[发明专利]一种基于非圆行星齿轮的非线性弹簧机构

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于机械结构设计技术领域，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。

背景技术

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的中国实用新型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的中国发明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。

发明内容

本发明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，本发明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个隔断层；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。