CN1067950A - 伸缩柱式运动机械 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种运动机械，当其收缩时既小又 轻，便于搬运，它构成的柱能比常规便携式柱有更高 的高度。因此可以在不增加重量的情况下得到大的 运动距离。此运动机械有一个细长的运动件；使运动 件移动的驱动部分；多个定心件，每个定心件的中心 有用于此运动件的通孔，定心件彼此相连，并随着运 动件的移动而移动，使得相关定心件之间的距离可以 改变；以及，有一个支承并导引定心件移动的运动通 道。

Description

本发明涉及一种作前后运动的机械（下文简称“运动机械”），它可使细长柱或类似的组件展开，并且不增加它的重量。

采用液压缸和螺杆的运动机械，通常广泛应用于起重机的伸缩起重臂、伸缩柱和千斤顶等领域。

现有运动机械中，作前后运动的构件（下文简称“运动件”）其抗弯强度取决于构成运动机械的各组成部分本身，诸如简体、杆、螺杆等。如果所制成的运动机械具有长的运动距离，则其重量必然增加。尽管在理论上可以生产有长运动距离的运动机械，但有关重量、便携性和包容特性等实际问题均无法解决。

采用现有运动机械的挺杆起重机，其伸展长度约20至30米。这类起重机由专用的底座导轨或履带输送机承载。在目前的情况下，螺杆类千斤顶在螺杆反向长度和接受箱深度之间的总的举升量为数米。

尽管对于细长结构而言，抗弯强度是最重要的，但伸缩式的常规运动机械不能提供所需的抗弯强度，机械的自重必然明显增加。虽然要求有一种方便、长和便携的伸缩柱，但迄今未能获得这种伸缩柱。

因此，应提出这样一种对于各种工业领域都是很有用的运动机械，它能在不增加重量的情况下，有比常规机械长得多的运动距离，它还能包容在一个紧凑的机箱内，用这种机械可以容易地在高处支承重物和将重物举向高处。

本发明的目的是提供一种运动机械，它的体积小、重量轻，因而当其收缩时可便于运输;当其展开后可构成比常规便携式机械高度更高的柱，并因而能在结构重量轻的条件下，获得长的运动距离。

为了达到此目的，本发明提供的运动机械包括一个细长的运动件;使运动件正反向运动的驱动部分;多个定心件，每个定心件上有一个用于运动件的通孔，定心件彼此相连并可作正反向运动，使得相关定心件之间的距离可以随着运动件的正反向运动而改变;以及有一个支承并导引定心件运动的运动通道。

图1为采用本发明机械的实施例制成的举重机械处于上升状态时的局部剖示图;

图2为用于本发明机械中的柔性螺杆的螺母构件的一种例子中主要部分的正视图;

图3为另一种实施例的正剖视图;

图4为另一种例子的正剖视图;

图5为本发明机械的一种实施例基本部分的剖视图，其中的伸缩柱已伸展开;

图6为此同一实施例的剖视图，此时伸缩柱处于收缩后的状态;

图7为沿图5A-A线的截面图;

图8为按本发明机械另一种实施例所构成的伸缩柱的正剖视图;

图9为沿图8B-B线的截面图;

图10为用于图8所示机械中之定心件的透视图;

图11为用于此同一机械中之运动件的局部透视图;

图12为驱动部分透视图;

图13为局部放大剖视图，表示在通道收缩时，定心件和连接绳索之间的相互关系;以及

图14为局部放大剖视图，表示在通道展开时，定心件和连接绳索之间的相互关系。

本发明的实施例参见附图说明如下。

本发明机械的工作原理参见图1说明如下。在本发明中，细长的运动件1支承着沿Z轴方向垂直加在运动件1上的重物，并具有机械的抗弯强度。

人们发现，若欧拉方程用于细长柱中，则细长柱的弯曲强度与长度的平方或反比。本发明的目的是要获得一种其所使用的细长构件具有预定弯曲强度的运动机械，除非在运动件1的中间部位加支承，否则细长构件不能达到这一目的。在本发明中注意到了这一点，因此在处于运动通道2中的细长运动件中部，以适当的间距支承细长运动件。定心件3用于支承运动件1的中间部位。术语“支承”的含意是，运动件被支承着，从而使运动件不会产生沿垂直于加载方向（即x-y平面）的位置偏移（位移）。

图1中的运动通道2支承和导引着定心件3，定心件可以移动，它们以适当的间距排列。由于定心件3通过连接绳索4、4a互相连接（见图13和14），所以定心件3随着运动件1的正反向移动在通道2中作同步运动，其结果是，在运动件1正向移动时，以适当间距地将运动件1支承在通道2的中心，运动件1的抗弯强度由分别支承在定心件3上的间段（而不再是运动件1的全长）的抗弯强度所代替。

每个定心件3上设有一个通孔3a，细长运动件1松配合地从此孔中通过，使运动件1在定心件中心得到导引;键槽3b起锁定在通道2中的作用;连接索4包括具有自反绕力的凸形扁盘簧，和确定定心件3的间距并确定连接索4输送长度的辅助索4a（见图13和14）。凸形连接索4并未全部拉出，它和辅助索4a一起装在轴4b上，以保证具有自反绕力。数字2a表示突出键条，它设在与键槽3b相对应的运动通道2内表面上。

驱动部分5用于使运动件1上下运动。当运动件1是螺杆时，驱动部分5是可旋转的螺母;当运动件1为绳索或带时，它是可旋转的输送驱动辊;而当运动件1是齿条时，它是可旋转的小齿轮。

即使运动件1是刚性构件，本发明的运动机构仍可适用。当运动件是刚性构件时，本发明的机械可获得这样一种螺旋输送机械或螺旋传动装置，它在使用较常规的采用刚性螺杆的螺旋输送机械或采用刚性螺杆的螺旋传动装置为更长和更细的螺旋运动件时，具有较长的输送行程和更高的举升距离。

然而，若运动件1是刚性的，则必须保证运动件在运动通道尾端的空间尺寸。当运动件1是柔性构件时，则卷绕部分，诸如卷轴等可放在运动通道的端部，因而可节省空间。下面介绍采用柔性运动件1的本发明运动机械的实施例。

图2举例表示采用柔性螺杆（下文用数字1表示）的柔性运动件1的螺旋输送机械。如图2所示，柔性螺杆1由钢的线材1a制成，线材1a绕成密靠的长螺旋，并例如设有输送小球的螺旋槽1b，螺旋槽制在沿线材接合线的外圆周上，从而构成了本发明柔性运动件的一种例子。表示在图2中的例子是采用其外表面预先加工出螺旋槽的线材1a，所以当线材1a绕成卷时便构成了螺旋槽1b，但线材1a可以有弯角形截面，例如矩形、梯形等。

虽然如以上所述构成的柔性螺杆1具有和用普通杆件制成的螺杆基本相同的外形，但柔性螺杆1在轴向是有柔性的，因为它是通过将线材1a卷绕成螺旋来构成的。

在图2中，一个其内部装有柔性螺杆1的可转螺母起驱动部分5的作用。螺母中有一个短的圆柱形螺母体5a，它有一个有一定直径的孔，柔性螺杆1松配合地装在此孔中。有许多小球5b沿螺旋槽1b成螺旋状排列在螺母体5a内表面上，并在螺母体5a中循环。外齿轮5c作为螺母体5a外圆周面上的法兰，以便从螺母体外部输入旋转力。

虽然此处的螺母是由一个内装小球5b的球螺母所构成的，但用于本发明的柔性螺杆1的螺母5a亦可以直接在其内表面上制成螺旋形的、与柔性螺杆1的螺旋槽1b啮合的凸螺纹（图中未表示）;或者在螺母体5a中具有采用适当的合成树脂材料制成的螺旋形条，它嵌装在螺母体5a内表面上代替球5b和阳螺纹。制造条带的材料，除了合成树脂外，可以是一种恰当的金属、陶瓷或复合材料。

由线材卷绕成螺旋而成的柔性螺杆1，构成了一个细长的空心运动件，所以一个芯体（图中未表示）可以装入柔性螺杆1，并与其内表面紧密接触。这种芯体的一个例子是一根柔性管（图中未表示），此柔性管具有与螺旋槽啮合的螺旋状凸条，螺旋槽是在柔性螺杆1内表面上沿线材1a接合线构成的。

当装入柔性螺杆1中的芯体是一根柔性管时，液体可以注入管中，所以液体可以自由地输入和排出。当要求将整个柔性螺杆1卷绕在一个卷轴上或类似物上，并拉送出柔性螺杆1以保持它为直的状态时，这种结构对于获得抗弯强度是有用的。此外，芯体可以用形状记忆合金制成，在卷绕在卷轴上的柔性螺杆1被拉直的部分处，形成使记忆合金在一定温度条件下回复成线形的温度环境。

本发明运动机械的另一种实施例采用了一种柔性螺杆1的运动驱动部分5，柔性螺杆1是柔性运动件和螺母的一种例子，下面参见图3说明如下。

在图2中，通过球5b螺旋地套在柔性螺杆1上的螺母，在马达5d的作用下，可以在预定位置上作正反向旋转，从而使柔性螺杆1上下运动。当其尾端1b进入运动通道2中时，柔性螺杆1便停止运动，如图3所示。图3中数字5e表示输出齿轮。这些构件和螺母形成了螺杆1的运动驱动部分5的一种实例。

在图3中，螺母的主体5a通过轴承5f或其它类似物可转动地装在运动通道2下端的预定位置。柔性螺杆1旋在螺母中，因为有柔性，故它的尾端1b可转90°卷绕成蛇形直接放在螺母下方，穿过螺母的前端1a可在运动通道2中上下移动。

在图3中，还设置了各个定心件3，使得柔性螺杆1可穿过定心件中心部分移动。为便于说明，将定心件3用螺旋弹簧状的连接件4相互连接。不过，定心件的相互连接最好用具有自反绕力的凸形连接件4以及确定长度用的辅助绳索4a，如图1所示。

图3所示机械中，运动对象w作为要求正反向移动的载荷，它放在柔性螺杆1的前端1a处，所以通过柔性螺杆1在运动通道2中的运动，使物体w可以随着螺杆1的前端在运动通道2中移动。

在此机械中，长的柔性螺杆1增加了螺杆1的总移动量和增加了物体w的总举升距离。有适当间距并与螺杆1的外圆周运动接触的定心件3，配置成将螺杆1沿其全长按适当间距支承在通道2的中心，从而避免螺杆1在物体w重量作用下弯曲。

每个定心件3有一个导引柔性螺杆1的中心通孔3a，它们的外圆周支靠在由壁面构成的螺杆1的运动通道2上，从而可以利用图1所示的键2a和键槽3b的相互关系，沿运动方向滑动。多个定心件3通过连接件4，依次悬停和支承在物体w下方，每个连接件4都有预定的长度，使得定心件可以以适当的间距排列，并通过螺杆1的向上运动而随之在运动通道中移动。这样，螺杆1按定心件的间距被支承在运动通道2中，从而不会引起在座标平面内的中心偏移。这就能显示出本发明机械的优点，即螺杆1不会因受载荷w而有发生弯曲的危险。

图4中所表示的机械，是本发明不同于图3所示实施例的另一种改型后的实施例。图4所示的机械中，利用了图1中螺帽和运动通道2的键与键槽之间相互关系的锁定装置31包含在螺帽中，当正反向旋转作用在柔性螺杆1上时，螺帽在运动通道2中沿螺杆1的轴向前后移动。图4中凡与图3数字相同的均表示同样的构件。

如上面曾对图3所作的说明，在本发明采用柔性螺杆的机械中，螺杆中心支承在运动通道2中的定心件3上，其前端1a在被传送物体一侧的运动前沿。此外，由于在柔性螺杆1以适当间距在一些中间位置处受到支承时可以前后自由移动，所以运动通道2本身如图5和图6举例所示可通过伸缩式筒体21、22……制成柔性的（可活动的），因此本发明机械可用作一种设备的运动机构，这种设备有一个作为伸缩柱的可伸缩的运动通道。在本发明机械的一种实施例中，其运动通道2为柔性的伸缩式筒体构成的柱状物，可参见图5至7说明如下。

图5中数字21、22……分别表示具有不同直径的伸缩式筒体的各部分，筒体22直径较小，它插入直径较大的筒体21中并能垂直滑动，但不能互相脱离。在图中没有将构成运动通道2的全部伸缩筒体都表示出来，但可以看出。具有不同直径的多个筒体，以如图中筒体21、22……的相同方式，依次松套在一起，以构成伸缩式筒体。

伸缩式筒体中的每个筒体21、22……有一个底板a，有制在其上下端的外法兰b、c和制在其上端的一个内法兰d。插入的那个筒体的下端外法兰c和外套的筒体上端内法兰d相作用，使这两个筒体互相锁定。字母e表示用于柔性螺杆1的通孔，它设置在各筒体底板a的中心。

由多个筒体互相插装并不可分解地构成上述伸缩柱的伸缩式柱状结构，以及使用螺旋输送机构作为运动驱动力都是已知的。然而，在目前的情况下，在这类常规的伸缩式柱的结构中，输送螺旋仅由筒体的底部支承，因而不能有大的伸展量和大的长细比。

然而在具有本发明机械的伸缩式运动通道2中，亦即在每个构成伸缩柱的筒体21、22……中，有多个定心件随通道2的构件同步运动。定心件以适当的间距布置，以短跨度支承在细长运动件的中间部位上。因此本发明的机械可制成有长运动距离的伸缩柱，亦即有大的长细比，而在先有技术中不可能实现这一点。还可看出，伸缩式柱状体具有抗弯强度和抗弯钢度，这两者足以适应实际使用要求。

如图7所示，每个定心件3与图1和3所示相同，即各定心件3的尺寸可使它紧密地配装在筒体21中。每个定心件3上制有键槽3b，它与制在筒体21内表面上的凸键条2a松啮合。定心件中心制有通孔3a，孔3a中松配合地穿过并导引柔性螺杆1。当然，装在每个具有不同直径筒体21、22……中的定心件3，应分别具有与筒体21、22……内直径相配的外直径。虽然在图中来表示，但在实际使用中最好在每一个其中松配合地穿过柔性螺杆1的通孔3a和e中，设置由具有低滑动阻力的材料制成的衬套，或带轴承的旋转衬套，衬套与柔性螺杆1相配合。

在图5所示实施例中，三个定心件配装在各筒体21、22……中，它们是伸缩柱的组成部分。每个定心件3通过连接索4与上部定心件3相连，最上部的那个定心件3与小筒体底板a的下表面相连，此小筒体装在通过连接索4关连着的那个筒体中。装在每个筒体中的定心件3的数量，可根据筒体的长度和所要举升的载荷加以确定。

在上述结构中，伸缩柱的筒体21、22……依次套装成使小直径筒体松配合地插入大直径筒体中。当小直径筒体在柔性螺杆1作上升运动而被向上推动时，此筒体下端的外法兰c与下一个大直径筒体上端的内法兰d相碰。每个具有较小直径的筒体下端均依次与每个具有较大直径的筒体上端相遇并将其向上推动，由此通过伸缩运动构成运动通道。

表示于图5的本发明机械中，柔性螺杆1的前端1a（图中未表示）首先固定在具有最小直径的那个筒体底板a尾侧上。由于其它所有筒体的底板a和定心件均分别设有通孔e和3a，它们用来松配合地穿过螺杆1，所以螺杆1被可运动地支承在各筒体（除最上部的那个筒体外）中央，并穿过整个伸缩柱。虽然在图5中未表示，但柔性螺杆1的尾端16是卷绕在机械室中的一个卷辊上的，最下部的筒体垂直地直接装在此室中。尽管图中没有表示，但最好在最上部筒体中心设一根管子以代替定心件，它用于使柔性螺杆1松配合地从此管中穿过。

在另一方面，螺母设置在机械室中，以便使转动从带有图5所示传动系统的马达5d传递而来。传动系统可设计成具有所要求的任何结构。

在上述结构中，当马达5d正转并将转动传递到螺母5a时，在伸缩柱中的筒体21、22……未展开的状态下（如图6所示），柔性螺杆1的上端1b（图上未表示）在螺母5a的转动下，开始向上移动。在图6所示状态，伸缩柱收缩。筒体21、22……中的定心件3在上筒体底板a下侧与下筒体底板a上侧之间叠在一起。

柔性螺杆1的上移，使装在下一个具有较大直径筒体中的那个直径最小的筒体向上移动。当小直径筒体下端的外法兰c到达较大直径筒体上端处的内法兰d处时，具有较大直径的筒体，随着柔性螺杆1的上移而向上运动。柔性螺杆1向上移动，使较小直径的筒体依次地向上推动较大直径的筒体。如此伸展开的伸缩柱在其中构成了螺杆1的运动通道2，并提供了一个展开和垂直的柱状外形。与此同时，在各筒体21、22……中的定心件3，随着与定心件有关的筒体上面的那个筒体的向上运动，亦在定心件所在的筒体中向上移动，并按照连接件4、4a的长度，等距地排列。

在上述展开过程中，柔性螺杆1在定心件的作用下垂直地向上移动，不会在x-y平面中产生偏移。柔性螺杆1在它的多个距各筒体底板a有适当间隔的中间位置处被支承，在每个筒体21、22……中均配置有多个定心件3。

当柔性螺杆1伴随着各筒体21、22……的向上运动而伸展时，排列在各筒体21、22……中的多个定心件3依次在各筒体中运动，并以适当的间距布置在各筒体21、22……中，从而显著增加了整个柔性螺杆1的抗弯强度，在这种情况下，各筒体必须制成具有一定厚度和直径的构件，它们应能足以承受横向载荷。然而，由于筒体的抗弯刚度与直径的三次方和厚度成比例，所以这一目的可在不产生局部弯曲的限度内，通过采用厚度较小而直径较大的筒体来达到，其结果是减轻了总重量。

当要使通过伸缩运动由筒体21、22……展开所构成的柱和运动通道2收缩和储运时，螺母5a按造成向上运动的反向转动，于是使柔性螺杆1的前端1a向下移动，柔性螺杆1卷绕在机械室中的卷辊上。这就使筒体21、22依次回收，并装入直径较大的筒体中。当筒体从小直径一侧向下运动并收缩时，伴随着各筒体21、22……的向下移动，在上部筒体底板a的向下推动之下，装在各筒体2122……内的定心件3，在各筒体中朝筒体底板方向移动。

在本发明的运动机械中，主要构件包括：作为运动件的柔性螺杆1，作为运动驱动源的螺母，以及定心件3，由多个伸缩筒体21、22……构成的运动通道，它是通过与螺杆1的运动同步的伸缩运动形成的。因此本发明的机械可用作伸缩柱式机械，它的伸缩式筒体作为伸缩柱。当伸缩柱的每个筒体21、22……为圆柱状时，锁定机构通过分别制在各圆柱体内外表面上的键和键槽之间的关系来形成。若各筒体是多角形的（如椭圆、多边、星形），便不需要设置这类锁定机构。各筒体下端的外表面和筒体上端内表面可以是锥形的，用于在伸缩柱垂直展开成柱时，使相应的筒体紧密连接。

图8至12表示具有本发明机械的伸缩柱另一种实施例，其中的运动通道2是由如同图5至7所示的伸缩筒体21、22……构成的。表示在图8至12中的本发明机械，与上述机械的差别在于，这里采用凸形构件（参见图11）作为运动件1。

图8至12所示机械的运动驱动部分5的结构，与上面所介绍过的实施例不同，其原因是采用了凸形运动构件作为运动件1。

换句话说，运动驱动部分5例如包括驱动辊5g和设在驱动辊5g对面的压辊5h，凸形运动件1夹在它们之间，从而可使运动件1前后运动。数字5i表示导辊。驱动部分5也可以制成其它形式，例如为Catercolumn带式。

此外，在图8至12所示机械中，制在各筒体21、22……的底板a和定心件3中央的通孔3a的形状，应与运动件1的截面形状相适应。由于其它部分与图5至7所示机械中相同，所以下面不再重复说明。由于此机械的工作和其功能亦与图5至7中所示的机械基本相同，故下面也不再对此进行说明。

如上所述，在本发明的机械中，例如由伸缩筒体构成的运动通道，设计成使细长结构具有所要求的抗弯钢度;在运动通道中移动的运动件，亦即柔性螺杆，设计成相对于筒体重量、柔性螺杆自重和照明灯等载荷而言具有抗弯强度，照明灯沿轴向作用在伸缩柱顶端。

以此方式，运动通道和运动件使细长结构分别具有所要求的抗弯刚度和抗弯强度。例如，在构成运动通道的各筒体中设有多个可沿筒体轴向滑动的定心件，每个定心件有一个用于柔性螺杆的中心通孔，各筒体例如通过扁盘簧和绳索连接，形成运动通道，使得定心件与柔性螺杆联动，当伸缩柱展开时，它们按预定间距配置。由于定心件的作用，可使运动件，亦即柔性螺杆的抗弯强度与没有定心件的情况相比显著增加。

由于细长结构的抗弯强度与结构的长度平方成反比，众所周知，涉及抗弯强度的柔性螺杆的长度近似于相关定心件的间距，而并非螺杆的全长，所以，利用定心件将柔性螺杆支承在运动通道中各筒体中心，使之具有足够的抗弯刚度。这一事实已为本发明人通过实验得到证实。

一个简例说明如下。当螺杆直径不变时，具有普通梯形螺旋的千斤顶，其允许的举升载荷随螺杆长度的增加而减小;而利用本发明的运动通道和定心件的结构，能使许可的举升载荷保持为常数，而与螺杆长度无关。

当采用柔性运动件时，本发明具有的突出优点是，可通过卷绕或放出上述各种实施例中任何一种运动件，来构成一个长的伸缩柱。然而由于柔性运动件通常有比刚性运动件为低的抗弯强度，所以必须通过使用本发明的结构来提高其抗弯强度。

如上所述，在本发明的机械中，运动通道和运动件分别具有抗弯刚度和抗弯强度，而且抗弯强度可以通过与移动式定心件的组合而得到进一步提高。因而可以获得一种理想的长伸缩柱，它有大的伸缩比、轻的重量和大的载重量。

Claims (13)

1、一种伸缩柱式运动机械，它有一个细长的运动件；一个使此运动件作正反向运动的驱动部分；多个定心件，每个定心件的中心有用于此运动件的通孔，定心件彼此相连，并随着运动件的运动而运动，以使相关定心件之间的距离可以改变；以及，有一个支承并导引定心件运动的运动通道。

2、按照权利要求1所述之运动机械，其特征为：运动通道由伸缩式筒体随运动件运动作伸缩运动来构成。

3、按照权利要求1所述之运动机械，其特征为：运动件是通过将具有适当截面形状的线材卷绕成圈构成的柔性螺杆，线材外表面构成螺旋槽。

4、按照权利要求3所述之运动机械，其特征为：运动件的驱动部分包括一个可施转的螺母构件，它与柔性螺杆的螺旋槽相啮合。

5、按照权利要求1所述之运动机械，其特征为：运动件由具有适当截面形状的板带、线材、绳索等制成，而使运动件运动的驱动部分包括-对辊或Catercolumn带。

6、按照权利要求1所述之运动机械，其特征为：运动件是阶梯状齿条，而使此运动件运动的驱动部分包括一个小齿轮。

7、按照权利要求1所述之运动机械，其特征为：在各定心件和构成支承并导引定心件移动的运动通道的伸缩柱各筒体上，分别制有键和键槽，以防它们之间相对旋转。

8、按照权利要求1所述之运动机械，其特征为：支承并导引定心件移动的运动通道，通过具有非圆截面形状的伸缩筒体构成，例如椭圆形、多边形、星形等，从而防止筒体之间的相对转动。

9、按照权利要求1所述之运动机械，其特征为：定心件通过扁盘簧、螺旋弹簧或这类弹簧与绳索的组合相互连接。

10、按照权利要求1所述之运动机械，其特征为：反向移动时，柔性运动件被卷绕和贮存，当正向移动时被送出或拉出。

11、按照权利要求1所述之运动机械，其特征为：运动件是具有适当截面形状的螺旋槽的螺杆，诸如在其外表面上设圆螺纹、方螺纹、梯形螺纹等，通过旋转螺母构件使运动件移动，螺母构件与螺杆的螺旋槽相啮合。

12、按照权利要求11所述之运动机械，其特征为：运动件是通过将有适当截面形状的线材在芯杆上卷绕成圈而构成的螺杆，芯杆有适当的截面形状，或是多股芯线。

13、按照权利要求5所述之运动机械，其特征为：运动件为柔性带材，它具有扁、凸或凹的截面形状。

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