CN112765694B - 一种万向过载开关的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种万向过载开关设计方法，将正多面心、顶点、棱边中心向体心的指向作为万向过载开关的感应轴向，通过计算其感应轴向的分布大小来确定万向过载开关的模型，通过正多面体数学模型简化了万向过载开关的设计过程，并且设计后的万向过载开关感应轴向分布均匀。

Description

一种万向过载开关的设计方法

技术领域

本发明涉及一种万向过载开关的设计方法。

背景技术

万向过载开关用于检测任意方向的冲击大小，当任意方向冲击达到阈值范围时开关闭合，启动应急方案(如汽车打开安全气囊，无人飞行器起爆自毁等)。

万向过载开关由多个感应单一方向的冲击开关并联组成，这些单一方向的冲击开关作为感应轴向按一定规律分布在限定的空间里，初始为断开状态，万向过载开关为断开状态，当设备受到冲击超过某个冲击开关动作阈值使其闭合，则万向过载开关闭合。

现有的万向过载开关在感应轴向在空间上分布不均，导致用更多器件，安装复杂度高；薄弱点容易被忽视，不容易适应不同阈值范围的技术要求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种万向过载开关的设计方法。

本发明通过以下技术方案得以实现。

本发明提供的一种万向过载开关设计方法，将正多面心、顶点、棱边中心向体心的指向作为万向过载开关的感应轴向，通过计算其步骤为：

S1、建立万向过载开关的正多面体的数学模型；

S2、计算每个正多面体的感应轴分布最小值|a′_min|；

S3、计算万向过载开关所需的感应轴向分布值|a′|；

S4、根据万向过载开关所需的感应轴向分布值|a′|选择合适的正多面体作为设计方案。

所述正多面体包括正四面体、正六面体、正八面体、正十二面体、正二十面体。

所述感应轴分布最小值|a′_min|的计算方法为：

设正多面体某方向空间向量为a，正多面体轴向感应向量为a′，

θ₁、θ₂、θ₃、……为a和a′之间的夹角，a′₁、a′₂、a′₃、……为不同夹角对应的轴向感应向量。

所述万向过载开关所需的感应轴向分布值|a′|计算公式为：

b和c为万向开关的阈值，b＜c。

所述正多面体采用其顶点指向其体心和面心指向其体心中的任意一种方向或两种方向结合作为感应轴向。

本发明的有益效果在于：通过正多面体数学模型简化了万向过载开关的设计过程，并且设计后的万向过载开关感应轴向分布均匀。

附图说明

图1是本发明的4轴结构示意图；

图2是本发明的6轴结构示意图；

图3是本发明的8轴结构示意图；

图4是本发明的12轴结构示意图；

图5是本发明的20轴结构示意图；

图6是本发明的30轴结构示意图；

图7是本发明的32轴结构示意图；

图8是本发明的部分可选设计方案表。

具体实施方式

下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。

设万向过载开关某方向过载为空间向量a，某感应轴向为空间向量u，且a和u的夹角为θ(θ≤90°)，则感应轴向u能感应到的过载为a′＝a·cosθ。

设技术要求万向过载开关感应到|a|＜b必须保持断开(初始状态为断开)，感应到|a|＞c必须闭合接通，那么，使用阈值为b(感应到过载大于b时闭合)的单一方向的冲击开关并联构成的万向过载开关，感应轴向分布应保证

显见，万向过载开关需要感应的过载向量a构成一个球体，而设计任务就是选取多个感应方向作为感应轴向，这些感应轴向空间向量方向为球面指向球心，大小为|a′|，构成近似球体。感应轴向的分布应保证

正多面体是近似球体，其顶点均匀分布在外接球球面上，面心均匀分布在内切球球面上，使用正多面体的顶点指向体心(或面心指向体心)的空间向量作为感应轴向，那么这些感应轴向在空间上是均匀分布的。相邻感应轴向围成的正棱锥及其正向延伸空间里若有过载向量a，则感应轴向能感应到的过载为a′₁＝a·θ，a′₂＝a·cosθ₂，a′₃＝a·cosθ₃……设|a′_min|＝min{|a′₁|,|a′₂|,|a′₃|Λ}，a′_min对应的过载向量a_min的方向为正棱锥底面中心指向正多面体的体心。

由于正多面体只有五种，均匀分布方案有限，因此两种均匀分布叠加也是可以考虑的优选方案，本发明对使用正多面体的顶点+面心指向体心的空间向量作为感应轴向，以及使用正多面体的棱边中点指向体心的空间向量作为感应轴向两种方案也作了分析，其a′_min对应的过载向量a_min的方向为相邻感应轴向围成的棱锥底面(不一定是平面)中心指向正多面体的体心。图8中列出了基于正多面体特性的可选设计方案，并计算出了各种方案|a′_min|的值。

(2)由于正多面体具有对偶性，以一个正多面体顶点到体心为轴向和以其面心到体心为轴向的|a′_min|值相同(a_min近轴数不同，所以并不等效)，选择时一般考虑降低成本和便宜安装，采用轴向数少的方案。

(3)14轴向方案、32轴方案和30轴向方案是两种均匀分布叠加，a_min的不同近轴|a′_min|值不同。

(4)14轴方案一般不采用(12轴是更优方案)，32轴方案或30轴方案用于技术要求特别苛刻，12轴方案仍不能满足要求的情况。

(5)常规的技术要求多选取6轴方案或12轴方案即能满足。

2.设计方法

根据技术要求计算|a′|阈值需求，然后在图8中选出满足需求的轴向数较少的方案。

本发明中：

1.通过数学建模，提出使用正多面体顶点、面心和棱边中点指向体心作为感应轴向向量，并提供可选方案和设计方法，使设计过程简化为根据|a′_min|值选择轴向数少的方案，枚举了各种方案的|a′_min|值。

2.基于正多面体均分球面的理论，提供了均匀分布感应轴向向量的方案——图8中所列的4轴方案、6轴方案、8轴方案、12轴方案和20轴方案。见附图1～7，图中O为体心，M为a_min的方向为相邻感应轴向围成的棱锥底面中心，AO为a_min，AO在轴向上的投影A′O为a′_min。

3.提供了叠加均匀分布感应轴向向量的优选方案——图8中所列的32轴方案和30轴方案，见附图1～7，图中O为体心，M为a_min的方向为相邻感应轴向围成的棱锥底面(不一定是平面)中心，AO(或A₁O和A₂O)为a_min，AO(或A₁O和A₂O)在轴向上的投影A′₁O和A′₂O为a′_min。

4.给出了可选方案|a′_min|值，设计可直接使用，并给出了a_min近轴数作为设计参考。

实施例：

技术要求：过载小于200g开关不能动作(开关初始为打开状态)，过载大于300g开关必须闭合。

设计方案：选用阈值为200g的单一方向冲击开关(实际工程应用考虑器件偏差、冲击谐波影响等，选用阈值比200g高一些，以保证过载小于200g时开关不动作，只是选用设计方案时使用标称值进行计算)，按技术要求，需

由本发明给出的设计方法，按图8中|a′_min|值，选择12轴向方案。

方案验算：当a′_min方向受到300g冲击时，其周围3个冲击开关均能感应到0.7947×300g＝238.41g过载，任意一个冲击开关阈值在200g～238g之内即能闭合，符合技术要求。

Claims (5)

1.一种万向过载开关的设计方法，将正多面心、顶点或棱边中心向体心的指向作为万向过载开关的感应轴向，其计算步骤为：

S1、建立万向过载开关的正多面体的数学模型；

S2、计算每个正多面体数学模型的感应轴分布最小值|a′_min|；

S3、计算万向过载开关所需的感应轴向分布值|a′|；

S4、根据万向过载开关所需的感应轴向分布值|a′|选择合适的正多面体数学模型作为设计方案。

2.如权利要求1所述的万向过载开关的设计方法，其特征在于：所述正多面体包括正四面体、正六面体、正八面体、正十二面体、正二十面体。

3.如权利要求1所述的万向过载开关的设计方法，其特征在于：所述感应轴分布最小值|a′_min|的计算方法为：

设正多面体某方向空间向量为a，正多面体轴向感应向量为a′，

a′＝a·cosθ；

a′₁＝a·cosθ₁，

a′₂＝a·cosθ₂，

a′₃＝a·cosθ₃,

……,

|a′_min|＝min{|a′₁|，|a′₂|，|a′₃|...}

θ₁、θ₂、θ₃、……为a和a′之间的夹角，a′₁、a′₂、a′₃、……为不同夹角对应的轴向感应向量。

4.如权利要求1所述的万向过载开关的设计方法，其特征在于：所述万向过载开关所需的感应轴向分布值|a′|计算公式为：

b和c为万向开关的阈值，b＜c。

5.如权利要求1所述的万向过载开关的设计方法，其特征在于：所述正多面体采用其顶点指向其体心和面心指向其体心中的任意一种方向或两种方向结合作为感应轴向。

Images