一种电磁机械制动器、方法及应用

1.本发明属于水下航行器机制动器领域，具体涉及一种电磁机械制动器、方法及应用。


背景技术：

2.机械式制动器主要有四种结构，分别是外抱瓦块式、内涨蹄式、带式及盘式，但制动原理都是通过动、静盘的摩擦力实现，例如专利一种电子机械式制动器(申请公布号cn 108825686，中华人民共和国国家知识产权局)，此专利以两对应的摩擦片产生的摩擦力进行制动，所以在充满润滑油的情况下，制动效果将会下降，并且在工作过程中有较为复杂的运动机构及传动机构，以及工作过程伴随电能的损耗。
3.电磁制动器(也称为机电制动器或em制动器)利用电磁力施加机械阻力(摩擦力)来减缓或停止运动。当电力意外或被有意断开时，断电制动器停止或保持住负载。在不增加制动直径的情况下，通过堆叠摩擦盘来增加制动扭矩，使得体积增大。电磁制动器电磁铁冲击大，易引起振动，经常起动、制动，电磁铁的碰撞使其寿命较短，需要经常维修和更换。


技术实现要素：

4.要解决的技术问题：
5.为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种电磁机械制动器，以电磁铁驱动锥齿轮副啮合与断开，从而实现对传动轴的制动；压缩弹簧结合特有的限位槽型结构实现制动器的保持或断开，且制动过程平稳无碰撞；此制动器是完全结构接触方式，可以实现在高压力、润滑油填充的环境稳定可靠的制动效果。
6.本发明的技术方案是：一种电磁机械制动器，包括锥齿轮副、电磁铁组件和轨迹限位组件，通过电磁铁组件控制齿轮副的啮合与断开，并由轨迹限位组件锁定制动器状态；
7.所述锥齿轮副包括外锥齿轮1和内锥齿轮2，外锥齿轮1同轴固定于传动轴上；内锥齿轮2为盘式结构，其一端是与外锥齿轮1啮合的内锥齿结构，其外周面上设置有多个轴向导向孔；
8.所述电磁铁组件包括弹簧柱塞6、压缩弹簧7、导杆8、防水触碰开关9、电磁铁17、底板18和衔铁21，衔铁21固定于内锥齿轮2的另一端面；底板18为开有中心孔的平板结构，电磁铁17固定于所述中心孔内、并与衔铁21相对设置；多个导杆8的一端沿周向固定于底板18的内端面上，另一端分别同轴插装于内锥齿轮2的各导向孔内，使得内锥齿轮2能够沿导杆8做直线运动；多个压缩弹簧7一一对应的套装于多个导杆8上；弹簧柱塞6的底部安装于内锥齿轮2的另一端面，防水触碰开关9安装于底板18的内端面、与弹簧柱塞6相对设置；
9.所述轨迹限位组件包括摆臂3、螺纹销4、销5、上侧板10和下侧板19；两个摆臂3对称设置，其一端均通过螺纹销4与内锥齿轮2的外周面转动连接，另一端通孔内均安装有销5；上侧板10和下侧板19为结构相同的平板结构，对称安装于底板18的相对两侧壁面上，其内侧板面上均开有轨迹限位槽，作为摆臂3上的销5的滑动轨道；所述轨迹限位槽内设置有
限位点，通过限制销5的滑动，进而限定制动器断开和制动器工作时内锥齿轮2的轴向位置。
10.本发明的进一步技术方案是：所述外锥齿轮1通过平键固定安装于传动轴上。
11.本发明的进一步技术方案是：所述衔铁21通过沉头螺钉20固定于内锥齿轮2的中心处。
12.本发明的进一步技术方案是：所述电磁铁17通过沿周向设置的多个螺钉组件固定于底板18上，螺钉组件包括螺钉13、平垫片14、弹簧垫片15。
13.本发明的进一步技术方案是：所述导杆8的另一端插入导向孔内与螺钉组件连接，通过螺钉组件限制内锥齿轮2的轴向位移，防止滑脱；螺钉组件包括螺钉22、平垫片23、弹簧垫片24。
14.本发明的进一步技术方案是：所述导杆8的数量为4个，并沿周向均布。
15.本发明的进一步技术方案是：所述上侧板10和下侧板19分别通过螺钉11、弹簧垫片12安装于底板18的侧壁上。
16.本发明的进一步技术方案是：所述上侧板10和下侧板19的轨迹限位槽为近桃心结构，桃心的上部接近底板18一侧，下部尖角接近内锥齿轮2一侧；设定上部凹角处为第一限位，上部两个凸起分别为第二限位和第四限位，下部尖角处为第三限位；销5位于第一限位时制动器为断开状态，销5位于第三限位时制动器为工作状态。
17.一种电磁机械制动器的制动方法，具体步骤如下：
18.步骤1：当收到制动信号时，电磁铁17通电并吸合衔铁21，进而拉动外锥齿轮1沿轴向向底板18运动；同时销5沿轨迹限位槽滑动，滑出制动器断开限位点后继续向底板18方向运动，直至弹簧柱塞6接触防水触碰开关9，从而触发断电控制信号；断电后由压缩弹簧7沿轴向推动外锥齿轮1向内锥齿轮2方向运动，直至销5滑动至制动器工作限位点，使得外锥齿轮1和内锥齿轮2啮合，实现制动器工作；
19.步骤2：当收到断开制动器信号时，电磁铁17通电并吸合衔铁21，进而拉动外锥齿轮1沿轴向向底板18运动；同时销5沿轨迹限位槽滑动，滑出制动器工作限位点后继续向底板18方向运动，直至弹簧柱塞6接触防水触碰开关9，从而触发断电控制信号；断电后由压缩弹簧7沿轴向推动外锥齿轮1向内锥齿轮2方向运动，直至销5滑动至制动器断开限位点，从而实现制动器断开状态保持。
20.一种电磁机械制动器的应用，所述电磁机械制动器应用于大深度水下无人航行器的防水舵机制动。
21.有益效果
22.本发明的有益效果在于：本发明电磁机械式制动器相较于现有摩擦方式制动原理做出了改变，采用两齿轮副接触产生制动，通过电机零位控制及配合有弹簧压力的锥齿轮且自对准啮合的特点，完成两齿轮副的接触，从而改变摩擦系数对制动扭矩的限制。
23.本发明设计了特有的限位槽型结构，首先通过桃心轨迹限位槽限制了销5的运动轨迹，然后在轨迹限位槽内设置了四个限位点，其中位于凹角处的第一限位作为制动器断开限位点，位于尖角处的第三限位时制动器工作限位点，其余两个凸起处的限位点作为弹簧柱塞接触防水触碰开关的极限位置，作为两种状态切换过程的过度点。通过该轨迹限位槽实现了内锥齿轮2轴向位置的控制，无需增加其他驱动部件，使得制动过程平稳且节能。
24.本发明制动器电磁铁工作功率15w，触发工作时间5s，如此计算电磁铁吸合与释放
所需能量为4*10-5
kwh，而且在齿轮副制动阶段和分离阶段耗能为零，能耗优化效果突出。
25.本发明制动器结构紧凑，相较现阶段市场所见电磁摩擦制动器尺寸参数：直径80mm，制动扭矩5nm；该制动器直径小于50mm，制动扭矩可达20nm，最大变形0.14mm，最大应力1.536*108pa小于材料极限屈服应力3.1*108pa，从而实现在大于4000m深度水下防水驱动电机充油环境下稳定制动。
26.该制动器结构简单，零件装配、更换容易，成本低。
附图说明
27.图1为本发明的一种电磁机械制动器的实施例结构爆炸示意图；
28.图2为本发明的一种电磁机械制动器的实施例中主视图；
29.图3为本发明的一种电磁机械制动器的实施例中b向剖视图；
30.图4为本发明的一种电磁机械制动器的实施例中侧板沟槽及销运动位示意图；
31.图5为本发明的一种电磁机械制动器的工作扭矩分析结果示意图一；
32.图6为本发明的一种电磁机械制动器的工作扭矩分析结果示意图二；
33.图7为本发明的一种电磁机械制动器的工作扭矩分析结果示意图三；
34.附图标记说明：1-外锥齿轮；2-内锥齿轮；3-摆臂；4-螺纹销；5-销；6-弹簧柱塞；7-压缩弹簧；8-导杆；9-防水触碰开关；10-上侧板；11、12-螺钉、垫片；13、14、15-螺钉、平垫片、弹簧垫片；16-沉头螺钉；17-电磁铁；18-底板；19-下侧板；20-沉头螺钉；21-衔铁；22、23、24-螺钉、平垫片、弹簧垫片。
具体实施方式
35.下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
36.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
37.参照图1所示，本发明一种电磁机械制动器，包括锥齿轮副、电磁铁组件和轨迹限位组件，通过电磁铁组件控制齿轮副的啮合与断开，并由轨迹限位组件锁定制动器状态；
38.所述锥齿轮副包括外锥齿轮1和内锥齿轮2，外锥齿轮1通过平键同轴固定于传动轴上；内锥齿轮2为盘式结构，其一端是与外锥齿轮1啮合的内锥齿结构，其外周面上设置有多个轴向导向孔；
39.所述电磁铁组件包括弹簧柱塞6、压缩弹簧7、导杆8、防水触碰开关9、电磁铁17、底板18和衔铁21，衔铁21通过沉头螺钉20固定于内锥齿轮2的另一端面；底板18为开有中心孔的平板结构，电磁铁17通过沿周向设置的四组螺钉13、平垫片14、弹簧垫片15和沉头螺钉16固定于底板18上、并与衔铁21相对设置；多个导杆8的一端沿周向固定于底板18的内端面上，另一端分别同轴插装于内锥齿轮2的各导向孔内与螺钉组件连接，使得内锥齿轮2能够沿导杆8做直线运动；通过螺钉组件限制内锥齿轮2的轴向位移，防止滑脱；多个压缩弹簧7
一一对应的套装于多个导杆8上；弹簧柱塞6的底部安装于内锥齿轮2的另一端面，防水触碰开关9安装于底板18的内端面、与弹簧柱塞6相对设置；
40.所述轨迹限位组件包括摆臂3、螺纹销4、销5、上侧板10和下侧板19；两个摆臂3对称设置，其一端均通过螺纹销4与内锥齿轮2的外周面转动连接，另一端通孔内均安装有销5；上侧板10和下侧板19为结构相同的平板结构，通过两组螺钉11、弹簧垫片12对称安装于底板18的相对两侧壁面上，其内侧板面上均开有轨迹限位槽，作为摆臂3上的销5的滑动轨道；所述轨迹限位槽内设置有限位点，通过限制销5的滑动，进而限定制动器断开和制动器工作时内锥齿轮2的轴向位置。
41.优选的，所述上侧板10和下侧板19的轨迹限位槽为近桃心结构，桃心的上部接近底板18一侧，下部尖角接近内锥齿轮2一侧；设定上部凹角处为第一限位，上部两个凸起分别为第二限位和第四限位，下部尖角处为第三限位；销5位于第一限位时制动器为断开状态，销5位于第三限位时制动器为工作状态。
42.实施例：
43.参照图1-1，此图为本发明的一种电磁机械制动器的实施例整机结构示意图；在本实施例中，该电磁机械制动器主要包括外锥齿轮1、内锥齿轮2、摆臂3、螺纹销4、销5、弹簧柱塞6、压缩弹簧7、导杆8、防水触碰开关9、上侧板10、螺钉11、弹簧垫片12、螺钉13、平垫片14、弹簧垫片15、沉头螺钉16、电磁铁17、底板18、下侧板19、沉头螺钉20、衔铁21、螺钉22、平垫片23、弹簧垫片24。外锥齿轮1与所需制动主轴通过平键连接，内锥齿轮2对称两侧通过螺纹销4固定摆臂3，摆臂3实现绕螺纹销4轴线自由转动，在内锥齿轮2另外一侧固定有弹簧柱塞6，通过弹簧柱塞6检测电磁铁17吸合时极限位置，并通过程序控制断电，在内锥齿轮2背面固定有衔铁21，衔铁21配合电磁铁17增强吸合力，底板18背面固定有电磁铁17，底板18两对称侧面分别固定有上侧板10、下侧板19，上侧板10、下侧板19表面有对称特殊沟槽，底板18另外侧面固定有防水触碰开关9，防水触碰开关9固定位置与弹簧柱塞6对应，当内锥齿轮2运动到极限位置时，弹簧柱塞6接触防水触碰开关9，从而触发控制信号，底板18正面固定有4个导杆8，每个导杆8上配有一个压缩弹簧7，将内锥齿轮2的对应孔装配到4个导杆8上，并通过4个螺钉对内锥齿轮2进行限位，保证内锥齿轮2上的孔与导杆8间隙配合，并在保证运行顺畅的同时配合间隙小于0.01mm。
44.参照图1-2、1-3，为本发明剖切视图，进一步展示各零件间装配位置关系。
45.参照图1-4，为本发明下侧板19示意图，通过此图展示本发明间歇运动的详细沟槽及运动流程，图示位置1为初始位置即制动器断开，当收到制动信号时，电磁铁17开始工作，对内锥齿轮2进行吸合，当内锥齿轮2带动有销5的摆臂3按照沟槽的限制运行到图示位置2时，弹簧柱塞6接触防水触碰开关9，从而触发断电控制信号，此时内锥齿轮2受到压缩弹簧7推动，而带有销5的摆臂3沿着沟槽图示位置2运动到图示位置3，实现内锥齿轮2与内锥齿轮2啮合，制动器工作，由于电机的定位精度2.5
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，所以齿轮副可以顺利啮合，当收到断开制动器信号时，电磁铁17上电，并吸合内锥齿轮2，带有销5的摆臂3沿着沟槽图示位置3运动到图示位置4，此时弹簧柱塞6接触防水触碰开关9，从而触发断电控制信号电磁铁17断电，此时内锥齿轮2收到压缩弹簧7推动，而带有销5的摆臂3沿着沟槽图示位置4运动回图示位置1，从而实现制动器开合保持，此流程为制动器完整工作循环，如此往复。
46.参照图1-5、1-6、1-7，为本发明工作扭矩分析结果示意图，边界条件为底板18固
定，内锥齿轮2受外锥齿轮1扭矩20nm情况下，制动器综合变形量为0.14mm，最大应力1.536*108pa小于材料极限屈服应力3.1*108pa，从而本发明实现在大于4000m深度水下防水驱动电机充油环境下稳定制动。
47.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。