一種扭矩限制器的設計方案

周桂洪

摘? 要：為了解決恒定閾值的傳統扭矩限制器對不同重量的開合模塊適應性差的弊端，提出了一種通過調節相對轉動摩擦力的大小，從而實現扭力轉矩可調節的新型扭矩限制器設計方案。該方案不僅能有效地克服傳統扭矩限制器的上述弊端，拓展扭矩限制器在OA產品的應用，縮短了研發設計人員對扭矩限制器進行選型測試時消耗的時間、提高產品中開合功能模塊的開發效率，而且因其結構簡單、組裝便利、性能可靠，也能有效地實現扭矩限制器的低成本化應用。

關鍵詞：限制器;轉矩限制器;扭矩限制器;轉軸限制器;摩擦力矩限制器

中圖分類號：TH122? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：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

扭矩限制器即轉矩限制器，屬于一種機械過載保護裝置[1]。扭矩限制器的過載保護原理在于當其所承受的負載低于其預設定的閾值，負載能被有效地支撐，而當其所承受的負載大于其預設定的閾值，能以打滑形式限制傳動系統所傳動的扭力，進行負載保護[2]。

當前具備開合功能模塊的OA（辦公自動化）產品，廣泛地應用了扭矩限制器，利用扭矩限制器所承受的負載低于其預設定的閾值時，能有效地支撐負載的特性，提升產品開合模塊的開合安全性及用戶體驗效果。即開合模塊在扭矩限制器作用下，能被輕便打開及關閉，且在整個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定閾值均為恒定，對不同重量的開合模塊的適應性差，導致研發設計人員在產品開發前期需重復耗費大量的時間，為不同重量的開合模塊進行扭矩限制器的匹配計算、選型及測試，結果使得研發成本增加及研發周期延長。

為了解決上述問題及避免研發時間、成本的增加，本文提出了一種可變轉矩的扭矩限制器設計方案，并詳述了其具體的工作原理及技術效果。

1? 傳統扭矩限制器在OA產品中應用簡介及其弊端分析

1.1? 傳統扭矩限制器應用實例簡介

如圖1所示，該產品為一款在OA產品開合模塊常使用的傳統扭矩限制器，其設定閾值為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，其具體應用實例如下。

（1）如圖2所示，傳統扭矩限制器的應用模型。

轉軸的一端與OA產品的開合模塊（即負載）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架上（即靜止參照物）;OA產品的開合模塊通過轉軸在扭矩限制器的轉動，實現開合模塊繞機架的相對旋轉運動。

（2）如圖3所示，OA產品利用了扭矩限制器在外加負載（即Mg，為開合模塊的重力矩）少于其設定的閾值時（即Mg<1.0 N），負載能被扭矩限制器有效支撐的特性，實現負載在開合過程中的任意角度均能與機架保持相對靜止狀態，即實現開合模塊在打開過程中的任意角度位置能停住，不會出現模塊自動關閉跌落傷人的現象。

（3）如圖4所示，OA產品利用了扭矩限制器在外加負載大于其設定的閾值時（即Mf+Mg>1.0 N），負載與扭矩限制器就會以打滑形式相對摩擦旋轉的特性，實現開合模塊的安全閉合動作。

1.2? 傳統扭矩限制器弊端分析

從上述傳統扭矩限制器在OA產品中的應用簡述中可見，雖然傳統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，提升了用戶體驗效果，但由于其設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，其外形尺寸也會相應地變大或縮小，從而導致傳統扭矩限制器存在對不同重量的開合模塊通用性差、空間結構兼容性差的弊端。這些弊端也會導致OA產品在開發過程中需耗費人力物力對其進行選型及測試，極大地提高了研發成本。

2? 可變轉矩扭矩限制器的設計方案及其技術原理

2.1? 可變轉矩扭矩限制器的設計方案概述

基于上述傳統扭矩限制器的應用原理及缺陷分析，本文提出了一種轉矩可調節的扭矩限制器設計方案。該新型扭矩限制器設計方案能實現在同一外型規格情況下，設定的閾值在一定范圍內可調節，從而能有效地擴大其對不同重量開合模塊的適應性及空間應用的結構兼容性，大大地減少產品研發選型及前期測試驗證的工作量，實現人力研發成本的節省。

可變轉矩扭矩限制器設計方案產品圖如圖5所示。

可變轉矩扭矩限制器的技術方案結構爆炸圖如圖6所示。

爆炸圖中構成元件及其功能描述如下：

元件1：內六角螺釘，用于調整扭矩限制器的彈片與內圈之間的抱緊程度，達到調整兩者之間的摩擦力矩，從而實現閾值設定值的調節，使其能適應不同外力負載場合的應用;

元件2：扭矩限制器外圈，用于連接開合模塊，相對于機架而言，為轉動元件;

元件3：彈片，與元件2保持一致的運動屬性（即元件3為轉動元件），可通過元件1調整與元件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，用于聯接固定軸（于機架而言相對靜止，即靜止元件），設定開啟方向，實現打開省力，提升用戶體驗感;

元件5：扭矩限制器內圈，與單向軸承剛性連接，保持一致的運動屬性（即于機架而言相對靜止），并與彈片摩擦接觸，提供工作扭力。

2.2? 可變轉矩扭矩限制器的技術原理

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

（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，構成“剛體2”，保持一致的運動特性（即，扭矩限制器外圈轉動的時候，彈片跟著扭矩限制器外圈一起轉動，扭矩限制器外圈靜止的時候，彈片與其一起保持靜止狀態）。

（3）如圖9所示，“剛體2”與“剛體1”通過彈片與扭矩限制器內圈之間的摩擦產生相對的旋轉運動關聯，并可通過內六角螺釘調節彈片與扭矩限制器內圈之間的松緊程度來改變兩者之間的摩擦力大小，實現相應摩擦力矩的閾值設定調整，從而適應對不同重量負載的有效支撐。

2.3? 可變轉矩扭矩限制器的應用模型及實例

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

（2）如圖11（a），負載沿單向軸承設定的方向打開，只要調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大于負載力矩Mg，則負載并能在打開過程中的任意角度實現自由停止。

（a）打開過程

（b）閉合過程

（3）如圖11（b），負載在外力F作用下，會產生力矩Mf，當（Mf+Mg）>M1-2，則“剛體2”與“剛體1”之間就會產生相關的摩擦旋轉，使負載關閉。在此關閉過程中的任意角度，外力F一旦失效，由于Mg

3? 可變轉矩扭矩限制器的技術效果

可變轉矩扭矩限制器相比傳統扭矩限制器技術效果明顯，主要體現于以下三點：

（1）結構設計方案簡單，成本低。

（2）同一尺寸規格的扭矩限制器，能實現扭矩閾值的動態調節，擴大適應范圍。

（3）一定程度上解決了產品研發過程中，對不同負載模塊需重復選型及測試驗證的問題，有利于節省相應的產品研發成本，縮短開發周期。

4? 結? 論

本文主要對傳統扭矩限制器在OA產品中的應用進行了介紹及缺陷分析，并以解決該缺陷為出發點，提出了一種可變轉矩扭矩限制器的技術方案及其應用案例。應用該技術方案的新型扭矩限制器不僅能簡單有效地解決傳統扭矩限制器對不同負載適應性差的缺點，而且具備結構簡單、成本低廉等技術效益，將在OA等辦公產品的開合模塊設計中具有廣泛的市場前景。

參考文獻：

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

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