，但两者转动方向相反。假定参考机构下的太阳齿轮3转角为α，太阳齿轮3的轴力矩为M1，齿圈6转角为β(即输出角度)，齿圈6的轴力矩M2为输出力矩，在忽略摩擦损耗的前提下，输入力矩M1做功应全部转化为输出力矩M2做功，因此对于已知的线性扭转弹簧1力矩转角关系，可以确定出经过减速齿轮对后传递至太阳齿轮3的力矩转角关系M1(α)，输出力矩M2应满足设计目标，故输入输出角度间应满足以下关系式：
式中，M2(β)为齿圈6的力矩转角关系。根据上式可解析确定太阳齿轮3与齿圈6的转角对应关系，下一步只需要确定系杆9转角即上、下行星轮的转角(上、下行星轮的转角相等)。本实施例中选择行星轮转角正比于太阳齿轮3转角，再结合齿轮啮合的基本条件与轴心距即可确定出所有齿轮的节曲线。添加齿形后得到太阳齿轮3、下行星轮4、上行星轮5和齿圈6。
经样机实验验证，本发明所提出基于非圆行星齿轮的非线性弹簧机构可以满足设计要求，实现非线性力矩调节。
以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于非圆行星齿轮的非线性弹簧机构，其特征在于，包括圆筒外壳，以及容纳于该圆筒外壳内的行星臂(10)、共第一齿轮轴(7)设置的线性扭转弹簧(1)和第一齿轮(21)、共第二齿轮轴(8)设置的第二齿轮(22)和太阳齿轮(3)，共系杆(9)设置的下层行星轮(4)和上层行星轮(5)、以及附于圆筒外壳内侧壁的齿圈(6)；所述第一齿轮(21)和第二齿轮(22)均为圆形齿轮，所述太阳齿轮(3)、下层行星轮(4)、上层行星轮(5)和齿圈(6)均为非圆齿轮；所述圆筒外壳由依次叠设且通过螺栓和螺母约束相对位置的9个结构层构成，9个结构层由上至下分别为1个顶面层(09)、1个支撑层(08)以及交错设置的4个工作层(01、03、05、07)和3个隔断层(02、04、06)；所述第一齿轮轴(7)两端分别安装于第一工作层(01)和第二隔断层(04)内偏离圆筒外壳中心的一侧；所述第二齿轮轴(8)两端分别安装于第一隔断层(02)和第三隔断层(06)的中心处；所述行星臂(10)呈L形，该行星臂的水平段位于所述支撑层(08)内，行星臂的竖直段一端穿过所述顶面层(09)中心作为所述非线性弹簧机构的输出端；所述系杆(9)一端位于第三工作层(05)内偏离圆筒外壳中心的另一侧，该系杆(9)另一端通过轴承安装于所述行星臂(10)的水平段；所述线性扭转弹簧(1)位于第一工作层(01)一侧的凹槽内，该线性扭转弹簧的中心嵌入第一齿轮轴(7)一端，线性扭转弹簧(1)的外侧与第一工作层(01)的内侧壁固定；所述第一齿轮(21)和第二齿轮(22)外啮合构成减速齿轮对，均位于第二工作层(03)内；所述太阳齿轮(3)和下层行星轮(4)外啮合，均位于第三工作层(05)内；所述齿圈(6)位于第四工作层内侧，与所述上层行星轮(5)内啮合。
2.根据权利要求1所述的非线性弹簧机构，其特征在于，所述减速齿轮对的减速比为工作过程中所述线性扭转弹簧(1)的释放角度与第二齿轮轴(8)的工作角度之比；所述下层行星轮(4)的工作角度大于等于太阳齿轮(3)；所述减速齿轮对的轴心距、太阳齿轮(3)与下层行星轮(4)的轴心距、以及上层行星轮(5)与齿圈(6)的轴心距均相同。
3.根据权利要求1所述的非线性弹簧机构，其特征在于，所述太阳齿轮(3)与下层行星轮(4)的有效啮合角度在180°～360°间。
4.根据权利要求1所述的非线性弹簧机构，其特征在于，所述齿圈(6)的工作角度的最大值为70°～130°。
5.根据权利要求1所述的非线性弹簧机构，其特征在于，所述螺栓设有多个，环向设置在所述圆筒外壳的各结构层外围，且位于所述非线性弹簧机构的非工作区域。
6.根据权利要求1所述的非线性弹簧机构，其特征在于，所述支撑层(08)的内侧壁半径大于所述齿圈(6)的齿根所对应的最大半径，以避让所述上层行星轮(5)与齿圈(6)的啮合范围。
7.根据权利要求1～6中任意一项所述的非线性弹簧机构，其特征在于，通过参考机构法确定各非圆齿轮的节曲线，具体过程如下：
假定所述系杆(9)无公转仅自转，齿圈(6)跟随上层行星轮(5)同向转动，此时非圆齿轮的传动比定义为太阳齿轮(3)转动角度与齿圈(6)输出角度之间的导数关系，太阳齿轮(3)与齿圈(6)的转动方向相反；令太阳齿轮(3)的转角和轴力矩分别为α、M1，齿圈(6)的转角和轴力矩分为β、M2，满足以下关系式：
式中，M1(α)为太阳齿轮(3)的力矩转角关系；M2(β)为齿圈(6)的力矩转角关系；
求解上式得到太阳齿轮(3)与齿圈(6)的转角对应关系，结合系杆(9)的转角、齿轮啮合的基本条件与轴心距即可确定所有非圆齿轮的节曲线。
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