PL247670B1 - Mechanizm krzywkowy do aktuatora - Google Patents

Abstract

Mechanizm krzywkowy charakteryzuje się tym, że składa się z zestawu krzywek napędzanych i zestawu krzywek biernych osadzonych na tulei napędowej umieszczonej w otworach mocujących oraz popychacza (7), którego górny walec osadzony jest rozłącznie w otworze.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest mechanizm krzywkowy do aktuatora, zwłaszcza dla systemów symulacji ruchu.

Systemy symulacyjne to systemy, których zadaniem jest możliwie wierne odtworzenie pod względem wizualnym i w ujęciu fizykalnym warunków w jakich znajduje się symulowany obiekt np. samochód lub samolot. Dlatego w urządzeniach tych łączy się efekty wizualne otoczenia wewnętrznego i zewnętrznego (wyposażenie kabiny, oświetlenie, efekty dźwiękowe, wizualizacja otoczenia itp.) z fizycznym odtworzeniem poruszania się kabiny, wraz z występującymi oddziaływaniem sił i momentów w stanie statycznym i dynamicznym (np. jazda po równej powierzchni, hamowanie pojazdu, poślizg itp.). Odwzorowanie fizyczne takiego procesu wiąże się opracowaniem układu kinematyki i dynamiki obiektu poprzez stosowanie platform o kilku stopniach swobody ruchu wraz ze specjalnym układem napędowym i systemem sterowania.

Znane są rozwiązania systemów symulacyjnych z patentów US.8608475B2, US.5829982,

US.9186590B2,‘US.9430953B2, US.10056004B2, US.2015/0356878A1, US.2018/0233060A1, w których wykorzystywane są różnego rodzaju platformy dla systemów symulacyjnych i metod w nich stosowanych.

Znane są również rozwiązania układów napędowych dla systemów symulacyjnych z patentów US.10012295B2, US.2015/0323049A1 oraz US.6354949B1, w których przedstawiono rozwiązania układów napędowych o realizowanym jednym stopniu swobody ruchu.

W istniejących rozwiązaniach układów napędowych systemów symulacji ruchu stosowane w nich aktuatory przetwarzają ruchu obrotowy na ruch postępowy, ale osie ruchu obrotowego i oś ruchu postępowego są do siebie równoległe. W wielu przypadkach ruch obrotowy na ruch postępowy jest przetwarzany przez układy przekładniowe wykorzystujące motoreduktory i przekładnie ślimakowe lub obrotowe - walcowe mechanizmy krzywkowe lub mimośrodowe.

Celem wynalazku jest opracowanie mechanizmu krzywkowego do aktuatora systemu ruchu, zwłaszcza dla systemów symulacji ruchu jako układ napędowy multiplikacji siły i momentu oraz układ zwiększający liczbę stopni swobody ruchu w systemie symulacyjnym. W odróżnieniu od powyższych znanych rozwiązań, w proponowanym wynalazku, ruch postępowy uzyskiwany jest przez przetworzenie ruchu obrotowego silnika na wolno obrotowy ruch obrotowy przez przekładnię planetarną, który to ruch przetwarzany jest przez płaską przekładnię krzywkową o określonym profilu krzywizny uzależnionym od wymaganej wartości siły i wielkości przemieszczenia. Cechą wynalazku jest wysoka nośność w systemie symulacyjnym.

Istotą wynalazku jest mechanizm krzywkowy charakteryzujący się tym, że składa się z zestawu krzywek napędzanych i zestawu krzywek biernych osadzonych na tulei napędowej umieszczonej w otworach mocujących, oraz popychacza którego górny walec osadzony jest rozłącznie w otworze. Zestaw krzywek napędzanych składa się z dwóch identycznych i asymetrycznych, równoległych względem siebie elementów płasko ściennych, korzystnie wykonanych z blachy, osadzonych na tulei napędowej symetrycznie względem siebie, z co najmniej dwoma otworami, gdzie w otworze mocującym znajduje się tuleja napędowa a drugi otwór jest otworem krzywoliniowym, przy czym krzywki napędzane mają taki sam kształt, przypominający wycinek koła, a otwory są w tym samym kształcie i umieszczone są na tej samej wysokości.

Zestaw krzywek biernych składa się z dwóch identycznych, równoległych względem siebie elementów płasko ściennych, korzystnie wykonanych z blachy, osadzonych na tulei napędowej, posiadających co najmniej dwa otwory, gdzie w otworze mocującym znajduje się łącząca tuleja napędowa a drugi otwór podłużny jest otworem krzywoliniowym korzystnie o kształcie prostokąta, korzystnie z zaokrąglonymi kątami.

Popychacz stanowią połączone na stałe dwa pełne walce górny i dolny, a kąt pomiędzy dłuższymi osiami symetrii walców górnego i dolnego wynosi 90°. Walec górny posiada co najmniej dwie pary łożysk, umieszczonych na walcu górnym symetrycznie względem krótszej osi symetrii walca. Korzystnie otwór jest wydłużony i zakrzywiony po łuku, korzystnie ma zaokrąglone kąty. Korzystnie tuleja napędowa ma kształt wydrążonego walca lub wydłużonego pierścienia. Korzystnie walec górny i walec dolny połączone są w połowie długości walca górnego. Korzystnie walec dolny posiada sprężynę z podstawą połączone z walcem dolnym rozłącznie, korzystnie połączeniem śrubowym. Korzystnie sprężyna osadzona jest na podstawie. Korzystnie za parami łożysk, znajduje się element ściskający, korzystnie nakrętka, korzystnie z podkładką. Korzystnie wolne końce walca górnego są gwintowane.

Popychacz przekładni krzywkowej współpracuje - przemieszcza się pomiędzy krzywką napędzaną a krzywką bierną dzięki osi, na której osadzone są pary łożysk - para przetacza się w otworach krzywoliniowych krzywki napędzanej, zaś para przetacza się w otworach prostych krzywki biernej. Bieżnie tych łożysk przetaczają się po wewnętrznych powierzchniach otworów krzywek. W m echanizmie krzywkowym możliwe jest akumulacja energii potencjalnej, poprzez zintegrowanie popychacza ze sprężyną. Popychacz i sprężyna pracują w układzie równoległym, zastosowanie sprężyny odciąża mechanizm.

Mechanizm według wynalazku wykonuje sposób przetworzenia ruchu obrotowego wału z silnika bezpośrednio lub z wykorzystaniem opcjonalnej przekładni na ruch liniowy popychacza. Sposób przetwarzania ruchu obrotowego na ruch liniowy polega na wzajemnej interakcji pomiędzy wewnętrznymi powierzchniami otworu krzywoliniowego krzywki napędzanej a powierzchniami zewnętrznymi bieżni łożysk na skutek ruchu obrotowego krzywki napędzanej oraz interakcją powierzchni bocznych otworu prostoliniowego krzywki biernej a powierzchniami zewnętrznymi bieżni łożysk. Ze względu na to, że łożyska osadzone są na wspólnej osi popychacza, osi prostopadłej do zakładanego kierunku ruchu, możliwa jest wytwarzanie ruchu liniowego - góra/dół popychacza i tym samym stopy aktuatora. Wzajemne interakcje pomiędzy powierzchniami otworów krzywek i powierzchniami bieżni łożysk, na skutek ruchu obrotowego krzywki napędzanej, powoduje powstawanie sił, które między innymi powodują ruch liniowy góra/dół popychacza przedstawiono na rysunku Fig. 1. Wektor siły nacisku Fn wywieranego przez powierzchnię wewnętrzną otworu krzywoliniowego krzywki napędzanej na bieżnię zewnętrzną łożyska, przenosi się poprzez oś popychacza na:

a) bieżnię zewnętrzną łożyska wywierając nacisk na powierzchnię wewnętrzną otworu prostoliniowego krzywki biernej wyrażony poprzez siłę Ft. Siła ta stabilizuje kierunek ruchu góra/dół popychacza.

b) na oś popychacza wywierając na nią nacisk w postaci sił Fp, która to siła wywołuje ruch liniowy popychacza w kierunku do dołu. Sile Fp przeciwdziała siła reakcji podłoża Frp, stąd też w tym przypadku całość aktuatora podąża w kierunku do góry.

Proponowane rozwiązanie układu przeniesienia ruchu jest skalowalne poprzez możliwe dołączanie kolejnych modułów przekładni krzywkowej, z krzywkami płaskimi oraz, osadzonymi na wspólnym wale wyjściowym przekładni planetarnej, współpracującymi z wieloma popychaczami, dzięki takiemu rozwiązaniu można znacznie zwiększyć zakres przenoszonych sił. Popychacz przekładni krzywkowej stanowi równocześnie podporę nisko profilowego aktuatora. W mechanizmie krzywkowym możliwa jest akumulacja energii potencjalnej, poprzez zintegrowanie popychacza ze sprężyną. Popychacz i sprężyna pracują w układzie równoległym.

W rozwiązaniu według wynalazku ruch obrotowy zamieniany jest na ruch postępowy, osie ruchu obrotowego i oś ruchu postępowego są do siebie wzajemnie prostopadłe i nie muszą leżeć w jednej płaszczyźnie. W przekładni krzywkowej następuje zamiana ruchu obrotowego na postępowy ruch popychacza - stopy aktuatora. Przekładnia krzywkowa składa się z krzywki napędzanej oraz krzywki biernej. Popychacz przekładni krzywkowej współpracuje - przemieszcza się pomiędzy z tymi krzywkami dzięki osi na której osadzone są łożyska. Bieżnie tych łożysk przetaczają się po wewnętrznych powierzchniach otworów krzywek. Wewnętrzne powierzchnie otworów krzywek stanowią również bieżnie, po których przetaczają się łożyska popychacza. Popychacz przekładni krzywkowej stanowi równocześnie podporę nisko profilowego aktuatora.

Aktuator może zawierać system sterujący w postaci urządzeń energoelektronicznych wyposażonych w układy elektroniczne, elektryczne i sensory zintegrowane z komputerowym systemem sterowania. Proponowane rozwiązanie układu przeniesienia ruchu jest skalowalne poprzez możliwe dołączanie kolejnych modułów przekładni krzywkowej, z krzywkami płaskimi osadzonymi na wspólnym wale wyjściowym przekładni planetarnej, współpracującymi z wieloma popychaczami, dzięki takiemu rozwiązaniu można znacznie zwiększyć zakres przenoszonych sił.

Wynalazek został ujawniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia nisko profilowy aktuator systemu ruchu, fig. 2 mechanizm krzywkowy w elementach, fig. 3 mechanizm z aktuatorem w widoku z boku, fig. 4 mechanizm krzywkowy z widoku z przodu, fig. 5 popychacz ze sprężyną, fig. 6 rozkład siły nacisku Fn na składowe styczną Ft i prostopadłą Fp działające na oś 7c popychacza.

Przykład I

Nisko profilowy aktuator systemu ruchu składa się z napędu 1, układu przeniesienia napędu w skład którego wchodzi: przekładnia planetarna 2, mechanizm krzywkowy 3, stopy aktuatora 4 i wał napędowy 5. Integralną częścią układu jest również układ energoelektroniczny dla zasilania i sterowania aktuatorem.

Aktuator składa się z przekładni planetarnej 2, na której osadzony jest silnik napędowy 1. Przekładania planetarna 2 posiada wał napędowy 5 osadzony w części wewnątrz przekładni 2. Wał 5 umieszczony jest w otworze mechanizmu krzywkowego 3 i połączony z nim rozłącznie, korzystnie śrubą. Mechanizm krzywkowy 3 połączony jest rozłącznie ze stopą 4 i osadzony na niej. Stopę 4 stanowi sprężyna z podstawką.

Mechanizm krzywkowy 3 składa się z następujących elementów.

Z zestawu krzywek napędzanych 3a i 3b, składającego się z połączonych na stałe tuleją napędową 3e dwóch identycznych i asymetrycznych, równoległych względem siebie elementów płasko ściennych, wykonanych z blachy, z dwoma otworami. W otworze mocującym 8 znajduje się tuleja napędowa 3e. Drugi otwór 9 jest otworem krzywoliniowym i osadza się w nim popychacz 7, tj. walec górny 12 popychacza 7. Krzywki napędzane 3a i 3b, mają taki sam kształt, przypominający wycinek koła z wypustem. Otwory krzywek napędzanych 3a i 3b są w tym samym kształcie, tj. są wydłużone i zakrzywione po łuku, mają zaokrąglone kąty, i są na tej samej wysokości oraz osadzone są na tulei napędowej 3e symetrycznie względem siebie. Tuleja napędowa 3e ma kształt wydrążonego walca.

Z zestawu krzywek biernych 3c i 3d składającego się z dwóch identycznych, równoległych względem siebie elementów płasko ściennych, wykonanych z blachy, osadzonych na tulei napędowej 3e, posiadających dwa otwory. W otworze mocującym 10 znajduje się łącząca tuleja napędowa 3e. Drugi otwór podłużny 11 jest otworem krzywoliniowym o kształcie prostokąta, z zaokrąglonymi kątami.

Zestaw krzywek napędzanych 3a i 3b i zestaw krzywek biernych 3c i 3d są osadzone na tulei napędowej 3e, która jest osadzona na wale napędowym 5, wychodzącym z przekładni planetarnej 2. Końcówka wału napędowego 5 przechodzi wzdłuż całej tulei napędowej 3e i osadzona jest w łożysku umieszczonym w oprawie łożyskowej 3f.

W otworach krzywoliniowych 9 i 11 osadzony jest, rozłącznie i z lekkim luzem, walec górny 12 popychacza 7. Popychacz 7 stanowią połączone dwa pełne walce, przy czym walec górny 12 ma większy promień niż walec dolny 13, a kąt pomiędzy dłuższymi osiami symetrii walców górnego 12 i dolnego 13 zawiera się od 20° do 90°, korzystnie 90°. Walec dolny 13 i walec górny 12 połączone są na stałe, w połowie długości walca górnego 12.

Walec dolny 13 posiada sprężynę 14 z podstawą 15 połączone z walcem dolnym 13 rozłącznie, połączeniem śrubowym. Sprężyna 14 osadzona jest na podstawie 16 i połączone są ze sobą na stałe.

Walec górny 12 posiada dwie pary łożysk 7a i 7b, umieszczonych na walcu górnym 12 symetrycznie względem krótszej osi symetrii walca. Za parami łożysk 7a i 7b, znajduje się element ściskający 6, w postaci nakrętki, z podkładką. Wolne końce walca górnego 18 są gwintowane.

Przykład II

Przykład II różni się od przykładu I tym, że popychacz 7 nie posiada sprężyny, a tuleja napędowa 3e ma kształt wydłużonego pierścienia.

Oznaczenia:

1. napęd

2. przekładnia planetarna

3. mechanizm krzywkowy

3a. krzywka napędzana

3b. krzywka napędzana

3c. krzywka bierna

3d. krzywka bierna

3e. tuleja napędowa

3f. oprawa łożyskowa

4. stopa aktuatora

5. wał napędowy

6. element ściskający

7. popychacz

7a. łożyska

7b. łożyska

8. otwór mocujący krzywki napędzanej

9. otwór krzywki napędzanej

10. otwór mocujący krzywki biernej

11. otwór krzywki biernej

12. walec górny

13. walec dolny

14. sprężyna

15. podstawa

16. podstawa sprężyny

Claims (8)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Mechanizm krzywkowy do aktuatora, znamienny tym, że składa się z zestawu krzywek napędzanych 3a i 3b i zestawu krzywek biernych 3c i 3d osadzonych na tulei napędowej 3e umieszczonej w otworach mocujących 8 i 10, oraz popychacza 7 którego górny walec 12 osadzony jest rozłącznie w otworze 9 i 11, przy czym

   - zestaw krzywek napędzanych 3a i 3b składa się z dwóch identycznych i asymetrycznych, równoległych względem siebie elementów płasko ściennych, korzystnie wykonanych z blachy, osadzonych na tulei napędowej 3e symetrycznie względem siebie, z co najmniej dwoma otworami, gdzie w otworze mocującym 8 znajduje się tuleja napędowa 3e a drugi otwór 9 jest otworem krzywoliniowym, przy czym krzywki napędzane 3a i 3b mają taki sam kształt, przypominający wycinek koła korzystnie z wypustem, a otwory 8 i 9 są w tym samym kształcie i umieszczone są na tej samej wysokości,

   - zestaw krzywek biernych 3c i 3d składa się z dwóch identycznych, równoległych względem siebie elementów płasko ściennych, korzystnie wykonanych z blachy, osadzonych na tulei napędowej 3e, posiadających co najmniej dwa otwory, gdzie w otworze mocującym 10 znajduje się łącząca tuleja napędowa 3e a drugi otwór podłużny 11 jest otworem krzywoliniowym korzystnie o kształcie prostokąta, korzystnie z zaokrąglonymi kątami,

   - popychacz 7 stanowią połączone na stałe dwa pełne walce górny 12 i dolny 13, a kąt pomiędzy dłuższymi osiami symetrii walców górnego 12 i dolnego 13 wynosi 90°, natomiast walec górny 12 posiada co najmniej dwie pary łożysk 7a i 7b, umieszczonych na walcu górnym symetrycznie względem krótszej osi symetrii walca.
2. 2. Mechanizm krzywkowy wg zastrz. 1, znamienny tym, że otwór 9 jest wydłużony i zakrzywiony po łuku, korzystnie ma zaokrąglone kąty.
3. 3. Mechanizm krzywkowy wg zastrz. 1 lub 2, znamienny tym, że tuleja napędowa 3e ma kształt wydrążonego walca lub wydłużonego pierścienia lub drążonego pręta sześciokątnego.
4. 4. Mechanizm krzywkowy wg zastrz. 1,2 lub 3, znamienny tym, że walec górny 12 i walec dolny 13 połączone są symetrycznie względem łożysk prowadzących 7a, 7b.
5. 5. Mechanizm krzywkowy wg zastrz. 1, 2, 3 lub 4, znamienny tym, że walec dolny 13 posiada sprężynę 14 z podstawą 15 połączone z walcem dolnym 13 rozłącznie, korzystnie połączeniem śrubowym. Może być również rozwiązanie mechanizmu krzywkowego wg zastrz. 1,2, 3 lub 4, znamienne tym, że walec dolny 13 nie posiada sprężyny 14.
6. 6. Mechanizm krzywkowy wg zastrz. 5, znamienny tym, że sprężyna 14 osadzona jest na podstawie sprężyny 16.
7. 7. Mechanizm krzywkowy wg zastrz. od 1 do 6, znamienny tym, że za parami łożysk 7a i 7b, znajduje się element ściskający 6, korzystnie nakrętka, korzystnie z podkładką.
8. 8. Mechanizm krzywkowy wg zastrz. od 1 do 6, znamienny tym, że wolne końce walca górnego 12 są gwintowane.