本发明专利技术提出的一种基于非圆行星齿轮的非线性弹簧机构，包括圆筒外壳，以及容纳于该圆筒外壳内的行星臂、共第一齿轮轴设置的线性扭转弹簧和第一齿轮、共第二齿轮轴设置的第二齿轮和太阳齿轮，共系杆设置的下层行星轮和上层行星轮、以及附于圆筒外壳内侧壁的齿圈；第一、第二齿轮均为圆形齿轮，太阳齿轮、下层、上层行星轮和齿圈均为非圆齿轮；线性扭转弹簧的中心嵌入第一齿轮轴底端，行星臂顶端穿过圆筒外壳顶部作为输出端，第一、第二齿轮外啮合，太阳齿轮和下层行星轮外啮合，上层行星轮与齿圈内啮合。本发明专利技术由线性扭转弹簧作为动力源，引入非圆行星轮系作为非线性调节机制，可解析输出非线性载荷位移关系，且结构简单，非线性调节范围大。
A non-linear spring mechanism based on Non-circular Planetary Gear
【技术实现步骤摘要】
一种基于非圆行星齿轮的非线性弹簧机构
本专利技术属于机械结构设计
，涉及一种基于非圆行星齿轮的被动弹簧机构，可实现非线性的输出载荷—变形关系，特别是非圆行星轮系与弹簧的结构组合形式。
技术介绍
传统的拉伸弹簧或扭转弹簧可输出与形变量成正比的力或力矩，但对于隔振系统、能量收集器、重力补偿等实际工程场景，经常需要提供非线性的弹簧变形与输出载荷间的对应关系，例如零刚度隔振器的设计中常用正负刚度弹簧相结合的方法构造零刚度，而机器人领域则常会需要非线性弹簧提供较为复杂或大传动比调节的输出力/力矩以达到更为精准的控制效果。常见的非线性弹簧设计多采用普通弹簧与调节机构相结合的形式，例如公开号为CN208749896U的中国技术专利采用嵌套的圆筒套筒与压缩弹性元件实现非线性弹簧组，可根据不同压力大小灵活匹配，但套筒的层级多、结构复杂，可调节范围受限于套筒级数，调节能力有限；又如公开号为CN105757208A的中国专利技术专利基于外啮合齿轮系设计了网状天线的展开驱动器，但由于外啮合非圆齿轮的传动效率限制，每级齿轮可调节的传动比不大，总体可实现的非线性不强，为控制转动范围引入了前后的力矩放大和缩小轮系，结构相对复杂，同时级数过多将明显降低传动效率，缺乏普遍适用性。总的来看，现有非线性弹簧机构可实现的传动比调节能力有限，受结构空间尺寸的制约较大，整体结构的复杂度较高，并且在工程应用中难以根据具体工况更换调节元件。
技术实现思路
本专利技术为克服现有技术在工程应用中的不足，提出了一种基于非圆行星齿轮的非线性弹簧机构，具有非线性调节范围大、组装简单、工程普适性好的特点。为了实现上述目的，本专利技术设计非线性弹簧采用的技术方案是：由线性扭转弹簧作为能量源，经过一对减速齿轮后传递至中心太阳轮，再经由太阳轮与下层行星轮的外啮合非圆齿轮对和上层行星轮与固定齿圈的内啮合非圆行星齿轮对调节力矩关系，上下两层行星轮同轴转动，转动轴系杆连接至行星臂作为本机构输出转轴。设计中引入行星轮系传动，能够仅用两级传动实现大传动比调节，并且弹簧整体采用层叠结构形式，便于根据不同工况更换不同的非圆齿轮。上述机构的具体结构包括圆筒外壳，以及容纳于该圆筒外壳内的行星臂、共第一齿轮轴设置的线性扭转弹簧和第一齿轮、共第二齿轮轴设置的第二齿轮和太阳齿轮，共系杆设置的下层行星轮和上层行星轮、以及附于圆筒外壳内侧壁的齿圈；所述第一齿轮和第二齿轮均为圆形齿轮，所述太阳齿轮、下层行星轮、上层行星轮和齿圈均为非圆齿轮；所述圆筒外壳由依次叠设且通过螺栓和螺母约束相对位置的9个结构层构成，9个结构层由上至下分别为1个顶面层、1个支撑层以及交错设置的4个工作层和3个隔离层；所述第一齿轮轴两端分别安装于第一工作层和第二隔断层内偏离圆筒外壳中心的一侧；所述第二齿轮轴两端分别安装于第一隔断层和第三隔断层的中心处；所述行星臂呈L形，该行星臂的水平段位于所述支撑层内，行星臂的竖直段一端穿过所述顶面层中心作为所述非线性弹簧机构的输出端；所述系杆一端位于第三工作层内偏离圆筒外壳中心的另一侧，该系杆另一端通过轴承安装于所述行星臂的水平段；所述线性扭转弹簧位于第一工作层一侧的凹槽内，该线性扭转弹簧的中心嵌入第一齿轮轴一端，线性扭转弹簧的外侧与第一工作层的内侧壁固定；所述第一齿轮和第二齿轮外啮合构成减速齿轮对，均位于第二工作层内；所述太阳齿轮和下层行星轮外啮合，均位于第三工作层内；所述齿圈位于第四工作层内侧，与所述上层行星轮内啮合。本专利技术的特点和有益效果是：本专利技术提出的一种基于非圆行星齿轮的非线性弹簧机构，由线性扭转弹簧作为动力源，引入非圆行星轮系作为非线性调节机制，充分发挥行星轮传动优势，仅用两级传动就可实现大范围的非线性调节，可以精确输出所需的非线性载荷位移关系，相较现有的非线性弹簧简化了结构形式，增大了调节范围，引入便于调节齿轮对更换的层叠结构形式，具备更强的设计性和工程应用普适性。本专利技术具有结构形式简单，应用领域广泛、非线性调节范围大等优点，可适用于机器人控制，重力补偿机构等。附图说明图1是本专利技术的非线性弹簧机构的线性弹簧力矩与非线性输出力矩的对比示意图。图2是本专利技术的非线性弹簧机构的非圆行星轮系的平面排布示意图。图3是本专利技术的非线性弹簧机构的非圆行星轮系的结构示意图。图4是本专利技术的非线性弹簧机构的等轴测图。图5是本专利技术的非线性弹簧机构的等轴测剖面图。图6是本专利技术的非线性弹簧机构的第一工作层示意图。图7是本专利技术的非线性弹簧机构的第一隔断层示意图。图8是本专利技术的非线性弹簧机构的第一齿轮轴与第二齿轮轴示意图。图9是本专利技术的非线性弹簧机构的第二工作层和第三工作层示意图。图10是本专利技术的非线性弹簧机构的第二隔断层示意图。图11是本专利技术的非线性弹簧机构的第三隔断层示意图。图12是本专利技术的非线性弹簧机构的圆形减速齿轮对示意图。图13是本专利技术的非线性弹簧机构的外啮合非圆齿轮对示意图。图14是本专利技术的非线性弹簧机构的内啮合非圆齿轮齿圈示意图。图15是本专利技术的非线性弹簧机构的支撑层示意图。图16是本专利技术的非线性弹簧机构的顶面层示意图。图17是本专利技术的非线性弹簧机构的行星臂示意图。具体实施方式本专利技术提出的一种基于非圆行星齿轮的非线性弹簧机构结合附图与实施例进一步说明如下：本专利技术提出的一种基于非圆行星齿轮的非线性弹簧机构，具体包括圆筒外壳，空间轴线位置相对固定的第一齿轮轴、第二齿轮轴和“L”形行星臂，轴线位置不固定的系杆，由圆形的第一齿轮、第二齿轮外啮合构成的减速齿轮对(第一齿轮较第二齿轮小)，一对外啮合非圆齿轮，一对内啮合非圆齿轮齿圈以及线性扭转弹簧。其中圆筒外壳包括九层叠设的结构层，分别为四层工作层、三层隔断层、一层支撑层和一层顶面层。线性扭转弹簧安装于最下方的第一工作层，线性扭转弹簧的中心固定于第一齿轮轴底端，外侧固定于外壳内表面，其上为第一隔断层。减速齿轮对安装于第二工作层，其中第一齿轮安装于第一齿轮轴，第二齿轮安装于第二齿轮轴，第二工作层上方为第二隔断层。外啮合非圆齿轮对包括太阳齿轮与下层行星轮，安装于第三工作层，太阳齿轮与减速齿轮对的第二齿轮同轴转动，第三工作层上方为第三隔断层。内啮合齿轮齿圈安装于第四工作层，齿圈的齿形直接位于第四工作层圆形外壳的内表面，上层行星轮与下层行星轮绕系杆同轴转动，系杆的顶端轴承安装于“L”形行星臂的水平段端部，工作过程中系杆将跟随行星臂绕本非线性弹簧机构的中心轴线公转。行星臂位于支撑层内，其竖直段一端通过顶面层的中心伸出作为本非线性弹簧机构的输出端，该输出端轴线与第二齿轮轴同心，且该输出端通过轴承安装于顶面层。本实施例以实现如图1所示的力矩调节关系为设计目标，其中a表示使用的线性扭转弹簧所能提供的线性力矩，b表示非线性弹簧机构调节后输出的非线性力矩(即通过输出端输出的非线性力矩)，可据此需求具体设计出本实施例中使用的非圆行星轮系。非圆行星轮系的组成与传动原理如图本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于非圆行星齿轮的非线性弹簧机构，其特征在于，包括圆筒外壳，以及容纳于该圆筒外壳内的行星臂(10)、共第一齿轮轴(7)设置的线性扭转弹簧(1)和第一齿轮(21)、共第二齿轮轴(8)设置的第二齿轮(22)和太阳齿轮(3)，共系杆(9)设置的下层行星轮(4)和上层行星轮(5)、以及附于圆筒外壳内侧壁的齿圈(6)；所述第一齿轮(21)和第二齿轮(22)均为圆形齿轮，所述太阳齿轮(3)、下层行星轮(4)、上层行星轮(5)和齿圈(6)均为非圆齿轮；所述圆筒外壳由依次叠设且通过螺栓和螺母约束相对位置的9个结构层构成，9个结构层由上至下分别为1个顶面层(09)、1个支撑层(08)以及交错设置的4个工作层(01、03、05、07)和3个隔离层(02、04、06)；所述第一齿轮轴(7)两端分别安装于第一工作层(01)和第二隔断层(04)内偏离圆筒外壳中心的一侧；所述第二齿轮轴(8)两端分别安装于第一隔断层(02)和第三隔断层(06)的中心处；所述行星臂(10)呈L形，该行星臂的水平段位于所述支撑层(08)内，行星臂的竖直段一端穿过所述顶面层(09)中心作为所述非线性弹簧机构的输出端；所述系杆(9)一端位于第三工作层(05)内偏离圆筒外壳中心的另一侧，该系杆(9)另一端通过轴承安装于所述行星臂(10)的水平段；所述线性扭转弹簧(1)位于第一工作层(01)一侧的凹槽内，该线性扭转弹簧的中心嵌入第一齿轮轴(7)一端，线性扭转弹簧(1)的外侧与第一工作层(01)的内侧壁固定；所述第一齿轮(21)和第二齿轮(22)外啮合构成减速齿轮对，均位于第二工作层(03)内；所述太阳齿轮(3)和下层行星轮(4)外啮合，均位于第三工作层(05)内；所述齿圈(6)位于第四工作层内侧，与所述上层行星轮(5)内啮合。/n...
【技术特征摘要】
1.一种基于非圆行星齿轮的非线性弹簧机构，其特征在于，包括圆筒外壳，以及容纳于该圆筒外壳内的行星臂(10)、共第一齿轮轴(7)设置的线性扭转弹簧(1)和第一齿轮(21)、共第二齿轮轴(8)设置的第二齿轮(22)和太阳齿轮(3)，共系杆(9)设置的下层行星轮(4)和上层行星轮(5)、以及附于圆筒外壳内侧壁的齿圈(6)；所述第一齿轮(21)和第二齿轮(22)均为圆形齿轮，所述太阳齿轮(3)、下层行星轮(4)、上层行星轮(5)和齿圈(6)均为非圆齿轮；所述圆筒外壳由依次叠设且通过螺栓和螺母约束相对位置的9个结构层构成，9个结构层由上至下分别为1个顶面层(09)、1个支撑层(08)以及交错设置的4个工作层(01、03、05、07)和3个隔离层(02、04、06)；所述第一齿轮轴(7)两端分别安装于第一工作层(01)和第二隔断层(04)内偏离圆筒外壳中心的一侧；所述第二齿轮轴(8)两端分别安装于第一隔断层(02)和第三隔断层(06)的中心处；所述行星臂(10)呈L形，该行星臂的水平段位于所述支撑层(08)内，行星臂的竖直段一端穿过所述顶面层(09)中心作为所述非线性弹簧机构的输出端；所述系杆(9)一端位于第三工作层(05)内偏离圆筒外壳中心的另一侧，该系杆(9)另一端通过轴承安装于所述行星臂(10)的水平段；所述线性扭转弹簧(1)位于第一工作层(01)一侧的凹槽内，该线性扭转弹簧的中心嵌入第一齿轮轴(7)一端，线性扭转弹簧(1)的外侧与第一工作层(01)的内侧壁固定；所述第一齿轮(21)和第二齿轮(22)外啮合构成减速齿轮对，均位于第二工作层(03)内；所述太阳齿轮(3)和下层行星轮(4)外啮合，均位于第三工作层(05)内；所述齿圈(6)位于第四工作层内侧，与所述上层行星轮(5)内啮合。
2.根据权利要求1所述的非线性弹簧机构，其特征在于，所述减速齿轮对的减速比...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵治华，李萌，任革学，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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