一種扭矩限制器的設(shè)計(jì)方案

周桂洪

摘? 要：為了解決恒定閾值的傳統(tǒng)扭矩限制器對(duì)不同重量的開合模塊適應(yīng)性差的弊端，提出了一種通過調(diào)節(jié)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力的大小，從而實(shí)現(xiàn)扭力轉(zhuǎn)矩可調(diào)節(jié)的新型扭矩限制器設(shè)計(jì)方案。該方案不僅能有效地克服傳統(tǒng)扭矩限制器的上述弊端，拓展扭矩限制器在OA產(chǎn)品的應(yīng)用，縮短了研發(fā)設(shè)計(jì)人員對(duì)扭矩限制器進(jìn)行選型測試時(shí)消耗的時(shí)間、提高產(chǎn)品中開合功能模塊的開發(fā)效率，而且因其結(jié)構(gòu)簡單、組裝便利、性能可靠，也能有效地實(shí)現(xiàn)扭矩限制器的低成本化應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：限制器;轉(zhuǎn)矩限制器;扭矩限制器;轉(zhuǎn)軸限制器;摩擦力矩限制器

中圖分類號(hào)：TH122? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）03-0170-03

Abstract：In order to solve the problem that the traditional torque limiter with constant threshold value has poor adaptability to different weights of the opening and closing module，this paper proposes a new torque limiter design scheme that can adjust the torque of the relative rotation by adjusting the relative rotational friction force. This solution not only can effectively overcome the above drawbacks of the traditional torque limiter，expands the application of the torque limiter in OA （office automation） products，shortens the time spent by the R&D designer on the selection test of the torque limiter，and improves the product opening. The development efficiency of the functional module，and because of its simple structure，convenient assembly，and reliable performance，can effectively realize the low-cost application of the torque limiter.

Keywords：limiter;torque limiter;torque converter;rotary shaft limiter;friction torque limiter

0? 引? 言

扭矩限制器即轉(zhuǎn)矩限制器，屬于一種機(jī)械過載保護(hù)裝置[1]。扭矩限制器的過載保護(hù)原理在于當(dāng)其所承受的負(fù)載低于其預(yù)設(shè)定的閾值，負(fù)載能被有效地支撐，而當(dāng)其所承受的負(fù)載大于其預(yù)設(shè)定的閾值，能以打滑形式限制傳動(dòng)系統(tǒng)所傳動(dòng)的扭力，進(jìn)行負(fù)載保護(hù)[2]。

當(dāng)前具備開合功能模塊的OA（辦公自動(dòng)化）產(chǎn)品，廣泛地應(yīng)用了扭矩限制器，利用扭矩限制器所承受的負(fù)載低于其預(yù)設(shè)定的閾值時(shí)，能有效地支撐負(fù)載的特性，提升產(chǎn)品開合模塊的開合安全性及用戶體驗(yàn)效果。即開合模塊在扭矩限制器作用下，能被輕便打開及關(guān)閉，且在整個(gè)開合有效過程中的任意角度均能停住，避免掉落傷人。然而，目前市面上扭矩限制器的設(shè)定閾值均為恒定，對(duì)不同重量的開合模塊的適應(yīng)性差，導(dǎo)致研發(fā)設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品開發(fā)前期需重復(fù)耗費(fèi)大量的時(shí)間，為不同重量的開合模塊進(jìn)行扭矩限制器的匹配計(jì)算、選型及測試，結(jié)果使得研發(fā)成本增加及研發(fā)周期延長。

為了解決上述問題及避免研發(fā)時(shí)間、成本的增加，本文提出了一種可變轉(zhuǎn)矩的扭矩限制器設(shè)計(jì)方案，并詳述了其具體的工作原理及技術(shù)效果。

1? 傳統(tǒng)扭矩限制器在OA產(chǎn)品中應(yīng)用簡介及其弊端分析

1.1? 傳統(tǒng)扭矩限制器應(yīng)用實(shí)例簡介

如圖1所示，該產(chǎn)品為一款在OA產(chǎn)品開合模塊常使用的傳統(tǒng)扭矩限制器，其設(shè)定閾值為1.0 N的。該款扭矩限制器主要由塑料外殼、扭力彈簧及單向軸承等元器件組成，其具體應(yīng)用實(shí)例如下。

（1）如圖2所示，傳統(tǒng)扭矩限制器的應(yīng)用模型。

轉(zhuǎn)軸的一端與OA產(chǎn)品的開合模塊（即負(fù)載）剛性連接，另一端與扭矩限制器的軸孔配合，而扭矩限制器固定于機(jī)架上（即靜止參照物）;OA產(chǎn)品的開合模塊通過轉(zhuǎn)軸在扭矩限制器的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)開合模塊繞機(jī)架的相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

（2）如圖3所示，OA產(chǎn)品利用了扭矩限制器在外加負(fù)載（即Mg，為開合模塊的重力矩）少于其設(shè)定的閾值時(shí)（即Mg<1.0 N），負(fù)載能被扭矩限制器有效支撐的特性，實(shí)現(xiàn)負(fù)載在開合過程中的任意角度均能與機(jī)架保持相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，即實(shí)現(xiàn)開合模塊在打開過程中的任意角度位置能停住，不會(huì)出現(xiàn)模塊自動(dòng)關(guān)閉跌落傷人的現(xiàn)象。

（3）如圖4所示，OA產(chǎn)品利用了扭矩限制器在外加負(fù)載大于其設(shè)定的閾值時(shí)（即Mf+Mg>1.0 N），負(fù)載與扭矩限制器就會(huì)以打滑形式相對(duì)摩擦旋轉(zhuǎn)的特性，實(shí)現(xiàn)開合模塊的安全閉合動(dòng)作。

1.2? 傳統(tǒng)扭矩限制器弊端分析

從上述傳統(tǒng)扭矩限制器在OA產(chǎn)品中的應(yīng)用簡述中可見，雖然傳統(tǒng)扭矩限制器能有效地解決開合模塊在打開或閉合過程中的存在安全隱患，如瞬間跌落傷人或損壞其他相配合的模塊，提升了用戶體驗(yàn)效果，但由于其設(shè)定的閾值均為恒定值，且通常情況下隨著閾值的大小的改變，其外形尺寸也會(huì)相應(yīng)地變大或縮小，從而導(dǎo)致傳統(tǒng)扭矩限制器存在對(duì)不同重量的開合模塊通用性差、空間結(jié)構(gòu)兼容性差的弊端。這些弊端也會(huì)導(dǎo)致OA產(chǎn)品在開發(fā)過程中需耗費(fèi)人力物力對(duì)其進(jìn)行選型及測試，極大地提高了研發(fā)成本。

2? 可變轉(zhuǎn)矩扭矩限制器的設(shè)計(jì)方案及其技術(shù)原理

2.1? 可變轉(zhuǎn)矩扭矩限制器的設(shè)計(jì)方案概述

基于上述傳統(tǒng)扭矩限制器的應(yīng)用原理及缺陷分析，本文提出了一種轉(zhuǎn)矩可調(diào)節(jié)的扭矩限制器設(shè)計(jì)方案。該新型扭矩限制器設(shè)計(jì)方案能實(shí)現(xiàn)在同一外型規(guī)格情況下，設(shè)定的閾值在一定范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)，從而能有效地?cái)U(kuò)大其對(duì)不同重量開合模塊的適應(yīng)性及空間應(yīng)用的結(jié)構(gòu)兼容性，大大地減少產(chǎn)品研發(fā)選型及前期測試驗(yàn)證的工作量，實(shí)現(xiàn)人力研發(fā)成本的節(jié)省。

可變轉(zhuǎn)矩扭矩限制器設(shè)計(jì)方案產(chǎn)品圖如圖5所示。

可變轉(zhuǎn)矩扭矩限制器的技術(shù)方案結(jié)構(gòu)爆炸圖如圖6所示。

爆炸圖中構(gòu)成元件及其功能描述如下：

元件1：內(nèi)六角螺釘，用于調(diào)整扭矩限制器的彈片與內(nèi)圈之間的抱緊程度，達(dá)到調(diào)整兩者之間的摩擦力矩，從而實(shí)現(xiàn)閾值設(shè)定值的調(diào)節(jié)，使其能適應(yīng)不同外力負(fù)載場合的應(yīng)用;

元件2：扭矩限制器外圈，用于連接開合模塊，相對(duì)于機(jī)架而言，為轉(zhuǎn)動(dòng)元件;

元件3：彈片，與元件2保持一致的運(yùn)動(dòng)屬性（即元件3為轉(zhuǎn)動(dòng)元件），可通過元件1調(diào)整與元件5間的松緊程度，提供可變的工作摩擦扭力;

元件4：單向軸承，用于聯(lián)接固定軸（于機(jī)架而言相對(duì)靜止，即靜止元件），設(shè)定開啟方向，實(shí)現(xiàn)打開省力，提升用戶體驗(yàn)感;

元件5：扭矩限制器內(nèi)圈，與單向軸承剛性連接，保持一致的運(yùn)動(dòng)屬性（即于機(jī)架而言相對(duì)靜止），并與彈片摩擦接觸，提供工作扭力。

2.2? 可變轉(zhuǎn)矩扭矩限制器的技術(shù)原理

（1）如圖7所示，扭矩限制器內(nèi)圈的限位特征與單向軸承固位特征連成一個(gè)“剛體1”，兩者的運(yùn)動(dòng)特性是保持一致的。

（2）如圖8所示，扭矩限制器外圈凸緣與彈片的凸緣特征相配合，構(gòu)成“剛體2”，保持一致的運(yùn)動(dòng)特性（即，扭矩限制器外圈轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，彈片跟著扭矩限制器外圈一起轉(zhuǎn)動(dòng)，扭矩限制器外圈靜止的時(shí)候，彈片與其一起保持靜止?fàn)顟B(tài)）。

（3）如圖9所示，“剛體2”與“剛體1”通過彈片與扭矩限制器內(nèi)圈之間的摩擦產(chǎn)生相對(duì)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)，并可通過內(nèi)六角螺釘調(diào)節(jié)彈片與扭矩限制器內(nèi)圈之間的松緊程度來改變兩者之間的摩擦力大小，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)摩擦力矩的閾值設(shè)定調(diào)整，從而適應(yīng)對(duì)不同重量負(fù)載的有效支撐。

2.3? 可變轉(zhuǎn)矩扭矩限制器的應(yīng)用模型及實(shí)例

（1）圖10為新型扭力傳感器的應(yīng)用模型，在該模型中，扭矩限制器的“剛體1”與軸聯(lián)接，軸被固定于機(jī)架上，負(fù)載（即OA的開合模塊）與“剛體2”剛性聯(lián)接。

（2）如圖11（a），負(fù)載沿單向軸承設(shè)定的方向打開，只要調(diào)整新型扭矩限制器的“剛體1”與“剛體2”之間的摩擦力矩M1-2，使M1-2大于負(fù)載力矩Mg，則負(fù)載并能在打開過程中的任意角度實(shí)現(xiàn)自由停止。

（a）打開過程

（b）閉合過程

（3）如圖11（b），負(fù)載在外力F作用下，會(huì)產(chǎn)生力矩Mf，當(dāng)（Mf+Mg）>M1-2，則“剛體2”與“剛體1”之間就會(huì)產(chǎn)生相關(guān)的摩擦旋轉(zhuǎn)，使負(fù)載關(guān)閉。在此關(guān)閉過程中的任意角度，外力F一旦失效，由于Mg

3? 可變轉(zhuǎn)矩扭矩限制器的技術(shù)效果

可變轉(zhuǎn)矩扭矩限制器相比傳統(tǒng)扭矩限制器技術(shù)效果明顯，主要體現(xiàn)于以下三點(diǎn)：

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案簡單，成本低。

（2）同一尺寸規(guī)格的扭矩限制器，能實(shí)現(xiàn)扭矩閾值的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，擴(kuò)大適應(yīng)范圍。

（3）一定程度上解決了產(chǎn)品研發(fā)過程中，對(duì)不同負(fù)載模塊需重復(fù)選型及測試驗(yàn)證的問題，有利于節(jié)省相應(yīng)的產(chǎn)品研發(fā)成本，縮短開發(fā)周期。

4? 結(jié)? 論

本文主要對(duì)傳統(tǒng)扭矩限制器在OA產(chǎn)品中的應(yīng)用進(jìn)行了介紹及缺陷分析，并以解決該缺陷為出發(fā)點(diǎn)，提出了一種可變轉(zhuǎn)矩扭矩限制器的技術(shù)方案及其應(yīng)用案例。應(yīng)用該技術(shù)方案的新型扭矩限制器不僅能簡單有效地解決傳統(tǒng)扭矩限制器對(duì)不同負(fù)載適應(yīng)性差的缺點(diǎn)，而且具備結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等技術(shù)效益，將在OA等辦公產(chǎn)品的開合模塊設(shè)計(jì)中具有廣泛的市場前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] 任曉力.一種新型扭矩限制器的設(shè)計(jì) [J].煤礦機(jī)電，2015（3）：28-30.

[2] 金毅.淺談摩擦限矩離合器的應(yīng)用 [J].煤，2007（8）：47-48.