CN113236063A - 一种驱动铰接于主体上的客体旋转的执行装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于执行装置技术领域，具体涉及一种驱动铰接于主体上的客体旋转的执行装置。本发明包括驱动轮、弧形齿条和限位轮；驱动轮和限位轮定轴可旋转地设置在主体上；弧形齿条内侧设有圆弧形齿面，外侧设有平滑曲面；弧形齿条夹设在驱动轮和限位轮之间，且弧形齿条的一端与客体铰接。本发明提供的驱动铰接于主体上的客体旋转的执行装置，运行平稳可靠，噪音低，传动能量损失较小，满足大扭矩大角度的驱动要求，具有扭矩保护功能，兼顾自动操作与手动操作。

Description

一种驱动铰接于主体上的客体旋转的执行装置
技术领域
本发明属于执行装置技术领域，具体涉及一种驱动铰接于主体上的客体旋转的执行装置。
背景技术
在现代生活中，存在大量客体铰接在主体上的运动结构，例如冰箱门铰接在冰箱本体上、洗衣机盖铰接在洗衣机本体上，窗户铰接在窗框上、衣柜门铰接在衣柜本体上等等。在传统上，这些结构的运动大多是手动进行的，但近年来，人们对自动化智能化产品的热情显著提升，这也给旋转驱动装置的开发设计提出了越来越多的挑战。
以冰箱中的应用为例，能够驱动冰箱门相对冰箱本体旋转实现冰箱门开关的驱动装置目前主要分为两大类。第一类方案是推杆执行器与旋转执行器的组合方案，为克服大气压和机械摩擦给冰箱门打开瞬间造成的较大的阻力，先使用大推力的推杆执行器将冰箱门推开一小段距离，然后旋转执行器介入带动冰箱门继续旋转。我们在实践中发现，这类方案借助推杆执行器克服阻力，对旋转执行器的限制较少，更容易设计能够大角度开合且运行稳定的旋转执行器，但这类方案需要两套执行机构，结构复杂，成本较高。第二类方案不使用推杆执行器而仅使用大扭矩的旋转执行器驱动冰箱门体旋转。我们在实践中发现，这类方案为了满足大扭矩的要求，并同时满足零部件材料、加工等综合成本可接受的要求，旋转执行器中往往需要设置推动冰箱门旋转的连杆以增大扭矩。但是，这种方式目前还存在以下问题：第一，连杆对冰箱门的开合角度造成很大的限制，要实现冰箱门120°的开启角度，则需要较大的连杆，以圆弧形连杆为例，连杆弧度将超过120°，这给执行机构的空间安排带来极大的困扰；第二，这种方式对执行机构内部的传动结构的扭矩要求较高，在零部件成本及刚度受限的情况下，各传动部件配合的准确性及可靠性对执行机构整体运行的稳定性具有非常大的影响，目前在实践中，这种方式普遍存在稳定性偏低和噪音偏大的问题，出现抖动、卡死、甚至传动部件损坏的概率也明显偏高。此外，现有的旋转执行机构还普遍存在保护功能缺失和不兼顾手动操作等问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种驱动铰接于主体上的客体旋转的执行装置，以克服上述多方面的问题。本发明提供的驱动装置尤其适用于驱动冰箱门的旋转，也可广泛应用于其他铰接客体的旋转运动。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：一种驱动铰接于主体上的客体旋转的执行装置，包括驱动轮、弧形齿条和限位轮；驱动轮和限位轮定轴可旋转地设置在主体上；弧形齿条内侧设有圆弧形齿面，外侧设有平滑曲面；弧形齿条夹设在驱动轮和限位轮之间，且弧形齿条的一端与客体铰接。
本发明采用弧形齿条作为连杆驱动客体旋转，并以驱动轮驱动弧形齿条运动，以限位轮在弧形齿条背面进行限位，本发明的驱动装置具有简单可靠的结构，具有较大的初始力臂，可以输出较大的扭矩。
本发明中，所描述的平滑曲面的形状由以下空间位置关系定义：在客体相对主体旋转的过程中，保持驱动轮与圆弧形齿面啮合，且限位轮与平滑曲面靠合。
本发明对驱动轮、弧形齿条和限位轮三者的配合关系进行了设计，尤其是在弧形齿条外侧根据与驱动轮、限位轮的配合关系设置线型独特的平滑曲面，在无需调节结构的辅助下实现驱动轮与弧形齿条的准确啮合，即能够保证弧形齿条与驱动轮在啮合过程中中心距不变，不卡齿也不打滑，传动平稳、噪音低、传动时能量损失较小。此外，这种设计在运行过程中，可以实现圆弧形齿面对应的圆心非固定，即圆弧形齿面对应的圆心的位置是在变化的，导致弧形齿条在旋转的同时还在摆动，从而打破圆弧形齿面的弧度对开启角度产生的限制，因此可以使用更短更小的弧形齿条。采用该装置实现客体120°以上的开启角度，所采用的弧形齿条仍可以完全容纳在90°夹角的外壳内。
进一步地，该装置还包括动力单元，动力单元带动驱动轮旋转，从而驱动客体相对主体旋转。
进一步地，动力单元包括电机、蜗杆、斜齿轮；电机固定设置在主体上，蜗杆固定在电机的输出轴上，斜齿轮定轴可旋转地设置在主体上，斜齿轮与蜗杆啮合，斜齿轮与驱动轮动力连接。蜗杆与斜齿轮的配合可以实现较大的减速比，达到增加扭矩的目的。
进一步地，斜齿轮与驱动轮之间还连接有减速离合组件。设置减速离合组件可进一步增加扭矩，同时可以控制斜齿轮与驱动轮之间动力的连接和断开，从而实现自动操作和手动操作的切换。
进一步地，减速离合组件包括太阳轮、一组行星轮、行星架、内齿圈、卡止机构；斜齿轮、太阳轮、行星架、内齿圈、驱动轮围绕同一轴线旋转；内齿圈环绕在行星架外围，与环形阵列设置在行星架上的行星轮啮合；太阳轮固定在斜齿轮中央，与行星轮啮合；行星架与驱动轮动力连接；内齿圈外侧设有至少一个凹口；卡止机构包括可伸入和退出凹口的卡止件。当卡止件伸入凹口时，内齿圈被卡止而无法旋转，来自斜齿轮的动力能够通过行星架传导至驱动轮，这种状态为自动操作的运行状态。当卡止件退出凹口时，内齿圈可自由旋转，来自斜齿轮的动力无法传导至驱动轮，这种状态为手动操作的运行状态，即可以手动推拉客体使其自由旋转。其中，卡止机构可选用但不限于电磁式的卡止器，电磁式卡止器可以通过改变内部线圈的电流方向实现卡头向不同方向运动，从而控制卡止和非卡止状态。
进一步地，行星架与驱动轮之间还连接有扭力限制装置；扭力限制装置包括固定在驱动轮上的套环和固定在行星架上的内架；套环内壁环形阵列地设有一组卡槽，内架四周环形阵列地设有一组可卡入卡槽的弹性凸部。当传递的扭矩超出一定值时，弹性凸部从卡槽内脱出，套环与内架打滑，对使用者和装置本身都能够起到保护作用，避免使用者被挤伤撞伤，也避免内部结构受到破坏。
进一步地，扭力限制装置还包括一组压簧；压簧卡设在弹性凸部内侧对弹性凸部施加向外的弹力。选用不同力度的弹簧可对扭力限制装置的最大传递扭矩进行调节，从而适应不同的使用场景的需求。
进一步地，在弧形齿条上还设有一对凸块，分别位于平滑曲面的两端，分别记为第一凸块和第二凸块；第一凸块和第二凸块可各自与限位轮靠合，从而限定弧形齿条运动的两个极限位置。
进一步地，该装置还包括固定设置在主体上的第一微动开关和第二微动开关；当第一凸块与限位轮靠合时，第一凸块能够触动第一微动开关，当第二凸块与限位轮靠合时，第二凸块能够触动第二微动开关。设置第一微动开关和第二微动开关可以对弧形齿条的位置和客体的开启角度进行判断，方便进行智能化控制。
有益效果：与现有技术相比，本发明提供的驱动铰接于主体上的客体旋转的执行装置，运行平稳可靠，噪音低，传动能量损失较小，满足大扭矩大角度的驱动要求，具有扭矩保护功能，兼顾自动操作与手动操作。
附图说明
图1和2为实施例1的内部结构示意图。
图3为实施例1的驱动轮与斜齿轮的配合示意图。
图4为本发明弧形齿条的俯视图。
图5为本发明的安装示意图。
图6、7、8为实施例2的内部结构示意图。
图9、10为实施例2的减速离合组件与扭力限制装置的配合示意图。
图11为实施例2的内齿圈的示意图。
图12为实施例2的套环的示意图。
图13为实施例2的内架的示意图。
图14为计算平滑曲面的示意图。
图中，驱动轮1、弧形齿条2、限位轮3、圆弧形齿面21、平滑曲面22、动力单元4、电机41、蜗杆42、斜齿轮43、减速离合组件5、太阳轮51、行星轮52、行星架53、内齿圈54、卡止机构59、凹口541、卡止件591、扭力限制装置55、套环551、内架552、卡槽5511、弹性凸部5521、压簧553、第一凸块23、第二凸块24、第一微动开关6、第二微动开关7。
具体实施方式
下面通过实施例进一步阐明本发明，旨在更清楚地说明本发明的技术方案，而不应理解为是一种限制。
除非另有定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应理解为所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
实施例1
一种驱动铰接于主体上的客体旋转的执行装置，如图1至5所示，包括驱动轮1、弧形齿条2和限位轮3；驱动轮1和限位轮3定轴可旋转地设置在主体上；弧形齿条2内侧设有圆弧形齿面21，外侧设有平滑曲面22；弧形齿条2夹设在驱动轮1和限位轮3之间，且弧形齿条2的一端与客体铰接；平滑曲面22的形状由以下空间位置关系定义：在客体相对主体旋转的过程中，保持驱动轮1与圆弧形齿面21啮合，且限位轮3与平滑曲面22靠合。
本实施例中，还包括动力单元4，动力单元4带动驱动轮1旋转，从而驱动客体相对主体旋转。具体地，动力单元4包括电机41、蜗杆42、斜齿轮43；电机41固定设置在主体上，蜗杆42固定在电机41的输出轴上，斜齿轮43定轴可旋转地设置在主体上，斜齿轮43与蜗杆42啮合，斜齿轮43与驱动轮1同轴连接。
本实施例中，在弧形齿条2上还设有一对凸块，分别位于平滑曲面22的两端，分别记为第一凸块23和第二凸块24；第一凸块23和第二凸块24可各自与限位轮3靠合，从而限定弧形齿条2运动的两个极限位置。
实施例2
一种驱动铰接于主体上的客体旋转的执行装置，如图1至13所示，包括驱动轮1、弧形齿条2和限位轮3；驱动轮1和限位轮3定轴可旋转地设置在主体上；弧形齿条2内侧设有圆弧形齿面21，外侧设有平滑曲面22；弧形齿条2夹设在驱动轮1和限位轮3之间，且弧形齿条2的一端与客体铰接；平滑曲面22的形状由以下空间位置关系定义：在客体相对主体旋转的过程中，保持驱动轮1与圆弧形齿面21啮合，且限位轮3与平滑曲面22靠合。
本实施例中，还包括动力单元4，动力单元4带动驱动轮1旋转，从而驱动客体相对主体旋转。具体地，动力单元4包括电机41、蜗杆42、斜齿轮43；电机41固定设置在主体上，蜗杆42固定在电机41的输出轴上，斜齿轮43定轴可旋转地设置在主体上，斜齿轮43与蜗杆42啮合，斜齿轮43与驱动轮1动力连接。
本实施例中，斜齿轮43与驱动轮1之间还连接有减速离合组件5。具体地，减速离合组件5包括太阳轮51、一组行星轮52、行星架53、内齿圈54、卡止机构59；斜齿轮43、太阳轮51、行星架53、内齿圈54、驱动轮1围绕同一轴线旋转；内齿圈54环绕在行星架53外围，与环形阵列设置在行星架53上的行星轮52啮合；太阳轮51固定在斜齿轮43中央，与行星轮52啮合；行星架53与驱动轮1动力连接；内齿圈54外侧设有一组环形阵列分布的凹口541；卡止机构59包括可伸入和退出凹口541的卡止件591。
本实施例中，行星架53与驱动轮1之间还连接有扭力限制装置55；扭力限制装置55包括固定在驱动轮1上的套环551和固定在行星架53上的内架552；套环551内壁环形阵列地设有一组卡槽5511，内架552四周环形阵列地设有一组可卡入卡槽5511的弹性凸部5521。
本实施例中，扭力限制装置55还包括一组压簧553；压簧553卡设在弹性凸部5521内侧对弹性凸部5521施加向外的弹力。
本实施例中，在弧形齿条2上还设有一对凸块，分别位于平滑曲面22的两端，分别记为第一凸块23和第二凸块24；第一凸块23和第二凸块24可各自与限位轮3靠合，从而限定弧形齿条2运动的两个极限位置。
本实施例中，还包括固定设置在主体上的第一微动开关6和第二微动开关7；当第一凸块23与限位轮3靠合时，第一凸块23能够触动第一微动开关6，当第二凸块24与限位轮3靠合时，第二凸块24能够触动第二微动开关7。
平滑曲面22的计算
如图14所示，以客体相对于主体旋转的旋转轴为坐标原点O建立直角坐标系，客体与弧形齿条2铰接轴心为点A，驱动轮1轴心为点B(b1,b2)，弧形齿条2内侧的圆弧形齿面21对应的圆心为点C(c1,c2)，限位轮3轴心为点D(d1,d2)；设弧形齿条2外侧的平滑曲面22与限位轮3的切点为E(x,y)，OA＝l1,，AC＝l2，BC＝l3，限位轮3半径为r；设开门角度θ，β＝θ-α。
易得到A点坐标为(-l1cosβ，-l1sinβ)，根据三角函数关系及门体运动关系可列出如下方程组：
(x1+l1cosβ)2+(y1+l1sinβ)2＝l2 2
(x1-b1)2+(y1-b2)2＝l3 2
Figure BDA0003072401180000091
(x-d1)2+(y-d2)2＝r2
由以上方程组可求出平滑曲面22上任意一点E(x,y)与客体运动角度θ之间的关系。
在模拟软件中对弧形齿条2的运动进行模拟，使θ从0°开始逐步增大，根据任意一点E在弧形齿条2上的位置是确定的，逐步得到整个平滑曲面22的线型。
显然，以上实施例是示例性的，仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所能获得的其他实施例，也应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种驱动铰接于主体上的客体旋转的执行装置，其特征在于：包括驱动轮（1）、弧形齿条（2）和限位轮（3）；所述驱动轮（1）和限位轮（3）定轴可旋转地设置在主体上；所述弧形齿条（2）内侧设有圆弧形齿面（21），外侧设有平滑曲面（22）；所述弧形齿条（2）夹设在驱动轮（1）和限位轮（3）之间，且弧形齿条（2）的一端与客体铰接；所述驱动轮（1）驱动所述弧形齿条（2）运动。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述平滑曲面（22）的形状由以下空间位置关系定义：在客体相对主体旋转的过程中，保持驱动轮（1）与圆弧形齿面（21）啮合，且限位轮（3）与平滑曲面（22）靠合。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：还包括动力单元（4），所述动力单元（4）带动驱动轮（1）旋转，从而驱动客体相对主体旋转。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述动力单元（4）包括电机（41）、蜗杆（42）、斜齿轮（43）；所述电机（41）固定设置在主体上，所述蜗杆（42）固定在电机（41）的输出轴上，所述斜齿轮（43）定轴可旋转地设置在主体上，所述斜齿轮（43）与蜗杆（42）啮合，所述斜齿轮（43）与所述驱动轮（1）动力连接。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述斜齿轮（43）与驱动轮（1）之间还连接有减速离合组件（5）。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述减速离合组件（5）包括太阳轮（51）、一组行星轮（52）、行星架（53）、内齿圈（54）、卡止机构（59）；所述斜齿轮（43）、太阳轮（51）、行星架（53）、内齿圈（54）、驱动轮（1）围绕同一轴线旋转；所述内齿圈（54）环绕在行星架（53）外围，与环形阵列设置在行星架（53）上的行星轮（52）啮合；所述太阳轮（51）固定在斜齿轮（43）中央，与行星轮（52）啮合；所述行星架（53）与所述驱动轮（1）动力连接；所述内齿圈（54）外侧设有至少一个凹口（541）；所述卡止机构（59）包括可伸入和退出凹口（541）的卡止件（591）。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述行星架（53）与所述驱动轮（1）之间还连接有扭力限制装置（55）；所述扭力限制装置（55）包括固定在驱动轮（1）上的套环（551）和固定在行星架（53）上的内架（552）；所述套环（551）内壁环形阵列地设有一组卡槽（5511），所述内架（552）四周环形阵列地设有一组可卡入卡槽（5511）的弹性凸部（5521）。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述扭力限制装置（55）还包括一组压簧（553）；所述压簧（553）卡设在弹性凸部（5521）内侧对弹性凸部（5521）施加向外的弹力。
9.根据权利要求1至8任一项所述的装置，其特征在于：在所述弧形齿条（2）上还设有一对凸块，分别位于平滑曲面（22）的两端，分别记为第一凸块（23）和第二凸块（24）；所述第一凸块（23）和第二凸块（24）可各自与限位轮（3）靠合，从而限定弧形齿条（2）运动的两个极限位置。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于：还包括固定设置在主体上的第一微动开关（6）和第二微动开关（7）；当第一凸块（23）与限位轮（3）靠合时，第一凸块（23）能够触动第一微动开关（6），当第二凸块（24）与限位轮（3）靠合时，第二凸块（24）能够触动第二微动开关（7）。
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CN108533113A (zh) * 2018-05-29 2018-09-14 河南森源电气股份有限公司 自动启闭式门窗动力系统及逆变器柜
CN108533113B (zh) * 2018-05-29 2024-05-14 河南森源电气股份有限公司 自动启闭式门窗动力系统及逆变器柜

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