一种具有两自由度的手柄减振手提钻的制作方法

1.本发明属于手提钻领域，具体涉及一种两自由度手柄减振手提钻。


背景技术：

2.目前，操纵重型手提钻或破路器的建筑工人在使用手提钻或破路器时，其手和手臂会受到过度振动，最终导致严重的振动相关综合症。这种振动最有害的振动是在4hz和50hz之间的频率范围内。而传统的弹簧或阻尼器无法解决该振动问题，因为工人需要向下压紧以紧紧握住机器以获得高拆除效率，以及传统弹簧或材料压缩后导致刚度急剧增加，从而严重降低隔振性能。因此，市场上出现了具有不同主动振动控制的产品，但制造和维护成本却极高，实际振动水平的降低仍然相当有限。


技术实现要素：

3.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种具有两自由度的手柄减振手提钻，该装置充分利用非线性特性，从而能够达到更好的被动振动控制性能。
4.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
5.第一方面，本发明的实施例提供了一种具有两自由度的手柄减振手提钻，包括相对于手提钻轴线对称设置的第一减振机构和第二减振机构；第一减振机构和第二减振机构结构相同，各自包括壳体，在壳体内安装x结构臂，x 结构臂包括两个l形长杆，两个第一连杆，两个交叉铰接的第二连杆，两个交叉铰接的第三连杆，第四连杆；两个l形长杆的一端铰接后与第一连接座或者第二连接座相连，且两个l形长杆上各铰接一个第一连杆，两个第一连杆位于两个l形长杆的不同侧，第一连杆的另一端铰接两个交叉铰接的第二连杆的一端，两个交叉铰接的第二连杆另一端铰接两个交叉铰接的第三连杆的一端，两个交叉设置的第三连杆的另一端各铰接一个第四连杆；两个第四连杆的另一端铰接；不同的两个减振机构中，位于同一侧的两个l形长杆通过手柄相连。
6.作为进一步的技术方案，还包括安装在手提钻上盖顶部的上安装座，以及固定在手提钻的下机盖上的第一下安装座和第二下安装座；上安装座与第一下安装座之间通过第一连接座相连，上安装座与第二下安装座之间固定第二连接座相连；在第一连接座和第一下安装座上安装第一减振机构，在第二连接座和第二下安装座上安装第二减振机构。
7.作为进一步的技术方案，第一减振机构、第二减振机构还包括各自包括一个内盖，所述的内盖固定在第一连接座和第一下安装座上，或第二连接座和第二下安装座上。
8.作为进一步的技术方案，还包括一个支撑杆安装座，所述的支撑杆安装座安装在第一连接座或者第二连接座上，与两个l形长杆的铰接点相连。
9.作为进一步的技术方案，还包括一个衬套，所述的衬套安装在第一连接座或者第二连接座上，与两个第四连杆的铰接端相连。
10.作为进一步的技术方案，还包括连杆导轨，连杆导轨可以限制x结构臂在垂直面方向上的横向运动，两个交叉铰接的第二连杆的铰接点与连杆导轨相连。
11.作为进一步的技术方案，还包括垂直可调刚度系统。
12.作为进一步的技术方案，所述的可调刚度系统包括竖直设置的螺栓，所述的螺栓穿过支撑杆安装座与连杆导轨的顶部相连，且在螺栓上螺纹连接一个螺母，在连杆导轨上安装一个下止动器，所述的下止动器通过两根并列设置的弹簧与所述的螺母相连。
13.作为进一步的技术方案，第二连杆与第三连杆的铰接点之间通过水平设置的第一弹簧相连；第三连杆与第四连杆的铰接点之间通过水平设置的第二弹簧相连；第四连杆与第五连杆的铰接点之间通过水平设置的第三弹簧相连。
14.作为进一步的技术方案，两个l形长杆的铰接点与第二连杆与第三连杆的铰接点之间通过倾斜设置的第四弹簧相连。
15.上述本发明的实施例的有益效果如下：
16.本发明提出的x形的第一减振机构和第二减振机构与手提钻很好地结合在一起，在结构紧凑的同时实现良好的隔振性能，x型的第一减振机构和第二减振机构参数灵活可调，拆装非常方便，在获得高效隔振效果的同时，也保证了结构稳定性，可以充分满足手提钻复杂、高强度的工作，由于x形的第一减振机构和第二减振机构的高静态和低动态刚度特性，当手柄被压下时，承载能力迅速增加，并很快达到工作准零刚度区域。增加的垂直可调刚度系统可以补偿系统在负刚度区域的刚度，也可以满足不同操作者的需要，同时扩展准零刚度区域。
17.本发明成功地解决了在建筑领域操作各种施工工具时的隔振问题。与目前市场上具有主动和被动减振功能的手提钻相比，配备x形的第一减振机构和第二减振机构手柄的手提钻可以大大提高减振性能，但成本仍然很低，可以广泛推向市场。更重要的是，结合本研究的结构设计经验，x形的第一减振机构和第二减振机构未来可以应用于不同的手持振动工具和机器。
附图说明
18.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
19.图1是本发明的现有手提钻主体的结构示意图；
20.图2、图3是在现有手提钻主体的顶部，底部和中部连接安装座后的示意图；
21.图4安装x结构臂内盖安装后的结构示意图；
22.图5是x结构臂的结构示意图；
23.图6是x结构臂安装在内盖上的结构示意图；
24.图7、图8在内盖上安装垂直可调系统的结构示意图；
25.图9(a)、图9(b)本发明的整体结构示意图；
26.图10本发明未安装在手提钻主体上的整体结构示意图；
27.图11(a)、图11(b)初始位置的x结构臂模型；
28.图12 x结构臂手柄的垂直静力f和位移y的关系示意图；
29.图13不同杆长l4的x结构臂手柄的垂直静力f和位移y的关系示意图；
30.图14不同杆长l3的x结构臂手柄的垂直静力f和位移y的关系示意图；
31.图15手柄下压力测量示意图；
32.图16手柄垂直方向的δy位移测量示意图；
33.图17为带4个水平k1＝31.8n/mm弹簧的x结构臂的切向力f、垂直分量力f0和手柄垂直方向位移的关系示意图；
34.图18为手柄的力f和位移δy的关系示意图；
35.图19(a)、图19(b)分别是水平k1＝31.8n/mm弹簧8个，对角线k2＝0.23n/mm弹簧的x结构臂手柄的实验模拟力f和位移δy(a)1次测量和第2次测量的示意图；
36.图20为x结构臂的最大承载能力位置示意图；
37.图中：1手提钻主体，2顶部安装座，3中部安装座，4底部安装座；5内盖，6x结构臂；6-1l形长杆、6-2第一连杆，6-3第二连杆，6-4第三连杆，6-5第四连杆；
38.7支撑杆安装座，8衬套，9连杆导轨，10螺栓，11螺母，12下止动器， 13中间连接螺母，14弹簧；15手柄，16外盖，17第一弹簧，18第二弹簧， 19第三弹簧，20第四弹簧。
具体实施方式
39.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
40.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
41.本发明的一种典型的实施方式中，如图1-图11所示，其包括安装在手提钻上盖顶部的上安装座，以及固定在手提钻的下机盖上的第一下安装座和第二下安装座；上安装座与第一下安装座之间通过第一连接座相连，上安装座与第二下安装座之间固定第二连接座相连；在第一连接座和第一下安装座上安装第一减振机构，在第二连接座和第二下安装座上安装第二减振机构；第一减振机构和第二减振机构相对于手提钻轴线对称设置；第一减振机构和第二减振机构结构相同，各自包括壳体，在壳体内安装x结构臂，x结构臂包括两个l形长杆，两个第一连杆，两个交叉铰接的第二连杆，两个交叉铰接的第三连杆，第四连杆；两个l形长杆的一端铰接后与第一连接座或者第二连接座相连，且两个l形长杆上各铰接一个第一连杆，两个第一连杆位于两个l形长杆的不同侧，第一连杆的另一端铰接两个交叉铰接的第二连杆的一端，两个交叉铰接的第二连杆另一端铰接两个交叉铰接的第三连杆的一端，两个交叉设置的第三连杆的另一端各铰接一个第四连杆；两个第四连杆的另一端铰接；不同的两个减振机构中，位于同一侧的两个l形长杆通过手柄相连。
42.进一步的，第一减振机构、第二减振机构还包括各自包括一个内盖和外盖，所述的内盖固定在第一连接座和第一下安装座上，或第二连接座和第二下安装座上，外盖与内盖配合，将第一减振机构或者第二减振机构围在盖体内。
43.进一步的，还包括一个支撑杆安装座，所述的支撑杆安装座安装在第一连接座或者第二连接座上，与两个l形长杆的铰接点相连。
44.进一步的，还包括一个衬套，所述的衬套安装在第一连接座或者第二连接座上，与两个第四连杆的铰接端相连。
45.进一步的，还包括连杆导轨9，连杆导轨9可以限制x结构臂在垂直面方向上的横向运动，两个交叉铰接的第二连杆的铰接点与连杆导轨相连。
46.进一步的，如图6、图7所示，还包括垂直可调刚度系统，可调刚度系统包括竖直设置的螺栓10，螺栓10穿过支撑杆安装座7与连杆导轨9的顶部相连，且在螺栓上螺纹连接一个螺母11，在连杆导轨上安装一个下止动器12，所述的下止动器12通过两根并列设置的弹簧14与所述的螺母相连。
47.进一步的，如图8所示，第二连杆与第三连杆的铰接点之间通过水平设置的第一弹簧17相连；第三连杆与第四连杆的铰接点之间通过水平设置的第二弹簧18相连；第四连杆与第五连杆的铰接点之间通过水平设置的第三弹簧19相连；两个l形长杆的铰接点与第二连杆与第三连杆的铰接点之间通过倾斜设置的第四弹簧20相连；本实施例中，第一、第二和第三弹簧作用相同，就是增加结构的回复力，但仅有这些水平弹簧，结构会出现负刚度问题，因此增加斜拉弹簧即上述的第四弹簧20，通过合理的参数设置可以有效去除负刚度并增加有效的准零刚度工作区间，而且还可以进一步增加回复力。
48.一、下面对上述装置的整体安装过程以及各个部件进行说明：
49.1.新的顶部，底部和中部连接安装座位
50.如图1所示，将手提钻原来的手柄移除，移除后的手提钻主体1结构如图1 所示，然后在手提钻主体1的顶部上盖上安装一个顶部安装座2，带有4个m6螺栓，用于固定手柄；新m6螺栓的长度比旧的m6螺钉长10mm；
51.为了稳定x结构臂，设计两个底部安装座4，固定在手提钻主体1下部两侧，用于安装和固定x结构和盖子，如图2、图3所示，无需建造新孔。这两个底部安装座4与4个新的m8螺栓连接，这些螺栓比旧螺钉长10mm。
52.如图2、图3所示，再用两个连接安装座3来连接顶部安装座2和两个底部安装座4；更重要的是，这两个连接安装座3将用于组装新的盖子和x结构臂；两个m6x16螺栓用于将连接安装座3用螺栓固定到顶部安装座2上部。应用了两个m6x12螺栓将底部安装座4用螺栓固定到连接安装座3上。
53.2x结构臂内盖
54.如图4所示，组装上部安装座，连接安装座和底部安装座后，x结构臂的内盖5用螺栓固定在底部，并用6个m6x12 hexagon countersunk头螺栓连接安装座，该内盖5可以保护x结构臂免受外部支架和石头的影响。此外，内盖 5和外盖可以覆盖x结构臂并具有导向的作用.
55.3x减振结构臂
56.由10根杆组成的x结构臂6如图5所示。顶部的两根类似于l形长杆6-1 是杠杆式设计的手柄连杆，它将两个手柄与另一侧手柄通过连杆连接，并且还连接到带有两个垂直杆的向下连接x形减振机构。为了减少摩擦和间隙，在接头处的每个杆之间施加压力球轴承。为了耦合延长弹簧的长度，在第二层和第三层引入了四个弹簧耦合板；具体的，包括两个l形长杆6-1，两个第一连杆 6-2，两个交叉铰接的第二连杆6-3，两个交叉铰接的第三连杆6-4，第四连杆 6-5；两个l形长杆6-1的一端铰接，且两个l形长杆6-1上各铰接一个第一连杆6-2，第一连杆6-2的另一端铰接两个交叉铰接的第二连杆6-3的一端，两个交叉铰接的第二连杆6-3另一端铰接两个交叉铰接的第三连杆6-4的一端，两个交叉设置的第三连杆6-4的
另一端各铰接一个第四连杆6-5；两个第四连杆6-5的另一端铰接后与下面的衬套8相连，衬套8固定在上述的连接安装座上。
57.进一步的，上述的交叉铰接是指：交叉设置，且铰接在一起。
58.4x减振结构臂的组装
59.如图6所示，设计了两个新部件，分别是支撑杆安装座7和9mm衬套8，用于将x结构臂组装到连接安装座和底部安装座中；作为与压力球轴承的隔离，m8弹簧垫圈和m8螺母可以拧紧，以减小x结构臂和支架的间隙。
60.x结构臂的下部接头由m8x50内六角沉头螺栓组装在底部安装座上；图6 所示的9mm衬套设计，用于与x结构臂的顶部接头保持相同的垂直面。由于压力球轴承位于垫圈和x结构臂之间，m8x50内六角沉头螺栓头螺栓和弹簧垫圈可以把x结构臂拧紧到底部安装座上。
61.5连杆导轨
62.为了保持x结构臂在垂直方向上移动，设计了图7所示的连杆导轨；连杆导轨还可以限制x结构臂在垂直面方向上的横向运动，这个连杆导轨9通过两个中型连接螺栓固定在上述的连接安装座上，在连杆导轨9上还开设有连杆导轨槽,下面的下止动器12安装在该槽内，
63.6上把手的组装
64.两个上部手柄15通过4个m5x12六角沉头螺栓分别连接x结构臂的l形长杆6-1。
65.7垂直可调刚度系统
66.为了在x结构臂达到负刚度区时提高系统刚度，设计了可调刚度系统，如图7、图8所示；当手柄被下压时，中间连接螺母13(该螺母对应的是上述的两个交叉设置的第二连杆6-3的交叉点的螺母)在是设定位置会与下止动器12 接触且插接，此时垂直可调刚度系统将工作以增加垂直刚度，其接触的位置要根据具体实际测量的刚度曲线来调整，以去除负刚度为目标；m5x60六角形沉头螺栓10能够调节弹簧14的上连接螺母11的高度，从而改变初始垂直力.
67.8.x结构臂外盖的组装
68.外盖16用6个m4x16六角沉头螺栓组装在内盖上。
69.二.下面在admas中xsava的静态分析；
70.图11(a)所示，本实施例提出的新的x结构臂由2层半的x结构和两个长手柄组成。两个长手柄将手提钻与旋转接头连接。在新型x结构臂的底层，两根l1杆将手提钻与旋转接头连接。在x结构臂的顶层，两根l3杆将手柄与旋转接头连接。如图11(b)所示，在x结构臂和手提钻系统中，有两个具有k1刚度的水平弹簧和两个具有k2刚度的斜坡弹簧.
71.图12显示了当l1＝50mm，l2＝80mm，l3＝70mm，l4＝60mm，lh＝100mm， k1＝100n/mm，k2＝0n/mm和α＝45
°
时，x结构臂手柄在垂直方向上的静力f和位移的关系。在曲线的早期阶段，斜坡(df/dy)很高，这意味着它的静态刚度很高。当手柄向下推至约78mm时，斜坡(df/dy)迅速降至1以下。当手柄向下推入b区时，斜坡(df/dy)接近于零，这意味着它进入quzai-zero刚度区。如前所述，x形结构的谐振频率主要受线性因素的影响，因此手提钻的x结构臂可以在b区保持完美的隔振性能。
72.对于恒定质量振动系统，它不能在负刚度区工作。但是，当手提钻工作时，向下推
手柄的力是可变的，它仍然可以在负刚度区域工作.
73.关于杆长l4的影响分析如下：
74.图13表示当l1＝50mm、l2＝80mm、l3＝70mm、lh＝100mm、k1＝100n/mm、 k2＝0n/mm和α＝45
°
时，杆长l4对整个静力的影响。在向下推的早期阶段，曲线斜率(静态刚度df/dy)是滞后的。随着杆长l4的增加，初始θ1 将减小，高静力f在零刚度下将增加。因此，应增加杆长l4以获得更大的负载能力.
75.关于杆长l3的影响
76.图14显示了当l1＝50mm、l2＝80mm、l4＝60mm、lh＝100mm、k1＝100n/mm、 k2＝0n/mm和α＝45
°
时，杆长l3对静力的影响。随着杆长l3的增加，初始θ1将缩小，手柄力容量将减小。因此，为了提高手柄受力能力，应适当减小杆长l3.
77.静力学分析总结：
78.当x结构臂仅连接第二层和第三层的水平弹簧时，准零刚度区较小且有限。因此，应用可调的垂直刚度系统可以帮助调整不同操作者的压力。
79.三、制造和装配
80.为了组装新的x结构臂，拆卸带有电缆的原始手柄。新上部安装座将用相同的螺栓替换它。然后按照前面的组装顺序组装x结构臂和盖子的所有部件，弹簧最终将组装完成。调整垂直可调刚度系统后，外盖将关闭。
81.1.静态刚度测量
82.表1.参数定义
[0083][0084][0085]
2.测量处理
[0086]
下压力f和位移δy的测量值如图15、图16所示，在上下移动的两根中型支架杆的帮助下，吊起重物的绳索可以垂直于手柄。因此，切向力f可以通过测量重物的重量来获得。然后，垂直力f0可以从f*cosθ获得。通过测量手柄的落差高度得到顶部手柄的相应垂直位移；
[0087]
3.实验静刚度分析
[0088]
表2.f和δy的测量数据以及相应的f0与4个水平k1＝31.8n/mm弹簧
[0089][0090]
图17显示了具有4个水平弹簧的x结构臂在切向和垂直方向上的力和位移。初始垂直下压力约为57n，因为水平弹簧的初始力和预紧力。当手柄向下移动到零刚度位置95mm时，它达到最大力容量约180n。当手柄在此点附近工作时，隔振性能会更好.
[0091]
为了获得更大的下压力能力和更长的准零刚度区域，在adams中进行了仿真静力分析，如图18所示；23adams模型内3层x结构臂，带有水平弹簧和对角线弹簧为了获得更大的下压力能力和更长的准零刚度区域，在adams中进行了仿真静力分析，
[0092]
根据图19(a)、图19(b)的仿真结果，系统在x结构臂两侧的1、2和3 层之间连接8个水平k1＝31.8n/mm弹簧和4个对角线k2＝0.23n/mm弹簧，可以获得适当的下压力能力和更长的准零刚度区域。
[0093]
图20显示了具有8个水平弹簧和4个对角弹簧的x结构臂在手柄垂直方向上切向力f和位移δy的实验和仿真结果。初始力和最大力分别增加到80n 和288n。当两个手柄向下推至约95mm时如图所示，它达到最大力点。在此之后，推力开始减小。准零刚度区域从70mm到120mm。x结构臂在准零刚度下工作时将具有极强的隔振性能。
[0094]
表3.f和δy的测量数据，8个水平k1＝31.8n/mm弹簧和4个对角线k2＝0.23n/mm弹簧；
[0095][0096][0097]
本实施例中，x形抗振结构是非线性控制理论与可行结构设计的良好结合。x形防振结构与手提钻很好地结合在一起，在结构紧凑的同时实现良好的隔振性能。x型防振结构参数灵活可调，拆装非常方便。在获得高效隔振效果的同时，也保证了结构稳定性，可以充分满足手提钻复杂、高强度的工作。由于x形抗振结构的高静态和低动态刚度特性，当手柄被压下时，承载能力迅速增加，并很快达到工作准零刚度区域。增加的垂直可调刚度系统可以补偿系统在负刚度区域的刚度，也可以满足不同操作者的需要，同时扩展准零刚度区域.
[0098]
这项创新技术成功地解决了在建筑领域操作各种施工工具时的隔振问题。与目前市场上具有主动和被动减振功能的手提钻相比，配备x形抗振手柄的手提钻可以大大提高减振性能，但成本仍然很低，可以广泛推向市场。更重要的是，结合本研究的结构设计经验，x形抗振结构未来可以应用于不同的手持振动工具和机器。
[0099]
最后还需要说明的是，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
[0100]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。