专利名称：重力与弹力随遇平衡机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及物体的重力由弹簧的弹性力与之平衡的机构，特别是一种重力矩与弹性力矩实现精确平衡、可周转的重力与弹力随遇平衡机构，属机械原理、机构学技术领域。
本发明可表述为一可作周转的摆锤，其重力矩由弹簧的弹性力矩与之平衡，使摆锤无论摆动至任何位置，均可静止不动，取得精确的静力平衡。
在机械结构中，作上下摆动或周转的杆件，若其一边的重量需要由另一边设置的重块给予静力平衡，那么依据本发明，可用伸缩的弹簧取代此重块的作用，从而减少重量及占用空间。这仅是本发明基本的应用，此外作为机构元件，还有其他多方面的用途。
现有技术中，有一种带有弹簧的二支组活动支架结构，在支架活动有限角度范围内，其弹簧与所支承物的作用力只是部分或近似的平衡，还需由旋扭压紧产生的摩擦力参与，因而性能欠佳，支承重量受限制，一般多用于支承如台灯、医疗器具等轻巧物件。
本发明的目的，是要提出一种经论证，为精确的、可以周转的用弹簧平衡重物的机构。即重力与弹力随遇平衡机构。由于是精确平衡，并且活动角度范围大，因而可平衡的重量大，适用范围广，可有多方面用途，在工程实施中简单易行。
本发明的目的可通过对弹簧作用力的特定位置和方向的设计，以及各参数关系的确定来达到。在直角坐标上，设一杆件与坐标原点O连接，并可绕O点转动，一重物固定于此杆件上，其总重心位于杆件Q点，重量为p；在O点与Q点之间取适当的一点D，另在Y轴正方向上取一固定点G，并令OG=OD；符合条件的压缩弹簧或拉伸弹簧的设置，须令弹簧的弹性力作用于D点，而方向总指向G点；弹簧允许范围的伸缩量，在杆件转动时，总与随之变化的GD长度相等；设弹簧的刚性系数为b，设计时令b·OD2=p·OQ，这样，无论杆件绕O点转动至任何位置，弹簧的弹性力对O点之矩总与重力p对O点之矩大小相等方向相反，即重力矩与弹性力矩取得随遇平衡。这种平衡的求解是精确解，而且杆件可作360°的周转。
图1为本发明第一种类型的机构运动简图。此结构由杆件1、重物2、压缩弹簧3、滑块4和导杆5组成。
由图1可知，杆件1可绕O点摆动，重物2的重心位于杆件1上Q点，滑块4可以Y轴上G点为中心摆动，导杆5与滑块4配合，并且一头与杆件1上D点铰接，另一头压紧压缩弹簧3。
图中设杆件1所处任意位置与Y轴的夹角为φ；重物2的重量为p；弹簧3的刚性系数为b。
现可证明，在图1基础上再满足以下条件1、OG=OD2、弹簧3受静力作用的长度变化量等于变量GD。
3、b·OD2=P·OQ则其重力矩与弹性力矩即可取得平衡。证明如下以杆件1为研究对象，取重力F1及弹性力F2对O点之矩mo(F1)=-p·OQSinφ 即有mo(F1)+mo(F2)=-p·OQSinφ+p·OQSinφ=0所以重力矩与弹性力矩取得平衡。因杆件1处任意位置，所以为随遇平衡。
由图1可知，在这种类型中，杆件1不能越过G点，角φ范围是0°＜φ＜360°图2为本发明第二种类型的机构运动简图。其特定的技术特征与第一种类型相同，而结构较为复杂，，但其杆件1可越过G点作360°周转。
由图2可知，此结构包括，可绕O点转动的杆件1、重心Q处于杆件1上的重物2、两条轮番作用的压缩弹簧3、可以杆件1上D点为中心转动的滑块4、与滑块4配合而可以G点为中心转动的导杆5、中心位于O点而与杆件1固定连接的小齿轮6、中间齿轮7、及中心位于G点而与导杆5固定连接的大齿轮8。
图2中，杆件1和导杆5可同向转动，其恒定传动比为2。齿轮是作为虚约束设置的，以使当D点与G点重合时，导杆5不至于失去约束而发生不确定的转动。
图3和图4同属本发明第三种类型的机构运动简图。其特定的技术特征与第一及第二种类型相同，而主要不同的是结构采用挠性件作连接件。
图3和图4只是弹簧固定位置及挠性件缠绕方式不一样，结构均包括，可绕O点摆动的杆件1、重心Q处于杆件1上的重物2、拉伸弹簧3、中心位于O点的滑轮9、中心位于G点的滑轮10、中心位于杆件1上D点的滑轮11、及经过各滑轮而连接杆1和拉伸弹簧3的挠性件12。
图3和图4中，各滑轮半径相等，挠性件与滑轮相接触部分的总长度是一个不变的定值，并且因滑轮半径这一因素而对杆件1产生的附加力矩刚可正负抵消。其角φ的范围是0°＜φ＜180°。
图3中，拉伸弹簧3的位置可有选择；滑轮9可固定不转。
图4中，拉伸弹簧3沿杆件1平行设置，结构较紧凑；滑轮11实际上只需取部分园弧轮廓，并固定不动。
重力与弹力随遇平衡机构作为元件运用，将以不同的形式，作不同的用途出现。例如由两个该机构串接成二支组结构，可有多种用途。
图5是以图4结构为基础设计的二支组结构，加上旋转立柱，则其支承的重物可在一定空间范围内，任何位置上平衡。设计最大支承重量可超过1千公斤。
图6是以图1结构为基础设计的二支组结构，但不负重物，而用一沿直线导轨的力p1取代之。图6中只要A点是沿直线移动的，则移动过程中力p1大小恒定不变。即此二支组结构可作恒力弹簧使用，其安置方向无限制。图6中杆件OG与导轨处于相对平行，则该恒力p1为最大值，大小即相当于所取代之重力。杆件OG可逆时针绕O点摆一个角度，令G点在弧形槽上的另一位置固定，则该恒力将变小。如设OG摆角为α(0°≤α≤90°)，其相应的恒力为p2，则p2=p1COSα角α取值由0°至90°时，其恒力由最大值变至为0，即该恒力弹簧的恒力大小可以调控。
权利要求
1.重力与弹力随遇平衡机构，可包括三种类型。第一种类型，包括可绕固定点O摆动的杆件(1)、重量为p而重心Q处于杆件(1)上的重物(2)、刚性系数为b的弹簧(3)，其特征是还包括可以固定点G为中心摆动的滑块(4)、与滑块(4)配合而与杆件(1)上D点铰接的导杆(5)。第二种类型，包括可绕固定点O转动的杆件(1)、重量为p而重心Q处于杆件(1)上的重物(2)、刚性系数为b的弹簧(3)，其特征是还包括可以杆件(1)上D点为中心转动的滑块(4)、与滑块(4)配合而可以固定点G为中心转动的导杆(5)、小齿轮(6)、中间齿轮(7)、大齿轮(8)。第三种类型，包括可绕固定点O摆动的杆件(1)、重量为p而重心Q处于杆件(1)上的重物(2)、刚性系数为b的弹簧(3)，其特征是还包括中心位于固定点O的滑轮(9)、中心位于固定点G的滑轮(10)、中心位于杆件(1)上D点的滑轮(11)、挠性件(12)。
2.根据权利要求1所述的重力与弹力随遇平衡机构，其特征是OG=OD
3.根据权利要求1所述的重力与弹力随遇平衡机构，其特征是若D点位于O点与Q点连线上，则G点应位于以O点为原点的Y轴正向上，以此为基准，G点和D点可同步绕O点转至另一位置。
4.根据权利要求1所述的重力与弹力随遇平衡机构，其特征是弹簧(3)受静力作用的长度变化量等于变量GD。
5.根据权利要求1所述的重力与弹力随遇平衡机构，其特征是机构参数满足下式b·OD2=p·OQ
6.根据权利要求1所述的重力与弹力随遇平衡机构，其特征是可由两个或多个该机构串接成二支组或多支组结构。
7.根据权利要求1或6所述的重力与弹力随遇平衡机构，其特征是可以用一恒力取代重物(2)。
全文摘要
本发明“重力与弹力随遇平衡机构”,属机械原理、机构学技术领域,涉及可作周转的摆锤,其重力矩由弹簧的弹性力矩与之平衡的机构。由于弹簧的作用力位置和方向以及各参数关系的确定,使此摆锤无论摆动至任何位置,均可静止不动,即其重力矩与弹簧的弹性力矩均可取得理论上精确的平衡。应用此机构,可用伸缩的弹簧取代作上下摆动或周转的平衡重块;作为机构元件还可在其它多方面,例如二支组活动支架、恒力弹簧等技术中得到应用。
文档编号F21V21/14GK1300914SQ0110749
公开日2001年6月27日 申请日期2001年1月22日 优先权日2001年1月22日
发明者彭颂凯 申请人:彭颂凯