CN114013212B - 一种磁力约束的滑板副 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁力约束的滑板副,包括轨道,轨道上方设置有滑动的滑板,滑板的下端磁性连接有若干轮子;轮子的上端固定有球形磁铁,轮子的下端为球面;轨道上沿第一方向等间距设置有若干相互平行的凸台,第一方向为滑板的滑动方向。本发明中,滑板磁性连接若干轮子,无需通过轮轴连接轮子,避免了轮子与轮轴之间的摩擦与磨损,且将重物重量分布在多个轮子之上,增加了车身的承重能力;轮子所受摩擦力主要取决于磁铁之间的磁力,与轮子所受的正压力无关,即轮子所能承受的正压力主要与轮子的材料相关,在不发生材料失效的情况下,轮子能承受极大的压力,且通过控制磁力的强弱即可控制轮子所受阻力的大小,从而达到阻力可控的目的。
Description
技术领域
本发明涉及运输机构技术领域,具体涉及一种磁力约束的滑板副。
背景技术
轮子在人类文明的传播、国家的兴衰以及工商业和农业的发展中发挥了重要作用,是人类文明史上最伟大的发明之一;它可以应用在机械、航空航天和运输等多个领域,但在其所有的应用中,最重要是传送与运输功能。
轮子最早是由滚木演变而来,之后逐渐发展为轮轴机构;滚木和轮轴机构以滚动接触代替滑动接触,减小了运动阻力,降低了材料磨损,提高了运输效率;但是,滚木移动后不能复位,为保证运输过程的连续性,需要在木板前进方向不断投入滚木,效率低下且损耗人力;而轮轴机构由圆形轮子与轮轴组成,轮子可绕着轮轴进行旋转,从而将轮子始终置于重物之下,不需要在重物移动的前方填放圆木,并且对道路的要求也不高。
但是在传统的轮轴机构中,滑动接触引起的磨损现象依然存在,导致材料和能源被损耗;且随着负重的增加,轮子对轴的压力逐渐增大,导致对轮轴材料的要求提高。
发明内容
针对现有技术的上述不足,本发明提供了一种阻力可调控的磁力约束的滑板副。
为达到上述发明目的,本发明所采用的技术方案为:
提供一种磁力约束的滑板副,包括轨道,轨道上方设置有滑动的滑板,滑板的下端磁性连接有若干轮子;轮子的上端固定有球形磁铁,轮子的下端为球面;轨道上沿第一方向等间距设置有若干相互平行的凸台,第一方向为滑板的滑动方向。
采用上述技术方案的有益效果为:滑板下端为轮子提供滚动需要的平面;滑板磁性连接若干轮子,无需通过轮轴连接轮子,避免了轮子与轮轴之间的摩擦与磨损,且将重物重量分布在多个轮子之上,增加了车身的承重能力;轮子上端固定球形磁铁,使轮子能在滑板上滚动,且通过磁力对轮子滚动时的摆动进行限制;轮子所受摩擦力主要取决于磁铁之间的磁力,与轮子所受的正压力无关,即轮子所能承受的正压力主要与轮子的材料相关,在不发生材料失效的情况下,轮子能承受极大的压力,且通过控制磁力的强弱即可控制轮子所受阻力的大小,从而达到阻力可控的目的;轮子通过磁性连接在滑板上,减小了装配的难度,若某个轮子损坏,对滑板整体的影响较小,而且拆卸与安装方便。
进一步地,凸台的截面为方形,相邻两个凸台的间距满足计算公式:
W=nvT+c
其中,W为相邻两个所述凸台的间距,n为正整数,v为滑板的移动速度,T为轮子的摆动周期,c为凸台宽度。
采用上述技术方案的有益效果为:相邻两个凸台的间距满足W=nvT+c,保证轮子在从脱离前一个凸台到与接触后一个凸台的过程中刚好摆动了整数次,以方便凸台与轮子进行配合。
进一步地,滑板的上端固定有与轮子数量、位置相匹配的磁铁。
采用上述技术方案的有益效果为:滑板的上端固定磁铁,从而在磁力的作用下将轮子吸附在滑板的下端,并且当轮子发生摆动时,能够促使其及时回正;磁铁的数量、位置与轮子相匹配,使磁铁和轮子一一对应,减少磁力之间的干扰。
进一步地,所述磁铁在滑板上呈零散分布,相邻两个磁铁在第一方向上的间距d满足计算公式:
d=n2W+c
其中,n2为正整数。
采用上述技术方案的有益效果:相邻两个磁铁在第一方向上的间距满足d=n2W+c,从而使前一排的轮子接触后分离凸台时,后一排轮子刚好开始接触凸台,从而实现连续平稳地过渡。
进一步地,磁铁为电磁铁。
采用上述技术方案的有益效果为:电磁铁可通过控制电流、电压的大小来控制磁力的强弱,进而控制阻力的大小,从而达到阻力可调控的目的。
进一步地,球面的圆心与球形磁铁的圆心重合。
采用上述技术方案的有益效果为:球面的圆心与球形磁铁的圆心重合,以保证轮子在滑板上摆动时能始终保持水平地滚动。
本发明的有益效果为:滑板磁性连接若干轮子,无需通过轮轴连接轮子,避免了轮子与轮轴之间的摩擦与磨损,且将重物重量分布在多个轮子之上,增加了车身的承重能力;轮子上端固定球形磁铁,使轮子能在滑板上滚动,且通过磁力对轮子滚动时的摆动进行限制;轮子所受摩擦力主要取决于磁铁之间的磁力,与轮子所受的正压力无关,即轮子所能承受的正压力主要与轮子的材料相关,在不发生材料失效的情况下,轮子能承受极大的压力,且通过控制磁力的强弱即可控制轮子所受阻力的大小,从而达到阻力可控的目的;轮子通过磁性连接在滑板上,减小了装配地难度,若某个轮子损坏,对滑板整体的影响较小,而且拆卸与安装方便。
附图说明
图1为本发明实施例的二维示意图;
图2为本发明中单个轮子的受力分析图;
图3为本发明实施例的三维示意图;
图4为本发明中磁铁的布置示意图;
其中,1、滑板,2、磁铁,3、球形磁铁,4、球面,5、轮子,6、凸台,7、轨道。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述,以便于本技术领域的技术人员理解本发明,但应该清楚,本发明不限于具体实施方式的范围,对本技术领域的普通技术人员来讲,只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内,这些变化是显而易见的,一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1-4所示,一种磁力约束的滑板副,包括轨道7,轨道7上方设置有滑动的滑板1,滑板1的下端磁性连接有若干轮子5,轮子5的上端固定有球形磁铁3,轮子5的下端为球面4;轨道7上沿第一方向等间距设置有若干相互平行的凸台6,第一方向为滑板1的滑动方向;其中,球面4的半径为R,球形磁铁3半径为r。
滑板1下端为轮子5提供滚动需要的平面;滑板1磁性连接若干轮子5,无需通过轮轴连接轮子5,避免了轮子5与轮轴之间的摩擦与磨损,且将重物重量分布在多个轮子5之上,增加了车身的承重能力;轮子5上端固定球形磁铁3,使轮子5能在滑板1上滚动,且通过磁力对轮子5滚动时的摆动进行限制;轮子5通过磁性连接在滑板1上,减小了装配的难度,若某个轮子5损坏,对滑板1整体的影响较小,而且拆卸与安装方便。
在静力学状态下,可以忽略加速度、阻尼对系统带来的影响;当轮子5与凸台6相互接触,对单个轮子5与凸台6进行受力分析,当其向右滑动时,轮子5与凸台6接触并发生偏转,偏转角度为θ;轮子5在竖直方向上受到来自凸台6的正压力N,凸台6则受到大小相同、方向相反的反作用力,即在竖直方向上的力保持平衡;水平方向上,轮子5受到拉力P和磁铁2提供的复位力矩M,当P足够大时,轮子5可以克服磁铁2吸引力开始滚动;所以轮子5所受到阻力主要取决于磁铁2之间的磁力,与轮子5所受的正压力无关,即摩擦力与正压力时相互独立的,且轮子5所能承受的正压力主要与轮子5的材料相关,在不发生材料失效的情况下,轮子5能承受极大的压力,且通过控制磁力的强弱即可控制轮子5所受阻力的大小,从而达到阻力可控的目的。
静力学条件下,无需考虑滑板1运动速度v带来的影响,作为一种实施方式,相邻两个凸台6的间距W满足计算公式:W=6c,此处数字6不是固定值,其他值亦可,但会影响最终的实验效果。
动力学条件下,滑动阻力与滑板1运动速度v和轮子5的摆动周期T有关,当相邻两个凸台6的间距满足计算公式W=nvT+c时可以达到协调状态,实现极小的阻力,并有可能实现超滑现象(摩擦系数小于0.001)。
其中,凸台6的截面为方形,W为相邻两个所述凸台6的间距,n为正整数,v为滑板1的移动速度,T为轮子5的摆动周期,c为凸台宽度。
轮子5相对凸台6运动时,轮子5的球面4最低点会与凸台6的最高点接触,在摩擦力的作用下轮子5会发生偏转,由几何关系可知,当轮子5相对凸台6移动了一个凸台宽度的距离后,轮子5会与凸台6分离,随后产生自由振动,直到下一次与凸台6接触;而使相邻两个凸台6的间距满足W=nvT+c,能够保证轮子5在从脱离前一个凸台6到与接触后一个凸台6的过程中刚好摆动了整数次,以方便凸台6与轮子5进行配合。
作为可选的实施方式,滑板1的上端固定有与轮子5数量、位置相匹配的磁铁2;滑板1的上端固定磁铁2,从而在磁力的作用下将轮子5吸附在滑板1的下端,并且当轮子5发生摆动时,能够促使其及时回正;磁铁2的数量、位置与轮子5相匹配,使磁铁2和轮子5一一对应,减少磁力之间的干扰。
作为可选的实施方式,若干磁铁2在滑板1上呈零散分布,相邻两个所述磁铁2在第一方向上的间距d满足计算公式:
d=n2W+c
其中,n2为正整数。
相邻两个磁铁在第一方向上的间距满足d=n2W+c,则当第一排轮子5接触凸台6时,第二排轮子5与其滑动方向上第一个凸台6的距离为c,第三排轮子5与其滑动方向上第一个凸台6的距离为2c;当滑板1的滑动距离为c时,第一排轮子5开始脱离凸台6,而第二排轮子5开始接触凸台6,第三排轮子5与其滑动方向上的第一个凸台6的距离为c;当滑板1再次滑动的距离为c时,第二排轮子5开始脱离凸台6,第三排轮子5开始接触凸台6;因此,相邻两个磁铁在第一方向上的间距满足d=n2W+c时,前一排轮子5接触后分离凸台6时,后一排轮子5刚好能够开始接触凸台6,从而实现连续平稳地过渡。
作为可选的实施方式,磁铁2为电磁铁,电磁铁可通过控制电流、电压的大小来控制磁力的强弱,进而控制阻力的大小,从而达到阻力可调控的目的。
另外,磁铁的存在是为了为轮子提供回复力,磁铁可以替换为弹簧等其他可以提供微小回复力的力学构件。
作为可选的实施方式,球面4的圆心与球形磁铁3的圆心重合,以保证轮子5在滑板1上摆动时能始终保持水平地滚动。
从几何上看,球面4的圆心与球形磁铁3的圆心重合,虽然轮子5会发生滚动,但轮子5圆弧面最低点到球形磁铁3顶弧面最高点的距离始终为R+r,因此滑板1的支点高度不变,轮子5在滑板1上摆动时能始终保持水平地滚动。
另外,凸台6在正压力的作用下会与轮子5进行接触,在摩擦力的作用下,轮子5会发生滚动,当轮子5的尺寸不变时,可假设复位力矩M与偏转角度θ成正比,即可简化为M=Kθ(K可以不是常数),此时轮子5所受到的摩擦力而凸台宽度为c,则偏转角度/>则摩擦力/>则球面4的半径越大,摩擦力越小,因此,在应用时可适当增大球面4的半径。
上述方案中,滑板1能够沿一维方向运动;而上述方案中的轮子5实际为万向轮子,将轨道上若干相互平行的方形凸台6替换为呈点阵排列的圆台,且圆台的直径等于凸台宽度c,相邻两个圆台的间距均为W,即可实现滑板1在二维平面内自由滑动。圆台间距也可以随机分布,间距均为W时为最优情况,但若按照其他方式分布会影响摩擦力的大小。
Claims (1)
1.一种磁力约束的滑板副,其特征在于,包括轨道(7),所述轨道(7)上方设置有滑动的滑板(1),所述滑板(1)的下端磁性连接有若干轮子(5);所述轮子(5)的上端固定有球形磁铁(3),所述轮子(5)的下端为球面(4);所述轨道(7)上沿第一方向等间距设置有若干相互平行的凸台(6),所述第一方向为滑板(1)的滑动方向;所述滑板(1)的上端固定有与轮子(5)数量、位置相匹配的磁铁(2),所述磁铁(2)为电磁铁;
所述凸台(6)的截面为方形,相邻两个所述凸台(6)的间距W满足计算公式:
其中,n1为正整数,v为滑板(1)的移动速度,T为轮子(5)的摆动周期,c为凸台宽度;
若干所述磁铁(2)在滑板(1)上呈零散分布,相邻两个所述磁铁(2)在第一方向上的间距d满足计算公式:
其中,n2为正整数;
所述球面(4)的圆心与球形磁铁(3)的圆心重合;
或者将轨道上若干相互平行的方形凸台(6)替换为呈点阵排列的圆台,且圆台的直径等于凸台宽度c,相邻两个圆台的间距均为W。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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