RU2752673C1

RU2752673C1 - Linear actuator

Info

Publication number: RU2752673C1
Application number: RU2021100488A
Authority: RU
Inventors: Виктор Александрович Шурыгин; Валерий Анатольевич Серов; Алексей Владимирович Большаков; Илья Сергеевич Жуков
Original assignee: Акционерное общество "Федеральный научно-производственный центр" Титан-Баррикады"
Priority date: 2021-01-12
Filing date: 2021-01-12
Publication date: 2021-07-29

Abstract

FIELD: linear actuators.SUBSTANCE: invention relates to linear actuators and can be used as a power drive in various hydraulic structures and industries. The linear actuator contains a housing in which a rod is placed, which can move along its axis and is secured against rotation by means of a segment key. The ball screw is installed in the stem and connects the stem and housing through the ball screw with a nut and two clips installed at its end. The cages have installed spherical thrust radial roller bearings and angular contact ball bearings, and the screw is connected to the electric motor through a cylindrical gearbox, a spring damper is located between the cages, consisting of cushioning springs and support washers that can interact with cushioning springs on each side.EFFECT: increased reliability and resource, simplified design, improved technical characteristics, expanded functionality.4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к линейным исполнительным механизмам и может быть использовано в качестве силового привода в различных гидротехнических сооружениях и отраслях промышленности. При работе исполнительный механизм находиться под осевой растягивающей и сжимающей нагрузкой от устройств.The invention relates to linear actuators and can be used as a power drive in various hydraulic structures and industries. During operation, the actuator is under axial tensile and compressive loads from the devices.

Известен исполнительный механизм (RU №2486104 С2, опубл. 27.06.2013 г.), состоящий из первого устройства линейного перемещения, содержащего первый винт линейного перемещения, первую гайку и первый первичный движитель, обеспечивающие относительное линейное перемещение между первым винтом линейного перемещения и первой гайкой, и из второго устройства линейного перемещения, содержащего второй винт линейного перемещения, вторую гайку и второй первичный движитель, установленные с возможностью относительного линейного перемещения между вторым винтом линейного перемещения и второй гайкой, при этом исполнительный механизм установлен с возможностью выдвижения при относительном линейном перемещении между первым винтом линейного перемещения и первой гайкой, или при относительном движении между вторым винтом линейного перемещения и второй гайкой, а первое или второе устройство линейного перемещения установлены с возможностью продолжения перемещения при заклинивании одного из устройств линейного перемещения, первого или второго, отличающийся тем, что первое устройство линейного перемещения установлено с возможностью обратного перемещения.Known actuator (RU No. 2486104 C2, publ. 06/27/2013), consisting of a first linear displacement device containing the first linear displacement screw, the first nut and the first prime mover, providing relative linear displacement between the first linear displacement screw and the first nut , and from a second linear displacement device comprising a second linear displacement screw, a second nut and a second primary mover mounted with the possibility of relative linear displacement between the second linear displacement screw and the second nut, while the actuator is installed with the possibility of extending with a relative linear displacement between the first by the linear screw and the first nut, or with relative movement between the second linear screw and the second nut, and the first or second linear displacement device is installed with the possibility of continuing movement when one of the linear displacement devices is jammed displacement, the first or second, characterized in that the first linear movement device is installed with the possibility of reverse movement.

Недостатком исполнительного механизма является отсутствие редуктора для обеспечения большого линейного усилия на штоке, а также отсутствие подвижной опоры незакрепленного конца винта, для уменьшения прогиба винта под собственным весом в горизонтальном положении, и малая нагрузочная способность под действием осевой сжимающей нагрузки по критерию устойчивости.The disadvantage of the actuator is the absence of a gearbox to ensure a large linear force on the rod, as well as the absence of a movable support for the loose end of the screw, to reduce the deflection of the screw under its own weight in a horizontal position, and a low load capacity under the action of axial compressive load according to the stability criterion.

Известен электромеханический линейный привод (RU №2522646 С2, опубл. 20.07.2014 г.) состоящий из корпуса; расположенного внутри корпуса электродвигателя с ротором, установленным в подшипниках и соединенным через редуктор с винтом винтового или шарико-винтового механизма; датчика положения ротора электродвигателя; толкателя, размещенного в корпусе с возможностью поступательного движения и имеющего стопор, исключающий его вращение относительно корпуса.Known electromechanical linear actuator (RU No. 2522646 C2, publ. 20.07.2014) consisting of a housing; located inside the housing of an electric motor with a rotor installed in bearings and connected through a gearbox with a screw of a screw or ball screw mechanism; a rotor position sensor of the electric motor; a pusher located in the body with the possibility of translational movement and having a stopper that prevents its rotation relative to the body.

Недостатком данного электромеханического линейного привода является то, что, вместо цилиндрического или планетарного, установлен волновой редуктор, имеющий меньший КПД и сложную технологию изготовления. Так же один из концов винта шарико-винтового механизма не имеет подвижной опоры внутри толкателя для компенсации прогиба при втянутом положении штока, что уменьшает максимальный возможный ход.The disadvantage of this electromechanical linear drive is that, instead of a cylindrical or planetary, a wave reducer is installed, which has a lower efficiency and a complex manufacturing technology. Also, one of the ends of the ball screw does not have a movable support inside the pusher to compensate for the deflection when the stem is retracted, which reduces the maximum possible stroke.

Известен линейный актуатор (US 7594450, опубл. 29.09.2009 г.), состоящий из мотор-редуктора, содержащего двигатель и корпус, соединенный с двигателем, причем двигатель снабжен червяком, расположенным в корпусе. Механизм имеет винт, расположенный в корпусе, крепежную втулку, соединенную с винтом, червячную передачу, соединенную с креплением и соединенную с червяком в основании, и телескопическую трубу соединенную резьбой с винтом. Муфта находится в корпусе мотор-редуктора, содержит корпус муфты, неподвижно прикрепленный к винту, и муфту, соединенную с фиксирующей втулкой и подвижную в осевом направлении относительно фиксирующей втулки. Тяга содержит рычаг тяги, шарниры соединенные с внешней стороной мотор-редуктора, при этом рычаг тяги снабжен выступающими частями соответствующими муфте, для управления действием муфты. При этом винт механизма снабжен радиальным отверстием на одной стороне корпуса муфты, предусмотрена удлиненная канавка, а вставной штифт находиться в радиальном отверстии и введен в удлиненную канавку.Known linear actuator (US 7594450, publ. 09/29/2009), consisting of a gear motor containing an engine and a housing connected to the engine, and the engine is equipped with a worm located in the housing. The mechanism has a screw located in the housing, a fastening sleeve connected to the screw, a worm gear connected to the fastener and connected to the worm at the base, and a telescopic pipe threaded to the screw. The clutch is located in the housing of the gear motor, contains the clutch housing fixedly attached to the screw, and the clutch connected to the fixing sleeve and movable in the axial direction relative to the fixing sleeve. The thrust contains a thrust lever, hinges connected to the outer side of the gear motor, while the thrust lever is equipped with protruding parts corresponding to the clutch to control the clutch action. In this case, the screw of the mechanism is provided with a radial hole on one side of the coupling housing, an elongated groove is provided, and the insert pin is located in the radial hole and is inserted into the elongated groove.

Недостатком линейного актуатора является применение в мотор-редукторе червячной передачи, имеющей меньший КПД по сравнению с цилиндрическими передачами, применение механического устройства включения муфты с большим количеством механических соединений.The disadvantage of a linear actuator is the use of a worm gear in the gear motor, which has a lower efficiency compared to cylindrical gears, the use of a mechanical device for engaging a clutch with a large number of mechanical connections.

Известен линейный актуатор (US 6145395, опубл. 14.11.2000 г.), состоящий из двигателя, удлиненного корпуса, имеющего один концевой участок рядом с двигателем и противоположный концевой участок, удаленный от него, привод, расположенный внутри корпуса и приводимый в действие двигателем для осевого перемещения в прямом и обратном направлении внутри корпуса приводной элемент, телескопически размещенный внутри корпуса и соединенный с приводом и приводимый им в действие для внешнего удлинения от противоположных концевых частей корпуса в различной степени и устройство для компенсации боковой нагрузки содержащее, по меньшей мере одно кулачковое коромысло, прикрепленное к корпусу параллельно направления осевого перемещения привода, и, по меньшей мере один кулачковый ролик, прикрепленный к приводу, в котором кулачковый ролик входит в зацепление с кулачковым коромыслом для компенсации боковой нагрузки.Known linear actuator (US 6145395, publ. 11/14/2000), consisting of a motor, an elongated housing having one end section near the engine and an opposite end section remote from it, a drive located inside the housing and driven by the engine for axial movement in the forward and reverse directions inside the housing, a drive element telescopically located inside the housing and connected to the drive and actuated by it for external extension from opposite end parts of the housing to varying degrees and a device for compensating for the lateral load containing at least one cam rocker arm attached to the housing parallel to the direction of axial movement of the actuator, and at least one cam roller attached to the actuator in which the cam roller is engaged with the cam rocker to compensate for the lateral load.

Недостатком линейного актуатора является применение подшипника скольжения для подвижной опоры винта вместо подшипника качения.The disadvantage of a linear actuator is the use of a sleeve bearing for the movable support of the screw instead of a rolling bearing.

Наиболее близкое устройство к заявленному техническому решению имеет линейный актуатор (RU №2700562 С1, опубл. 20.09.2019 г.), характеризующийся наличием двигателя с выходным валом и корпуса, внутри которого расположены винтовой механизм и шариковый механизм компенсации нежелательной нагрузки, причем винтовой механизм включает в себя ходовой винт, взаимодействующую с ним гайку и выдвижной шток, концентрично расположенный вокруг, по меньшей мере, части ходового винта и соединенный с указанной гайкой, при этом винтовой механизм соединен с двигателем таким образом, что вращение его выходного вала вызывает осевое перемещение гайки и выдвижного штока относительно корпуса, упомянутый шариковый механизм компенсации нежелательной нагрузки образован, по меньшей мере, двумя продольными направляющими канавками на внутренней поверхности корпуса, по меньшей мере, двумя ответными продольными направляющими канавками на внешней поверхности выдвижного штока и шариковым сепаратором с, по меньшей мере, двумя рядами ячеек, выполненными напротив указанных направляющих канавок, в которых с возможностью свободного вращения размещены шарики, обкатывающие поверхности этих направляющих канавок.The closest device to the claimed technical solution has a linear actuator (RU # 2700562 C1, publ. 09/20/2019), characterized by the presence of an engine with an output shaft and a housing, inside which there are a screw mechanism and a ball mechanism for compensating unwanted loads, and the screw mechanism includes into itself a lead screw, a nut interacting with it and a rising rod, concentrically located around at least part of the lead screw and connected to the specified nut, while the screw mechanism is connected to the engine in such a way that the rotation of its output shaft causes axial movement of the nut and of the sliding rod relative to the housing, the said ball mechanism for compensating for undesirable loads is formed by at least two longitudinal guide grooves on the inner surface of the housing, at least two mating longitudinal guide grooves on the outer surface of the sliding rod and a ball cage with at least d vumya rows of cells made opposite the said guide grooves, in which balls are placed with the possibility of free rotation, rolling around the surfaces of these guide grooves.

Недостатком упомянутого линейного механизма является отсутствие подшипника качения в подвижной опоре винта, сложность изготовления штока механизма из-за его формы, применение шариковых упорно-радиальных подшипников, имеющих меньшую грузоподъемность по сравнению с упорно-радиальными сферическими подшипниками.The disadvantage of the above-mentioned linear mechanism is the absence of a rolling bearing in the movable support of the screw, the complexity of manufacturing the rod of the mechanism due to its shape, the use of ball thrust radial bearings having a lower load capacity compared to thrust radial spherical bearings.

Техническим результатом заявленной конструкции линейного исполнительного механизма является повышение надежности и ресурса, упрощение конструкции, улучшение технических характеристик, расширение функциональных возможностей.The technical result of the claimed design of the linear actuator is to increase the reliability and service life, simplify the design, improve the technical characteristics, and expand the functionality.

Технический результат достигается тем, что линейный исполнительный механизм содержит корпус, в котором размещен шток, имеющий возможность перемещаться вдоль своей оси и закрепленный от поворота посредством сегментной шпонки, шариковинтовая передача, установленная в штоке и связывающая шток и корпус через винт шариковинтовой передачи с установленными на его конце гайкой и двумя обоймами. Обоймы имеют установленные роликовые сферические упорно-радиальные подшипники и шариковые радиально-упорные подшипники, причем винт соединен с электродвигателем через цилиндрический редуктор, между обоймами расположен пружинный демпфер, состоящий из тарельчатых пружин и опорных шайб, имеющих возможность взаимодействовать с тарельчатыми пружинами с каждой из сторон. Демпфер содержит датчики перемещения тарельчатых пружин. Винт с одной стороны опирается на шток через дополнительную скользящую опору, содержащую подшипник качения. Винт соединен с цилиндрическим редуктором посредством подвижного шпоночного соединения.The technical result is achieved by the fact that the linear actuator contains a housing in which a rod is located, which can move along its axis and is secured from rotation by means of a segmented key, a ball screw installed in the rod and connecting the rod and the body through a ball screw with end with a nut and two clips. The cages have installed spherical thrust roller bearings and angular contact ball bearings, and the screw is connected to the electric motor through a cylindrical gearbox, between the cages there is a spring damper consisting of Belleville springs and support washers that can interact with Belleville springs on each side. The damper contains the displacement sensors of the Belleville springs. On one side, the screw rests on the rod through an additional sliding support containing a rolling bearing. The screw is connected to the helical gearbox by means of a movable keyway.

Установка дополнительной подвижной опоры на конце винта позволяет уменьшить прогиб винта под собственным весом и исключить чрезмерное биение конца винта при вращении.Installation of an additional movable support at the end of the screw allows to reduce the deflection of the screw under its own weight and to exclude excessive runout of the end of the screw during rotation.

Расположение демпфера между обоймами позволяет определять величину нагрузки на штоке механизма и выполняет функцию демпфирования динамических нагрузок, при этом повысив компактность и уменьшив массу электроцилиндра.The location of the damper between the clips allows you to determine the magnitude of the load on the rod of the mechanism and performs the function of damping dynamic loads, while increasing the compactness and reducing the mass of the electric cylinder.

Установка цилиндрического редуктора в качестве привода винта позволяет повысить надежность и эффективность всего механизма.Installing a helical gearbox as a screw drive increases the reliability and efficiency of the entire mechanism.

Установка подвижного шпоночного соединения между винтом и цилиндрическим редуктором позволяет скомпенсировать перемещение винта под нагрузкой при деформации тарельчатых пружин демпфера.The installation of a movable keyway between the screw and the helical gearbox makes it possible to compensate for the movement of the screw under load when the damper disc springs are deformed.

На фиг 1. представлен продольный разрез линейного исполнительного механизмаFigure 1. shows a longitudinal section of a linear actuator

На фиг. 2 представлен продольный разрез линейного исполнительного механизма в плоскости, перпендикулярной фиг. 1.FIG. 2 shows a longitudinal section of a linear actuator in a plane perpendicular to FIG. one.

Предлагаемый линейный исполнительный механизм содержит корпус 1, в котором размещен шток 2, с установленной внутри него гайкой 4 шариковинтовой передачи и стопорной шпонкой 21, закрепляющей гайку 4. Шток 2 через сделанный в нем прямоугольный паз и сегментную шпоноку 15 связан с корпусом 1 посредством болтов 16. Сегментные шпонки 15 не позволяют штоку 2 проворачиваться вокруг своей оси. Винт 3 устанавливается в две обоймы 7 через роликовые сферические упорно-радиальные подшипники 11 и шариковые радиально-упорные подшипники 22, которые находятся в обоймах 7 на расстоянии. Обоймы 7 с подшипниками 11 связаны с корпусом посредством двух опорных поверхностей и тарельчатых пружин, образующих демпфер 6, в котором установлены тарельчатые пружины 13 и датчик перемещения пружин 12. Конец винта 3, выступающий из обоймы, связан с цилиндрическим редуктором 8, находящемся в отдельном корпусе, через подвижное шпоночное соединение, состоящее из подвижной шпонки 18, втулки 20 и хвостовика 19 цилиндрического редуктора 8. Привод цилиндрического редуктора 8 осуществляется электродвигателем 9. Правый конец винта 3 опирается на внутреннюю поверхность штока 2 через дополнительную скользящую опору 5, содержащую подшипник качения. Шток 2 исполнительного механизма соединяется с приводимым узлом. Крепление линейного исполнительного механизма осуществляется с помощь кронштейна 14, соединенного с корпусом 1.The proposed linear actuator contains a body 1 in which a rod 2 is located, with a ball screw nut 4 installed inside it and a locking key 21 securing the nut 4. The rod 2 through a rectangular groove made in it and a segmented key 15 is connected to the body 1 by means of bolts 16 . Segment keys 15 do not allow the rod 2 to rotate around its axis. The screw 3 is installed in two cages 7 through spherical roller thrust radial bearings 11 and angular contact ball bearings 22, which are located in the cages 7 at a distance. Cages 7 with bearings 11 are connected to the casing by means of two supporting surfaces and Belleville springs, forming a damper 6, in which Belleville springs 13 and a spring displacement sensor 12 are installed. , through a movable keyway, consisting of a movable key 18, a bushing 20 and a shank 19 of a helical gearbox 8. The helical gearbox 8 is driven by an electric motor 9. The right end of the screw 3 rests on the inner surface of the rod 2 through an additional sliding support 5 containing a rolling bearing. The rod 2 of the actuator is connected to the driven unit. The mounting of the linear actuator is carried out using the bracket 14 connected to the housing 1.

Линейный исполнительный механизм работает следующим образом. При втягивании и выдвижении штока 2 электродвигатель 9 приводит во вращение планетарный редуктор 8, который в свою очередь вращает винт 3, который перемещает гайку 4, установленную в штоке 2, который удерживаемый от реактивного момента посредством сегментной шпонки 15. При перемещении штока 2 его наружная поверхность перемешается, взаимодействуя с внутренней поверхностью корпуса 1 и боковыми поверхностями сегментной шпонки 17, а так же наружная поверхность опоры 5 взаимодействует с внутренней поверхностью штока 2. При достижении штоком 2 крайнего втянутого или выдвинутого положения, один из двух соответствующих датчиков 10 выдает об этом сигнал. Перемещение штока приводит к изменению объема внутренней полости линейного исполнительного механизма, компенсация которого производиться посредством впуска или выпуска воздуха через воздушный фильтр 17.The linear actuator works as follows. When pulling in and extending the rod 2, the electric motor 9 drives the planetary gearbox 8 into rotation, which in turn rotates the screw 3, which moves the nut 4 installed in the rod 2, which is kept from the reactive moment by means of the segmented key 15. When the rod 2 moves, its outer surface mixes, interacting with the inner surface of the housing 1 and the side surfaces of the segmented key 17, as well as the outer surface of the support 5 interacts with the inner surface of the rod 2. When the rod 2 reaches its extreme retracted or extended position, one of the two corresponding sensors 10 gives a signal. The movement of the rod leads to a change in the volume of the internal cavity of the linear actuator, the compensation of which is carried out by the intake or exhaust of air through the air filter 17.

Шток 2 в процессе перемещения воспринимает растягивающую или сжимающую нагрузку, передающуюся на тарельчатые пружины 13 демпфера 6, которые демпфируют изменение нагрузки посредством сжатия и трения между торцевыми поверхностями. Данные о нагрузке и ее изменении регистрируются датчиком 12 перемещения тарельчатых пружин. При сжатии или растяжении винт 3 перемещается вдоль своей оси, относительно выходного вала редуктора 19 посредством подвижной шпонки 18, установленной во втулке 20.The rod 2 in the process of movement perceives a tensile or compressive load, which is transmitted to the Belleville springs 13 of the damper 6, which damp the change in load by means of compression and friction between the end surfaces. Load data and its change are recorded by the Belleville spring displacement sensor 12. When compressed or stretched, the screw 3 moves along its axis, relative to the output shaft of the gearbox 19 by means of a movable key 18 installed in the sleeve 20.

Claims

1. Linear actuator containing a housing in which the rod is located, which can move along its axis and secured from rotation by means of a segmented key, a ball screw installed in the rod by means of a ball screw nut and a lock key, connecting the rod and the body through a ball screw with a nut and two clips installed at its end, the clips have roller spherical thrust radial bearings and angular contact ball bearings, and the screw is connected to the electric motor through a cylindrical gearbox, between the clips there is a spring damper consisting of Belleville springs and support washers having the ability to interact with Belleville springs on each side.

2. The linear actuator according to claim. 1, characterized in that the damper contains displacement sensors of the Belleville springs.

3. The linear actuator according to claim 1, characterized in that the screw on one side rests on the rod through an additional sliding support containing a rolling bearing.

4. The linear actuator according to claim 1, characterized in that the screw is connected to the helical gearbox by means of a movable keyed connection.