CN104895985B - 一种仿羊腿关节减振关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿羊腿关节减振关节，包括关节轴、上关节杆、下关节杆、扭簧、凹轴套和凸轴套，凹轴套与凸轴套斜面相对抵接并套接在关节轴上，凹轴套外端与上关节杆螺钉连接，凸轴套外端与下关节杆螺钉连接，扭簧缠绕在凹凸轴套外周且扭簧两端分别与上关节杆和下关节杆螺钉连接，上关节杆和下关节杆分别通过圆柱滚子轴承与关节轴连接，圆柱滚子轴承外圈与上、下关节杆过盈配合，圆柱滚子轴承内圈与关节轴间隙配合；上关节杆和下关节杆外侧均设有限位组件。本发明提取山羊四肢骨骼肌肉模型的关节，模拟、简化后得到一种仿羊腿关节减振关节，该仿生减振关节结构简明、易于加工，可应用于各领域平台支架，实现隔振减振效果。

Description

一种仿羊腿关节减振关节

技术领域

本发明涉及减振装置设计领域。特别涉及仿生减振关节研究。可用于动载设备台架、病床、火车座椅、讲台课桌等军用和民用领域，实现隔振减振效果。

背景技术

振动，普遍存在于人们的日常生活中。桌、椅、床、柜、台架等生产、日用必需品，通常会受到地面及周围环境影响产生振动，该振动对使用者或承载物会产生有害影响，如固体倾倒、液体溢出、睡眠质量下降等。随着科技的日新月异和经济的飞速发展，人们对生活质量的要求快速提升，简单、有效、可推广的新型减振装置前景广阔。减振技术可分为主动减振和被动减振。主动减振因包含主动控制环节，需要能量输入，暂不适合日用推广。被动减振通过弹性元件和阻尼元件控制振动能量，结构简单，适合低精度领域的推广使用。目前，被动减振装置种类繁多、形状各异、应用高度定制化，通用性和推广性有待提高。

生物，经过亿万年的优胜劣汰，如今已进化成为对环境具备超级适应性的、各具特色的生命体。各种生物特性各异，值得人们学习、借鉴。山羊等四足动物在受到不同外部冲击扰动时，通过四肢各关节的协调，能够快速调整姿态、动作，吸收冲击、消化扰动、保持平稳。该特性为减振装置的研发提供了借鉴。

因此，基于山羊等四足动物运动四肢关节减振特性，仿生发明一种通用型的可调减振关节，将较大程度上提高减振效果。

发明内容

为设计简单、可靠、通用性高的新型被动减振装置，本发明提取山羊四肢骨骼肌肉模型的关节，模拟、简化后得到一种仿羊腿关节减振关节，该仿生减振关节结构简明、易于加工，可应用于各领域平台支架，实现隔振减振效果。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种仿羊腿关节减振关节，包括关节轴、上关节杆、下关节杆、扭簧、凹轴套和凸轴套，凹轴套和凸轴套套接在关节轴上且凹轴套与凸轴套的斜面紧密贴合，凹轴套外端与上关节杆螺钉连接，凸轴套外端与下关节杆螺钉连接，扭簧缠绕在凹凸轴套外周且扭簧两端分别与上关节杆和下关节杆螺钉连接，上关节杆和下关节杆分别通过圆柱滚子轴承与关节轴连接，圆柱滚子轴承外圈与上、下关节杆过盈配合，圆柱滚子轴承内圈与关节轴间隙配合；上关节杆和下关节杆外侧均设有限位组件。

所述的一种仿羊腿关节减振关节，其中，上关节杆、下关节杆与其对应的限位组件之间均设有垫片。

所述的一种仿羊腿关节减振关节，其中，限位组件包括端盖、推力球轴承，端盖固定连接在其对应的关节杆外端，推力球轴承与关节轴连接并位于端盖外侧，推力球轴承通过连接在关节轴两螺纹端上的螺母压紧。

所述的一种仿羊腿关节减振关节还包括两个防尘盖，两个防尘盖分别罩住关节轴两端限位组件并与对应的端盖螺纹连接。

所述的一种仿羊腿关节减振关节，其中，凹轴套与凸轴套的接触面上喷涂有摩擦材料。

所述的一种仿羊腿关节减振关节，其中，凹轴套与凸轴套的接触面的倾角≤90°。

本发明的有益效果：本发明的上关节杆7用于连接上平台、精密仪器等减振保护单元，下关节杆12连接承重脚和地面。当地面冲击或者上平台机械工作振动时，该关节可以进行振动削弱，甚至隔离振动的传递。当地面振动时，冲击力和振型函数经由承重脚和下关节杆12进行传递至关节轴18和扭簧10，在扭簧10的弹性变形和凹轴套8、凸轴套11之间接触面的摩擦阻尼作用下，冲击力和振型函数振幅大幅削弱，剩余振型函数再传递到上平台，相比地面振型函数，剩余振型函数振幅得到有效衰减，从而在一定程度上，保护了上平台精密仪器的安全。反之，当上平台机械工作振动时，振型函数经过上平台传递至扭簧10和凹轴套8、凸轴套11之间接触面时，也由于扭簧10弹性变形和摩擦阻尼进行大幅削弱，最终传递至地面时，其振型函数相比初始振型函数，振幅得到有效削弱，从而降低了由振动造成的噪音以及振动产生的其他影响和隐患。

附图说明

图1为本发明仿羊腿关节减振关节的结构示意图；

图2为本发明仿羊腿关节减振关节的剖视图；

图3为本发明仿羊腿关节减振关节的凸轴套结构示意图；

图4为本发明仿羊腿关节减振关节的凹凸轴套接触面受力示意图。

图中：1-左防尘盖，2-左六角法兰面螺母，3-左推力球轴承，4-左端盖，5-左圆柱滚子轴承，6-无头螺钉，7-上关节杆，8-凹轴套，9-内六角圆柱头螺钉，10-扭簧，11-凸轴套，12-下关节杆，13-右圆柱滚子轴承，14-右端盖，15-右推力球轴承，16-右六角法兰面螺母，17-右防尘盖，18-关节轴。

具体实施方式

本专利描述了一种基于羊四肢关节生物模型而发明设计的仿羊腿关节减振关节，其中储能作用的扭簧10等效为羊四肢的肌肉模型，凹轴套8和凸轴套11接触面的摩擦阻尼等效为羊腿关节腔中的摩擦阻尼模型。基于羊四肢关节的减振特性，本发明仿生关节也具备隔振减振特性。

本发明一种仿羊腿关节减振关节的主要组成部件有：上关节杆7、下关节杆12、关节轴18、扭簧10、凸轴套11，凹轴套8，无头螺钉6左端盖4、右端盖14，左防尘盖1、右防尘盖17，左标准六角法兰面螺母2、右标准六角法兰面螺母16，左标准推力球轴承3、右标准推力球轴承15，左标准圆柱滚子轴承5、右标准圆柱滚子轴承13，标准内六角圆柱头螺钉9，无头螺钉6。凹轴套8与凸轴套11的斜面紧密贴合，且凹轴套8与凸轴套11套接在关节轴18上，凹轴套8外(左)端通过标准内六角圆柱头螺钉9与上关节杆7固定连接，凸轴套11外(右)端通过标准内六角圆柱头螺钉9与下关节杆12固定连接，扭簧10缠绕在凹凸轴套外周且扭簧10两端分别通过无头螺钉6与上关节杆7和下关节杆12连接。该仿羊腿关节减振关节在结构上是对称布置的，为表示它们装配关系，选取左侧结构进行说明：上关节杆7与关节轴18间装配有左标准圆柱滚子轴承5，关节轴18和左标准圆柱滚子轴承5内圈间需要传递力且为便于拆装，因此采用间隙配合，左标准圆柱滚子轴承5的外圈和上关节杆7采用过盈配合，不需经常拆卸。左端盖4和上关节杆7外(左)端面之间适量添加垫片，左推力球轴承3和左端盖4紧密贴合。紧压着左推力球轴承3的左六角法兰面螺母2拧紧在关节轴18左端螺纹端，左六角法兰面螺母2对左推力球轴承3的推力可以通过改变左六角法兰面螺母2的预紧力实现，该推力经由左端盖4和上关节杆7、传递至凹轴套8和凸轴套11的接触面上，通过改变该力，即可改变凹轴套8和凸轴套11之间的正压力，从而改变凹轴套8和凸轴套11之间的摩擦力，进而产生不同的摩擦阻尼效果。左防尘盖1和左端盖4之间是螺纹连接。

本发明的减振原理是：弹簧和阻尼并联减振原理，其中扭簧10承担了储能作用，在运动过程中，先吸能再释放能量，并不断循环该过程，总体上并不消耗能量。其中的阻尼承担了耗能作用，也就是凹轴套8与凸轴套11之间接触面的摩擦阻尼，在该接触面喷涂不同的摩擦材料，可以改变摩擦系数，由f＝μN知，改变摩擦系数μ，摩擦力f改变，相应的摩擦阻尼值也改变。同时更改其中的正压力N也能改变摩擦力，其中的正压力N是预紧力F的分力，这个预紧力由左标准六角法兰面螺母2决定，同时正压力大小N＝Fsinθ，其中θ为凹轴套8和凸轴套11接触面的斜面倾角，θ≤90°，调整斜面倾角θ，也可以改变摩擦力。终上所述，通过改变倾角θ，改变预紧力F和摩擦系数μ三种方式可以改变阻尼大小，实现耗能减振效果的可调。

本发明的工作过程：上关节杆7连接上平台或者其他连接部件，下关节杆12连接承重脚或者其他部件。由于该结构起上下支持力的作用，当发生力的变化时，关节轴处便产生扭矩，扭矩驱使扭簧10变形，扭簧10进行储能，同时由于凹轴套8和凸轴套11接触表面摩擦阻尼作用，摩擦面进行能量转化，将动能转化为热能。通过扭簧10和摩擦阻尼的共同作用，动能大幅削弱，振动函数也大幅削弱，从而该关节具有减振特性。

装配时先将上关节杆7和凹轴套8进行配合安装，然后再安装左圆柱滚子轴承5在上关节杆7上，然后再将关节轴18穿过左圆柱滚子轴承5进行配合安装，然后便安装左端盖4和左推力球轴承3，同理另外一边也是先将下关节杆12、右圆柱滚子轴承13和凸轴套11配合安装，然后在将它们联合扭簧10装配在之前一端的关节轴18上，并让凹轴套8和凸轴套11的摩擦面进行贴合，然后再装左端盖4、右端盖14、左推力球轴承3和右推力球轴承15，最后进行左六角法兰面螺母2和右六角法兰面螺母16紧定安装，设定初始预紧力，然后再将左防尘盖1、右防尘盖17旋转安装至两端，最后将扭簧10两端用无头螺钉6进行初始定位，至此装配结束。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种仿羊腿关节减振关节，其特征在于，包括关节轴、上关节杆、下关节杆、扭簧、凹轴套和凸轴套，凹轴套和凸轴套套接在关节轴上且凹轴套与凸轴套的斜面紧密贴合，凹轴套外端与上关节杆螺钉连接，凸轴套外端与下关节杆螺钉连接，扭簧缠绕在凹、凸轴套外周且扭簧两端分别与上关节杆和下关节杆螺钉连接，上关节杆和下关节杆分别通过圆柱滚子轴承与关节轴连接，圆柱滚子轴承外圈与上、下关节杆过盈配合，圆柱滚子轴承内圈与关节轴间隙配合；上关节杆和下关节杆外侧均设有限位组件。

2.按照权利要求1所述的一种仿羊腿关节减振关节，其特征在于，所述上关节杆、下关节杆与其对应的限位组件之间均设有垫片。

3.按照权利要求1所述的一种仿羊腿关节减振关节，其特征在于，所述限位组件包括端盖、推力球轴承，端盖固定连接在其对应的关节杆外端，推力球轴承与关节轴连接并位于端盖外侧，推力球轴承通过连接在关节轴两螺纹端上的螺母压紧。

4.按照权利要求3所述的一种仿羊腿关节减振关节，其特征在于，该仿羊腿关节减振关节还包括两个防尘盖，两个防尘盖分别罩住关节轴两端限位组件并与对应的端盖螺纹连接。

5.按照权利要求1所述的一种仿羊腿关节减振关节，其特征在于，所述凹轴套与凸轴套的接触面上喷涂有摩擦材料。

6.按照权利要求1所述的一种仿羊腿关节减振关节，其特征在于，所述凹轴套与凸轴套的接触面的倾角≤90°。