CN102141102A - 一种斜弹簧及其斜弹簧超低频隔振器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种斜弹簧及其斜弹簧超低频隔振器；所述斜弹簧的特征是，至少在安装受力状态下，所述斜弹簧的后倾角大于等于零，而在自由状态下，所述斜弹簧的后倾角并非一定大于等于零；所述斜弹簧是环形斜弹簧时，其一端接头4和另一端接头6借助于嵌套件8机械式嵌套连接，消除了接头的扭转力矩和压应力给传统焊接式环形斜弹簧10，尤其是减振、隔振和缓冲等领域应用的重载环形斜弹簧带来的疲劳强度等问题；所述斜弹簧超低频隔振器20是由挤压体I22、环形斜弹簧2或者非环形斜弹簧2、挤压体II24组成。

Description

一种斜弹簧及其斜弹簧超低频隔振器

技术领域

本发明涉及一种斜弹簧及其斜弹簧超低频隔振器，尤其是适合小空间、大位移、高承载、耐侯型隔振、抗震、减振、减震和缓冲领域，如驾驶员座椅隔振、驾驶室隔振、发动机隔振、精密仪器隔振、重型精密仪器的隔震和抗震、人防等建筑结构的隔震与防爆等领域，同时还可以替代形状记忆合金充当建筑结构用自动复位型阻尼器，或者用于充当其它阻尼器的复位机构。

背景技术

自从1967年US3323785关于斜弹簧专利的授权至今，由于斜弹簧突出的“零”刚度特性广泛地应用于液压密封件磨损产生间隙的自动恒力补偿方面，其后也应用于电力接头的连接器方面，用于保证连接器的可靠接触导电。具有代表性的产品主要来自美国的Balsells家族企业；中国与其有近半个世纪的差距，先后有国内企业模仿和跟踪，分别开发出他们自己的电连接器产品。与其明显的对比是，斜弹簧在减振、减震、缓冲、隔振等领域的应用甚少，尤其在中重载领域。其具体原因是：

1)设计斜弹簧的力学性能受到诸多几何和力学条件的限制，很难设计出高承载能力的斜弹簧，以满足中、重载行业的应用；同时，由于焊接的工艺性能和簧丝承受的巨大扭转和剪切应力，很难加工出长寿命的重载或超重载斜弹簧，以满足建筑结构的减震和抗震要求；

2)现有的小型斜弹簧的启动刚度过小，从而很难体现出恒力零刚度特性；

如果能够解决如上问题，就有可能将斜弹簧应用于超低频隔振器、类似于形状记忆合金的震后自动复位减震器而广泛应用于小空间、大位移、高承载、耐侯型隔振领域，如驾驶员座椅隔振、驾驶室隔振、发动机隔振、精密仪器隔振、重型精密仪器的隔震和抗震、人防等建筑结构的隔震与防爆等领域，同时还可以替代形状记忆合金充当建筑结构用自动复位型阻尼器，或者用于充当其它阻尼器的复位机构，将减振、减震、缓冲和隔振功能集中于一体。

发明内容

为了达到上述目的，本发明揭示了一种斜弹簧及其斜弹簧超低频隔振器，所述的一种斜弹簧及其斜弹簧超低频隔振器分别通过采用合适后倾角、挤压支承结构和斜弹簧的嵌套式机械接头等综合实现的。

具体技术措施是：一种斜弹簧及其斜弹簧超低频隔振器，涉及斜弹簧及其超低频隔振领域；

所述斜弹簧2，其特征是，至少在安装受力状态下，所述斜弹簧的后倾角大于等于零；自由状态下，所述斜弹簧的后倾角并非一定大于等于零；

所述斜弹簧是环形斜弹簧时，所述环形斜弹簧的一端接头4和另一端接头6借助于嵌套件8机械式嵌套连接，消除了接头的扭转力矩和压应力给传统焊接式环形斜弹簧10，尤其是减振、隔振和缓冲等领域应用的重载环形斜弹簧带来的疲劳强度等问题；所述的嵌套方法是，首先分别将环形斜弹簧的一端接头4的一侧5和另一端接头6的搭接侧面7磨成楔形，其次分别将所述契形部分搭接后嵌套上嵌套件8，最后，分别将暴露在嵌套件8两头的弹簧接头的端部I 12和端部II 14弯曲成型或其它机械方式固定，阻止所述嵌套件8在变形过程中脱开；所述的嵌套件8是管状薄壁管或者是小螺旋弹簧16；

所述斜弹簧超低频隔振器20是由挤压体I 22、环形斜弹簧2、挤压体II 24组成；其特征是，在安装状态下，所述环形斜弹簧上带有所述嵌套件8的接头部分位于所述环形斜弹簧2的外侧，消除所述环形斜弹簧2分别与挤压体I 22和挤压体II 24的干涉；在安装状态下，所述环形斜弹簧2的每个单圈斜弹簧分别与挤压体I 22和挤压体II 24单点28接触，以提供小的弹簧起始刚度30；在安装状态下，所述环形斜弹簧的每个单圈斜弹簧分别与挤压体I 22和挤压体II 24多点32接触，以提供高弹簧起始刚度34，增加所述斜弹簧力-位移曲线的平台区36的区域范围；同时，可以在所述挤压体I 22与所述斜弹簧2或者在所述挤压体II 24与所述斜弹簧2之间设置可以自由滑动的滑动板40，允许所述斜弹簧2因变形而窜动，提高所述斜弹簧力-位移曲线的平台区宽度范围；

所述斜弹簧2是非环形斜弹簧时，所述斜弹簧超低频隔振器20是由挤压体I 22、非环形斜弹簧2、挤压体II 24组成，其特征是，在安装状态下，所述非环形斜弹簧2的每个单圈斜弹簧分别与挤压体I 22和挤压体II 24单点28接触，以提供小的弹簧起始刚度30；在安装状态下，所述非环形斜弹簧的每个单圈斜弹簧分别与挤压体I 22和挤压体II24多点32接触，以提供高弹簧起始刚度34，增加所述斜弹簧力-位移曲线的平台区36区域范围；同时，可以在所述挤压体I 22与所述斜弹簧2或者在所述挤压体II 24与所述斜弹簧2之间设置可以自由滑动的滑动板40，允许所述斜弹簧2因变形而窜动，提高所述斜弹簧力-位移曲线的平台区宽度范围。

所述的一种斜弹簧及斜弹簧超低频隔振器，其特征是，当外加负载作用力的方向42与能够引起所述斜弹簧大变形的设计作用力方向44一致时，可以设计成单自由度斜弹簧超低频隔振器；当外加负载作用力的方向42与能够引起所述斜弹簧大变形的设计作用力方向44有一定夹角时，可以设计多自由斜弹簧超低频隔振器。

所述的一种斜弹簧及斜弹簧超低频隔振器，其特征是，位于所述斜弹簧超低频隔振器中的斜弹簧2可以是多个串联或者并联；通过机械结构的设计实现承受压力或者拉力。

本发明的有益效果：

1)、通过工艺手段，突破了普通斜弹簧仅仅能够应用于液压密封间隙的自动补偿和电力连接器的导电连接领域，将斜弹簧应用于中、重型机械设备的振动控制以及建筑结构的减震和抗震等领域；

2)、应用于建筑结构的减震、隔震领域时，具有大的启动刚度和启动阻尼力，适合桥梁在车辆刹车前提下高刚度、大阻尼力的稳定性能要求以及建筑结构的风振稳定性要求；在超越零位后，阻尼力上升平缓，对于较大的地震激励力具有滤波功能；在减震平面内，对于地震激励力的方向不敏感，总体尺寸与同载荷盆式橡胶支座相当；本身就能够提供阻尼耗能、减震功能，在设计烈度范围内不破坏可重复使用，无需更换，且具有自动复位能力；建筑结构在结构减震平面内各个方向上的位移量较大，是压应力作用面线性尺度的近50％；无需铅芯、环保，对于环境和施工友好；采用传统材料和配方，耐候、对于环境温度不敏感、长寿命(70年以上)、结构简单、造价较低；

3)、应用于机械设备的减振、隔振领域时，可以依靠其零刚度的特点，实现高稳定性能的超低频隔振，将普通隔振的等级提高到精密仪器的隔振水平；尤其适合于一般零刚度结构成本高、很难进入的重载和超重载领域，免维护和无需能源供给。

附图说明

说明书附图如下：

图1是一种没有横向压缩受力变形的线性斜弹簧的示意图；

图2是一种处于横向压缩受力变形的线性斜弹簧的示意图；

图3是一种没有横向压缩受力变形的环形斜弹簧的示意图；

图4是一种没有横向压缩受力变形的焊接式环形斜弹簧的示意图；

图5是采用小型螺旋弹簧嵌套环形斜弹簧两端接头的一种形式；

图6是是采用小型螺旋弹簧嵌套环形斜弹簧两端接头的另一种形式；

图7是采用小型弹簧管嵌套环形斜弹簧两端接头的一种形式；

图8是采用小型弹簧管嵌套环形斜弹簧两端接头的另外一种形式；

图9是环形斜弹簧两端接头磨平的两种形式；

图10是环形斜弹簧两端接头磨平的一种形式；

图11是采用环形斜弹簧的斜弹簧超低频隔振器；

图12是斜弹簧超低频隔振器中的环形斜弹簧示意图；

图13是斜弹簧分别与挤压体接触的接触方式示意图之一；

图14是斜弹簧分别与挤压体接触的接触方式示意图之二；

图15是斜弹簧的力-位移力学特性曲线示意图；

图16是采用直线斜弹簧的斜弹簧超低频隔振器示意图；

图17是采用直线斜弹簧的斜弹簧超低频隔振器示意图；

图18是一种多自由度挤压支承式环形斜弹簧超低频隔振器示意图；

图19是一种多自由度挤压壁挂式环形斜弹簧超低频隔振器示意图；

图20是一种多自由度挤压悬吊式环形斜弹簧超低频隔振器示意图；

图21是另一种多自由度挤压悬吊式环形斜弹簧超低频隔振器示意图；

图22是一种多自由度拉压混合式环形斜弹簧超低频隔振器示意图；

图23是另一种多自由度挤压支承式环形斜弹簧超低频隔振器示意图；

图24是另一种多自由度拉压混合式环形斜弹簧超低频隔振器示意图；

图25是另一种多自由度拉压混合式环形斜弹簧超低频隔振器示意图；

图26是三级串联的多自由度挤压支承式环形斜弹簧超低频隔振器示意图。

具体实施方式

首先对于斜弹簧的前倾角和后倾角的定义如下：

在线性螺旋弹簧机械制图中，从铅垂线方向到前侧弹簧丝方向上的锐角夹角F为前倾角，前侧弹簧丝方向与后侧弹簧丝方向间的锐角夹角为φ，那么，F与φ的差值B就是后倾角，而与弹簧的旋向无关；所述前侧弹簧丝方向是由图1、图2和图3中的点5和点3的连线确定，所述后侧弹簧丝方向是由图1、图2和图3中的点5和点1的连线确定。

在环形螺旋弹簧机械制图中，从环形的半径方向到前侧弹簧丝方向上的锐角夹角F为前倾角，前侧弹簧丝方向与后侧弹簧丝方向间的锐角夹角为φ，那么，F与φ的差值B就是后倾角，而与弹簧的旋向无关；所述前侧弹簧丝方向是由图17中的点5和点3的连线确定，所述后侧弹簧丝方向是由图17中的点5和点1的连线确定。

下面参照图1-图26详述本发明的一种斜弹簧及其斜弹簧超低频隔振器：

一种斜弹簧及其斜弹簧超低频隔振器，涉及斜弹簧及其超低频隔振领域；

如图1所示，所述斜弹簧2，其特征是，至少在安装受力状态下，所述斜弹簧的后倾角大于等于零；如图2所示，自由状态下，所述斜弹簧的后倾角并非一定大于等于零；

如图3所示，所述斜弹簧是环形斜弹簧，所述环形斜弹簧的一端接头4和另一端接头6借助于嵌套件8机械式嵌套连接，消除了接头的扭转力矩和压应力给传统焊接式环形斜弹簧10，尤其是减振、隔振和缓冲等领域应用的重载环形斜弹簧带来的疲劳强度等问题；

图4显示的环形斜弹簧的焊接接头部位位于其弹簧平面上侧或者下侧，因为该处的受力最小；

如图5～图10所示，所述的嵌套方法是，首先分别将环形斜弹簧的一端接头4的一侧5和另一端接头6的搭接侧面7磨成楔形，其次分别将所述揳形部分搭接后嵌套上嵌套件8，最后，分别将暴露在嵌套件8两头的弹簧接头的端部I 12和端部II 14弯曲成型或其它机械方式固定，阻止所述嵌套件8在变形过程中脱开；所述的嵌套件8是管状薄壁管或者是小螺旋弹簧16；

图9显示了环形斜弹簧两端的两种磨平的形式，一种是内侧磨平后相互并齐，另一种是外侧磨平后并齐；图10显示了环形斜弹簧两端磨平后的具体接头形状；

图5所示的接头是内侧磨平后相互并齐，嵌套件8是一只小型螺旋弹簧16，将接头用上述嵌套件8连接后，将暴露在嵌套件8两头的弹簧接头的端部I 12和端部II 14弯曲成型；

图6所示的接头是外侧磨平后相互并齐，嵌套件8是一只小型螺旋弹簧16，将接头用上述嵌套件8连接后，将暴露在嵌套件8两头的弹簧接头的端部I 12和端部II 14弯曲成型；

图7所示的接头是内侧磨平后相互并齐，嵌套件8是一只小型弹簧管，将接头用上述嵌套件8连接后，将暴露在嵌套件8两头的弹簧接头的端部I 12和端部II 14弯曲成型；

图8所示的接头是外侧磨平后相互并齐，嵌套件8是一只小型弹簧管，将接头用上述嵌套件8连接后，将暴露在嵌套件8两头的弹簧接头的端部I 12和端部II 14弯曲成型；

如图11所示，所述斜弹簧超低频隔振器20是由挤压体I 22、如图12所示的环形斜弹簧2、挤压体II 24组成；其特征是，在安装状态下，所述环形斜弹簧上带有所述嵌套件8的接头部分位于所述环形斜弹簧2的外侧，消除所述环形斜弹簧2分别与挤压体I 22和挤压体II 24的干涉；如图13和图15所示，在安装状态下，所述环形斜弹簧2的每个单圈斜弹簧分别与挤压体I 22和挤压体II 24单点28接触，以提供小的弹簧起始刚度30；

如图13、图14和图15所示，在安装状态下，所述环形斜弹簧的每个单圈斜弹簧分别与挤压体I 22和挤压体II 24多点32接触，以提供高弹簧起始刚度34，增加所述斜弹簧力-位移曲线的平台区36的区域范围；

同时，可以在所述挤压体I 22与所述斜弹簧2或者在所述挤压体II 24与所述斜弹簧2之间设置可以自由滑动的滑动板40，允许所述斜弹簧2因变形而窜动，提高所述斜弹簧力-位移曲线的平台区宽度范围；

如图16所示，在所述挤压体I 22与所述斜弹簧2之间设置可以自由滑动的滑动板40，允许所述斜弹簧2因变形而窜动，提高所述斜弹簧力-位移曲线的平台区宽度范围；同时也将这种窜动与所述挤压体I 22解偶；

如图13、图14、图15、16和图17所示，所述斜弹簧2是非环形斜弹簧时，所述斜弹簧超低频隔振器20是由挤压体I 22、非环形斜弹簧2、挤压体II 24组成，其特征是，在安装状态下，所述非环形斜弹簧2的每个单圈斜弹簧分别与挤压体I 22和挤压体II 24单点28接触，以提供小的弹簧起始刚度30；在安装状态下，所述非环形斜弹簧的每个单圈斜弹簧分别与挤压体I 22和挤压体II 24多点32接触，以提供高弹簧起始刚度34，增加所述斜弹簧力-位移曲线的平台区36区域范围；同时，可以在所述挤压体I 22与所述斜弹簧2或者在所述挤压体II 24与所述斜弹簧2之间设置可以自由滑动的滑动板40，允许所述斜弹簧2因变形而窜动，提高所述斜弹簧力-位移曲线的平台区宽度范围；

如图16和图17所示，所述的一种斜弹簧及斜弹簧超低频隔振器，其特征是，外加负载作用力的方向42与能够引起所述斜弹簧大变形的设计作用力方向44一致，可以设计成单自由度斜弹簧超低频隔振器；

如图11和图18所示，外加负载作用力的方向42与能够引起所述斜弹簧大变形的设计作用力方向44有一定夹角，可以设计多自由斜弹簧超低频隔振器；

所述的一种斜弹簧及斜弹簧超低频隔振器，其特征是，位于所述斜弹簧超低频隔振器中的斜弹簧2可以是多个串联或者并联；通过机械结构的设计实现承受压力或者拉力；

如图18所示的一种斜弹簧及斜弹簧超低频隔振器，设计成了挤压支承形式，用于支承重量，从而可以应用于建筑结构、大型设备和动力机械等的隔震和隔振；

如图19所示的一种斜弹簧及斜弹簧超低频隔振器，设计成了壁挂支承形式，用于在壁面悬挂重量，从而可以应用于车载设备的隔震和隔振等；

如图20所示的一种斜弹簧及斜弹簧超低频隔振器，设计成了拉力形式，用于悬吊重量，从而可以应用于建筑结构、大型设备和动力机械中的管线悬吊等；

如图21所示的一种斜弹簧及斜弹簧超低频隔振器，区别于图20的一种斜弹簧及斜弹簧超低频隔振器，所述斜弹簧与挤压体的接触形式有区别，其一是连续的线接触，而另一种是两点接触；设计成了挤压支承形式，用于支承重量，从而可以应用于建筑结构、大型设备和动力机械等的隔震和隔振；

如图22所示的一种斜弹簧及斜弹簧超低频隔振器，设计成了拉压联合作用的形式，主要用于动力设备的隔振等；

如图23所示的一种斜弹簧及斜弹簧超低频隔振器，设计成了挤压支承的另外一种形式，用于支承重量，从而可以应用于建筑结构、大型设备和动力机械等的隔震和隔振；

如图24和图25所示的斜弹簧及斜弹簧超低频隔振器，设计成了拉压联合作用的另外形式，主要用于动力设备的隔振等；

如图26所示的一种斜弹簧及斜弹簧超低频隔振器，设计成了挤压支承的形式，为了提高位移量，从而将三组斜弹簧通过过渡块26串联，其中的过渡块具有主要用于动力设备的隔振等；其中过渡块26可以实现图16中自由滑动的滑动板40的功能，不过此时两环形斜弹簧之间的解偶。

显然，对于同行技术人员们而言，该发明不仅仅局限于以上公布的弹簧旋向、弹簧形状，不仅仅局限于以上公布的斜弹簧超低频隔振器的结构形式，不仅仅局限于以上公布的方法和十分有限的实施例。

Claims (3)

1.一种斜弹簧及其斜弹簧超低频隔振器，涉及斜弹簧及其超低频隔振领域；

所述斜弹簧(2)，其特征是，至少在安装受力状态下，所述斜弹簧的后倾角才大于等于零；自由状态下，所述斜弹簧的后倾角并非一定大于等于零；

所述斜弹簧(2)是环形斜弹簧时，所述环形斜弹簧的一端接头(4)和另一端接头(6)借助于嵌套件(8)机械式嵌套连接，消除了接头的扭转力矩和拉力给传统焊接式环形斜弹簧(10)，尤其是减振、隔振和缓冲等领域应用的重载环形斜弹簧带来的疲劳强度等问题；所述的嵌套方法是，首先分别将环形斜弹簧的一端接头(4)的一侧(5)和另一端接头(6)的搭接侧面(7)磨成楔形，其次分别将所述契形部分搭接后嵌套上嵌套件(8)，最后，分别将暴露在嵌套件(8)两头的弹簧接头的端部I(12)和端部II(14)弯曲成型，阻止所述嵌套件(8)在变形过程中脱开；所述的嵌套件(8)是管状薄壁管或者是小螺旋弹簧(16)；

所述斜弹簧超低频隔振器(20)是由挤压体I(22)、环形斜弹簧(2)、挤压体II(24)组成；其特征是，在安装状态下，所述环形斜弹簧上带有所述嵌套件(8)的接头部分位于所述环形斜弹簧(2)的外侧，消除分别与挤压体I(22)和挤压体II(24)的干涉；在安装状态下，所述环形斜弹簧(2)的每个单圈斜弹簧分别与挤压体I(22)和挤压体II(24)单点(28)接触，以提供小的弹簧起始刚度(30)；在安装状态下，所述环形斜弹簧的每个单圈斜弹簧分别与挤压体I(22)和挤压体II(26)多点(32)接触，以提供高弹簧起始刚度(34)，增加所述斜弹簧力-位移曲线的平台区(36)的区域范围；同时，可以在所述挤压体I(22)与所属斜弹簧(2)或者在所述挤压体II(24)与所述斜弹簧(2)之间设置可以自由滑动的滑动板(40)，允许所述斜弹簧(2)因变形而窜动，提高所述斜弹簧力-位移曲线的平台区宽度范围；

所述斜弹簧(2)是非环形斜弹簧时，所述斜弹簧超低频隔振器(20)是由挤压体I(22)、非环形斜弹簧(2)、挤压体II(24)组成，其特征是，在安装状态下，所述非环形斜弹簧(2)的每个单圈斜弹簧分别与挤压体I(22)和挤压体II(24)单点(28)接触，以提供小的弹簧起始刚度(30)；在安装状态下，所述非环形斜弹簧的每个单圈斜弹簧分别与挤压体I(22)和挤压体II(26)多点(32)接触，以提供高弹簧起始刚度(34)，增加所述斜弹簧力-位移曲线的平台区(36)区域范围；同时，可以在所述挤压体I(22)与所属斜弹簧(2)或者在所述挤压体II(24)与所述斜弹簧(2)之间设置可以自由滑动的滑动板(40)，允许所述斜弹簧(2)因变形而窜动，提高所述斜弹簧力-位移曲线的平台区宽度范围。

2.根据权利要求1所述的一种斜弹簧及斜弹簧超低频隔振器，其特征是，当作用力的方向(42)与所述斜弹簧的变形位移的方向(44)一致时，可以设计成单自由度斜弹簧超低频隔振器；当作用力的方向(42)与所述斜弹簧的变形位移的方向(44)有一定夹角时，可以设计多自由斜弹簧超低频隔振器。

3.根据权利要求1所述的一种斜弹簧及斜弹簧超低频隔振器，其特征是，位于所述斜弹簧超低频隔振器中的斜弹簧(2)可以是多个串联或者并联；通过机械结构的设计实现承受压力或者拉力。

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