[发明专利]一种基于非圆行星齿轮的非线性弹簧机构

权利要求书

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个隔断层(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为工作过程中所述线性扭转弹簧(1)的释放角度与第二齿轮轴(8)的工作角度之比；所述下层行星轮(4)的工作角度大于等于太阳齿轮(3)；所述减速齿轮对的轴心距、太阳齿轮(3)与下层行星轮(4)的轴心距、以及上层行星轮(5)与齿圈(6)的轴心距均相同。

3.根据权利要求1所述的非线性弹簧机构，其特征在于，所述太阳齿轮(3)与下层行星轮(4)的有效啮合角度在180°～360°间。

4.根据权利要求1所述的非线性弹簧机构，其特征在于，所述齿圈(6)的工作角度的最大值为70°～130°。

5.根据权利要求1所述的非线性弹簧机构，其特征在于，所述螺栓设有多个，环向设置在所述圆筒外壳的各结构层外围，且位于所述非线性弹簧机构的非工作区域。

6.根据权利要求1所述的非线性弹簧机构，其特征在于，所述支撑层(08)的内侧壁半径大于所述齿圈(6)的齿根所对应的最大半径，以避让所述上层行星轮(5)与齿圈(6)的啮合范围。

7.根据权利要求1～6中任意一项所述的非线性弹簧机构，其特征在于，通过参考机构法确定各非圆齿轮的节曲线，具体过程如下：

假定所述系杆(9)无公转仅自转，齿圈(6)跟随上层行星轮(5)同向转动，此时非圆齿轮的传动比定义为太阳齿轮(3)转动角度与齿圈(6)输出角度之间的导数关系，太阳齿轮(3)与齿圈(6)的转动方向相反；令太阳齿轮(3)的转角和轴力矩分别为α、M₁，齿圈(6)的转角和轴力矩分为β、M₂，满足以下关系式：

式中，M₁(α)为太阳齿轮(3)的力矩转角关系；M₂(β)为齿圈(6)的力矩转角关系；

求解上式得到太阳齿轮(3)与齿圈(6)的转角对应关系，结合系杆(9)的转角、齿轮啮合的基本条件与轴心距即可确定所有非圆齿轮的节曲线。