CN104634160B - 气压磁力弓 - Google Patents

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Abstract

气压磁力弓：利用内壁光滑的、摩擦极小的、近似真空的气缸中的活塞，所受的大气压力，和固定气缸一端，并借助软垫密封气缸的磁铁对其的吸力相加，来替代“现有弓”的机械形变产生的弹力，通过连接在活塞上的弓弦，通过滑轮，作用于箭，放箭时，利用活塞回位过程中，其与磁铁的距离越小，吸力越大的特性，使箭获得很好的加速，以提升箭的离弦速度。

Description

气压磁力弓
所属技术领域
本发明涉及一种“弓”，特指“弓”的弹力为大气压力与磁铁吸力合力的“弓”。
背景技术
目前，现有弓，不论是反曲弓、直拉弓还是复合弓，其弹力，都是由弓片的机械形变产生的，形变越大，弹力就越大。但在放箭时，弓片是回位过程，形变越来越小，所以，作用于弦的拉力就越来越小，随着弦的夹角(弓弦中点处的夹角)变大，力的合成效果，作用于箭的力，就迅速减小，所以加速箭的效果就差，这是由机械形变的特性和材料特性决定的。所以，箭离弦的初速不够理想——奥运弓箭比赛项目中，箭速约为60m/s，若，人手拿只箭，以拉满弓时的力，刺上任何野兽，都可以刺进其骨头。
发明内容
利用大气压力与磁力的结合替代弓的机械形变产生的弹力，即改变“现有弓”的弹力产生方法，使其在放箭回位过程中，提供给弓弦的拉力越来越大，改善箭在离弦之前的加速过程，提高箭速。
技术方案
一、气压磁力弓的零部件注释
1、弓把：用轻质、具有一定强度、硬度的材料制作，碳纤维，或者合金铝均可，形状，趋于美观设计，其中央部分有箭台，手柄，两边有：气缸固定基座、气缸固定夹、定滑轮的基座。
2、气缸：用改性的POM树脂制作，其摩擦系数极小，耐磨、自润滑、几何稳定性好；形状，内壁光滑圆筒形，气缸一端外有凸块，叫气缸的前端，用于固定磁铁和密封，另外一端叫开口端或后端。
3、气缸前盖：用改性的POM树脂制作或者用合金铝制作。形状，为圆柱桶状，内壁有凹槽，与气缸前端的凸块相合，内半径等于气缸的外半径，凹槽深度等于气缸凸块的高度。气缸前盖壁厚4mm。
4、弓弦：用柔软，韧性好，抗拉的复合材料制作，形状，绳状。
5、限位夹：弹簧钢制作，形状，槽状。
6、定滑轮：用改性的POM树脂制作，轴，钢制作，螺丝状，中间无螺纹，且光滑。
7、动滑轮：用改性的POM树脂制作，半径小于气缸内半径，轴，钢制作，两端带有卡簧。
8、活塞：能被磁铁吸住材料制作，形状，镂空圆柱桶状，柱壁厚2mm，底厚2mm，外柱面致密且光滑，其外径大小与气缸内径相配，活塞柱体高度与其柱体的外半径相等，桶把，为动滑轮轴承的基座。
9、磁铁：为永久强磁铁，轴向充磁，形状，为两个半径相差气缸壁厚的圆筒同轴贴面熔合，大圆筒的外半径与气缸的外半径相等，小圆筒的外半径与气缸的内半径相等，大小圆筒的内半径相等，磁铁总高大于16mm，小于30mm，大小圆筒体的高度可以相等。
10、密封垫圈：用有弹性的软胶材料制作，形状，圆筒形，内半径等于气缸内半径，外半径等于气缸外半径，高度大于3mm。
11、防撞弹性胶棒：用有弹性的软胶材料制作，形状，旋转“T”形，小的柱体半径等于磁铁的内半径，高度大于磁铁的厚度。
12、拉力调节螺丝：三部分组成，①、套弦螺杆，由弹簧钢制作，中空，内直径弱大于弓弦直径；②、固弦螺母，由不锈钢制作；③、调节螺母，由不锈钢制作。
13、限位螺丝：两部分组成，①、限位螺杆，由有弹性的，改性的有机材料制作，中空，内直径等于弓弦直径，②、限位螺母，由不锈钢制作。
二、气压磁力弓的零部件的位置关系
气压磁力弓的两边是以弓把中点的镜像对称结构；两个气缸通过弓把上的气缸固定基座和气缸固定夹、固定在弓把的两边，气缸中带动滑轮的活塞的底面朝着气缸的前端，气缸前盖借助凹槽和气缸凸块及气缸壁，把套着密封软垫的磁铁和防撞弹性胶棒，固定在气缸的前端，并密封气缸，活塞与磁铁之间是真空，弓弦绕过装在弓把两边后端的两个限位夹和两个定滑轮，从两气缸的后端进入，绕过两个连在活塞上的动滑轮，再从两气缸后端出来，弓弦两端紧固着拉力调节螺丝，拉力调节螺丝置于气缸固定基座上的小孔上。两个限位螺丝靠着限位夹，紧固在弓弦上，气缸中动滑轮两边的弓弦与汽缸壁平行、不接触。
三、气压磁力弓的工作描述
开弓时，把弓弦向后拉，弓弦经过定滑轮、动滑轮，拉动活塞向气缸的后端移动，活塞离固定在气缸前端的磁铁，越来越远，活塞受到磁铁的吸力迅速减小；虽然活塞与磁铁之间的空间变大，但活塞受到的大气压力几乎不变；活塞受到的磁铁的吸力和大气压力，方向相同，即气缸的中心轴，指向磁铁，所以活塞受到这两个力的合力大小等于这两个力在数值上相加。放箭时，活塞在这两个力的作用下，迅速向气缸的前端移动，随着活塞与磁铁越来越近，活塞受到磁铁的吸力就越来越大，活塞传给弓弦的力就越来越大,活塞拉动弓弦向前推进。
四、原理
1、大气压力，活塞受到的气体压力，应该等于活塞两边的气体压力差，因活塞与磁铁之间为真空，或近似真空，则不论活塞与磁铁的距离是多少，这个密封的空间对活塞的压力可以忽略，即为零，所以活塞所受的气体压力就等于大气压强乘以活塞底面面积。为一常数。
2、磁铁的吸力，与其距离的平方成反比，原因是：永久磁铁周围的磁感应强度B与其离磁铁的距离的平方成反比，严格地说，这只适合真空中磁单极子的磁铁。实际中有型磁铁的吸力与磁铁的形状，被吸物体的形状和材质、它们之间的位置及周围的介质都有关系。但总的趋势仍然是，距离越小，吸力越大。
3、气缸中活塞的动滑轮及弓把两边后端的定滑轮，动滑轮具有杠杆作用，所以动滑轮一边的弓弦所受的拉力，是活塞所受的拉力的1/2，连着定滑轮这边的弓弦，移动的速度却是活塞移动速度的2倍；连接在弓把两边后端的定滑轮，则改变了弓弦传递拉力的方向。
4、成夹角弓弦的合力，符合矢量合成法则。
五、本发明的有益效果是：放箭时，活塞传递给弓弦的拉力越来越大，所以能使箭获得很好的加速，与“现有弓”相比，在拉满弓时，同等的拉力作用下，提升了箭的速度。
附图说明
本说明书所有图片由3DMAX软件制作，立体感强，利于辨识各零部件的外形、区别、和衔接。气压磁力弓的两边是以弓把的中点的镜像对称结构，相同的零部件用同一编号标记，从图1至图6，清楚地显示了气压磁力弓的外观，各零部件的衔接。
图1是“气压磁力弓的透视图”。
图2是“弓把、定滑轮、限位夹、握木的透视图”，附图标记：1.弓把，1a.箭台，1b.定滑轮轴座，1c.气缸固定基座，1d.气缸固定夹，1dg.气缸固定螺杆，1dm.气缸固定螺母；5.限位夹，5g.限位夹固定螺杆，5m.限位夹固定螺母；6.定滑轮，6g.定滑轮轴承螺杆，6m.定滑轮轴承螺帽；17.握木。
图3是“气压磁力弓的拉力源器件透视图”，附图标记：2.气缸，2a.气缸凸块，3.气缸前盖；4.弓弦；7.动滑轮；7g.动滑轮轴承，7k.轴承卡簧；8.活塞；9.强力磁铁；10.密封垫圈；11.防撞弹性胶棒。
图4是“气压磁力弓的顶视图”，附图标记：1.弓把；2.气缸；3.气缸前盖；5.限位夹；7.动滑轮；8.活塞；9.强力磁铁；10.密封垫圈；11.防撞弹性胶棒；12.拉力调节螺丝；13.限位螺丝。
图5是“气缸前端结构的顶视图”，附图标记：2.气缸；3.气缸前盖；7.动滑轮；8.活塞；9.强力磁铁；10.密封垫圈；11.防撞弹性胶棒。
图6是“限位螺丝、拉力调节螺丝的透视图”，附图标记：4.弓弦，12g.套弦螺杆，12m.固弦螺母，12M.调节螺母，13g.限位螺杆，13m.限位螺母。
图7是“气压磁力弓的工作原理示意顶视图”，附图标记：在图7的框图1中，W为开弓前弓弦的中点。在图7的框图2中，XY为轴距，Z为两活塞与两磁铁同时相距D时的W位置，A为弓弦夹角，在三角形XYZ中，ZX、ZY表示弦长，ZW表示拉距。在图7的框图3中，Z′是拉满弓时W的位置，图中X′Y′为轴距，等于框图2中的XY，A′是拉满弓时的弓弦夹角；
具体实施方式
一、附图的简略说明
图1是气压磁力弓的透视图，目的：先对气压磁力弓的外形结构有个了解，便于对后续图形有更准确的理解。
图2是弓把、定滑轮、限位夹、握木的透视图，弓把(1)两边为对称结构，图2只标注了弓把(1)的左边。气缸固定基座(1c)上有一小孔，用于放置拉力调节套弦螺杆(12g)，且气缸固定基座(1c)前端的内径等于气缸(2)的外径，后端的内径等于气缸(2)的内径，这样能阻止气缸(2)向后端滑出；定滑轮(6)通过定滑轮轴承螺杆(6g)和定滑轮轴承螺帽(6m)被安置在弓把(1)后端的定滑轮轴座(1b)上；限位夹(5)通过限位夹固定螺杆(5g)和限位夹固定螺母(5m)以及定滑轮轴承螺杆(6g)和定滑轮轴承螺帽(6m)被固定在弓把(1)的后端；握木(17)处即弓把的手柄。
图3是气压磁力弓的拉力源器件透视图：气缸(2)前端有凸块(2a)；气缸前盖(3)，内有凹槽，与气缸(2)前端凸块(2a)配套，把磁铁(9)、密封垫圈(10)和防撞弹性胶棒(11)，固定在气缸(2)的前端，并密封气缸(2)前端；动滑轮(7)是通过动滑轮轴承(7g)和动滑轮轴承卡簧(7k)与活塞(8)相连的；防撞弹性胶棒(11)的作用是弓弦崩断时，缓冲活塞的冲击，保护磁铁；气缸(2)通过气缸固定基座(1c)和气缸固定夹(1d)以及气缸固定螺杆(1dg)和气缸固定螺母(1dm)被固定在弓把(1)的两边。气缸(2)的内经大小根据所需拉力大小决定，壁厚根据材料的强度决定，一般大于2mm以上，气缸(2)长度主要由弓的轴距和拉距决定。
图5是气压磁力弓的顶视图图4的左上角的放大图，清楚地显示了图3中的气缸(2)，气缸前盖(3)，弓弦(4)，动滑轮(7)，动滑轮轴承(7g)，动滑轮轴承卡簧(7k)，活塞(8)，强力磁铁(9)，密封垫圈(10)，防撞弹性胶棒(11)的位置关系。
图6是限位螺丝、拉力调节螺丝透视图：限位螺丝(13)、拉力调节螺丝(12)各两套。拉力调节螺丝(12)由三部分组成，即套弦螺杆(12g)，长约为3-4cm，置于气缸固定基座(1c)上的小孔上，固弦螺母(12m)，调节螺母(12M)组成，当固弦螺母(12m)拧上套着弓弦的套弦螺杆(12g)被四分的一端时，四瓣即向套弦螺杆(12g)的中心挤压，而卡紧弓弦，从而把套弦螺杆(12g)固定在弓弦的端头，调节螺母(12M)拧在套弦螺杆(12g)上，套弦螺杆可以伸入气缸固定基座(1c)上的小孔中，顺时或者逆时拧转调节螺母(12M)，可将卡着弓弦的套弦螺杆(12g)拉出或者送入气缸固定基座(1c)上的小孔中，即借助限位夹(5)、限位螺丝(13)和气缸固定基座(1c)，拧转调节螺母(12M)就可以改变气缸(2)中的弓弦(4)的有效长度，即可改变活塞(8)与磁铁(9)的距离，即改变了磁铁(9)对活塞(8)的吸力大小，即拉力大小得到调节，目的，通过微调，可是使弓把(1)两边的拉力平衡。两个限位螺丝(13)紧固在弓弦上，分别紧靠固定在弓把(1)两边后端的限位夹(5)，位于弓的内侧，限位螺丝(13)由两部分组成，即限位螺杆(13g)和限位螺母(13m)组成，限位螺母(13m)拧上限位螺杆(13g)，就可以使限位螺杆(13g)紧固在弓弦上，其作用：借助限位夹(5)和拉力调节螺丝(12)，控制气缸(2)中的弓弦长度，使弓把(1)两边的拉力平衡。
图7是气压磁力弓的工作原理示意顶视图，从中可以看出，框1图→框2图→框3图，就是开弓的过程，反之，框3图→框2图→框1图，就是放箭的过程。设图7中的框图2是开弓或者放箭的某一个时刻，即活塞(8)与磁铁(9)相距D的时刻。
二、组装步骤
1、先在弓把(1)两边装好气缸(2)、定滑轮(6)、限位夹(5)；在气缸(2)外，把动滑轮(7)装到活塞(8)上。
2、①、标记弓弦(4)，分三段，使中间一段等于两个限位夹(5)之间的距离，余下两段长度相等；②、在弓弦(4)上，按正确方向和顺序套上两个限位螺丝(13)即限位螺杆(13g)的大头朝上限位夹(5)且暂时不紧固螺丝；③、找根线或者绳，接长弓弦，接头不能太粗，能穿过动滑轮为宜。
3、①、将接长的弓弦(4)的两端从固定在弓把(1)上的两气缸(2)的后端穿入，从气缸(2)的前端拉出；②、在气缸(2)前端的旁边，将接长的弓弦(4)绕过连接在活塞(8)上的两个动滑轮(7)，再从气缸前端穿入，从气缸固定基座(1c)的小孔中穿出。
4、①、将带有密封垫圈(10)、防撞弹性胶棒(11)的磁铁(9)吸住活塞(8)(磁铁的后端吸着活塞的底面，且同轴)；②、把被磁铁(9)吸着的活塞(8)连同弓弦(4)一起，从气缸(2)的前端慢慢送入，同时在气缸(2)后端配合着拉弓弦(4)。
5、在气缸(2)前端合上气缸前盖(3)，固定磁铁(9)，密封气缸(2)前端，由于气缸前盖(3)的压力，防撞弹性胶棒(11)会把活塞(8)从磁铁(9)的后表面挤离一点，活塞(8)与磁铁(9)之间的空隙，空气含量极小，近似真空。
6、①、调整弓弦(4)的位置，去掉接长的线或者绳，然后在弓弦(4)的两端装上拉力调节螺丝(12)；②、限位螺杆(13g)的大头顶端沿着弓弦(4)的标记，拧上限位螺母(13m)，紧固；③、再调节拉力调节螺丝(12)使活塞(8)底面与磁铁(9)的后表面相距1-2cm，且弓把(1)两边拉力平衡，即成。
三、气压磁力弓对箭的加速效果论证
以图7中的框图2为例，活塞(8)与磁铁(9)相距D，设活塞(8)与气缸(2)无摩擦，无运动，即静态时，弓弦的合力分析。
设活塞的底面面积为S，大气压强为P，磁铁的底面(对着活塞底面的那一面)的平均磁场强度为B。设活塞所受的大气压力为FP，FP＝PS，在同一个海拔高度上，FP为一常数。
设磁铁对活塞吸力为FD，其中D为活塞离磁铁的距离，K为一常数，与被吸的活塞形状和材质及两活塞周围的介质都有关；要使此公式有实际意义，D只能取值不能太小，因为有标准形状的磁铁，靠近磁铁的区域，磁力线的分布受其外部形状影响很大，
因气压磁力弓的弹力源为对称结构，在三角形XYZ中，ZX＝2D+XW＝ZY；XW在此是一个常数，设为35cm。则
设表示弓弦ZX、ZY所受到的活塞拉力，为弓弦Z处的合力，则
因为
则
据上述公式，取D几个值进行合力结果比较。如下表
D F′
20 PS×8.84×10-1+KSB×2.21×10-3
10 PS×7.71×10-1+KSB×7.71×10-3
5 PS×6.28×10-1+KSB×2.51×10-2
从表中可以得出
①、作用于活塞的恒定大气压力随着D的减少，弓弦的夹角变大，作用于箭的力在减小，这是成夹角两个力合成的原理决定的，但这也优于“现有弓”的机械形变的弹力源。在“现有弓”的弓片回位过程中，随着弓片的形变减小，弓片对弓弦的拉力就迅速减少了，而气压磁力弓的活塞在回位过程中，所受的大气压力几乎恒定，对弓弦的拉力也几乎恒定。
②、作用于活塞的磁铁吸力随着D的减少，弓弦的夹角变大，作用于箭的力还在增大，是因为磁铁的吸力，与其距离的平方成反比的结果。
综上所述，气压磁力弓，对箭的加速有极大的改善。

Claims (3)

1.一种气压磁力弓，利用大气压力，与磁铁的吸力相加，来替代“现有弓”的机械形变产生的弹力，其特征是：利用内壁光滑的、摩擦极小的近似真空的气缸中的活塞，所受的大气压力，和固定气缸一端，并借助软垫密封气缸的磁铁对活塞的吸力相加，通过连接在活塞上的弓弦，通过滑轮，作用于箭，放箭时，利用活塞回位过程中，活塞与磁铁的距离越小，吸力越大的特性，使箭活得很好的加速，以提升箭的离弦速度。
2.根据权利要求1所述的气压磁力弓，其特征是：活塞同时受到大气压力和磁铁的吸力。
3.根据权利要求1所述的气压磁力弓，其特征是：弓弦与活塞的连接，是通过连接在活塞上的动滑轮。
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