CN105485281A - 一种非线性凸轮弹簧组合机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非线性凸轮弹簧组合机构，属于机械结构设计技术领域，该机构包括非线性凸轮，与该非线性凸轮相连的线性弹簧和用于输出外力绕过非线性凸轮的绳子，所述的非线性凸轮采用多圈螺旋结构，该多圈螺旋的轮廓线轨迹为根据应用需求提出的力——位移曲线经由数学方法求出。本发明能够利用自主设计的凸轮与现有的线性弹簧实现任意目标力——位移曲线，本机构具有结构简单，适应性强，刚度调节范围大的特点，具有很强的工程实用性。

Description

一种非线性凸轮弹簧组合机构

技术领域

本发明属于机械结构设计技术领域，涉及一种可以实现任意力—位移曲线的凸轮弹簧组合机构，特别是机构中凸轮与弹簧的组合方式与凸轮的设计方法。

背景技术

普通螺旋弹簧或平面涡卷弹簧为线性弹簧，即弹簧输出的拉力/力矩与弹簧拉伸长度/转角成正比，其变形越大，输出的力/力矩越大。而在很多工程应用中需要弹簧变形增大时整个系统输出的力(力矩)变小，或者呈现出满足预定需求的变化过程。传统的正比例弹簧及其组合机构刚度固定难以变化，对于复杂的实际工况缺乏适应性。而在某些特定工况，如应用于卫星的桁架式天线展开机构中，系统展开过程中输入能量先高后低，利用现有的正刚度弹簧机构助力展开会造成很大的能量损失，而非线性弹簧则能更好的满足需求。

中国专利文献“申请号：20061015092.1”公开了一种非线性压杆弹簧装置，利用压杆失稳前后的独特力学性质，将压杆作为弹性器件，构建出了一种高承载能力低固有频率的弹簧机构，主要应用于低频环境的隔震减震装置。该装置结构主要由压杆决定，占据空间大，可以实现动静刚度的变化，但变化范围较小，缺乏设计性和针对性。

发明内容

本发明为克服正比例弹簧系统在工程应用中的众多不足，以及负刚度实现困难，设计缺乏针对性的问题，提出一种非线性凸轮弹簧组合机构。本发明利用了设计外轮廓的凸轮与普通正比例弹簧的组合机构，能够实现特定要求的力—位移曲线，具有结构简单、适应性强，刚度调节范围大的特点。

本发明提出的一种非线性凸轮弹簧组合机构，其特征在于，该机构包括非线性凸轮，与该非线性凸轮相连的线性弹簧和用于输出外力绕过非线性凸轮的绳子，所述的非线性凸轮采用多圈螺旋结构，该多圈螺旋的轮廓线轨迹为根据应用需求提出的力—位移曲线经由数学方法求出。

上述机构的一种具体结构包括固定框架，该固定框架由上下横梁和连接上下横梁一端的侧梁，设置在上下横梁上的两个转动轴承，以及在下梁上固定的一固定柱组成；所述线性弹簧为正比例的平面涡卷弹簧，所述非线性凸轮由多圈螺旋本体，连接在本体上下两端的上下轴组成；该本体下端底面设有用于嵌入平面涡卷弹簧的凹槽，该平面涡卷弹簧的中心端固定在凸轮的下轴上，外侧端固定于框架的固定柱上；该非线性凸轮的上、下轴分别与该框架的上下横梁的两个转动轴承相配合转动；所述绳子从上至下缠绕于螺旋本体沟槽内并固定于本体底部，工作时绳子上端沿沟槽拉伸用于外力输出。

上述机构的另一种具体结构包括固定框架，该固定框架由上下横梁和连接上下横梁一端的侧梁，分别设置在上下横梁上的上下转动轴承，与下转动轴承相动的匹配轴和与匹配轴相连的绕线轴组成；所述线性弹簧由正比例的线性螺旋拉伸弹簧、连接拉伸弹簧一端的连接线组成；该连接线另一端固定在绕线轴上；所述非线性凸轮由多圈螺旋本体，连接在本体上下两端的上下轴组成；该下轴与绕线轴相配合转动，该上轴与上转动轴承相配合转动；所述绳子从上至下缠绕于螺旋本体沟槽内并固定于本体底部，工作时，线性螺旋拉伸弹簧的一端固定，绳子上端沿沟槽拉伸用于外力输出。

本发明的有益效果是：

本发明提出的一种凸轮弹簧组合机构，在满足实际需要的众多约束条件下，凸轮可以根据具体应用需要设计，与现有的普通线性弹簧组合可实现任意给定的目标力—位移曲线，外力通过绳子输出，凸轮半径大小的变化改变力臂大小以调节输出力。

本非线性凸轮弹簧组合机构具有结构简单、适应性强，刚度调节范围大的特点。

本非线性凸轮弹簧组合机构可用于常力、负刚度弹簧设计，空间网状天线展开，减振隔震等领域。

附图说明

图1是本发明的非线性凸轮弹簧组合机构实施例1结构示意图。

图2是本实施例中根据应用需求设定的目标力—位移曲线。

图3是本实施例的凸轮设计原理图。

图4是本发明的非线性凸轮弹簧组合机构实施例2结构示意图。

具体实施方式

本发明提出的一种非线性凸轮弹簧组合机构结合附图及实施例进一步说明如下：

本发明提出的一种非线性凸轮弹簧组合机构，其特征在于，该机构包括非线性凸轮，与该非线性凸轮相连的线性弹簧和用于输出外力绕过非线性凸轮的绳子，所述的非线性凸轮采用多圈螺旋结构，该多圈螺旋的轮廓线轨迹为根据应用需求提出的力—位移曲线经由数学方法求出，所述线性弹簧为传统的正比例弹簧中的线性拉簧或平面涡卷弹簧。

实施例1

本发明的凸轮弹簧组合机构实施例1的结构如图1所示，该机构包括固定框架0、框架上伸出的固定柱01、用于输出力的绳子10、嵌入框架中的轴承11、线性平面涡卷弹簧12及多圈螺旋结构的非线性凸轮。该非线性凸轮由多圈螺旋本体13及该本体两端伸出的上轴14、下轴15、本体的螺旋沟槽16和本体下端用于嵌入平面涡卷弹簧的凹槽17组成，其中该凸轮本体的螺旋沟槽的轮廓线轨迹为根据应用需求的力—位移曲线所计算出的轨迹，绳子10从上至下缠绕于凸轮沟槽16内并固定于本体底部，工作时输出力的绳子10另一端沿沟槽拉伸用于外力输出。固定框架0由上下横梁和连接上下横梁一端的侧梁组成，下梁上伸出的固定柱01与平面涡卷弹簧外端相连。在该框架0的上下横梁设有两个转动轴承11，该非线性凸轮的上、下轴分别与上下轴承11相配合转动；平面涡卷弹簧12嵌入非线性凸轮本体下端的凹槽16内，平面涡卷弹簧12的中心端固定在凸轮的下轴15上，外侧端固定于框架0的固定柱01上。

本实施例的非线性凸轮1具体结构说明如下：应用需求的力—位移曲线如图2所示，其中外力总行程d为650mm，最大外力25N，对应行程0-200mm，最小外力10N，对应行程450-650mm，中间部分的曲线由step函数给出；并要求凸轮的向径大小控制在5mm～25mm，凸轮工作圈数9圈，平面涡卷弹簧预紧圈数少于10圈。根据给出曲线计算凸轮沟槽轮廓线的原理如图3所示。在极坐标下，轨迹记做r(θ)，平面涡卷弹簧刚度为k_θ。图中虚线表示初始位置，输出外力的绳子与凸轮本体的接触点为P₁，极角为θ₀；实线表示凸轮本体顺时针转过角度α，绳子10与凸轮本体的接触点为P₂，极角为θ。拉力F沿竖直向下沿曲线切向，向径r与切向方向夹角的补角φ由凸轮轨迹的几何要素唯一确定。同时可以得到α＝θ-φ，在初始位置，转角α₀＝0，则φ₀＝θ₀。而旋转过程中外力的位移x由释放的凸轮弧长和切点位置在竖直方向上的高度差两部分决定，

$x\left(\mathrm{\θ}\right)={\∫}_{{\mathrm{\θ}}_0}^{\mathrm{\θ}}\sqrt{r^2+r^{\′2}}d\mathrm{\θ}+rcos\mathrm{\φ}-r_0{\mathrm{cos\φ}}_0---\left(1\right)$

进而，绳子10的输出拉力F可由下式决定

$F\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{M_0+k_{\mathrm{\θ}}\mathrm{\α}}{r\sin \mathrm{\φ}}---\left(2\right)$

凸轮本体轮廓外凸是该弹簧机构能够正常工作的基本条件，等价于轮廓曲线r(θ)的空间曲率恒为正。本实施例采用单元划分和构建最优解函数的思想计算凸轮轮廓线，将总转角Θ等分为N个单元，得到N+1个计算点和极角间隔Δθ＝Θ/N，每个计算点的向径，一阶导数和扭簧刚度k_θ、初始扭矩M₀共计2N+2个未知数。利用上述公式(1)和(2)得到每个点对应的φ以及拉力F，积分得到外力位移x，再对比目标力—位移曲线得到此位移下的目标外力大小将所有计算点两个力之差的平方和作为寻求最优解的目标函数，即

$g=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{(F_i-{\hat{F}}_i)}^2$

采用MATLAB软件中的fmincon函数求解该问题，可以得到上述2N+2个未知数的优化解，初始扭矩M₀＝138.324Nmm，扭簧刚度k_θ＝2.202Mmm/rad。

根据上述计算即可得到如图1中所示的凸轮实际结构，螺旋沟槽根据要求为九圈，每圈的间距相同，但距离应保证不发生干涉。沟槽的深度为计算出的轮廓轨迹加深1mm，以消除输出外力绳子的粗细对输出力的力臂带来的影响。凸轮上下轴的半径大小与框架上的标准轴承相匹配。

该实施例工作时，绳子绕过非线性凸轮沟槽输出外力，当绳子拉出一定距离时，凸轮旋转且使平面涡卷弹簧收紧，弹簧产生的力矩由输出力产生的力矩平衡。在弹簧力随着弹簧形变加大的过程中，通过设定的凸轮沟槽轨迹调节输出力的力臂，可以有效控制输出力的大小，实现设定的力—位移关系曲线。

实施例2

本发明的凸轮弹簧组合机构实施例2的结构如图4所示，该机构包括固定框架0、用于输出力的绳子20、嵌入框架中的轴承21、线性螺旋拉伸弹簧22、拉伸弹簧连接线29及多圈螺旋结构的非线性凸轮。该非线性凸轮由多圈螺旋本体23及该本体两端伸出的上轴24、下轴25、本体的螺旋沟槽26和本体下轴下方用于连接拉伸弹簧的绕线轴28组成。其中该凸轮本体的螺旋沟槽为根据应用需求的力—位移曲线所计算出的轨迹，绳子20缠绕于凸轮沟槽26内，工作时输出力的绳子20沿沟槽拉伸用于外力输出，绳子的下端固定于凸轮本体底部；拉簧连接线29的绕线轴28呈“工”字型，上下两个较大较扁的圆盘将连接线限制于中间的轴上，绕线轴28分别与上侧的凸轮下轴25，下侧的与轴承匹配的轴相连。该固定框架0由上下横梁和连接上下横梁一端的侧梁组成。在该框架0的上下横梁设有两个转动轴承21，该非线性凸轮的上轴和拉簧绕线轴的下侧轴分别与上下轴承21相匹配，允许发生转动；线性拉伸弹簧22一端固定，另一端与拉伸弹簧连接线29相连，连接线29的另一端固定于拉簧绕线轴28的底部圆盘上。

该应用实施例的设计要求与实施例1相同，应用需求的力—位移曲线如图2所示，外力总行程d为650mm，要求凸轮向径大小控制在5mm～25mm，凸轮工作圈数9圈。由于约束条件和给定的力—位移曲线与实例1相同，故螺旋沟槽形状与实例1相同。平面涡卷弹簧刚度为k_θ，拉簧刚度k，拉簧绕线轴半径为r_O，两者之间关系为k_θ/k＝r_O ²，拉簧绕线轴中部绕线部分的半径选取为

本实施例2与实施例1的工作原理相同，均是利用凸轮向径的大小调节输出力的力臂，绳子绕过凸轮沟槽作为输出力，采用拉簧伸长在绕线轴产生的力矩等效实施例1中平面涡卷弹簧张紧产生的力矩，最终实现目标力—位移曲线。

经实际实验测量，实施例1与实施例2机构得到的力—位移曲线与目标力—位移曲线基本吻合，误差均限制在5％以下。

Claims (3)

1.一种非线性凸轮弹簧组合机构，其特征在于，该机构包括非线性凸轮，与该非线性凸轮相连的线性弹簧和用于输出外力绕过非线性凸轮的绳子，所述的非线性凸轮采用多圈螺旋结构，该多圈螺旋的轮廓线轨迹为根据应用需求提出的力—位移曲线经由数学方法求出。

2.如权利要求1所述非线性凸轮弹簧组合机构，其特征在于，还包括固定框架，该固定框架由上下横梁和连接上下横梁一端的侧梁，分别设置在上下横梁上的两个转动轴承，以及在下梁上固定的一固定柱组成；所述线性弹簧为正比例的平面涡卷弹簧，所述非线性凸轮由多圈螺旋本体，连接在本体上下两端的上下轴组成；该本体下端底面设有用于嵌入平面涡卷弹簧的凹槽，该平面涡卷弹簧的中心端固定在凸轮的下轴上，外侧端固定于框架的固定柱上；该非线性凸轮的上、下轴分别与该框架的上下横梁的两个转动轴承相配合转动；所述绳子从上至下缠绕于螺旋本体沟槽内并固定于本体底部，工作时绳子上端沿沟槽拉伸用于外力输出。

3.如权利要求1所述非线性凸轮弹簧组合机构，其特征在于，还包括固定框架，该固定框架由上下横梁和连接上下横梁一端的侧梁，分别设置在上下横梁上的上下转动轴承，与下转动轴承相连的匹配轴和与匹配轴相连的绕线轴组成；所述线性弹簧由正比例的线性螺旋拉伸弹簧、连接拉伸弹簧一端的连接线组成；该连接线另一端固定在绕线轴上；所述非线性凸轮由多圈螺旋本体，连接在本体上下两端的上下轴组成；该下轴与绕线轴相连，该上轴与上转动轴承相配合转动；所述绳子从上至下缠绕于螺旋本体沟槽内并固定于本体底部，工作时，线性螺旋拉伸弹簧的一端固定，绳子上端沿沟槽拉伸用于外力输出。