CN116985629A - 一种柔顺恒力机构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种柔顺恒力机构，包括基座、正刚度结构和负刚度结构；基座的中部设有隔断块，隔断块将基座的腔体隔断出第一框体空间和第二框体空间；正刚度结构包括两个第一安装架和两组柔性横梁组，两组柔性横梁组分别与两个第一安装架连接，各第一安装架皆与基座连接，且两组柔性横梁组相对的端部分别与一导向梁的相对两侧侧壁连接；负刚度结构包括第二安装架和两组柔性余弦形曲梁组，第二安装架的上端通过一组柔性余弦形曲梁组与导向梁的底部连接，其下端通过另一组柔性余弦形曲梁组与基座的底部连接。通过本申请，能够提供多段恒力行程，使得恒力波动更小以及精度更高，有利于满足更多应用场景，提升了该柔顺恒力机构的实用性和适应性。

Description

一种柔顺恒力机构
技术领域
本发明涉及动力机械领域，特别涉及一种柔顺恒力机构。
背景技术
恒力机构在一定位移范围内，能提供几乎恒定的输出力，对于位移输入不确定同时须保证反作用力恒定的情况，恒力机构尤为重要，恒力机构在诸多领域和场合得到了广泛应用，例如，恒力机构可以在汽车的手动操作系统中使用，如手动换挡器、手刹等，它可以提供恒定的力度，使得手动操作更加轻松和精准。
目前，柔顺恒力机构设计研究主要集中单一行程的柔顺恒力机构设计问题。这些机构局限于单段恒力范围且负刚度结构形式比较单一，难以满足精度要求高的应用场景。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供柔顺恒力机构，以解决现有技术中的不足。
为实现上述目的，本发明提供了一种柔顺恒力机构，包括基座、设于所述基座上的正刚度结构和负刚度结构；
所述基座为半封闭式框体结构，所述基座的中部设有隔断块，所述隔断块将所述基座的腔体隔断出第一框体空间和第二框体空间；
所述正刚度结构位于所述第一框体空间内，所述正刚度结构包括两个第一安装架和两组柔性横梁组，两组所述柔性横梁组相背的端部分别与两个所述第一安装架连接，各所述第一安装架皆与所述基座连接，且两组所述柔性横梁组相对的端部分别与一导向梁的相对两侧侧壁连接；
所述负刚度结构位于所述第二框体空间内，所述负刚度结构包括第二安装架和两组柔性余弦形曲梁组，所述第二安装架的上端通过一组所述柔性余弦形曲梁组与所述导向梁的底部连接，其下端通过另一组所述柔性余弦形曲梁组与所述基座的底部连接；
其中，所述导向梁悬置于所述基座中，且所述导向梁的一端穿过所述第一框体空间并延伸至所述第二框体空间内，所述基座、两组所述柔性横梁组、两个所述第一安装架、所述第二安装架皆以所述导向梁为对称轴对称设置，两组所述柔性余弦形曲梁组以所述第二安装架为对称轴对称设置。
本发明的有益效果是：通过隔断块将基座隔断出第一框体空间和第二框体空间，将正刚度结构和负刚度结构分别设于第一框体空间和第二框体空间内，将正刚度结构中的两组柔性横梁组和两个第一安装架、负刚度结构的第二安装架和柔性横梁组以及基座以导向梁为对称轴对称设置，并将两个第一安装架和两组柔性横梁组一一匹配连接，将两组柔性横梁组相对的一端分别与导向梁的相对两侧侧壁连接，以及将第二安装架的上端通过一组柔性余弦形曲梁组与导向梁的底部连接，将第二安装架的下端通过另一端柔性余弦形曲梁组与基座的底部连接，区别于现有技术，当向导向梁的顶部施力时，该柔顺恒力机构能够提供多段恒力行程，使得恒力波动更小以及精度更高，有利于满足更多应用场景，提升了该柔顺恒力机构的实用性和适应性。
优选的，所述柔性横梁组包括两个柔性横梁，两个所述柔性横梁相互平行，且各所述柔性横梁分别与所述导向梁相互垂直。
优选的，两组所述柔性余弦形曲梁组以所述第二安装架为对称轴对称设置，所述柔性余弦形曲梁组包括两个柔性余弦形曲梁，各组的两个所述柔性余弦形曲梁相背的一端皆与所述第二安装架连接，各所述柔性余弦形曲梁相对于所述导向梁倾斜设置。
优选的，所述第一安装架为U形结构，所述第一安装架围合形成一容纳空间，所述柔性横梁组位于相应所述容纳空间内。
优选的，所述第一安装架通过螺栓结构与所述基座连接。
优选的，所述第二安装架为工字形结构，所述第二安装架横卧于所述第二框体空间内。
优选的，所述基座的底部的中部设有固定块，所述第二安装架通过一组所述柔性余弦形曲梁组与所述固定块连接。
优选的，所述基座和所述隔断块一体连接，所述基座和所述隔断块皆采用铝合金材质制成。
优选的，所述正刚度结构、所述负刚度结构、所述导向梁和所述基座沿Y轴的长度皆相同。
优选的，所述正刚度结构或所述负刚度结构沿Z轴方向的长度与所述基座沿X轴方向的长度之比大于15:1。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明第一实施例提供的柔顺恒力机构在第一视角下的结构示意图；
图2为本发明第二实施例提供的柔顺恒力机构在第二视角下的结构示意图。
主要元件符号说明：
10、基座；11、隔断块；12、第一框体空间；13、第二框体空间；14、固定块；211、容纳空间；212、第一连接纵梁；213、第一连接横梁；22、柔性横梁；311、第二连接纵梁；312、第二连接横梁；32、柔性余弦形曲梁；40、导向梁；50、螺栓结构。
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请参阅图1至图2，为本发明实施例中的柔顺恒力机构，包括基座10、设于基座10上的正刚度结构和负刚度结构。
其中：基座10为半封闭式框体结构，基座10围合形成一安装腔室，基座10的中部一体连接有隔断块11，隔断块11和基座10皆采用铝合金材质制成，以保证该柔顺恒力机构受力过程中基座10和隔断块11不会发生变形，该隔断块11的数量有两个，两个隔断块11位于同一直线上，两个隔断块11分别设于基座10上的相对两侧内侧壁上，且两个隔断块11之间留有空隙，可以理解的，通过隔断块11能够将基座10的安装腔室隔断出第一框体空间12和第二框体空间13，该正刚度结构位于第一框体空间12内，负刚度结构位于第二框体空间13内。
在本实施例中，正刚度结构包括两个第二安装架和两组柔性横梁组，第二安装架为U形结构，第一安装架围合形成一容纳空间211，两组柔性横梁组分别位于两个容纳空间211内，具体为，各组横梁组的一端与相应第二安装架连接，其另一端与一导向梁40的一侧侧壁连接，可以理解的，两组柔性横梁组相背的端部分别与两个第一安装架一一连接，两组柔性横梁组以导向梁40为对称轴对称设置，且两组柔性横梁组的相对的端部分别与导向梁40的相对两侧侧壁连接。
需要说明的是，柔性横梁组包括两个柔性横梁22，柔性横梁22相互平行，且各柔性横梁22分别与导向梁40相互垂直，两个柔性横梁22将相应容纳空间211隔断出三个独立区域。
在本实施例中，第一安装架通过螺栓结构50与基座10连接，需要的说明的是，该第一安装架包括第一连接纵梁212和两个第一连接横梁213，第一连接纵梁212与导向梁40相互平行，且与连接衡量相互垂直，两个第一连接横梁213分别位于第一连接纵梁212的相对两端，其中一个第一连接横梁213的一端与第一连接纵梁212连接，其另一端通过螺栓结构50与基座10连接，以及另一个第一连接横梁213的一端与第一连接纵梁212连接，其另一端通过螺栓结构50与隔断块11连接，以将该第一安装架固定在第一框体空间12内，需要说明的是，两个第一安装架以导向梁40为对称轴对称设置，第一连接纵梁212为刚性梁，两个第一连接横梁213采用柔性材质制成。
在本实施例中，负刚度结构包括第二安装架和两组柔性余弦形曲梁组，第二安装架为工字形结构，且该第二安装架横卧于第二框体空间13内，两组柔性余弦形曲梁组分别位于第二安装架的相对两侧，两组柔性余弦形曲梁组以第二安装架为对称轴对称设置，以能够加工成两种竖直方向上的厚度，有助于实现连续两段恒力，其中，第二安装架的上端通过一组柔性余弦形曲梁组与导向梁40的底部连接，第二安装架的下端通过另一组柔性余弦形曲梁组与基座10的底部连接，需要说明的是，柔性余弦形曲梁组包括两个柔性余弦形曲梁32，各组中的两个柔性余弦形曲梁32相背的一端皆与第二安装架连接，以及其相对的一端皆与导向梁40的底部连接，其中，各柔性余弦形曲梁32相对于导向梁40倾斜设置。
可以理解的，导向梁40的底部与第二安装架的垂直距离大于0，位于第二安装架上端的柔性余弦形曲梁32自第二安装架的端部沿导向梁40的方向朝上倾斜设置，位于第二安装架下端的柔性余弦形曲梁32自第二安装架的端部沿导向梁40的方向朝下倾斜设置，且第一安装架以及各组中的两个柔性余弦形曲梁32皆以导向梁40为对称轴对称设置。
需要说明的是，该第二安装架包括一体连接的第二连接横梁312和两个第二连接纵梁311，第二连接横梁312与导向梁40相互垂直，两个第二连接纵梁311分别位于第二连接横梁312的相对两侧，该第二连接纵梁311沿Z轴的长度与第一连接纵梁212沿Z轴的长度相同，第二连接横梁312通过第二连接纵梁311与柔性余弦形曲梁32连接，该柔性余弦形曲梁32与第二连接纵梁311的夹角为钝角。
补充说明的是，基于基座10建立空间直角坐标系，以沿平行于导向梁40的方向为Z轴的延伸方向，以沿平行于柔性横梁22的方向为X轴的延伸方向，以沿垂直于柔性横梁22的方向为Y轴的延伸方向。
在本实施例中，基座10的底部的中部设有固定块14，该固定块14与导向梁40处于同一直线上，第二安装架通过一组柔性余弦形曲梁组与固定块14连接，可以理解的，位于第二安装架的下端的柔性余弦形曲梁32的一端与第二安装架连接，其另一端与固定块14连接。
在本实施例中，该柔顺恒力机构输出的恒力大小与柔顺恒力机构沿Y轴的长度有关，具体为，柔顺恒力机构沿Y轴的长度越大，输出的恒力越大，反之，柔顺恒力机构沿Y轴的长度越小，输出的恒力越小。需要说明的是，柔顺恒力机构输出的恒力范围大小与柔性余弦形曲梁组沿Z轴方向的长度有关，该柔性余弦形曲梁组沿Z轴方向的长度越大，输出的恒力范围越大，反之，柔性余弦形曲梁组沿Z轴方向的长度越小，输出的恒力范围越小。
在本实施例中，正刚度结构、负刚度结构、导向梁40和基座10沿Y轴的长度皆相同，正刚度结构或负刚度结构沿Z轴方向的长度与基座10沿X轴方向的长度之比大于15:1。
在本实施例中，基座10以导向梁40为对称轴对称设置，该导向梁40悬置于基座10的安装腔室内，且导向梁40的一端位于安装腔室的外侧，其另一端依次穿过第一框体空间12和空隙后并延伸至第二框体空间13内，以便该负刚度结构与导向梁40的底部连接。
在具体实施时，通过隔断块11将基座10隔断出第一框体空间12和第二框体空间13，将正刚度结构和负刚度结构分别设于第一框体空间12和第二框体空间13内，将正刚度结构中的两组柔性横梁组和两个第一安装架、负刚度结构的第二安装架和柔性横梁组以及基座10以导向梁40为对称轴对称设置，并将两个第一安装架和两组柔性横梁组一一匹配连接，将两组柔性横梁组相对的一端分别与导向梁40的相对两侧侧壁连接，以及将第二安装架的上端通过一组柔性余弦形曲梁组与导向梁40的底部连接，将第二安装架的下端通过另一端柔性余弦形曲梁组与基座10的底部连接，区别于现有技术，当向导向梁40的顶部施力时，该柔顺恒力机构能够提供多段恒力行程，使得恒力波动更小以及精度更高，有利于满足更多应用场景，提升了该柔顺恒力机构的实用性和适应性。
需要说明的是，上述的实施过程只是为了说明本申请的可实施性，但这并不代表本申请的柔顺恒力机构只有上述唯一一种实施流程，相反的，只要能够将本申请的柔顺恒力机构实施起来，都可以被纳入本申请的可行实施方案。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种柔顺恒力机构，其特征在于，包括基座、设于所述基座上的正刚度结构和负刚度结构；
所述基座为半封闭式框体结构，所述基座的中部设有隔断块，所述隔断块将所述基座的腔体隔断出第一框体空间和第二框体空间；
所述正刚度结构位于所述第一框体空间内，所述正刚度结构包括两个第一安装架和两组柔性横梁组，两组所述柔性横梁组相背的端部分别与两个所述第一安装架连接，各所述第一安装架皆与所述基座连接，且两组所述柔性横梁组相对的端部分别与一导向梁的相对两侧侧壁连接；
所述负刚度结构位于所述第二框体空间内，所述负刚度结构包括第二安装架和两组柔性余弦形曲梁组，所述第二安装架的上端通过一组所述柔性余弦形曲梁组与所述导向梁的底部连接，其下端通过另一组所述柔性余弦形曲梁组与所述基座的底部连接；
其中，所述导向梁悬置于所述基座中，且所述导向梁的一端穿过所述第一框体空间并延伸至所述第二框体空间内，所述基座、两组所述柔性横梁组、两个所述第一安装架、所述第二安装架皆以所述导向梁为对称轴对称设置，两组所述柔性余弦形曲梁组以所述第二安装架为对称轴对称设置。
2.根据权利要求1所述的柔顺恒力机构，其特征在于，所述柔性横梁组包括两个柔性横梁，两个所述柔性横梁相互平行，且各所述柔性横梁分别与所述导向梁相互垂直。
3.根据权利要求1所述的柔顺恒力机构，其特征在于，两组所述柔性余弦形曲梁组以所述第二安装架为对称轴对称设置，所述柔性余弦形曲梁组包括两个柔性余弦形曲梁，各组的两个所述柔性余弦形曲梁相背的一端皆与所述第二安装架连接，各所述柔性余弦形曲梁相对于所述导向梁倾斜设置。
4.根据权利要求1所述的柔顺恒力机构，其特征在于，所述第一安装架为U形结构，所述第一安装架围合形成一容纳空间，所述柔性横梁组位于相应所述容纳空间内。
5.根据权利要求1所述的柔顺恒力机构，其特征在于，所述第一安装架通过螺栓结构与所述基座连接。
6.根据权利要求1所述的柔顺恒力机构，其特征在于，所述第二安装架为工字形结构，所述第二安装架横卧于所述第二框体空间内。
7.根据权利要求1所述的柔顺恒力机构，其特征在于，所述基座的底部的中部设有固定块，所述第二安装架通过一组所述柔性余弦形曲梁组与所述固定块连接。
8.根据权利要求1所述的柔顺恒力机构，其特征在于，所述基座和所述隔断块一体连接，所述基座和所述隔断块皆采用铝合金材质制成。
9.根据权利要求1所述的柔顺恒力机构，其特征在于，所述正刚度结构、所述负刚度结构、所述导向梁和所述基座沿Y轴的长度皆相同。
10.根据权利要求1所述的柔顺恒力机构，其特征在于，所述正刚度结构或所述负刚度结构沿Z轴方向的长度与所述基座沿X轴方向的长度之比大于15:1。
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