弹簧凸轮扭杆式恒力机构技术领域
本发明涉及一种恒力加载机构，具体涉及一种被动适应性恒力加载机构。
背景技术
恒力加载机构在卷纸、热力发电、材料试验、航天设备等领域中应用广泛，其能直接
影响到设备的安全性、可靠性。尤其实在航天领域，通过恒力机构提供微低重力补偿来验
证航天器性能，是经常采用的地面验证方式。传统的重力补偿提供方式有配种平衡、气浮、
水浮、悬吊法等，其中悬吊法重力模拟有主动补偿与被动补偿两种方式。本发明创造设计
出一种用于被动式恒力机构，为高频变化的负载提供恒力输出。
经过对现有技术的文献的检索发现，目前使用的被动式恒力输出装置多采用涡卷弹簧
或扭簧，此类恒力装置的局限性体现在以下两个方面：一是输出的力矩为渐变力矩，力矩
值随着转动角度的变化线性变化，为保证力矩输出末端的力矩裕度，使最终输出总能量远
大于要求，产生额外冲击；二是力矩值偏低，无法实现大力矩的输出，难以适应多种任务
的需求。为此，提出能实现精确的恒力输出的恒力机构势在必行。
发明内容
本发明为解决现有被动式恒力输出装置存在输出的力矩为渐变力矩，力矩值随着转动
角度的变化线性变化，以及力矩值偏低，无法实现大力矩的输出，难以适应多种任务的需
求的问题，进而提供一种弹簧凸轮扭杆式恒力机构。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明的弹簧凸轮扭杆式恒力机构包括输
出卷筒、输入轴、扭杆和若干组弹簧凸轮机构，每组弹簧凸轮机构包括N个套筒、N个弹簧
和N个滚轮，其中N为正整数；
若干组弹簧凸轮机构沿输出卷筒的轴向并排设置在输出卷筒内，输入轴的中空腔内布
置有扭杆，扭杆的两端分别与输入轴和输出卷筒固接，套筒为带有凹槽的套筒，输入轴的
外侧壁上沿输入轴的周向均布安装有多个套筒，套筒内布置有弹簧，弹簧的两端分别与套
筒和滚轮连接，滚轮对应顶靠在输出卷筒内侧面上的凸轮导槽面上。
本发明的有益效果是：本发明的平面高精度弹簧凸轮扭杆式的恒力机构，由于扭杆的
存在，可以承受很大的扭矩，因此，恒扭矩的范围也很大，而且，结合弹簧凸轮的扭矩的
精确补充，最终整个机构的输出扭矩可以实现高的精度，而且整个机构的质量主要集中在
扭杆上，因此惯性小，易于用电机进行精确的恒力反馈闭环控制。本发明采用扭杆的高刚
度和弹簧可变力臂实现恒力矩输出的设计理念设计而成，能够实现整个传动过程中持续输
出恒定力矩。该驱动装置能提供的力矩具有恒力稳定性高、受冲击干扰小、反映灵敏、输
出范围宽、扭矩可调和可以自回复的特点，同时具有结构简单，通用性强的特点。
附图说明
图1为本发明弹簧凸轮扭杆式恒力装置的结构示意图，图2为图1的B-B剖面图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1-图2说明，本实施方式的弹簧凸轮扭杆式恒力机构，它包
括输出卷筒1、输入轴2、扭杆3和若干组弹簧凸轮机构4，每组弹簧凸轮机构4包括N个
套筒4-1、N个弹簧4-2和N个滚轮4-3，其中N为正整数；
若干组弹簧凸轮机构4沿输出卷筒的轴向并排设置在输出卷筒1内，输入轴2的中空
腔内布置有扭杆3，扭杆3的两端分别与输入轴2和输出卷筒1固接，套筒4-1为带有凹槽
的套筒，输入轴2的外侧壁上沿输入轴2的周向均布安装有多个套筒4-1，套筒4-1内布置
有弹簧4-2，弹簧4-2的两端分别与套筒4-1和滚轮4-3连接，滚轮4-3对应顶靠在输出卷
筒1内侧面上的凸轮导槽面1-1上。凸轮导槽面与滚轮相适应设置。
当输出卷筒相对输入轴发生转动的时候，扭杆的扭矩值发生变化，同时弹簧凸轮机构的
扭矩值也发生变化，这两个的值的和是一定的，保证恒力矩精确输出。输出卷筒和输入轴
同轴设置。
输入轴作为整个机构的扭矩输入端，其外端与电机轴或减速器轴相连。凸轮导槽面作
为恒扭矩的输出端，可与滚轮和输入卷筒相连接，输出恒力。
平面凸轮固连在圆柱卷筒上，将恒力矩传递给卷筒，通过卷筒收放吊索，实现吊索上
的恒拉力。
恒定扭矩的值是可以改变的，改变的方式是改变安装在卷筒内表面的凸轮轮廓在扭杆
处于初始位置时的相对角度。
恒定的扭矩带来机构的不能自回复特性，本发明可以通过适当改变套筒内支持弹簧部
分的长度，即相当于认为的在其他参数不变的额情况下延长一点儿弹簧的长度，这样可以
使得扭矩的输出不是恒定的，而是有少量的波动，并且拥有了自回复的功能，当外界干扰
稳定后可以自动回复到最始位置。
输出卷筒与输入轴之间相对速度存在有两种情况：传动稳定时，输出卷筒相对于输入
轴无转动，弹簧所提供的弹力和扭杆输出的扭矩保持恒定，同时弹力的作用力臂保持不变，
弹簧凸轮机构和扭杆的扭矩和是稳定的恒力矩；当输出卷筒受负载的突然位移引起转角变
化时，弹簧凸轮机构相对于输入轴发生转动，弹簧自适应到平衡位置，此时弹簧的弹力发
生变化，同时弹力作用力臂也发生变化，扭杆的扭角也发生变化，扭矩也跟着变化，但是
可保持所输出的力矩保持为既定的恒值。
具体实施方式二：结合图1和图2说明，本实施方式的弹簧4-2为圆柱螺旋压缩弹簧。
结构简单，便于使用。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图2说明，本实施方式的输入轴2和扭杆3均为圆柱形结构。
其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图2说明，本实施方式的每个弹簧凸轮机构4的套筒4-1、弹簧
4-2和滚轮4-3的数量均为4个。如此设置，分布均衡，恒力扭矩输出稳定。其它具体实施
方式一或二相同。
具体实施方式五：结合图2说明，本实施方式的弹簧凸轮机构4的数量2组。如此设
置，弹簧凸轮机构布置的尺寸和个数是根据具体的载荷来变化的，可以进行调整，优化使
用性能。其它与具体实施方式四相同。