УПРАВЛЯЕМАЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ МУФТА (ВАРИАНТЫ)
CONTROLLED ELECTRO-MECHANIC COUPLING (VERSIONS)

Изобретение относится к электромеханическим устройствам передачи вращающего момента с электрическим управлением и может быть использовано в качестве самостоятельного узла в приборах и системах автоматики различного назначения. Преимущественное использование изобретения в устройствах, передающих вращающий момент в ограниченном интервале углового движения, например в электронных дверных или сейфовых замках, устройствах робототехники, приводах рычагов различных механизмов и т.п.
Особенностью изобретения является возможность управлять работой устройства электрическим сигналом малой мощности.
Широко используемые в механизмах приборов и устройств различного назначения устройства передачи вращающего момента (муфты) с электрическим управлением, как правило, конструктивно сложны, а главное энергоемки [1, 2, 3]. Данное обстоятельство ограничивает их использование в устройствах, предъявляющих требование по минимизации энергозатрат управления.
Известна управляемая электромеханическая муфта [4], содержащая концентрично расположенные наружную и внутреннюю полумуфты, во включенном состоянии взаимодействующие посредством узла сцепления, исполнительное устройство, приводимое в действие электрически, и управляющий элемент, связанный с исполнительным устройством. В качестве исполнительного устройства в известной муфте использован электромагнит.
Недостатком известного устройства является большое энергопотребление управления, так как для включения муфты и поддержания ее включенного состояния требуется значительный расход электроэнергии. Высокое энергопотребление устройства делает возможным его работу только от сети или от энергоемкого аккумулятора.
Развитие микроэлектроники и микромеханики, использование в микромеханических устройствах источников питания на новых принципах, например солнечных батарей, источников на основе пьезоэффекта, трибоэффекта или использующих энергию радиоактивного источника заряженных частиц, обуславливает необходимость в разработке электромеханических исполнительных устройств с малой мощностью потребления на уровне микроватт и ограничения времени потребления до долей секунды.
Целью предлагаемого изобретения является многократное снижение потребляемой электроэнергии, а также упрощение конструкции и улучшение эксплуатационных характеристик.
Поставленная цель достигается тем, что в управляемой электромеханической муфте, содержащей концентрично расположенные наружную и внутреннюю полумуфты, во включенном состоянии взаимодействующие посредством узла сцепления, исполнительное устройство, приводимое в действие электрически, и управляющий элемент, связанный с исполнительным устройством, управляющий элемент выполнен с возможностью нахождения его в двух устойчивых положениях, а узел сцепления включает в себя упоры на наружной полумуфте и по крайней мере один элемент сцепления, шарнирно соединенный с внутренней полумуфтой, при этом элемент сцепления введен в кольцевой канал наружной полумуфты и имеет возможность сопряжения с упорами и управляющим элементом, а перевод управляющего элемента из одного устойчивого положения в другое возможен при отсутствии его связи с элементом сцепления.
Кроме того:
Для уменьшения нагрузки на исполнительное устройство управляющий элемент выполнен в виде малоинерционного поворотного кулачка, сбалансированного относительно оси поворота, при этом кулачок сопряжен с пружиной, фиксирующей кулачок в двух устойчивых положениях.
Для обеспечения компактности муфты исполнительное устройство размещено в теле наружной полумуфты, причем размещение может быть соосным или ортогональным оси муфты в зависимости от габаритных требований конкретного устройства.
В качестве исполнительного устройства, устанавливающего управляющий элемент в нужное положение, может быть использован электрический микродвигатель или соленоид.
Предпочтительно, чтобы управляющий элемент был закреплен на оси микродвигателя. При необходимости управляющий элемент может быть связан с исполнительным устройством механической передачей, например червячной, реечной, винтовой и т.п.
Управляющий элемент может быть связан с якорем соленоида посредством тяги.
Для повышения надежности работы муфты узел сцепления может содержать два подпружиненных элемента сцепления, шарнирно соединенных с внутренней полумуфтой и противоположно расположенных по отношению друг к другу.
Для усиления эффекта зацепления элемент сцепления выполнен продолговатым, его передняя часть имеет скошенный плоский участок для плотного сопряжения с упором на наружной полумуфте, позволяющий в положении зацепления опираться на упор максимальной площадью, уменьшая при этом разрушающие конструкцию нагрузки, а задняя часть имеет выступ, опирающийся на буртик сегментной стенки внутренней полумуфты. В пазу верхней части элементов сцепления размещена полукольцевая пружина, объединяющая элементы сцепления и прижимающая их выступами к буртикам, реализуя шарнирное соединение.
Наиболее просто упоры могут быть образованы вырезом во внешней стенке наружной полумуфты, а поверхности упоров скошены наружу, что повышает надежность срабатывания муфты.
С целью предохранения от заклинивания управляющего элемента и повышения надежности муфта может иметь разрешающее средство включения, содержащее микровыключатель в цепи управления исполнительного элемента, шарик в цилиндрическом канале наружной полумуфты и кольцевой паз с выступом на внутренней полумуфте, при этом шарик сопряжен с подпружиненной кнопкой микровыключателя и диаметрально противоположной частью входит в кольцевой паз с возможностью сопряжения с выступом.
Для повышения надежности срабатывания муфты взаимное расположение шарика и выступа обеспечивает их сопряжение и, тем самым, срабатывание микровыключателя, при максимальном угловом удалении элементов сцепления от управляющего элемента.
В другом варианте в управляемой электромеханической муфте, содержащей концентрично расположенные наружную и внутреннюю полумуфты, во включенном состоянии взаимодействующие посредством узла сцепления, исполнительное устройство, приводимое в действие электрически, управляющий элемент, связанный с исполнительным устройством, управляющий элемент выполнен с возможностью нахождения его в двух устойчивых положениях, узел сцепления включает в себя упоры на внутренней полумуфте и по крайней мере два элемента сцепления, размещенных в диаметральном пазу наружной полумуфты с выходом в кольцевой канал между полумуфтами и с возможностью сопряжения одной своей стороной с упорами, а другой - с управляющим элементом, а перевод управляющего элемента из одного устойчивого положения в другое возможен при отсутствии его связи с элементами сцепления.
Кроме того:
Элементы сцепления связаны между собой полукольцевой пружиной, действующей на удаление элементов сцепления друг от друга.
Наиболее просто упоры могут быть образованы выемками в теле внутренней полумуфты.
В качестве исполнительного устройства использован электрический микродвигатель, размещенный в теле наружной полумуфты соосно оси муфты.
Для уменьшения нагрузки на исполнительное устройство управляющий элемент выполнен в виде малоинерционного поворотного кулачка, симметричного и сбалансированного относительно оси поворота, при этом поворотный кулачок закреплен на валу микродвигателя.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где:
Фиг.1 - управляемая электромеханическая муфта в сборе (вариант 1);
Фиг.1a - элементы муфты (вид на внутреннюю часть наружной полумуфты);
Фиг.1б - элементы муфты (вид на внутреннюю часть внутренней полумуфты);
Фиг.1в - внутренняя полумуфта (увеличенно);
Фиг.1г - наружная полумуфта (увеличенно);
Фиг.1д - расположение элементов во включенном состоянии муфты;
Фиг.1e - расположение элементов в выключенном состоянии муфты;
Фиг.2 - управляемая электромеханическая муфта в сборе (вариант 2);
Фиг.2а - вид на внутреннюю часть наружной полумуфты;
Фиг.2б - вид на внутреннюю часть внутренней полумуфты;
Фиг.2в - муфта в разрезе без внутренней полумуфты;
Фиг.2г - расположение элементов во включенном состоянии муфты;
Фиг.2д - расположение элементов в выключенном состоянии муфты.
Согласно изобретению управляемая электромеханическая муфта содержит концентрично расположенные наружную 1 и внутреннюю 2 полумуфты, при необходимости объединенные защитным кожухом 3 (Фиг.1a, 1б). В теле наружной полумуфты (см. Фиг.1г) размещены исполнительное устройство 4 (электрический микродвигатель или соленоид) и управляющий элемент 5. Узел сцепления включает в себя упоры 6 на наружной полумуфте и элементы сцепления 7 (см. Фиг.1в), шарнирно соединенные с внутренней полумуфтой 2, при этом элементы сцепления 6 введены в кольцевой канал 8 между полумуфтами с возможностью сопряжения с упорами 6 и управляющим элементом 5.
Управляющий элемент 5 выполнен в виде малоинерционного поворотного кулачка, сбалансированного относительно оси поворота, кулачок может иметь выступ 9 или паз (не показано) для сопряжения с пружиной 10, фиксирующей кулачок в двух устойчивых положениях, соответствующих включенному или выключенному состояниям муфты. Управляющий элемент 5 закреплен на оси микродвигателя 4 или может быть связан с ним механической передачей (не показано), например червячной, реечной и т.п.
Элемент сцепления 7 в профиле имеет продолговатую форму с утоньшением в средней части. Передняя часть элемента сцепления, сопрягаемая с поверхностью упора 6, имеет скошенный плоский участок для скольжения и последующего плотного сопряжения с упором, а задняя часть имеет выступ 11, опирающийся на буртик 12 сегментной стенки 13 внутренней полумуфты 2. В пазу верхней части элементов сцепления размещена полукольцевая пружина 14, объединяющая элементы сцепления и прижимающая их выступами 11 к буртикам 12, реализуя шарнирное соединение.
Упоры 6 образованы вырезом во внешней стенке 15 наружной полумуфты, поверхности упоров скошены наружу.
Разрешающее средство включения муфты содержит микровыключатель 16 в цепи управления исполнительного элемента, шарик 17 в цилиндрическом канале наружной полумуфты и кольцевой паз 18 с выступом 19 на внутренней полумуфте. Шарик 15 сопряжен с подпружиненной кнопкой 20 микровыключателя 16 и диаметрально противоположной частью входит в кольцевой паз с возможностью сопряжения с выступом 19. Взаимное угловое расположение выступа и шарика выбрано таким, что взаимодействие выступа 19 и шарика 17 и, тем самым, срабатывание микропереключателя 16 происходит при максимальном угловом удалении элементов сцепления 7 от управляющего элемента 5.
В другом варианте исполнения (см. Фиг.2) узел сцепления включает в себя упоры 21 на внутренней полумуфте 22 и два подпружиненных элемента сцепления 23, размещенных в диаметральном пазу наружной полумуфты 24 с выходом в кольцевой канал 25 между полумуфтами и с возможностью сопряжения одной своей стороной с упорами 21, а другой - с управляющим элементом 26. Элементы сцепления 23 связаны между собой полукольцевой пружиной 27, действующей на удаление элементов сцепления друг от друга, а упоры 21 образованы выемками в теле внутренней полумуфты. Управляющий элемент 26 выполнен в виде малоинерционного поворотного кулачка, симметричного и сбалансированного относительно оси поворота. Поворотный кулачок закреплен на валу электрического микродвигателя 28, размещенного в наружной полумуфте соосно оси муфты.
Для данного варианта исполнения предполагается использование внешних устройств для приведения полумуфт в исходное положение. При необходимости возможно выполнение и в этом варианте средства разрешения включения, аналогичного ранее описанному средству.
Работа предложенного устройства происходит следующим образом.
В выключенном состоянии муфты управляющий элемент (поворотный кулачок) 5 удерживается пружиной 10 в положении, при котором он не препятствует свободному движению элементов сцепления 7 в кольцевом канале 8 при взаимных поворотах полумуфт (Фиг.1е). При включении муфты исполнительное устройство (микродвигатель 4 или соленоид) поворачивает кулачок 5 в другое устойчивое положение, в котором он своей частью входит в кольцевой канал 8. При сопряжении с кулачком 5 элемент сцепления 7 под действием внешнего момента преодолевает сопротивление пружины 14 и, изменяя траекторию движения, входит в зацепление с упором 6 (Фиг.1д). После чего контактирование кулачка 5 и элемента сцепления 7 прекращается. Наличие скоса поверхности упора наружу способствует эффекту отклонения элемента сцепления от кулачка и, тем самым, прекращению их прямого контактирования в конечной фазе силового зацепления муфты.
Таким образом, срабатывание муфты происходит в основном не за счет электрических сил управления, а за счет использования энергии передаваемого вращающего момента путем использования предложенной кинематической схемы взаимодействия элементов муфты. А перевод управляющего элемента из одного устойчивого положения в другое возможен при отсутствии его связи с элементами сцепления.
Для надежного включения муфты (предохранения от заклинивания управляющего элемента) желательно, чтобы при включении элементы сцепления находились на максимальном угловом удалении от управляющего элемента. При этом выступ 19 кольцевого паза 18, воздействуя на шарик 17, преодолевает сопротивление подпружиненной кнопки 20, тем самым включая микровыключатель 16 и подготавливая муфту к включению.
Работа муфты во втором варианте происходит следующим образом.
В выключенном состоянии муфты управляющий элемент 26, имеющий продолговатую форму, расположен по отношению к элементам сцепления 23 таким образом, что он не препятствует сближению элементов сцепления друг к другу (Фиг.2д). При сопряжении упоров 21 с элементами сцепления 23 внешний момент преодолевает сопротивление пружины 27 и вдавливает элементы сцепления внутрь диаметрального канала наружной полумуфты, тем самым освобождая кольцевой канал 25 для свободного вращения полумуфт.
При включении муфты исполнительный элемент (микродвигатель) 28 разворачивает управляющий элемент 26 в положение, в котором сближение элементов сцепления становится невозможным (Фиг.2г), и при внешнем моменте происходит передача движения посредством взаимодействия элементов сцепления 23 с упорами 21.
В этой муфте также может быть применено средство разрешения включения исполнительного устройства аналогично первому варианту, позволяющее исключить необходимость предварительной установки полумуфт в исходное положение, в котором элементы сцепления максимально удалены от управляющего элемента, освобождая его для нужного изменения положения.
Предложенные муфты имеют простую конструкцию, компактны (D25·6) мм, a главное - способны к срабатыванию от электрического импульса малой мощности.
Изготовлены опытные образцы управляемых муфт по предложенному изобретению. Экспериментальная проверка подтвердила высокую эффективность заявленных технических решений, так энергия для включения/выключения муфты не превышает 1,5 миллиджоуля. Такие муфты могут найти широкое применение в конструкциях электронных замков и робототехнических системах с длительным сроком службы автономных источников питания.
Источники информации
1. US 20010005998 A1, Jul. 5, 2001.
2. SU 1488631 A1, 23.06.89.
3. US 7063194 B2, Jun. 20, 2006.
4. US 6684992 B2, Feb. 3, 2004.