CN115492839B - 一种基于柔性轴的扭矩传动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于柔性轴的扭矩传动装置，属于传动装置技术领域，包括柔性传动轴、外部弯管以及连接装置。柔性传动轴由多个贝壳形柔性结构单胞以及加强板组成。贝壳形柔性结构单胞由两个柔性单元组成，柔性单元为圆形薄板，分为支撑板、弯曲板、连接区三部分，柔性单元上的弯曲板区域沿圆周方向均匀分成偶数个弯曲板，单数的向左弯曲，双数的向右弯曲，相邻柔性单元上的弯曲板奇偶组合，并在相应的连接区焊接，组成贝壳形单胞，贝壳形单胞上空余的弯曲板与再相邻的柔性单元上的弯曲板再进行奇偶组合，构成多个贝壳形柔性结构单胞；本发明的扭矩传动装置结构紧凑，可靠性高，扭矩传递方向改变易实现。

Description

一种基于柔性轴的扭矩传动装置

技术领域

本发明属于传动装置技术领域，具体涉及一种基于柔性轴的扭矩传动装置。

背景技术

在扭矩的传动过程中，常规的方法是利用多个刚性轴和伞形齿轮进行组装成相应的传动系统，来改变扭矩的传动方向。组装后的传动系统各部件的相对位置和方向是固定的，当传动方向再次发生改变，就需要重新选择伞形齿轮组装传动系统。

相比于刚性传动系统，柔性传动装置通过其内部可变形的柔性轴以及外部固定柔性轴变形的弯管就可以实现扭矩传动方向的改变，且只需要更换外部弯管的偏转角度，并将柔性轴嵌套在内，就可以再次改变扭矩的传递方向。且柔性轴一体化设计，减少构件的数量，利用组成柔性轴的柔性单元的变形来实现扭矩传递方向的改变，并且没有传动间隙和磨损。因此本发明提出一种基于柔性轴的扭矩传动装置，该装置结构紧凑，变换扭矩传递方向简便易行。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，提出一种基于柔性轴的扭矩传动装置，通过将柔性传动轴嵌套在外部弯管内实现扭矩传动的方向变化。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

本发明所提出的基于柔性轴的扭矩传动装置包括柔性传动轴，外部弯管以及连接装置。柔性传动轴由多个贝壳形柔性结构单胞以及加强板组成。贝壳形柔性结构单胞由两个柔性单元组成，柔性单元为圆形薄板，分为支撑板、弯曲板、连接区三部分，柔性单元上的弯曲板区域沿圆周方向均匀分成偶数个弯曲板，单数的向左弯曲，双数的向右弯曲，相邻柔性单元上的弯曲板奇偶组合，并在相应的连接区焊接，组成贝壳形单胞，贝壳形单胞上空余的弯曲板与再相邻的柔性单元上的弯曲板再进行奇偶组合，构成多个贝壳形柔性结构单胞，（贝壳形单胞上空余的弯曲板为：因为两个柔性单元组合成一个贝壳形单胞后两边会有剩余弯曲板，然后剩余的弯曲板再与其相邻的柔性单元组合成贝壳形单胞）。

加强板尺寸和支撑板相匹配，加强板上开方形的第二连接孔，在第二连接孔外开铆钉孔；所述的加强板尺寸与支撑板相匹配，在若干支撑板的首个和末个支撑板上开同样的第一连接孔以及铆钉孔，加强板与首个和末个支撑板通过铆钉连接。外部弯管内部侧壁焊接有滑槽，柔性传动轴每一个贝壳形单胞的顶端都置于滑槽内；外部弯管外侧壁上焊接有固定环和固定板。连接装置一端为圆形，作为与外部结构连接的接口，另一端为方形，中间有翻边，翻边上有铆钉孔，连接装置通过方形连接孔穿插在加强板和支撑板上，并通过铆钉固定连接。

柔性单元在其径向尺度上分三个区域，圆心区域为支撑板区域，中间区域是弯曲板区域，外边缘区域是连接区域。在圆周方向上将弯曲板区域和连接区域分成偶数个倒梯形弯曲板。相邻弯曲板之间的切缝宽度为0.2mm，并在弯曲板与支撑板交界的地方（弯曲板的根部）打止裂孔，止裂孔的直径是切缝宽度的三倍以上。柔性单元的连接区域，由于需要焊接，其径向的实际长度不得小于3mm。相邻弯曲板相对支撑板向两侧偏转，连接区域外边缘弯曲线的切线与支撑板所在平面平行。

外部弯管沿中心平面分为两个半圆弯管，每一个滑槽也分为两部分焊接在外部弯管的内部侧壁上，滑槽的大小根据柔性单元厚度以及连接区的径向长度设计，柔性传动轴的每一个贝壳形单胞的顶端置于外部弯管侧壁上的滑槽内；外部弯管的圆心角为扭矩传递偏转角度，相邻滑槽间的偏转角度为圆心角除以柔性传动轴的贝壳形单胞数；外部弯管外壁上焊接有固定环和固定板，固定环有两个，分别位于外部弯管弧长的1/4和3/4处，每一个固定环对称位于弯管上半部分和下半部份，并在外部弯管的中心平面处向外弯折一小段，和外部弯管侧壁垂直并打有螺孔，通过螺栓将两个半圆弯管组装在一起；固定板为长方形板，固定板有两个，分别焊接在外部弯管下半部分弧长的1/4和3/4处，板面上打有2个螺孔，通过螺栓和外部固定基座连接，提供柔性传动轴传递扭矩时所需的支反力。

按以下步骤组合成基于柔性轴的扭矩传动装置：首先将柔性单元组成多个贝壳形单胞，以两个相邻的柔性单元为例，左边柔性单元上向右弯曲的弯曲板，与右边柔性单元上向左弯曲的弯曲板构成贝壳形单胞；而左边柔性单元上向左弯曲的弯曲板，又与其左边柔性单元上向右弯曲的弯曲板构成贝壳形单胞，右边柔性单元上向右弯曲的弯曲板，又与其右边柔性单元上向左弯曲的弯曲板构成贝壳形单胞，将其连接区域进行奇偶组合，并将首个和末个柔性单元上剩余的弯曲板切割掉，组合成多个贝壳形单胞结构。再将加强板与首个和末个支撑板通过铆钉连接，进而组成柔性传动轴。根据柔性传动轴的贝壳形单胞分布，在外部弯管内部侧壁上焊接滑槽，将柔性传动轴的每一个贝壳形单胞顶端置于滑槽内，并通过螺栓将外部弯管组装在一起，最后将连接装置与柔性传动轴连接，组装成基于柔性轴的扭矩传动装置。

本发明的有益效果在于：

本发明所提出的基于柔性轴的扭矩传动装置结构紧凑，可靠性高，扭矩传递方向改变易实现。

附图说明

图1是本发明基于柔性轴的扭矩传动装置示意图；

图2是本发明基于柔性轴的扭矩传动装置中柔性单元示意图；

图3是本发明基于柔性轴的扭矩传动装置中加强板示意图；

图4是本发明基于柔性轴的扭矩传动装置中连接装置示意图；

图5是本发明基于柔性轴的扭矩传动装置中固定环示意图；

图6是本发明基于柔性轴的扭矩传动装置中固定板示意图；

其中，1-弯曲板，2-连接区，3-支撑板，4-第一连接孔，5-连接装置，6-切缝，7-止裂孔，8-第二连接孔，9-加强板，10-铆钉孔，11-外部弯管，12-滑槽，13-固定环，14-固定板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1~6所示，本发明所提出的基于柔性轴的扭矩传动装置包括柔性传动轴，外部弯管11以及连接装置5。柔性传动轴由多个贝壳形柔性结构单胞以及加强板9组成。贝壳形柔性结构单胞由两个柔性单元组成，柔性单元为圆形薄板，分为支撑板3、弯曲板1、连接区2三部分，柔性单元上的弯曲板区域沿圆周方向均匀分成偶数个弯曲板1，单数的向左弯曲，双数的向右弯曲，相邻柔性单元上的弯曲板奇偶组合，并在相应的连接区焊接，组成贝壳形单胞，贝壳形单胞上空余的弯曲板与再相邻的柔性单元上的弯曲板再进行奇偶组合，构成多个贝壳形柔性结构单胞。

外部弯管11沿中心平面分为两个半圆弯管，每一个滑槽12也分为两部分焊接在外部弯管的内部侧壁上，滑槽的大小根据柔性单元厚度以及连接区的径向长度设计，柔性传动轴的每一个贝壳形单胞的顶端置于外部弯管侧壁上的滑槽内；外部弯管外壁上焊接有固定环13和固定板14，固定环有两个，分别位于外部弯管弧长的1/4和3/4处，每一个固定环对称位于弯管上半部分和下半部份，并在外部弯管的中心平面处向外弯折一小段，和外部弯管侧壁垂直并打有螺孔，通过螺栓将两个半圆弯管组装在一起；固定板14为长方形板，固定板有两个，分别焊接在外部弯管下半部分弧长的1/4和3/4处，板面上打有2个螺孔，通过螺栓和外部固定基座连接，提供柔性传动轴传递扭矩时所需的支反力。

本发明的实例中输入轴和输出轴的直径大小都为16mm，输入轴的扭矩大小为240N·m，工作状态中输入轴呈水平方向，输入轴与输出轴的夹角为60°，输入轴和输出轴之间的距离为350mm，安全系数为2.0。下面将按照实例中的工作要求，对基于柔性轴的扭矩传动装置的各部分参数进行具体设计。

本发明所提出的基于柔性轴的扭矩传动装置中的外部弯管11，连接装置5，柔性传动轴上的柔性单元以及加强板9采用钢材料。为满足工作强度要求，经计算柔性单元的厚度选择为1.5mm，半径为38mm。为使得输入轴的扭矩安全地传递到输出轴，对柔性单元上支撑板区域，弯曲板区域以及连接区域进行参数设计。支撑板半径大小为16mm；弯曲板区域径向长度为18mm，每个弯曲板1的圆周角度为30°；连接区域径向长度为4mm。连接装置5圆形端口直径为16mm，以便和输入轴以及输出轴相连接，方形端口边长为16mm，翻边上的铆钉孔直径为4mm。加强板9厚度为1.8mm，加强板以及首个和末个支撑板3上的方形连接孔边长为16mm（即第一连接孔4、第二连接孔8边长均为16mm），以便和连接装置组装；加强板以及首个和末个支撑板3上的铆钉孔直径为4mm。外部弯管轴线的曲率半径为350mm，弧长360mm，圆心角为60°，外部弯管外径82mm，内径为76mm，壁厚为3mm，外部弯管内部侧壁上焊接的滑槽宽度和深度都为4mm。

为满足其输入轴和输出轴的偏转角度以及距离要求，选取21个柔性单元，对柔性单元画线后进行切割，切缝6宽度为0.2mm，进而把每个柔性单元的弯曲板区域等距分割为12份弯曲板1，并且在支撑板3和弯曲板1的每一个连接处打直径大小为切缝宽度5倍的止裂孔7，直径大小为1mm。采用冲压技术制备初始弯曲形状，相邻弯曲板1相对支撑板3向两侧偏转，连接区域外边缘弯曲线的切线与支撑板所在平面平行。根据所选柔性单元数量在外部弯管内部侧壁上焊接滑槽，滑槽数量为20个，相邻滑槽之间距离18mm，偏转角度为3°。

在连接区采用焊接方式将相邻的柔性单元上的连接区奇偶组合，组成20个贝壳形柔性结构单胞，每个柔性单元之间的距离为18mm。在焊接时采用He和Ar二元混合保护气体，来减少接头气孔的数目和尺寸，把加强板9与多个贝壳形柔性结构单胞组合成柔性传动轴，把柔性传动轴的每一个贝壳形单胞顶端置于外部弯管侧壁上的滑槽内，并通过螺栓和固定环将外部弯管组装在一起，最后将连接装置与柔性传动轴连接，组装成基于柔性轴的扭矩传动装置。

把实例中的输入轴和输出轴与连接装置进行连接，并把外部弯管通过螺栓和固定板与外部固定基座连接。相邻两个贝壳形单胞偏转角度为3°，输入轴转动时，带动和输入轴相连接的第一个贝壳形单胞的转动，进而带动第二个贝壳形单胞的转动，依次使得整个柔性传动轴在外部弯管11内转动起来。柔性传动轴的每一个贝壳形单胞顶端置于外部弯管侧壁上的滑槽12内，且外部弯管11和外部固定基座连接，提供柔性传动轴在转动时不产生其他方向偏转所需的支反力，最终将输入轴的扭矩传递给相对其偏转角度为60°的输出轴，实现工作的运转。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于柔性轴的扭矩传动装置，其特征在于，所述的装置包括柔性传动轴，外部弯管（11）以及连接装置（5）；所述的柔性传动轴嵌套在外部弯管（11）内；所述的柔性传动轴包括多个贝壳形柔性结构单胞以及加强板（9）；所述的外部弯管（11）内部侧壁焊接有滑槽（12），柔性传动轴的每一个贝壳形柔性结构单胞的顶端都置于滑槽（12）内；外部弯管外侧壁上焊接有固定环（13）和固定板（14）；

所述的连接装置（5）一端为圆形，作为与外部结构连接的接口，另一端为方形，中间有翻边，翻边上也开设有铆钉孔，连接装置通过方形连接孔穿插在加强板和支撑板上，并通过铆钉固定连接；

所述的外部弯管（11）沿中心平面分为两个半圆弯管，每一个滑槽（12）也分为两部分焊接在外部弯管（11）的内部侧壁上，滑槽的大小根据柔性单元厚度以及连接区的径向长度设计；所述的外部弯管外侧壁上焊接的固定环（13）设置有两个，分别位于外部弯管弧长的1/4和3/4处，每一个固定环对称位于弯管上半部分和下半部分，并在外部弯管的中心平面处向外弯折一小段，该弯折和外部弯管侧壁垂直并打有螺孔，通过螺栓将两个半圆弯管组装在一起；固定板为长方形板，固定板有两个，分别焊接在外部弯管（11）下半部分弧长的1/4和3/4处，板面上打有2个螺孔，通过螺栓和外部固定基座连接，提供柔性传动轴传递扭矩时所需的支反力；

所述的加强板（9）上开方形的第二连接孔（8），在第二连接孔（8）外开铆钉孔（10）；所述的加强板（9）尺寸与支撑板（3）相匹配，在若干支撑板（3）的首个和末个支撑板上开同样的第一连接孔（4）以及铆钉孔，加强板（9）与首个和末个支撑板通过铆钉连接；

所述的贝壳形柔性结构单胞由两个柔性单元组成，柔性单元为圆形薄板；

所述的柔性单元在其径向尺度上分三个区域，圆心区域为支撑板区域，中间区域是弯曲板区域，外边缘区域是连接区域；在圆周方向上将弯曲板区域和连接区域分成偶数个倒梯形弯曲板；相邻弯曲板（1）之间有切缝（6），所述的切缝宽度为0.2mm，偶数个倒梯形弯曲板中单数的向左弯曲，双数的向右弯曲，相邻柔性单元上的弯曲板（1）奇偶组合，弯曲板（1）在相应的连接区（2）焊接，组成贝壳形柔性结构单胞；贝壳形柔性结构单胞上空余的弯曲板与再相邻的柔性单元上的弯曲板再进行奇偶组合，构成多个贝壳形柔性结构单胞；在弯曲板与支撑板交界处，即弯曲板的根部打止裂孔（7），所述的止裂孔的直径是切缝宽度的三倍以上；

所述的柔性单元的连接区域，由于需要焊接，其径向的实际长度不得小于3mm；相邻弯曲板（1）相对支撑板（3）向两侧偏转，连接区域外边缘弯曲线的切线与支撑板（3）所在平面平行。

2.根据权利要求1所述的一种基于柔性轴的扭矩传动装置，其特征在于，所述的传动装置的组合方法为：

将柔性单元组成多个贝壳形柔性结构单胞，首先组合两个相邻的柔性单元：左边柔性单元上向右弯曲的弯曲板，与右边柔性单元上向左弯曲的弯曲板构成贝壳形柔性结构单胞；而左边柔性单元上向左弯曲的弯曲板，又与其左边柔性单元上向右弯曲的弯曲板构成贝壳形柔性结构单胞，右边柔性单元上向右弯曲的弯曲板，又与其右边柔性单元上向左弯曲的弯曲板构成贝壳形柔性结构单胞，将其连接区域进行奇偶组合，并将首个和末个柔性单元上剩余的弯曲板切割掉，组合成多个贝壳形柔性结构单胞；

再将加强板与首个和末个支撑板通过铆钉连接，进而组成柔性传动轴；根据柔性传动轴的贝壳形柔性结构单胞分布，在外部弯管内部侧壁上焊接滑槽，将柔性传动轴的每一个贝壳形柔性结构单胞顶端置于滑槽内，并通过螺栓将外部弯管组装在一起，最后将连接装置与柔性传动轴连接，组装成基于柔性轴的扭矩传动装置。