一种基于铰链零刚度弹簧的恒拉力缓冲机构

1.本发明涉及恒拉力缓冲装置的技术领域，尤其涉及一种基于铰链零刚度弹簧的恒拉力缓冲机构。


背景技术：

2.普通三角形零刚度弹簧的承载能力强，但是仅能保证在平衡位置附近，最大位移仅为侧向弹簧长度的1/20左右，很小范围内保持刚度接近于零的状态，若偏离平衡位置刚度迅速增加，零刚度特性不好且难以调节；平面蜗卷恒力弹簧可以实现大范围的恒拉力效果，但是精度不高，拉力误差在4％左右，并且承载能力弱，一般只有几公斤；在低频隔振方面，也应用弹簧和杆件的组合实现零刚度，同样存在零刚度特性差和难以调节的问题。
3.综上所述，普通三角形零刚度弹簧以及其它零刚度弹簧存在零刚度特性差和难以调节的问题，平面蜗卷恒力弹簧存在精度低和承载能力弱的问题。


技术实现要素：

4.针对上述产生的问题，本发明的目的在于提供一种基于铰链零刚度弹簧的恒拉力缓冲机构。
5.为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
6.一种基于铰链零刚度弹簧的恒拉力缓冲机构，其中，包括：
7.机架1，所述机架1包括：底板101和立板102，底板101的上表面安装有两个所述立板102，两个所述立板102相互平行设置；
8.驱动装置2，所述驱动装置2包括：动能装置201、第一轴部202和轴套203，所述动能装置201安装在所述底板101上，所述第一轴部202设于两个所述立板102之间，第一轴部202的下部开设有螺纹，所述调节轴套203和所述第一轴部202通过螺纹啮合连接，第一轴部202的下端和动能装置201的输出端连接，通过所述动能装置201驱动第一轴部202绕其中心轴线转动；
9.竖向缓冲机构，所述竖向缓冲机构设于两个所述立板102之间，所述竖向缓冲机构包括：竖向弹簧4和振动支架5，所述竖向弹簧4套设于所述第一轴部202，振动支架5的下端套设于第一轴部202的上部，所述振动支架5可操作地沿所述第一轴部202的上部滑动，竖向弹簧4的上端抵于所述振动支架5的下端，竖向弹簧4的下端抵于所述调节轴套203，所述调节轴套203上安装有限位件，通过所述限位件限制所述调节轴套203绕第一轴部202的中心轴线转动，通过转动所述第一轴部202使所述调节轴套203沿第一轴部202的螺纹结构可操作地进行位移运动，振动支架5的下端侧壁开设有两个短轴安装槽；
10.侧向缓冲机构，竖向缓冲机构的两侧分别连接有一个所述侧向缓冲机构，两个所述侧向缓冲机构对称设置，两个所述侧向缓冲机构均安装在两个所述立板102之间，每一个所述侧向缓冲机构包括：第二轴部6、侧向弹簧7、连杆8、第一转轴11、第二转轴12、第三转轴10、滑动轴套14、连接轴套15和短轴13，所述第二轴部6包括：一个长轴、一个限位板和两个
转动连接部，限位板的一侧连接有两个所述转动连接部，限位板的另一侧和长轴的端部连接，每一个所述立板102和所述第二轴部6之间设有一个所述连杆8，短轴13的一端安装在一个所述短轴安装槽内，所述连接轴套15安装在所述短轴13上，每一个所述转动连接部和连接轴套15的外壁通过一个所述第三转轴10可操作地转动连接，短轴13的另一端可操作地抵于所述限位板，每一个连杆8的一端安装在一个所述第三转轴10上，每一个连杆8绕与其连接的所述第三转轴10可操作地转动，所述滑动轴套14和所述侧向弹簧7均套设于所述长轴上，所述滑动轴套14可操作地沿所述长轴滑动，侧向弹簧7的一端抵于所述限位板，侧向弹簧7的另一端抵于所述滑动轴套14，所述机架1和滑动轴套14的外壁通过两个所述第一转轴11可操作地转动连接，每一个连杆8的另一端和所述机架1通过一个所述第二转轴12可操作地转动连接。
11.上述的基于铰链零刚度弹簧的恒拉力缓冲机构，其中，所述机架1还包括：直线轴承，振动支架5的下端安装有所述直线轴承，振动支架5的下端和所述第一轴部202的上部通过所述直线轴承滑动连接。
12.上述的基于铰链零刚度弹簧的恒拉力缓冲机构，其中，所述机架1还包括：限位挡板103，所述振动支架5的中部开设有通孔，限位挡板103设于所述通孔内，限位挡板103的两端分别和两个立板102的上端连接，通过限位挡板103限制所述振动支架5沿所述第一轴部202的位移轨迹，同时限制振动支架5在水平方向摆动。
13.上述的基于铰链零刚度弹簧的恒拉力缓冲机构，其中，每一个所述连杆8均呈折线形，避免所述连杆8在运动过程中与所述第一转轴11之间发生碰撞。
14.上述的基于铰链零刚度弹簧的恒拉力缓冲机构，其中，所述驱动装置2为蜗轮丝杆升降机。
15.上述的基于铰链零刚度弹簧的恒拉力缓冲机构，其中，多个所述第一转轴11和多个所述第二转轴12均水平设置且位于同一水平高度。
16.上述的基于铰链零刚度弹簧的恒拉力缓冲机构，其中，所述机架1还包括：滑动安装板104，每一个所述立板102背离另一个所述立板102的侧面开设有两个对称设置的滑槽，每一个所述滑动安装板104安装在一个所述滑槽内，多个所述滑动安装板104和多个所述立板102相互平行设置，每一个所述滑动安装板104可操作地沿水平方向滑动。
17.上述的基于铰链零刚度弹簧的恒拉力缓冲机构，其中，每一个所述滑动安装板104上开设有至少一个条形孔，每一个所述条形孔设有一个可沿所述条形孔滑动的螺钉，每一个所述滑动安装板104和一个所述立板102通过至少一个所述螺钉进行紧固连接。
18.上述的基于铰链零刚度弹簧的恒拉力缓冲机构，其中，每一个所述滑动安装板104和滑动轴套14的外壁通过一个所述第一转轴11可操作地转动连接。
19.上述的基于铰链零刚度弹簧的恒拉力缓冲机构，其中，还包括：滑轮3，所述滑轮3安装在振动支架5的上端，所述滑轮3可操作地绕其中心轴线转动，通过所述滑轮3悬挂重物对所述振动支架5施加作用力。
20.本发明由于采用了上述技术，使之与现有技术相比具有的积极效果是：
21.(1)本发明通过动滑轮来加载，钢丝绳的线位移是动滑轮竖向位移的两倍，很好地起到了缓冲的作用，需要电机提供的加速度大幅变小；
22.(2)本发明在不改变结构的情况下，可以通过蜗轮蜗杆升降机精确调整竖向弹簧
的压缩量来抵消负载，将铰链零刚度弹簧调整到平衡位置，负载可以在零至额定负载之间随意选择；
23.(3)本发明中，铰链零刚度弹簧可以在平衡位置附近很大范围内保持刚度接近于零的状态，最大位移可达连杆长度的一半左右，在最大位移处铰链零刚度弹簧的刚度大约是侧向弹簧刚度的1/70，并且铰链零刚度弹簧的刚度和回复力均随着竖向位移的增加而增加，整个系统处于稳定平衡状态。
附图说明
24.图1是本发明的一种基于铰链零刚度弹簧的恒拉力缓冲机构的结构示意图。
25.图2是本发明的一种基于铰链零刚度弹簧的恒拉力缓冲机构的主视图。
26.图3是本发明的一种基于铰链零刚度弹簧的恒拉力缓冲机构的侧视图。
27.图4是本发明的一种基于铰链零刚度弹簧的恒拉力缓冲机构的俯视图。
28.图5是本发明的一种基于铰链零刚度弹簧的恒拉力缓冲机构位于水平平衡位置的主视方向的第一剖视图。
29.图6是本发明的一种基于铰链零刚度弹簧的恒拉力缓冲机构位于水平平衡位置的主视方向的第二剖视图。
30.图7是本发明的一种基于铰链零刚度弹簧的恒拉力缓冲机构位于上极限点位置的主视方向的第一剖视图。
31.图8是本发明的一种基于铰链零刚度弹簧的恒拉力缓冲机构位于上极限点位置的主视方向的第二剖视图。
32.图9是本发明的一种基于铰链零刚度弹簧的恒拉力缓冲机构位于下极限点位置的主视方向的第一剖视图。
33.图10是本发明的一种基于铰链零刚度弹簧的恒拉力缓冲机构位于下极限点位置的主视方向的第二剖视图。
34.图11是本发明的一种基于铰链零刚度弹簧的恒拉力缓冲机构位于水平平衡位置的原理简图。
35.图12是本发明的一种基于铰链零刚度弹簧的恒拉力缓冲机构位于上极限点位置的原理简图。
36.图13是本发明的一种基于铰链零刚度弹簧的恒拉力缓冲机构位于下极限点位置的原理简图。
37.图14是本发明的一种基于铰链零刚度弹簧的恒拉力缓冲机构的曲柄滑块零刚度弹簧机构的原理简图。
38.附图中：1、机架；2、驱动装置；3、滑轮；4、竖向弹簧；5、振动支架；6、第二轴部；7、侧向弹簧；8、连杆；10、第三转轴；11、第一转轴；12、第二转轴；13、短轴；14、滑动轴套；15、连接轴套；101、底板；102、立板；103、限位挡板；104、滑动安装板；201、动能装置；202、第一轴部；203、调节轴套。
具体实施方式
39.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
40.请参照图1至图14所示，示出了一种基于铰链零刚度弹簧的恒拉力缓冲机构，其中，包括：
41.机架1，机架1包括：底板101和立板102，底板101的上表面安装有两个立板102，两个立板102相互平行设置；
42.驱动装置2，驱动装置2包括：动能装置201、第一轴部202和轴套203，动能装置201安装在底板101上，第一轴部202设于两个立板102之间，第一轴部202的下部开设有螺纹，调节轴套203和第一轴部202通过螺纹啮合连接，第一轴部202的下端和动能装置201的输出端连接，通过动能装置201驱动第一轴部202绕其中心轴线转动；
43.竖向缓冲机构，竖向缓冲机构设于两个立板102之间，竖向缓冲机构包括：竖向弹簧4和振动支架5，竖向弹簧4套设于第一轴部202，振动支架5的下端套设于第一轴部202的上部，振动支架5可操作地沿第一轴部202的上部滑动，竖向弹簧4的上端抵于振动支架5的下端，竖向弹簧4的下端抵于调节轴套203，调节轴套203上安装有限位件，通过限位件限制调节轴套203绕第一轴部202的中心轴线转动，通过转动第一轴部202使调节轴套203沿第一轴部202的螺纹结构可操作地进行位移运动，振动支架5的下端侧壁开设有两个短轴安装槽；
44.侧向缓冲机构，竖向缓冲机构的两侧分别连接有一个侧向缓冲机构，两个侧向缓冲机构对称设置，两个侧向缓冲机构均安装在两个立板102之间，每一个侧向缓冲机构包括：第二轴部6、侧向弹簧7、连杆8、第一转轴11、第二转轴12、第三转轴10、滑动轴套14、连接轴套15和短轴13，第二轴部6包括：一个长轴、一个限位板和两个转动连接部，限位板的一侧连接有两个转动连接部，限位板的另一侧和长轴的端部连接，每一个立板102和第二轴部6之间设有一个连杆8，短轴13的一端安装在一个短轴安装槽内，连接轴套15安装在短轴13上，每一个转动连接部和连接轴套15的外壁通过一个第三转轴10可操作地转动连接，短轴13的另一端可操作地抵于限位板，每一个连杆8的一端安装在一个第三转轴10上，每一个连杆8绕与其连接的第三转轴10可操作地转动，滑动轴套14和侧向弹簧7均套设于长轴上，滑动轴套14可操作地沿长轴滑动，侧向弹簧7的一端抵于限位板，侧向弹簧7的另一端抵于滑动轴套14，机架1和滑动轴套14的外壁通过两个第一转轴11可操作地转动连接，每一个连杆8的另一端和机架1通过一个第二转轴12可操作地转动连接。
45.进一步，在一种较佳实施例中，机架1还包括：直线轴承，振动支架5的下端安装有直线轴承，振动支架5的下端和第一轴部202的上部通过直线轴承滑动连接。
46.进一步，在一种较佳实施例中，机架1还包括：限位挡板103，振动支架5的中部开设有通孔，限位挡板103设于通孔内，限位挡板103的两端分别和两个立板102的上端连接，通过限位挡板103限制振动支架5沿第一轴部202的位移轨迹，同时限制振动支架5在水平方向摆动。
47.进一步，在一种较佳实施例中，每一个连杆8均呈折线形，避免连杆8在运动过程中与第一转轴11之间发生碰撞。
48.进一步，在一种较佳实施例中，驱动装置2为蜗轮丝杆升降机。
49.进一步，在一种较佳实施例中，多个第一转轴11和多个第二转轴12均水平设置且位于同一水平高度。
50.进一步，在一种较佳实施例中，机架1还包括：滑动安装板104，每一个立板102背离
另一个立板102的侧面开设有两个对称设置的滑槽，每一个滑动安装板104安装在一个滑槽内，多个滑动安装板104和多个立板102相互平行设置，每一个滑动安装板104可操作地沿水平方向滑动。
51.进一步，在一种较佳实施例中，每一个滑动安装板104上开设有至少一个条形孔，每一个条形孔设有一个可沿条形孔滑动的螺钉，每一个滑动安装板104和一个立板102通过至少一个螺钉进行紧固连接。
52.进一步，在一种较佳实施例中，每一个滑动安装板104和滑动轴套14的外壁通过一个第一转轴11可操作地转动连接。
53.进一步，在一种较佳实施例中，还包括：滑轮3，滑轮3安装在振动支架5的上端，滑轮3可操作地绕其中心轴线转动，通过滑轮3悬挂重物对振动支架5施加作用力。
54.以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围。
55.本发明在上述基础上还具有如下实施方式：
56.本发明的进一步实施例中，如图14所示，铰链零刚度弹簧的总刚度计算公式为：
[0057][0058]
其中，侧向缓冲机构左右对称设置，下述数据以任一侧的侧向缓冲机构的单个部件进行说明，k为铰链零刚度弹簧的总刚度，α为连杆8相对于水平平衡位置绕第二转轴12转动的角度，θ为第二轴部6相对于水平平衡位置绕第一转轴11转动的角度，c为第二转轴12与第三转轴10之间的中心距，l为第一转轴11与第三转轴10之间的中心距，a为振动支架5相对于水平平衡位置的位移，b为第一转轴11和第二转轴12之间的中心距，k1为侧向弹簧7的刚度，k2为竖向弹簧4的刚度，l0为侧向弹簧的原长。
[0059]
本发明的进一步实施例中，如图14所示，摆杆长度c，弹簧工作长度l，摆杆摆角α、弹簧摆角θ、铰链中心距b和竖向位移a之间满足铰链零刚度弹簧的总刚度计算公式。
[0060]
本发明的进一步实施例中，竖向弹簧提供正刚度；侧向弹簧及摆杆组合提供负刚度；整体正负刚度基本抵消实现零刚度。
[0061]
本发明的进一步实施例中，依据图5、图6和图11所示，铰链零刚度弹簧处于水平平衡位置，两个侧向弹簧7均位于水平方向，竖向弹簧4位于竖直方向上。
[0062]
本发明的进一步实施例中，依据图7、图8和图12所示，铰链零刚度弹簧处于上极限点位置，位于任一个侧向缓冲机构上的短轴13的端部的下表面抵于第二轴部6的端部。
[0063]
本发明的进一步实施例中，依据图9、图10和图13所示，铰链零刚度弹簧处于下极限点位置，位于任一个侧向缓冲机构上的短轴13的端部的上表面抵于第二轴部6的端部。
[0064]
本发明的进一步实施例中，位于任一个侧向缓冲机构上的滑动轴套14和短轴13滑动连接，滑动轴套14在短轴13上的行程远小于滑动轴套14的长度，当第二轴部6向上或向下运动到极限位置时，短轴13的端部抵于第二轴部6的端部，滑动轴套14依然套紧在短轴13上，避免滑动轴套14从短轴13上滑落。
[0065]
本发明的进一步实施例中，第一转轴11通过滑动安装板104安装在机架1上，通过调节滑动安装板104和与其连接立板102的相对位置可以调节第一转轴11和第二转轴12之间的间距，依据铰链零刚度弹簧的总刚度计算公式可知，通过调节第一转轴11和第二转轴12之间的间距可以调节铰链零刚度弹簧的总刚度，增强铰链零刚度弹簧的恒拉力缓冲效
果。
[0066]
本发明的进一步实施例中，驱动装置2为符合铰链零刚度弹簧适用规格的蜗轮丝杆升降机，第一轴部202为蜗轮丝杆升降机上加长后的螺杆结构，调节轴套203为蜗轮丝杆升降机上自带的结构，通过蜗轮丝杆升降机驱动铰链零刚度弹簧进行恒拉力缓冲测试。
[0067]
本发明的进一步实施例中，蜗轮丝杆升降机运行后，蜗轮丝杆升降机的第一轴部202绕其中心轴线转动，调节轴套203沿第一轴部202进行竖直向上或竖直向下的位移运动，对竖向弹簧4施加拉力或压力，促使竖向弹簧4发生弹性形变。
[0068]
本发明的进一步实施例中，当竖向弹簧4发生弹性形变时，带动振动支架5在竖直方向进行位移运动，拉动第二轴部6在与其连接的滑动轴套14内发生滑动，同时连杆8和第二轴部6均在竖直平面内发生转动，保证铰链零刚度弹簧进行恒拉力变化。
[0069]
本发明的进一步实施例中，竖向弹簧4既可作为拉簧使用也可作为压簧使用，其作用方式依据铰链零刚度弹簧的工作状态发生变化。
[0070]
本发明的进一步实施例中，侧向弹簧7为压缩弹簧，在铰链零刚度弹簧的任一工作状态下，侧向弹簧7均处于压缩状态，推动滑动轴套14，避免滑动轴套14从短轴13上脱落。
[0071]
本发明的进一步实施例中，铰链零刚度弹簧的恒拉力缓冲机构可适用于多种需要恒拉力缓冲的情况。
[0072]
本发明的进一步实施例中，铰链零刚度弹簧的恒拉力缓冲机构可适用于失重模拟、低频隔振、升降平衡装置、电机碳刷弹簧、恒力弹簧支吊架、医疗升降床、雨刮马达等多种情况。
[0073]
本发明的进一步实施例中，本发明公开了一种基于铰链零刚度弹簧的恒拉力缓冲机构，涉及恒拉力缓冲装置的技术领域和低频隔振领域，解决了普通三角形零刚度弹簧存在保持零刚度的范围很小，刚度特性无法精确调节的问题，以及蜗卷恒力弹簧承载小精度不高的问题。铰链零刚度弹簧可以在平衡位置附近很大范围内保持刚度接近于零的状态，最大位移可达摆杆长度的30-40％，在最大位移处铰链零刚度弹簧的刚度大约是侧向弹簧刚度的1/70，并且铰链零刚度弹簧的刚度和回复力均随着竖向位移的增加而增加，整个系统处于稳定平衡状态，零刚度特性也可以通过改变铰链中心距的方式进行精确调节，具有承载能力强、零刚度特性优异、便于调节等特点。在铰链零刚度弹簧的基础上，通过蜗轮丝杆升降机压缩竖向弹簧实现平衡位置的调节，通过动滑轮加载，钢丝绳的位移是动滑轮竖向位移的两倍，在力矩电机动作之前预先张紧或放松钢丝绳，使需要电机提供的加速度大幅变小。
[0074]
本发明的进一步实施例中，结构特点：结构上左右对称，所有水平方向的分力相互抵消；整个机构由机架、一个振动支架、一个竖向弹簧、两个侧向弹簧、两个连杆、五个移动副和六个转动副组成，连杆位于侧向弹簧外侧，侧向弹簧导杆摆角θ始终大于连杆摆角α；连杆长度c和铰链中心距b是常量；侧向弹簧的工作长度l、侧向弹簧导杆摆角θ和连杆摆角α是变量，随竖向位移a的变化而变化；侧向弹簧的下端铰链和连杆的下端铰链固定在机架上；四个滑块上的铰链为复合铰链。
[0075]
本发明的进一步实施例中，在平衡位置，竖向位移a＝0，侧向弹簧压缩量最大但是弹力的竖向分量为零，竖向弹簧的弹力刚好与载荷抵消，侧向弹簧的竖向刚度为负的最大值，如果侧向弹簧和竖向弹簧的刚度匹配合适，可以使铰链零刚度弹簧的总刚度为零；
[0076]
本发明的进一步实施例中，载荷稍微减小时，振动支架向上运动，竖向弹簧中的弹力减小，侧向弹簧产生向上的弹力分量，同时连杆中产生向下的的竖向分力，在竖直方向上三个力大部分相互抵消，仅剩很小的竖向回复力，并且回复力与竖向位移a成正比，铰链零刚度弹簧的总刚度k变大。
[0077]
本发明的进一步实施例中，载荷稍微增大时，振动支架向下运动，竖向弹簧中的弹力增大，侧向弹簧产生向下的弹力分量，同时连杆中产生向上的竖向分力，在竖直方向上三个力大部分相互抵消，仅剩很小的竖向回复力，并且回复力与竖向位移a成正比，铰链零刚度弹簧的总刚度k变大。
[0078]
本发明的进一步实施例中，在其他参数不变的情况下，铰链中心距b越小，铰链零刚度弹簧的最大总刚度k越小，最大回复力也越小。
[0079]
本发明的进一步实施例中，竖向位移a在很大范围内变化时，铰链零刚度弹簧的总刚度k的变化都不大，回复力的变化也不大，只有竖向位移a接近最大值时，铰链零刚度弹簧的总刚度k的变化出现极值点并迅速变小，回复力迅速增大。
[0080]
本发明的进一步实施例中，侧向弹簧工作时的压缩量越大，在同等载荷和刚度要求下侧向弹簧需要的刚度越小。
[0081]
本发明的进一步实施例中，本机构通过动滑轮来加载，钢丝绳的线位移是动滑轮竖向位移的两倍，很好地起到了缓冲的作用，需要电机提供的加速度大幅变小。
[0082]
本发明的进一步实施例中，在不改变结构的情况下，可以通过蜗轮丝杆升降机精确调整竖向弹簧的压缩量来抵消负载，将铰链零刚度弹簧调整到平衡位置，负载可以在零至额定负载之间随意选择。
[0083]
本发明的进一步实施例中，铰链零刚度弹簧可以在平衡位置附近很大范围内保持刚度接近于零的状态，最大位移可达连杆长度的一半左右，在最大位移处铰链零刚度弹簧的刚度大约是侧向弹簧刚度的1/70，大约是侧向弹簧刚度的1/27，并且铰链零刚度弹簧的刚度和回复力均随着竖向位移的增加而增加，整个系统处于稳定平衡状态。而普通三角形零刚度弹簧仅能保证在平衡位置附近很小范围内保持刚度接近于零的状态，最大位移仅为侧向弹簧长度的1/20左右，在最大位移处三角形零刚度弹簧的刚度大约是侧向弹簧刚度的1/5左右，大约是竖向弹簧刚度的1/10左右。
[0084]
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。