CN113474743A - 用于旋转驱动致动器的一次性使用的无卡住止动模块 - Google Patents

Abstract

一种用于对旋转驱动致动器进行无卡住冲程末端止动的止动模块，包括正时齿轮以铰接止动卡爪和低惯性、可变形止动盘，该止动盘布置为安全地耗散旋转致动器的多余的旋转动能。止动模块不依赖于摩擦来止动和耗散多余的动能，而是依赖于可以在止动模块的止动筒中提供的金属止动盘的可预测变形。使用可变形元件以耗散多余的能量允许所公开的止动模比传统的冲程末端止动机构更轻、更小。

Description

用于旋转驱动致动器的一次性使用的无卡住止动模块

技术领域

本公开涉及一种用于在致动器冲程的末端提供紧急机械止动的行程限制止动模块。例如，本公开可以应用于但不限制于在用于飞行器控制表面的致动系统中使用的齿轮旋转致动器(Geared Rotary Actuators,GRAs)。

背景技术

冲程末端止动机构，也称为止动模块，在到达给定的行程方向上的行程限制时，耗散旋转驱动系统的多余的旋转动能以止动旋转。在某些应用中，多余的旋转动能可能很大，其必须很快被耗散。例如，用于移位飞行器飞行控制表面的致动系统中的GRA可以由液压马达以每分钟非常高的转数驱动，且必须在非常短的时间区间内安全地止动旋转。申请人已知的传统的冲程末端止动机构使用摩擦接触制动板或扭转顺应轴系统来耗散旋转驱动系统的多余的旋转动能。这些传统的止动机构通常重量大并且尺寸大，大的重量和大的尺寸是不利于飞行器应用的特征。一些传统的止动模块位于致动器齿轮系中的下游使得冲程范围是可管理的，而结果是，上游齿轮位于止动模块和马达(飞轮)之间，因此必须承载止动扭矩。

发明内容

本文中所公开的止动模块适用于紧急超程旋转止动的应用，其中必须防止致动器在末端止动处卡住。所公开的止动模块可以采用正时齿轮系统以铰接止动卡爪、和低惯性可变形的止动盘或其它可变形元件，该其它可变形元件能够安全地耗散旋转轴系统的多余的旋转动能。一个独特的特征是，止动模块不依赖于摩擦来止动和耗散多余的动能，而是依赖于可以在止动模块的止动筒中提供的金属元件(可变形盘)的可预测变形。由于可变形止动元件在高速止动中被消耗，因此止动模块会是一次性使用的机构。使用可变形元件以耗散多余的能量允许所公开的止动模块设计得比上面提及的传统的冲程末端止动机构更轻、更小。

附图说明

现在，本发明的性质和操作模式将在以下结合附图的详细描述中更全面地描述，其中：

图1是旋转驱动系统的横截面图，其中马达驱动配备有本公开的止动模块的GRA；

图2是示出图1的具有公开的止动模块的GRA的放大横截面图；

图3是具有公开的止动模块的GRA的立体图；

图4是具有公开的止动模块的GRA的另一立体图；

图5是具有公开的止动模块的GRA的剖视立体图，其中为清晰起见未示出GRA齿轮级的行星齿轮；

图6是示出止动模块和GRA的内部部件的分解立体图，其中为清晰起见未示出GRA齿轮级的行星齿轮；

图7是示出止动模块和GRA的内部部件的另一分解立体图，其中为清晰起见未示出GRA齿轮级的行星齿轮；

图8是通常沿图2中的线A-A截取的局部剖视图；

图9是通常沿图2中的线D-D截取的局部剖视图，其中也以虚线示出止动模块的止动卡爪；

图10是止动模块的端视图，示出止动模块的止动卡爪的枢转接合；以及

图11是止动模块的内部部件的简化立体图，示出止动卡爪的枢转接合。

具体实施方式

图1示出了连接到GRA10的马达2。马达2可以是任何类型的马达，例如液压马达、电动马达或气动马达。马达2可操纵以旋转地驱动输入轴4，输入轴4将转动输入传递到GRA10。输入轴4可以由一对旋转轴承15支撑以围绕其轴线旋转。GRA10构造为包括下文详细描述的止动模块30。

输入轴4的端部可以具有外轮齿以用作GRA10的第一行星齿轮级的太阳轮14。太阳轮14与第一组行星齿轮16啮合，第一组行星齿轮16又与壳体12中的内轮齿啮合使得壳体12用作第一行星齿轮级的齿环。第一级托架18联接到行星齿轮16并且在输入轴旋转时被驱动以围绕输入轴4的轴线旋转。第一级托架18的端部可以具有外轮齿以用作GRA10的第二行星齿轮级的太阳轮20。第二行星齿轮级还包括与太阳轮20啮合并且与形成另一齿环的壳体12中的内轮齿啮合的第二组行星齿轮22。第二级托架24联接到行星齿轮22并且在输入轴和第一级托架18旋转时被驱动以围绕输入轴4的轴线旋转。第二级托架24可以包括用于连接到负载(未示出)的输出花键26。端盖13可以紧固到壳体12。

现在还参考图2，本公开的止动模块30使用基于第一级托架18的正时齿轮系统以触发可变形盘32的变形，以耗散多余的动能。可变形盘32可以被容纳在由第一部分34和第二部分36形成的止动筒组件内。筒组件部分34和36可以螺纹连接在一起以及通过销(未示出)锁止在一起。可变形盘32示出为被挤压在硬的(即刚性的)变形元件之间，例如约束在止动筒组件中的滚珠37和39。滚珠37和39通常可以分别位于第二部分36和第一部分34中的内挖槽内(未标注但在图2中可见)。滚珠39通常可以占据可变形盘32中的凹部33(见图7)。在描绘的实施例中，变形元件成形为球形球，但变形元件可以是具有非球形形状的刚体。

可变形盘32可以花键连接到输入轴4上，以随输入轴旋转。筒组件部分34和36相对于输入轴4围绕输入轴4的轴线自由地旋转，但由于止动筒组件内的可变形盘32的约束通常将随输入轴4和可变形盘32旋转。止推轴承38可以布置为，保持可变形盘32被花键连接在部分4上，以防止花键和筒组件部分34和36在轴承15之间轴向移动。止动筒组件的第一部分34可以包括限定一对径向面35A和35B(见图8)的外部的突起部35。

除图1和图2以外，现在还参考其余的图3-图11。上面提及的正时齿轮系统可以由包括部分56和58的内壳体包围。内壳体56、58可以安装在输入轴反作用轴承15中的一个上，并且可以外部地花键连接到壳体12的内花键表面。第一级托架18可以包括轮毂部19，轮毂部19具有与可旋转地安装在支撑板50上的行星齿轮52啮合的外轮齿。行星齿轮52可以分叉，以在一侧与在内壳体部分58中提供的齿环内齿啮合，并且在另一侧与携带凸舌环49的正时齿环48啮合。由输入轴4的旋转引起的第一级托架18的旋转被传递到行星齿轮52，从而导致正时齿环48和凸舌环49围绕输入轴4的轴线旋转。凸舌环49可以包括成角度地隔开的一个或更多个凸舌54，每个凸舌54可以具有相应的定位螺钉55。虽然附图将凸舌环49示出为紧固地配合在齿环48中的带齿板，然而凸舌环49可以作为焊接到齿环48并且然后与齿环磨平的板提供。

在第一级托架18和内壳体部分58之间可以布置抵靠在壳体12中的径向台阶的硬化间隔体53，以及与间隔体53接合的硬化垫圈51。在内壳体部分56和齿环48之间可以设置硬化垫圈61，使得允许齿环48旋转。

止动卡爪40可以布置在内壳体56、58外，并且可以围绕枢轴销42的轴线枢转，用于根据枢转方向接合突起部35的径向延伸面35A或35B中的一个。枢轴销42可以位于穿过卡爪40并且穿过固定在壳体12内的环形保持器46的对齐的开口41内。在正常操纵下(即，不在紧急限制止动条件下)，止动卡爪40保持在围绕枢轴销42的轴线的中心枢转位置，并且不阻碍止动筒组件的旋转。如下文所述，在卡爪在冲程的末端未枢转到倾斜位置时，卡爪40可以通过与卡爪40中的凹部43可接合的一对被弹簧加载的滚珠爪(未示出)被偏置为中心卡爪40，以占据中心枢转位置。卡爪40被示出为具有延伸部，该延伸部布置为延伸穿过内壳体部分56中的通道57并且终止于致动端44。垫片(未标注)可以布置在端盖13和保持器46之间以将保持器46和内壳体56、58轴向地约束在外壳体12内。

正时齿轮系统被设计为使得正时齿环48和凸舌环49在致动器冲程期间缓慢旋转过不到一整圈。正时齿轮系统和凸舌54的角间距可以构造为，使得凸舌54中的一个上的定位螺钉55在致动器的冲程的末端或超过行程的位置接合卡爪40的致动端44，以使卡爪40围绕枢轴销42的轴线枢转。在卡爪40枢转时，如图10和图11所示，它接合突起部35的径向面35A或35B中的一个，从而防止止动筒组件的第一部分34和第二部分36随输入轴4和可变形盘32旋转。该系统可以是双向的，其中在输入轴4在相反方向上旋转时，不同的凸舌54上的定位螺钉55接合卡爪40的致动端44，从而使卡爪40在相反方向上旋转，以接合突起部35的另一径向面35B或35A。本领域技术人员将理解，正时齿轮系统的构造取决于设计的选择。通过非限制性示例，可以使用日内瓦机构或类似的正时机构来代替所示的正时齿轮系统，并且被认为在本公开的范围内。

在卡爪40的旋转防止止动筒组件的第一部分34和第二部分36随输入轴4和可变形盘32旋转时，滚珠37和39导致可变形盘32变形。滚珠保留在第一部分34和第二部分36的内挖槽中，并且在盘32继续相对于滚珠37、39旋转时使盘32永久地变形以耗散动能，直到盘32和输入轴4的旋转停止。由变形滚珠37、39产生的扭矩反应出通过两个径向轴承15的侧向负载。

将显而易见的是，在超过致动器的机械冲程时，卡爪40仅从其中心位置枢转，并且一旦马达止动并且逆向回到致动器的正常冲程范围内，卡爪40在根本没有拖拽的情况下枢转回到其中心位置，即系统没有卡住。

在改进的实施例中，可以提供和布置两个或更多个止动卡爪40和相应的突起部35，以消除由止动卡爪在轴承15上产生的瞬时侧向负载。例如，一对卡爪40和一对突起部35可以布置为围绕输入轴4的旋转轴线隔开180度，从而抵消由于止动扭矩而造成的任何侧向负载。

虽然一组变形元件37、39被示出为用于永久地变形盘32，然而另一组变形元件可以布置和构造为在将要止动期间盘继续旋转时通过矫直盘32的变形区域(例如，由第一组变形元件37、39形成的凸起或隆起)从系统耗散更多的旋转动能。例如，一个或更多个次级变形元件可以围绕输入轴4的旋转轴线与第一组变形元件37、39成角度地隔开，以在将要止动期间变型盘32继续旋转时作用在先前变形的区域上并且使其变平。

在所描绘的实施例中，可变形元件示出为盘32。然而，可变形元件的形状可以不止是盘形状。例如，在不限制本公开的情况下，可变形元件可以具有柱筒形状。可变形元件可以形成为如上所述的单独元件，或者它可以与筒组件的组成部分34或36中的一个一体地形成。

与传统的止动模块相比，本公开的一次性使用止动模块消除了巨大的重量、尺寸、扭矩拖拽和惯性。所公开的一次性使用止动模块的重量约为传统的止动模块重量的五分之一，在轴向方向上比传统的止动模块短得多，并且不涉及拖拽并且没有制动板，并且具有一个马达的约五分之一的转动惯量。止动模块在致动器齿轮系中的任何承载齿轮加载之前止动马达，这相比于放置在致动器齿轮系中的下游的一些传统止动模块是优势。消耗型仅一次性紧急止动筒组件可以在发生罕见的冲程末端失控情况后大修或更换。

虽然本公开描述了示例性实施例，但详细描述并不旨在将要求保护发明的范围限制到所述的特定形式。本说明书旨在涵盖对于本领域的普通技术人员来说显而意见的所述实施例的替代方案、修改和等同。

Claims (18)

1.一种致动器，用于将旋转运动从输入元件传递到输出元件，致动器具有冲程末端极限，其中致动器包括：

可变形元件和变形元件，其中可变形元件连接到输入元件使得可变形元件响应于输入元件的旋转而旋转；

在非止动位置和止动位置之间可移动的止动元件，其中在止动元件处于非止动位置时，变形元件随可变形元件旋转，并且其中在止动元件处于止动位置时，在可变形元件和变形元件之间发生相对运动；和

响应于输入元件或输出元件的旋转的正时齿轮，其中正时齿轮构造为在到达冲程末端极限时将止动元件移动到止动位置；

其中在可变形元件和变形元件之间发生相对运动时，变形元件导致可变形元件变形；

由此在到达冲程末端极限时，致动器中的动能通过可变形元件的变形而耗散。

2.根据权利要求1所述的致动器，其中致动器包括止动筒组件，止动筒组件包括外壳，其中可变形元件和变形元件位于外壳内，其中在止动元件处于非止动位置时外壳、可变形元件、变形元件作为单元一起旋转。

3.根据权利要求2所述的致动器，其中可变形元件是由金属制成的可变形盘。

4.根据权利要求3所述的致动器，其中可变形盘花键连接到输入元件上以随输入元件旋转。

5.根据权利要求3所述的致动器，其中变形元件包括接触外壳和可变形盘的至少一个滚珠。

6.根据权利要求5所述的致动器，其中至少一个滚珠包括位于外壳的内表面中的相应挖槽中的并且布置为接触可变形盘的多个滚珠。

7.根据权利要求6所述的致动器，其中可变形盘包括接收多个滚珠中的一个的凹部。

8.根据权利要求5所述的致动器，其中止动元件在止动位置接合外壳，从而导致在可变形盘和至少一个滚珠之间发生相对运动。

9.根据权利要求2所述的致动器，其中止动元件包括围绕轴线在非止动位置和止动位置之间可枢转的卡爪，其中卡爪在止动位置接合外壳，从而导致在可变形元件和变形元件之间发生相对运动。

10.根据权利要求9所述的致动器，其中致动器的冲程末端极限是对应于输入元件的第一旋转方向的第一冲程末端极限，并且致动器具有对应于输入元件的第二旋转方向的第二冲程末端极限，其中卡爪围绕轴线在第一方向上从非止动位置可枢转到第一止动位置，在第一止动位置中，在外壳在第一方向上旋转时，卡爪接合外壳以止动外壳，并且卡爪围绕轴线在第二方向上从非止动位置可枢转到第二止动位置，在第二止动位置中，在外壳在第二方向上旋转时卡爪接合外壳以止动外壳。

11.根据权利要求9所述的致动器，其中在致动器位于第一冲程末端极限和第二冲程末端极限之间时，卡爪被偏置到非止动位置。

12.根据权利要求1所述的致动器，进一步包括次级变形元件，次级变形元件围绕输入元件的旋转轴线与变形元件成角度地隔开，其中次级变形元件作用在可变形元件的先前由变型元件变形的区域上。

13.一种在到达冲程末端极限时止动旋转运动从输入元件到输出元件传递的方法，该方法包括：

提供可变形元件和变形元件，其中可变形元件连接到输入元件使得可变形元件响应于输入元件的旋转而旋转；

在到达冲程末端极限时触发在可变形元件和变形元件之间发生的相对运动，其中当在可变形元件和变形元件之间发生相对运动时，变形元件导致可变形元件变形；以及

通过可变形元件的变形耗散与旋转运动相关联的动能。

14.根据权利要求13所述的方法，其中变形元件包括至少一个滚珠并且可变形元件包括可变形盘，至少一个滚珠和可变形盘被提供在外壳内，触发相对运动的步骤包括将止动元件移动到接合外壳的止动位置。

15.根据权利要求14所述的方法，其中通过连接到输入元件的正时齿轮系统将止动元件移动到止动位置。

16.根据权利要求13所述的方法，其中触发步骤在到达与输入元件的第一旋转方向相关联的第一冲程末端极限时执行，或者，在到达与输入元件的与第一旋转方向相反的第二旋转方向相关联的第二冲程末端极限时执行，由此方法是双向的。

17.根据权利要求13所述的方法，还包括在耗散动能的步骤之后在相反方向上旋转输入元件的步骤。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括提供次级变形元件的步骤，其中次级变形元件逆转由变形元件引起的变形，以耗散与旋转运动相关联的额外的动能。

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