Прецизионный блокиратор комбинированного действия для пространственного блокирования вала Российский патент 2018 года по МПК F16D49/18 F16D49/20 

Прецизионный блокиратор комбинированного действия для пространственного блокирования вала

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в приборных установках, манипуляторах, приводах, механизмах станков в качестве управляемой муфты для прецизионной фиксации положения цилиндрических шарниров и валов.

Уровень техники

Известна сцепная пьезокерамическая муфта (SU 1462038, F16D 27/10, опубл. 28.02.1989[1]), содержащая механизм управления, выполненный в виде соосно установленных цилиндрических пьезокерамических преобразователей с осевой поляризацией, смонтированные соосно ведущий и ведомый валы, подшипники качения, одну пару взаимодействующих между собой фрикционных дисков, при этом ведущий диск закреплен на конце ведущего вала муфты, а ведомый диск, связанный с механизмом управления, установлен с возможностью осевого перемещения.

Данная муфта не обеспечивает безлюфтовое соединение. Также не обеспечивается большой ресурс работы без технического обслуживания, из-за небольшого допуска на приработку фрикционных поверхностей.

Известна сцепная пьезокерамическая муфта (SU 1511561, F16D 27/10, опубл. 30.09.1989[2]), содержащая корпус, ведомый вал, ведущий вал, смонтированный в корпусе на подшипниках соосно с ведомым валом, жестко, закрепленный в корпусе фрикционный диск, ведущий фрикционный диск и установленный с возможностью осевого перемещения и взаимодействия с упомянутыми дисками ведомый фрикционный диск и связанный с ним пьезокерамический преобразователь с осевой поляризацией, расположенный концентрично относительно ведомого вала и связанный с источником питания.

Данная муфта не обеспечивает безлюфтовое соединение. Также не обеспечивается большой ресурс работы без технического обслуживания, из-за небольшого допуска на приработку фрикционных поверхностей.

Известна пьезоэлектрическая фрикционная муфта (RU 2019751, F16D13/10, опубл. 15.09.1994 [3]) содержащая корпус, связанный с концевым участком одного из двух соосно установленных валов жестко, а с концевым участком другого вала - с возможностью относительных перемещений в окружном направлении и смонтированные в корпусе пьезоэлектрические фрикционные элементы сцепления.

Также не обеспечивается большой ресурс работы без технического обслуживания, из-за небольшого допуска на приработку фрикционных поверхностей.

Известна сцепная пьезокерамическая муфта (SU 684212,F16D27/10, 08.09.1979[4]) содержащая неподвижный корпус, в котором расположен фрикционный диск и смонтированы соосно ведущий и ведомый валы с установленными на них взаимодействующими между собой фрикционными дисками, один диск установлен с возможностью осевого перемещения и связан с механизмом управления через подшипник качения.

Данная муфта не обеспечивает безлюфтовое соединение.

Известна бесконтактная электромагнитная муфта-тормоз с пьезоэлектрическим тормозом [Казаков Л. А. Электромагнитные устройства РЭА. Справочник. – 1991[5]). Муфта-тормоз содержит неподвижный магнитопроводящий составной корпус из двух половин, а также ведущую и ведомую полумуфту. Одна половина содержит обмотку возбуждения и три пьезокерамических элемента с осевой поляризацией и фрикционными колодками. Вторая половина содержит обмотку возбуждения и тормозную фрикционную поверхность. Принцип действия муфты заключается в перемещении диска ведомой полумуфты за счет электромагнитных сил, создаваемых обмотками возбуждения, и фиксации взаимного расположения полумуфт за счет пьезоэлектрических элементов. Муфта характеризуется по сравнению с активными электромагнитными муфтами снижением потребления энергии, возможностью работы в форсированном режиме, за счет возможности предварительного включения обмоток возбуждения.

По сравнению с пьезокерамическими муфтами [1,2,3,4] электромагнитная муфта-тормоз обладает большим ресурсом из-за того, что тормозные колодки, расположенные на пьезокерамических элементах, участвуют только в процессе фиксации, но не торможения. К недостаткам данной муфты можно отнести: сложность управления, связанную с необходимостью синхронизации процессов торможения обмотками возбуждения и фиксации полумуфт пьезокерамическими элементами; большее время готовности и меньшее быстродействие по сравнению с пьезокерамическими муфтами из-за необходимости включения обмоток возбуждения и преодоления большего зазора, свойственного электромагнитным муфтам, между полумуфтами; а также невозможность прецизионной безлюфтовой фиксации из-за наличия люфта в шлицевых направляющих ведомой полумуфты.

Данная конструкция является наиболее близкой к предложенному техническому решению.

Сущность изобретения

Заявленное техническое решение решает задачу надежной безлюфтовой быстрой разблокировки и блокировки во всех направлениях вала подвижных звеньев устройств при малом потреблении энергии и большом ресурсе работы.

В результате применения созданного технического решения обеспечивается возможность блокировки или разблокировки взаимного перемещения подвижных звеньев на изделии где предъявляются высокие требования к жесткости фиксации и отсутствию люфтов, необходима быстрая разблокировка и блокировка, есть требования к снижению энергопотребления, необходима работа в течение всего срока службы без технического обслуживания.

Технический результат заявленного изобретения заключается безлюфтовой быстрой разблокировки и блокировки во всех направлениях вала подвижных звеньев устройств при малом потреблении энергии при долгом сроком службы и отсутствии необходимости в техническом обслуживании.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что блокиратор комбинированного действия для пространственного блокирования вала содержит корпус с цанговым зажимом, размещенное внутри корпуса основание, и установочную втулку с упругим элементом, которая торцевой поверхностью зафиксирована на основании и закрывает корпус с цанговым зажимом,

при этом основание торцом закреплено в корпусе с цанговым зажимом и установлено на вал, а корпус с цанговым зажимом закреплен на корпусе устройства относительно которого осуществляется фиксация вала, а упругий элемент установочной втулки расположен с противоположной стороны от цангового зажима между корпусом и основанием, при этом в корпусе с противоположной от цангового зажима стороны выполнено, по меньшей мере три подшипниковых узла, включающих подшипник и крышку подшипникового узла, при этом

в основании выполнено по меньшей мере три парных канала, в каждой паре которых размещен пьезоактюатор и редукторный электропривод,

причем пьезоактюатор расположен в канале между цанговым зажимом и упругим элементом установочной втулки и расположен с возможностью осевого перемещения по каналу, а редукторный электропривод расположен в канале между цанговым зажимом и упругим элементом,

причем вал редукторного электропривода соединен с самотормозящей передачей винт-гайка, соединенной посредством резьбового соединения с упругим элементом установочной втулки и соединенной с подшипниковым узлом.

В варианте реализации заявленного технического решения пьезоактюаторы выполнены в виде пьезокерамических элементов.

В варианте реализации заявленного технического решения поверхности цангового зажима выполнены фрикционными.

В варианте реализации заявленного технического решения пьезоактюаторы и электроприводы расположены в каналах, выполненных в радиальном, аксиальном или касательном направлении по отношению к валу.

Краткое описание чертежей

Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:

Фиг. 1 – блокиратор в разрезе вдоль оси

Фиг. 2 – блокиратор в радиальном разрезе

На фигурах обозначены следующие позиции:

1 – основание; 2 – корпус с цанговым зажимом; 3 – установочная втулка; 4 – пъезоактюатор; 5 – редукторный электропривод; 6 – самотормозящая передача винт-гайка; 7 – вал; 8 – корпус устройства, относительно которого осуществляется фиксация вала; 9 – подшипник; 10 – крышка подшипникового узла; 11 – упругий элемент установочной втулки.

Раскрытие изобретения

Блокиратор комбинированного действия для пространственного блокирования вала (7) содержит корпус с цанговым зажимом (2), размещенное внутри корпуса основание (1), и установочную втулку (3), которая торцевой поверхностью зафиксирована на основании (1) и закрывает корпус с цанговым зажимом (2). Основание (1) и установочная втулка (3) закреплены на корпусе (2) с цанговым зажимом, но не мешают работе цангового зажима Основание (1) прецизионного блокиратора комбинированного действия торцом закреплено в корпусе с цанговым зажимом (2) и установлено на вал (7). При этом корпус блокиратора с цанговым зажимом (2) закреплен на корпусе (8) устройства относительно которого осуществляется фиксация вала (7). Установочная втулка выполнена с упругим элементом, расположенным между корпусом (2) и основанием с противоположной от вала (7) стороны.

Основание (1) представляет собой диск с парными каналами для размещения и крепления пары пьезоактюаторов (4) и редукторных микроприводов (5). Поверхности цангового зажима выполнены фрикционными.

Минимальное количество необходимых пар пьезоактюаторов (4) и редукторных микроприводов (5) равно трем. Основание с тремя парными каналами – частное решение. В конструкции может быть применено большее число пар пьезоактюаторов (4) и редукторных электроприводов (5). Пьезоактюаторы (4) расположены в каналах с возможностью осевого перемещения по каналу и не закреплены в основании (1), но зажаты торцевыми поверхностями между цанговым зажимом (2) и установочной втулкой (3).

При этом, в корпусе (2) с противоположной от вала (7) стороны выполнен подшипниковый узел, включающий подшипник (9) и крышку подшипникового узла (10).

Блокиратор комбинированного действия для пространственного блокирования вала (7) также содержит самотормозящую передачу винт-гайка (6), которая расположена одной стороной в подшипниковом узле корпуса (2), а другой стороной в основании (1) с валом редукторного электропривода (5) и соединена посредством резьбового соединения с упругим элементом установочной втулки (3). Самотормозящая передача винт-гайка (6) фиксирует упругий элемент установочной втулки (3) за счет эффекта самоторможения.

В статическом выключенном состоянии, вал (7) проходящий через цанговый зажим (2) разблокирован, так как посадка вал-зажим имеет зазор. В статическом включенном состоянии вал (7) зафиксирован в цанговом зажиме (2) и соответственно заблокировано его положение относительно корпуса устройства (8).

В варианте реализации заявленного технического решения пьезоактюаторы (4) выполненные в виде пьезокерамических элементов.

В режиме блокировки или разблокировки пьезоактюаторы (4), упираясь в упругий элемент установочной втулки (3) и двигаясь в отверстии основания (1), прижимают цанговый зажим корпуса (2) к валу (7). Контакт корпуса (2) с валом (7) происходит по фрикционной поверхности цангового зажима.

Регулируя перемещение пьезоактюатора (4), подпружиненного упругим элементом (11) установочной втулки (3), осуществляется возможность плавного зажима вала (7) с гашением остаточных относительных скоростей перемещений блокируемых звеньев механизма. Самотормозящаяся передача винт-гайка (6) позволяет при выключенном редукторном электроприводе (5) удерживать упругий элемент установочной втулки (3) в необходимом положении для поджатия пьезоактюатора (4).

В режиме установки редукторный электропривод (5) по средству передачи винт-гайка (6) подтягивает упругий элемент (11) установочной втулки (3) при включенном пьезоактюаторе (4) до заданной силы фиксации блокиратора.

Упругий элемент (11) установочной втулки (3) работает не только в качестве регулировочного элемента и амортизатора, но также в качестве рычага уменьшая необходимое усилие, развиваемое редукторным электроприводом (5) для преднатяга актюатора.

Далее привод выключается и усилие удерживает самотормозящаяся передача винт-гайка(6). Теперь при снятии напряжения с пьезоактюатора (4) цанговый зажим разблокируется. При подаче управляющего напряжения на пьезоактюатор (4) блокиратор снова будет заблокирован на заданное усилие фиксации.

В результате в режиме установки можно провести компенсацию приработки фрикционных поверхностей и компенсацию релаксации упругого элемента, что увеличивает ресурс и срок службы изделия.

В режиме блокировки/разблокировки, за счет применения самотормозящейся передачи, из управления исключается более медленный электропривод.

Эти меры обеспечивают увеличение быстродействия за счет управления быстрым пьезоактюатором, уменьшают энергопотребление за счет более низкого потребления пьезоактюатора (4), уменьшают сложность управления за счет исключения необходимости синхронизации управления пьезоактюатора (4) и электромагнитного привода в режиме блокировки/разблокировки.

Также за счет плавного управления напряжением на пьезоактюаторах обеспечивается возможность безударной блокировки звеньев механизма и устранение остаточных не нулевых скоростей относительного перемещения. Пьезоэлектрические актюаторы (4) благодаря своим силовым характеристикам обеспечивают больший высокий удельный момент удержания. За счет монолитной конструкции без подвижных соединений между двумя фиксируемыми звеньями полностью устраняется люфт.

Возможно исполнение блокиратора с работой не на прижатие цангового зажима, когда блокиратор нормально разомкнут в выключенном состоянии, а на разжатие, тогда блокиратор будет нормально замкнут при выключении питания.

Кроме того, в место цангового зажима можно использовать гибкую втулку или гибкую втулку одновременно с цанговым зажимом, тем самым обеспечивая герметичность конструкции. Пьезоэлементы и привод могут быть расположены не в радиальном, а в аксиальном или касательном направлении по отношению к валу, обеспечиваю большую компактность изделия.

Блокиратор может служить, в том числе как муфта и соединять не только вал первого и торец второго звена, но и два вала. Для пространственной блокировки в соответствии с правилом 6-ти точек (6) необходимо применять либо два блокиратора, либо увеличить число пьезоактюаторов, добавив дополнительный ряд для увеличения числа точек контакта в трёхмерном расположении. Для фиксирования вала, расположенного в безлюфтовом подшипниковом узле относительно корпуса достаточно одного блокиратора и фиксирования вала по трем точкам. Но когда необходима фиксация вала только с помощью блокиратора, то в соответствии с правилом шести точек надо использовать либо два блокиратора, либо добавить еще один ряд пьезоатюаторов в конструкцию блокиратора.

При применении конструкции блокиратора с тремя пьезоактюаторами изображенного на фиг. 1 и задавшись следующими типовыми характеристиками: блокирующая сила пьезоактюаторов , ход пьезоактюатора , величина предварительного натяга , величина зазора в посадке межу фрикционными поверхностями после регулировки , диаметр фиксируемого вала будем иметь:

Где – максимальный момент блокировки. Такая величина передаваемого крутящего момента соответствует современным промышленным электромагнитным однодисковым муфтам больших габаритов и масс.

Самым важным в созданном техническом решении является идея независимого комбинирования двух сил различной природы (пьезоэлектрической и электромагнитной).

При этом в отличие от [1,2,3,4] обеспечивается долгий срок службы и отсутствие необходимости в техническом обслуживании за счет большей допустимой приработки фрикционных поверхностей.

Большая допустимая приработка фрикционных поверхностей достигается за счет наличия кроме пьезоэлектрических элементов (пьезоактюаторов), которые имеют малых ход, электромеханического привода с самотормозящейся передачей винт-гайка, который в режиме подстройки позволяет компенсировать приработку, а в рабочем режиме за счет самоторможения исключается из процесса блокировки/разблокировки.

При независимом комбинировании двух сил в отличие от [5] обеспечивается жесткая безлюфтовая пространственная блокировка, более высокая скорость блокировки/разблокировки за счет использования в процессе блокировки/разблокировки только пьезоактюаторов/пьезокерамических элементов, меньшее энергопотребления за счет использования электромагнитных приводных элементов только в процессе подстройки.

Источники информации:

1. http://patents.su/4-1462038-scepnaya-pezokeramicheskaya-mufta.html

1. http://patents.su/3-1511561-scepnaya-pezokeramicheskaya-mufta.html

2. http://www.freepatent.ru/patents/2019751

3. http://patents.su/2-684212-scepnaya-pezokeramicheskaya-mufta.html

4. Казаков Л. А. Электромагнитные устройства РЭА. Справочник. – 1991.

5. Ансёров М. А. Приспособления для металлорежущих станков. Расчеты и конструкции: учебное пособие //Москва: Изд-во Машиностроение. – 1966.

6. http://patents.su/3-1017846-pezokeramicheskaya-mufta.html

Изобретение относится к области машиностроения, а более конкретно к механизмам блокировки валов. Блокиратор вала содержит корпус с цанговым зажимом и установочную втулку с упругим элементом. Внутри корпуса размещено основание. Установочная втулка торцевой поверхностью зафиксирована на основании и закрывает корпус с цанговым зажимом. Основание торцом закреплено в корпусе с цанговым зажимом и установлено на вал. Корпус с цанговым зажимом закреплен на корпусе устройства, относительно которого осуществляется фиксация вала. В корпусе с противоположной от цангового зажима стороны выполнено по меньшей мере три подшипниковых узла. В основании выполнено по меньшей мере три парных канала, в каждой паре которых размещен пьезоактюатор и редукторный электропривод. Вал редукторного электропривода соединен с самотормозящей передачей винт-гайка, соединенной посредством резьбового соединения с упругим элементом установочной втулки и соединенной с подшипниковым узлом. Достигается повышение надежности. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Блокиратор комбинированного действия для пространственного блокирования вала содержит корпус с цанговым зажимом, размещенное внутри корпуса основание и установочную втулку с упругим элементом, которая торцевой поверхностью зафиксирована на основании и закрывает корпус с цанговым зажимом, при этом основание торцом закреплено в корпусе с цанговым зажимом и установлено на вал, а корпус с цанговым зажимом закреплен на корпусе устройства, относительно которого осуществляется фиксация вала, а упругий элемент установочной втулки расположен с противоположной стороны от цангового зажима между корпусом и основанием, при этом в корпусе с противоположной от цангового зажима стороны выполнено по меньшей мере три подшипниковых узла, включающих подшипник и крышку подшипникового узла, при этом в основании выполнено по меньшей мере три парных канала, в каждой паре которых размещен пьезоактюатор и редукторный электропривод, причем пьезоактюатор расположен в канале между цанговым зажимом и упругим элементом установочной втулки и расположен с возможностью осевого перемещения по каналу, а редукторный электропривод расположен в канале между цанговым зажимом и упругим элементом, причем вал редукторного электропривода соединен с самотормозящей передачей винт-гайка, соединенной посредством резьбового соединения с упругим элементом установочной втулки и соединенной с подшипниковым узлом.

2. Блокиратор по п.1, отличающийся тем, что пьезоактюаторы выполнены в виде пьезокерамических элементов.

3. Блокиратор по п.1, отличающийся тем, что поверхности цангового зажима выполнены фрикционными.

4. Блокиратор по п.1, отличающийся тем, что пьезоактюаторы и электроприводы расположены в каналах, выполненных в радиальном, аксиальном или касательном направлении по отношению к валу.