用于多圈连续旋转的凸轮限位结构及其车辆控制模拟器的制作方法

本实用新型涉及的是一种机械传动领域的技术，具体是一种用于多圈连续旋转的凸轮限位结构，适用于驾驶模拟、自动化机械、机器人等领域，需要机械限位的多圈连续旋转控制场景中。

背景技术：

目前在驾驶模拟、自动化机械、机器人等领域，需要机械限位的多圈连续旋转控制场景中，对于极限位置的限位，常用的有传感器限位和机械限位两种方式。机械限位通常采用齿轮齿条方式，通过旋转轴上的齿轮转换成齿条的直线运动，当齿条前后端面撞击到侧壁时，即实现了机械限位，齿轮齿条限位方式的优点在于结构简单，但是该方式的限位力都由齿轮齿条的齿传递，故对齿强度有要求，而且齿条是平移是滑动摩擦，存在润滑、卡顿、磨损等情况，同时齿条的左右移动需要大量占用横向布置的空间，不适用于结构紧凑的场合。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术存在的上述不足，提出一种用于多圈连续旋转的凸轮限位结构及其车辆控制模拟器，通过转动过程中机械限位的方式实现，摩擦系数小、零件结构规则对称、无需润滑维护，限位时的限位力由凸轮块较大的接触面承受，不会对主转轴有转矩上的扰动，特别适用于大扭矩操纵转动的场合。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

本实用新型包括：转动设置的主动限位凸轮以及相对于其设置的被动限位凸轮，其中：主动限位凸轮的一侧设有主动齿轮，被动限位凸轮的同侧设有与主动齿轮相啮合的被动齿轮。

所述的主动限位凸轮上设有两个定位面，被动限位凸轮上设有对应形状匹配的限位面，定位-限位结构使得主动限位凸轮在限位位置时与被动限位凸轮实现紧密贴合的面接触，此时主动限位凸轮所在转轴的转速为零。

所述的主动限位凸轮和被动限位凸轮，到达限位位置后，完全依靠主动限位凸轮的第一定位面或第二定位面和被动限位凸轮的第一限位面或第二限位面接触受力，主动限位凸轮的第一定位面或第二限位面压住了被动限位凸轮的第一限位面或第二限位面，使得主动限位凸轮无法继续旋转，导致主动轴停止旋转，而不是因为主动限位凸轮定位面轮廓形状卡住了被动限位凸轮定位面轮廓形状，也就是说此时即使没有主动齿轮和被动齿轮，机构也能可靠限位。

所述的定位面为两个独立的凸台结构，所述的限位面为两个独立的凸台结构。

所述的主动齿轮和被动齿轮齿数不同，使得主动限位凸轮与被动限位凸轮在非限位位置角度范围下互不干涉，仅当在限位位置时主动限位凸轮的任一定位面与被动限位凸轮的任一限位面实现面接触的限位且转轴的转速为零。

所述的主动限位凸轮和主动齿轮通过平键固定设置于主动轴上，主动限位凸轮和主动齿轮之间固定连接；所述的被动限位凸轮和被动齿轮通过平键固定设置于被动轴上，被动限位凸轮和被动齿轮之间固定连接。

当两个凸台较接近时，采用圆弧结构的轮廓将两个凸台过渡连接成一个凸台，所述的轮廓设置为在旋转中与被动限位凸轮互不干涉。当两个凸台结构的位置重叠时，也可以合并设置为一个共用的限位凸台轮廓。当主动轴限位角度接近180°的倍数时，主动限位凸轮的两个定位面连接在一起。

本实用新型进一步涉及一种车辆控制模拟器，包括：依次相连的方向盘、动力机构、上述凸轮限位机构，其中：凸轮限位机构设置于方向盘转轴的末端。

技术效果

与现有技术相比，本实用新型通过转动工作，通过极小的摩擦系数只增加轻微的转动惯量，基本不会对主转轴有转矩上的扰动，同时该结构属于机械限位，限位时的限位力由凸轮块较大的接触面承受，特别适用于大扭矩操纵转动的场合，也降低了对齿轮受力的要求，另外结构紧凑，安装方便，基本无需润滑维护。

附图说明

图1为本实用新型的立体示意图；

图2为本实用新型的剖面示意图；

图3a～i为本实用新型的限位原理示意图；

图4a～c为主动限位凸轮的结构示意图；

图5a～b为被动限位凸轮的结构示意图；

图6为实施例2驾驶模拟方向盘限位布置图；

图7为实施例2主动轴旋转900°限位示意图；

图8为实施例2限位位置受力方向示意图；

图中：主动轴1、被动轴2、主动限位凸轮3、主动齿轮4、被动限位凸轮5、被动齿轮 6、轴承7、8、定位环11～14、平键15、16、基圆31、第一过渡轮廓32、第一定位面33、第一圆弧轮廓34、第二定位面35、第二过渡轮廓36、定位轮廓37、第三过渡轮廓38、第四过渡轮廓39、基圆51、第三过渡轮廓52、第一限位面53、第二圆弧轮廓54、第二限位面55、第五过渡轮廓56、限位轮廓57、第六过渡轮廓58、第七过渡轮廓59、方向盘201、动力机构202、限位机构203、主动轴204、从动轴205、基圆主动凸轮206。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，为本实施例涉及的一种用于多圈连续旋转的凸轮限位结构，其中包含：用来控制转动的主动轴1和与之平行的辅助限位的被动轴2，其中：主动轴1为本装置角度限位的对象，可以根据需要布局在转动系统的任意位置，方便转动系统一端连接电机一端为操纵端的应用的设计，被动轴2只在限位时受力。

如图2所示，所述的主动轴1上设有主动限位凸轮3和主动齿轮4，其中：主动限位凸轮3和主动齿轮4通过平键15固定设置于主动轴1上，主动限位凸轮3和主动齿轮4之间固定连接。

所述的主动限位凸轮3和主动齿轮4的两侧依次设有定位环11、12和轴承7、8。

所述的被动轴2上对应设有被动限位凸轮5和被动齿轮6，其中：被动限位凸轮5和被动齿轮6通过平键16固定设置于被动轴2上，被动限位凸轮5和被动齿轮6之间固定连接。

所述的被动限位凸轮5和被动齿轮6的两侧依次设有定位环13、14和轴承9、10。

如图4和图5所示，所述的主动限位凸轮3上设有第一定位面33和第二定位面35，被动限位凸轮5上设有对应形状匹配的第一限位面53和第二限位面55，定位-限位结构使得主动限位凸轮在限位位置时与被动限位凸轮实现紧密贴合的面接触，此时主动限位凸轮所在转轴的转速为零。

如图4b，所述的第一定位面33和第二定位面35可为两个独立的凸台结构，当两个凸台较接近时，优选进一步采用圆弧结构的轮廓34将两个凸台过渡连接成一个凸台，如图4c所示，所述的轮廓34设置为在旋转中与被动限位凸轮互不干涉。

当主动轴限位角度接近180°的倍数时，主动限位凸轮的两个定位面会自然连接在一起，形状如图4a所示。

如图5a所示，所述的第一限位面53和第二限位面55可为两个独立的凸台结构，当两个凸台较接近时，优选进一步采用圆弧结构的轮廓54将两个凸台过渡连接成一个凸台，如图 5b所示。

当两个凸台结构的位置重叠时，也可以合并设置为一个共用的限位凸台轮廓。

如图3a～i所示，为一个主动轴转动行程限位角度为1440°的应用场景，所述的主动齿轮4和被动齿轮6齿数不同，互相啮合传动，传动比按照实际需要限位的角度范围设计计算得到，通过两根轴不同的转速，使得主动限位凸轮3的定位轮廓37和被动限位凸轮5的限位轮廓57在非限位位置角度范围下互不干涉，只在到达限位位置时，主动限位凸轮的定位面紧压被动限位凸轮的定位面进行限位。

如图3a和图3g所示，所述的主动限位凸轮3和被动限位凸轮5，到达限位位置后，完全依靠主动限位凸轮3的第一定位面33或第二定位面35和被动限位凸轮5的第一限位面53 或第二限位面55接触受力，主动限位凸轮3的第一定位面33或第二限位面35压住了被动限位凸轮5的第一限位面53或第二限位面55，使得主动限位凸轮3无法继续旋转，导致主动轴 1停止旋转，而不是因为主动限位凸轮定位面轮廓形状卡住了被动限位凸轮定位面轮廓形状，也就是说此时即使没有主动齿轮4和被动齿轮6，机构也能可靠限位。

实施例2

本实施例涉及一种基于上述结构的具体应用，具体为一种车辆控制模拟器，如图6所示，包括：依次相连的方向盘201、动力机构202和凸轮限位机构203，其中：凸轮限位机构203 设置于作为主动轴204的方向盘转轴的末端。

通常的模拟器的方向盘转角都为900°，最大的为1080°，限位方式都是齿轮齿条的限位方式。

如图7a～g所示，本实施例中的主动轴204的转角为900°，从动轴205的转角为小于 900°的整数圈，即720°，主动齿轮(图中未示出)与被动齿轮(图中未示出)的齿数比5:4，选用模数0.5，齿数为60和75的2个齿轮，轴心距为33.75mm，由于齿轮不需要承受扭矩，所以选择小模数的齿轮可以有效降低齿隙。

如图8所示，本实施例中，根据轴心距，两个凸轮的基圆主动凸轮206宽2cm，接触面高度差0.225cm，接触面垂直受力方向的面积为0.45cm²，当方向盘允许扭矩设置为10Nm，接触面平均受力半径为0.016875m，则接触面受力为592.6N，接触面受到的压强为13.17MPa。

根据计算结果，限位凸轮即使使用常规工程塑料POM，强度值如下：拉伸强度70MPa、弯曲强度90MPa、剪切强度67MPa，也有足够的安全系数。同时该方案需要占用约40mm×70mm 的空间。

对比使用齿轮齿条限位方式，当方向盘允许扭矩设置为10Nm，参考标准件手册参数，至少需要使用模数2，齿宽2cm，齿数35的POM齿轮。仅齿轮就需要占用70mm×70mm的空间，另外齿条左右移动还需要额外的布置空间。

综上所述，本结构在受力强度及空间布置方面有显著优势。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本实用新型原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本实用新型的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本实用新型之约束。