CN116639607A - 臂架旋转机构、臂架及工程机械 - Google Patents

Abstract

本发明涉及臂架领域，公开了一种臂架旋转机构、臂架及工程机械，所述臂架旋转机构包括围绕中心轴线彼此套设的外环(8)和内环(17)、导向部、驱动件，所述外环(8)和所述内环(17)的一者上设置有周向延伸的波形的导轨，驱动件能够驱动所述导向部相对于所述外环(8)和所述内环(17)的另一者的沿轴向方向移动，使得所述导向部沿轴向作用于所述导轨，从而驱动所述导轨相对于所述导向部周向滑动，以驱动所述内环(17)和所述外环(8)围绕中心轴线相对旋转。通过上述技术方案，通过驱动件驱动导向部轴向移动，可以实现内环的相对转动，其结构相对简单，部件相对较少，适用于臂架的臂节之间的驱动结构，整体重量更小，实现轻量化。

Description

臂架旋转机构、臂架及工程机械

技术领域

本发明涉及臂架领域，具体地涉及一种臂架旋转机构，还涉及一种臂架，并且涉及一种工程机械。

背景技术

臂架作为工程机械主要的承载和活动部件，通常是由多个臂节铰接而成，并通过各节臂油缸的驱动进行展开和收拢，相邻两臂节之间相对转角的大小是影响臂架灵活性和工作范围的关键因素，相邻两臂节之间的相对转角越大，则臂架的灵活性和工作范围越大，反之则越小。

目前大多数臂架系统相邻两臂节之间的最大相对转角均不超过280°，有时难以满足复杂施工环境时的布料条件，尤其当臂架系统需要避障时，有限的相对转角很难使臂架系统展开成符合要求的姿态。除此之外，通过油缸、弯板铰接而成的臂节连接方式，会使臂架展开时的运动方式非常单一，臂节只能顺时针或者逆时针展开；更加的，当臂节的相对转角很大时，若要收回臂节，也只能沿相反的方向转动一个非常大的角度才能完成，这极大的降低了臂架的灵活性和工作效率。

除此之外，臂节之间转动的相对角速度不与油缸的行程成正比，随着相对转角的不断变化，臂节的角速度也在不断变化，且由于臂节很长，在末端会形成一个“放大”效应，这种波动会明显降低臂架末端的稳定性和准确度。

由此可见，改进臂节之间的连接方式以提升臂架灵活性和稳定性十分重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种臂架旋转机构，以解决现有技术中存在的结构复杂、稳定性差、转角范围小等问题。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种臂架旋转机构，其中，所述臂架旋转机构包括围绕中心轴线彼此套设的外环和内环、导向部、驱动件，所述外环和所述内环的一者上设置有周向延伸的波形的导轨，所述驱动件能够驱动所述导向部相对于所述外环和所述内环的另一者的沿轴向方向移动，使得所述导向部沿轴向作用于所述导轨，从而驱动所述导轨相对于所述导向部周向滑动，以驱动所述内环和所述外环围绕中心轴线相对旋转。

其中，所述内环的外周上设置有所述导轨，所述外环的内周和所述导向部的一者上设置有轴向延伸的花键，另一者上设置有容纳所述花键轴向移动的花键槽。

其中，所述导向部包括设置在所述内环和所述外环之间的环体以及设置在所述环体的内周上的滚动件，所述滚动件能够轴向作用于所述导轨的轴向两侧侧面。

其中，所述外环设置有轴向延伸的条形孔，所述导向部包括设置在所述环体的外周上并穿过所述条形孔的耳板，所述驱动件传动连接于所述耳板。

其中，所述导轨的延伸路径在平面展开状态下为包括整数个周期的正弦或余弦曲线。

其中，所述内环上设置有轴向间隔的两个所述导轨，所述臂架旋转机构包括两个所述导向部，两个所述导向部上的滚动件沿轴向对齐，其中一个导轨的波峰与另一个导轨的波峰和波谷错开，其中一个所述导轨的波谷与另一个导轨的波峰和波谷错开。

其中，两个所述导轨的形状相同并且相位差为45度。

其中，所述驱动件包括油缸，所述油缸的一端相对于所述外环固定，另一端传动连接于所述耳板。

另外，本发明还提供了一种臂架，其中，所述臂架包括以上方案所述的臂架旋转机构。

另外，本发明还提供了一种工程机械，其中，所述工程机械设置有以上方案所述的臂架。

通过上述技术方案，通过驱动件驱动导向部轴向移动，可以实现内环的相对转动，其结构相对简单，部件相对较少，适用于臂架的臂节之间的驱动结构，整体重量更小，实现轻量化。

附图说明

图1是本发明实施方式所述的臂架旋转机构的立体图；

图2是本发明实施方式所述的臂架旋转机构的爆炸图；

图3是本发明实施方式所述的导向部和油缸的立体图；

图4是本发明实施方式所述的导向部与内环彼此配合的示意图；

图5是本发明实施方式所述的滚动件与导向槽彼此配合的示意图。

附图标记说明

1-第一端盖，2-第一轴承，3-第一油缸，4-第一导向部，5-第一环体，6-第一耳板，7-第一滚动件，8-外环，9-条形孔，10-第二导向部，11-第二环体，12-第二耳板，13-第二滚动件，14-第二油缸，15-第二轴承，16-第二端盖，17-内环，18-第一导向槽，19-第二导向槽。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明提供了一种臂架旋转机构，参考图1-图4所示，其中，所述臂架旋转机构包括围绕中心轴线彼此套设的外环8和内环17、导向部、驱动件，所述外环8和所述内环17的一者上设置有周向延伸的波形的导轨，所述驱动件能够驱动所述导向部相对于所述外环8和所述内环17的另一者的沿轴向方向移动，使得所述导向部沿轴向作用于所述导轨，从而驱动所述导轨相对于所述导向部周向滑动，以驱动所述内环17和所述外环8围绕中心轴线相对旋转。

外环8和内环17可以围绕中心轴线相对地转动，二者分别连接于相邻的两个臂节，从而可以使得两个臂节相对转动。

外环8和内环17的一者上设置有波形的导轨，其上形成波形的受力面；导向部与外环8和内环17的另一者轴向可移动地配合，导向部轴向移动时，作用于导轨，导轨处的受力面与轴向方向和周向方向均存在非直角夹角，导向部的作用力可以分解出沿周向的分力，从而使得导轨沿周向围绕中心轴线转动，即使得外环8和内环17围绕中心轴线转动。

关于导轨的形状，波形是指其延伸路径存在起伏，使得延伸路径与轴向方向和周向方向均存在非直角夹角，使得导向部对导轨的作用力形成周向分力，以推动导轨转动；波形可以为以下所述的正弦或余弦曲线或简单变形，只要大部分与轴向和周向存在非直角夹角即可。

导向部的运动可以为轴向的往复运动，并且其与外环8和内环17的另一者周向相对静止。

驱动件可以为导向部的轴向移动提供动力，其可以为气缸、油缸等线性驱动件。

在本方案中，存在多个可以运动的部件，现在参考图2说明多个部件间的相对运动关系，其中，在该实施方式中，导轨设置在内环17上，而导向部相对于外环8可以轴向往复移动而不能周向转动，在导轨与导向部的相对运动关系中，导向部与导轨的很短的一小部分相接合，以导轨作为参照物，导向部的运动轨迹即为导轨的波形延伸轨迹，反过来，以导向部作为参照物，导轨的运动轨迹也是同样的导轨的波形延伸轨迹，当以外环8作为参考系时，由于导向部可以轴向移动，使得导轨及其所在的内环17相对于外环8围绕中心轴线转动，特别是，内环17配置为仅可以相对于外环8转动而不能轴向移动。

本方案中，通过驱动件驱动导向部轴向移动，可以实现内环的相对转动，其结构相对简单，部件相对较少，适用于臂架的臂节之间的驱动结构，整体重量更小，实现轻量化。

可选择的，所述内环17的外周上设置有所述导轨，所述外环8的内周和所述导向部的一者上设置有轴向延伸的花键，另一者上设置有容纳所述花键轴向移动的花键槽。导轨设置在内环17的外周面上，导向部至少部分地设置在内环17和外环8之间，导向部朝向外环8的表面上设置有花键或花键槽，而外环8的内周面上设置有花键槽或花键，花键可滑动地容纳在花键槽中，使得导向部可以相对于外环8轴向移动，并且限制导向部相对于外环8转动。

其中，所述导向部包括设置在所述内环17和所述外环8之间的环体以及设置在所述环体的内周上的滚动件，所述滚动件能够轴向作用于所述导轨的轴向两侧侧面。导向部的主体为环状，例如图2所示的第一导向部4的第一环体5和第二导向部10的第二环体11，第一环体5的内周上设置有第一滚动件7，第二环体11的内周上设置有第二滚动件13。关于导轨，其可以存在多种形式，例如可以形成为凹陷的导向槽，也可以凸出的导向条，并且可以设置轴向间隔的两个，无论导向槽还是导向条均存在轴向两侧侧面，对于导向槽来说，滚动件可以容纳于其中，在轴向移动时可以作用于槽的两侧侧面，对于导向条来说，滚动件位于其轴向两侧的至少其中一侧(可以在导向条的两侧均设置滚动件来夹持导向条)，同样可以实现相对滑动，即使得导向部相对于导轨沿波形轨迹移动。滚动件可以为滚轮，其旋转轴线沿环体的径向延伸，允许导向部相对于导轨更容易地滑动，或者也可以为滚珠。

另外，所述外环8设置有轴向延伸的条形孔，所述导向部包括设置在所述环体的外周上并穿过所述条形孔的耳板，所述驱动件传动连接于所述耳板。参考图2所示，第一环体5的外周上设置有第一耳板6，其穿过外环8上的条形孔延伸到外环8的外部，以与驱动件(第一油缸3)连接，第二环体11的外周上设置有第二耳板12，其穿过外环8上的条形孔延伸到外环8的外部，以与驱动件(第二油缸14)连接。

其中，所述导轨的延伸路径在平面展开状态下为包括整数个周期的正弦或余弦曲线。导轨的延伸路径完全覆盖内环17的整个圆周，并且导轨首尾相接形成闭合的路径。导轨的延伸形状为正弦或余弦曲线，并且包括整数个周期。

可选择的，所述内环17上设置有轴向间隔的两个所述导轨，所述臂架旋转机构包括两个所述导向部，两个所述导向部上的滚动件沿轴向对齐，其中一个导轨的波峰与另一个导轨的波峰和波谷错开，其中一个所述导轨的波谷与另一个导轨的波峰和波谷错开。参考图2和图4所示，内环17的外周上设置有两个轴向间隔的导轨，即第一导向槽18和第二导向槽19，第一导向槽18的波峰与第二导向槽19的波峰和波谷均不对齐，并且第一导向槽18的波谷和第二导向槽19的波峰和波谷均不对齐，这是因为，在波峰或波谷之外的位置，滚动件所接触的导向槽部分侧面与轴向方向的夹角不是直角，因此，可以形成周向的分力，而在波峰或波谷处，滚动件所接触的导向槽的部分侧面与轴向为直角，轴向作用力不能形成周向分力，不能驱动内环相对转动，因此，设置了两套的导向部和导轨，在其中一套中的导向部不能提供周向分力时，另一套必然能提供周向分力，即无论内环17和外环8的相对位置如何，都可以启动内环17开始转动。

可选择的，两个所述导轨的形状相同且相位差为45度。导轨的形状主要是指其延伸路径的形状，第一导向槽18和第二导向槽19中每单个周期的波形是相同的，包括振幅和波长，并且具有同样数量的单个周期波形。

其中，所述驱动件包括油缸，所述油缸的一端相对于所述外环8固定，另一端传动连接于所述耳板。驱动件包括第一油缸3和第二油缸14，第一油缸3连接于第一导向部4，以驱动第一导向部4往复移动，第二油缸14连接于第二导向部10，以驱动第二导向部10往复移动。参考图1和图2所示，第一油缸3的一端固定于外环8的第一端(图2的左端)，另一端连接于第一导向部4的第一耳板6，第二油缸14的一端固定于外环8的第二端(图2的右端)，另一端连接于第二导向部10的第二耳板12，特别的，第一导向部4位于第二导向部10的右侧，即相对于第二导向部10更靠近外环8的第二端，第一油缸3延伸到相邻的第二油缸14之间，第二油缸14也延伸到相邻的两个第一油缸3之间，第一油缸3和第二油缸14彼此交错，在第一油缸3和第二油缸14的整体长度之和大于外环8的情况下可以安装在外环8上，减少了轴向的长度。

其中，第一导向槽18和第二导向槽19的延伸路径可以分别包括三个周期，即包括三组波峰和波谷，参考图2所示，第一导向部4设置有周向均布的三个第一滚动件7(滚轮)，第二导向部10上设置有周向均布的三个第二滚动件13(滚轮)，每个滚动件对应于导轨的其中一个周期的波形。

另外，所述臂架旋转机构还包括第一轴承2和第二轴承15、第一端盖1和第二端盖16，第一轴承2和第二轴承15可以分别安装在外环8的两端中，以支撑内环17在外环8中旋转，并且第一端盖1和第二端盖16(均为环形)分别设置在外环8的两端，以分别用于固定第一轴承2和第二轴承15。

此外，内环17可以相对于内环17部分地伸出，伸出的部分作为与臂节连接的部分，其上可以设置花键或花键槽。

参考图5，以下为本方案的臂架旋转机构的原理说明。

1、内环17外壁上的两道简谐曲线型的导向槽相位相差45°，如图5所示，图5中曲线是将图4中凹槽平铺展开并简化得到。第一导向部4的第一滚动件7置于第一导向槽18中，由第一油缸3进行驱动；第二导向部10的第二滚动件13置于第二导向槽19中，由第二油缸14进行驱动。当第一滚动件7运动至零位时，第二滚动件13则运动至极位，两者相位恰好相差45°，如图5中点f和点F所示。

2、内环17外壁上的两道简谐曲线型的导向槽具有3个周期，分别与所述均布的三个滚子、三个油缸一一对应。即：第二导向部10所对应的每一对第二油缸14、第二滚动件13的组合都进行相同的运动，第一导向部4亦然。因此后续分析均只针对于其中一组运动构件进行。

3、以第一滚动件7为例，由于第一导向部4与外环8通过花键连接，所以第一导向部4不会发生转动。当第一油缸3伸长时，第一滚动件7会与滑道内壁发生挤压，此时挤压作用会迫使内环17发生旋转。随着挤压作用的持续，内环17便可实现360°的旋转运动。

4、当第一滚动件7运动至极位时，为凸轮机构死点，此时第一油缸3不应提供压力，否则会造成机构破坏。而恰好此时第二滚动件13运动至零位，此时凸轮机构传动角最大，应使第二油缸14提供压力，迫使内环17旋转，带动第一滚动件7越过极点(死点)位置。同样，当第二滚动件13运动至极位时，恰好第一滚动件7运动至零位时，此时应通过第一油缸3带动第一导向部4运动，迫使内环17旋转，使第二滚动件13越过极点。如此交替往复，便可持续推动内环17旋转，如图5中点f和点F所示。

5、当第一滚动件7运动至极位附近(未达到极位)时，虽然凸轮机构没达到死点，但此时机构传动角很小，工作效率低。而此时第二滚动件13运动至零位附近，凸轮机构传动角大，工作效率高。因此，当第一油缸3带动第一滚动件7运动时，第二油缸14为随动件，当运动至极位附近时，第一油缸3需停止压力供给，转为随动件，而第二油缸14此时开始提供压力，带动第二滚动件13运动，并将第一滚动件7带过低效率区域。因此，左右油缸实际上是交替动作，实现内环17的360°旋转。

6、为了使上述5中凸轮交替动作时始终处于效率最高的区域，交替动作时刻应位于零位与极位中间，这样便可同时保证两个滚动件的传动效率，如图5中一个周期内所示的45°、135°、225°、315°四个位置。

7、上述6中所述交替动作位置，其所对应的第一滚动件7的工作区间为b-c段、d-e段，对应的第二滚动件13的工作区间为A-B段、C-D段。如图5所示，这些区域均位于简谐曲线零位附近，此时简谐曲线接近于直线，而由于油缸作动速度可通过控制液压油的流量使其保持在一个恒定值，所以，当油缸在上述区域内工作时，内环17的角速度与油缸位移量成近似的线性关系，可使内环17的角速度控制在一个很小的波动范围内，大大提高了臂节转动的稳定性和安全性。

参考图5，以下为臂架旋转机构在顺时针运动时一个周期内的动作顺序：

1、A-B(a-b)段，第一油缸3为随动件，第二油缸14提供压力，第二油缸14伸长，迫使内环17顺时针转动；

2、B-C(b-c)段，第二油缸14为随动件，第一油缸3提供压力，第一油缸3收回，迫使内环17顺时针转动；

3、C-D(c-d)段，第一油缸3为随动件，第二油缸14提供压力，第二油缸14收回，迫使内环(8顺时针转动；

4、D-E(d-e)段，第二油缸14为随动件，第一油缸3提供压力，第一油缸3伸长，迫使内环17顺时针转动，实现360°旋转。

若要使机构发生逆时针运动，其原理与上述步骤相同，只需将油缸的伸长动作和收回动作进行转换。

本发明中的传动原理为滚子推杆凸轮机构，可大大降低运动构件之间的磨损，导轨的轮廓形式为简谐曲线，不会对机构产生较大冲击，使臂节旋转更加稳定、更加安全；运动轮廓为3周期简谐曲线，若使臂节旋转一周，每个液压阀仅需换向12次，换向频率小，使得旋转机构工作效率高，使用寿命长，极大提高了液压元件的寿命，可以实现臂节360°的相对转角，大大提升了臂架的工作范围和灵活性；油缸动作区域为简谐曲线零位附近，轮廓近似直线，机构的传动效率高，传动平稳，冲击小，极大提高臂架的工作效率和稳定性。

另外，本发明还提供了一种臂架，其中，所述臂架包括以上方案所述的臂架旋转机构。臂架包括多节臂节，旋转驱动机构可以安装于相邻的两个臂节上，可以驱动两个臂节相对于彼此转动，或者，臂架的末节臂节上设置有其他可转动的结构，例如，混凝土输送管等，可以通过旋转驱动机构驱动其转动。

此外，本发明还提供了一种工程机械，其特征在于，所述工程机械设置有以上方案所述的臂架。所述工程机械可以为混凝土输送车、起重机等高空作业工作车，其臂架组件上设置有以上所述的旋转驱动机构。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种臂架旋转机构，其特征在于，所述臂架旋转机构包括围绕中心轴线彼此套设的外环(8)和内环(17)、导向部、驱动件，所述外环(8)和所述内环(17)的一者上设置有周向延伸的波形的导轨，所述驱动件能够驱动所述导向部相对于所述外环(8)和所述内环(17)的另一者的沿轴向方向移动，使得所述导向部沿轴向作用于所述导轨，从而驱动所述导轨相对于所述导向部周向滑动，以驱动所述内环(17)和所述外环(8)围绕中心轴线相对旋转。

2.根据权利要求1所述的臂架旋转机构，其特征在于，所述内环(17)的外周上设置有所述导轨，所述外环(8)的内周和所述导向部的一者上设置有轴向延伸的花键，另一者上设置有容纳所述花键轴向移动的花键槽。

3.根据权利要求2所述的臂架旋转机构，其特征在于，所述导向部包括设置在所述内环(17)和所述外环(8)之间的环体以及设置在所述环体的内周上的滚动件，所述滚动件能够轴向作用于所述导轨的轴向两侧侧面。

4.根据权利要求3所述的臂架旋转机构，其特征在于，所述外环(8)设置有轴向延伸的条形孔，所述导向部包括设置在所述环体的外周上并穿过所述条形孔的耳板，所述驱动件传动连接于所述耳板。

5.根据权利要求3所述的臂架旋转机构，其特征在于，所述导轨的延伸路径在平面展开状态下为包括整数个周期的正弦或余弦曲线。

6.根据权利要求5所述的臂架旋转机构，其特征在于，所述内环(17)上设置有轴向间隔的两个所述导轨，所述臂架旋转机构包括两个所述导向部，两个所述导向部上的滚动件沿轴向对齐，其中一个导轨的波峰与另一个导轨的波峰和波谷错开，其中一个所述导轨的波谷与另一个导轨的波峰和波谷错开。

7.根据权利要求6所述的臂架旋转机构，其特征在于，两个所述导轨的形状相同并且相位差为45度。

8.根据权利要求4所述的臂架旋转机构，其特征在于，所述驱动件包括油缸，所述油缸的一端相对于所述外环(8)固定，另一端传动连接于所述耳板。

9.一种臂架，其特征在于，所述臂架包括权利要求1-8中任意一项所述的臂架旋转机构。

10.一种工程机械，其特征在于，所述工程机械设置有权利要求9所述的臂架。