DE102015108960A1 - Device with negative stiffness - Google Patents

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Abstract

Eine Vorrichtung mit negativer Steifigkeit weist einen fluidgefüllten Balg auf, der zwischen einer ersten Fläche und einer zweiten Fläche angeordnet ist, wobei der Balg und die erste und zweite Fläche eine im wesentlichen Gleichgewichtsorientierung zwischen der ersten und zweiten Fläche aufweisen. Der Balg und die erste und zweite Fläche umfassen andere Orientierungen, wobei die erste und zweite Fläche aus der im wesentlichen Gleichgewichtsorientierung verstellt sind und der Balg eine Verstellkraft ausübt, um die erste und zweite Fläche weiter weg aus der im wesentlichen Gleichgewichtsorientierung zu treibenA negative stiffness device includes a fluid filled bellows disposed between a first surface and a second surface, the bellows and the first and second surfaces having a substantially equilibrium orientation between the first and second surfaces. The bellows and the first and second surfaces comprise other orientations, the first and second surfaces being out of substantial equilibrium orientation, and the bellows exerting an adjustment force to drive the first and second surfaces farther away from the substantially equilibrium orientation

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGENCROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen U.S. Anmeldung Nr. 62/009,416, die am 06. September 2014 eingereicht wurde und die hierin durch Bezugnahme mit aufgenommen ist.This application claims priority from US provisional Application No. 62 / 009,416, filed Sep. 6, 2014, which is incorporated herein by reference.

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Diese Offenbarung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit negativer Steifigkeit.This disclosure relates to a device with negative stiffness.

HINTERGRUNDBACKGROUND

Die Anmerkungen in diesem Abschnitt stellen lediglich Hintergrundinformationen in Verbindung mit der vorliegenden Offenbarung dar. Demgemäß sind derartige Anmerkungen nicht dazu bestimmt, ein Anerkenntnis von Stand der Technik zu bilden.The notes in this section are merely background information associated with the present disclosure. Accordingly, such remarks are not intended to constitute an acknowledgment of the state of the art.

Es sind Vorrichtungen mit negativer Steifigkeit bekannt, die ihre Leistungsziele beispielsweise durch mechanisches Knicken oder Elektromagnetismus erreichen. Mechanische Vorrichtungen mit negativer Steifigkeit erfordern jedoch Gelenke, die Abnutzung und Reibung aufweisen. Außerdem können mechanische Implementierungen, die senkrechte Federn erfordern, an Einbaunachteilen leiden. Elektromagnetische Implementierungen können die Form von Linearmotoren, die massiv und kostspielig sind, oder Solenoidattraktoren annehmen, die auf kleine Verstellungen begrenzt sind. Zusätzlich erfordern elektromagnetische Implementierungen einen Energieeintrag, einschließlich beim Halten.Negative stiffness devices are known that achieve their performance goals by, for example, mechanical buckling or electromagnetism. However, negative stiffness mechanical devices require joints that exhibit wear and friction. In addition, mechanical implementations that require vertical springs may suffer from installation disadvantages. Electromagnetic implementations may take the form of linear motors that are massive and expensive, or solenoid attractors that are limited to small adjustments. In addition, electromagnetic implementations require energy input, including holding.

ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY

Eine Vorrichtung mit negativer Steifigkeit weist einen fluidgefüllten Balg auf, der zwischen einer ersten Fläche und einer zweiten Fläche angeordnet ist, wobei der Balg und die erste und zweite Fläche eine im wesentlichen Gleichgewichtsorientierung zwischen der ersten und zweiten Fläche aufweisen. Der Balg und die erste und zweite Fläche umfassen andere Orientierungen, wobei die erste und zweite Fläche von der im wesentlichen Gleichgewichtsorientierung verstellt sind und der Balg eine Verstellkraft ausübt, um die erste und zweite Fläche weiter weg aus der im wesentlichen Gleichgewichtsorientierung zu treiben.A negative stiffness device includes a fluid filled bellows disposed between a first surface and a second surface, the bellows and the first and second surfaces having a substantially equilibrium orientation between the first and second surfaces. The bellows and the first and second surfaces comprise other orientations, the first and second surfaces being displaced from substantially equilibrium orientation, and the bellows exerting an adjustment force to drive the first and second surfaces farther away from the substantially equilibrium orientation.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Eine oder mehrere Ausführungsformen werden nun nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:One or more embodiments will now be described, by way of example only, with reference to the accompanying drawings, in which:

1 eine Ausführungsform einer Vorrichtung mit negativer Steifigkeit und Linearbewegung in Gleichgewichtsorientierung gemäß der Offenbarung zeigt; 1 shows an embodiment of a device with negative stiffness and linear motion in equilibrium orientation according to the disclosure;

2-A bis 2-C bestimmte Schlüsselkomponenten der Vorrichtung mit negativer Steifigkeit und Linearbewegung von 1 gemäß der Offenbarung veranschaulichen; 2-A to 2-C certain key components of the device with negative rigidity and linear motion of 1 according to the disclosure;

3-A und 3-B die Vorrichtung mit negativer Steifigkeit und Linearbewegung von 1, die aus der Gleichgewichtsorientierung verstellt ist, gemäß der Offenbarung zeigen; 3-A and 3-B the device with negative rigidity and linear motion of 1 which is out of equilibrium orientation, according to the disclosure;

4-A und 4-B die Vorrichtung mit negativer Steifigkeit und Linearbewegung von 1, die auf ein hydropneumatisches Federbein angewendet ist, gemäß der Offenbarung zeigen; 4-A and 4-B the device with negative rigidity and linear motion of 1 according to the disclosure, applied to a hydropneumatic strut;

5 Daten von Kraft gegenüber Verstellung aus Tabelle 1 gemäß der Offenbarung zeigt; 5 Figure 4 shows force versus displacement data from Table 1 according to the disclosure;

6-A und 6-B eine Ausführungsform einer Vorrichtung mit negativer Steifigkeit mit Drehbewegung in Gleichgewichtsorientierung gemäß der Offenbarung zeigen; und 6-A and 6-B show an embodiment of a device with negative stiffness with rotational movement in equilibrium orientation according to the disclosure; and

7-A und 7-B die Vorrichtung mit negativer Steifigkeit mit Drehbewegung der 6-A und 6-B, die aus der Gleichgewichtsorientierung verstellt ist, gemäß der Offenbarung zeigen. 7-A and 7-B the device with negative stiffness with rotational movement of 6-A and 6-B which is out of equilibrium orientation, according to the disclosure show.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DETAILED DESCRIPTION

Nun Bezug nehmend auf die Zeichnungen, in denen das Gezeigte nur zum Zweck der Veranschaulichung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und nicht zum Zweck der Beschränkung derselben dient, zeigt 1 eine Vorrichtung 100 mit negativer Steifigkeit, die linear arbeitet, d. h. eine Vorrichtung mit negativer Steifigkeit und Linearbewegung. Die Vorrichtung 100 mit negativer Steifigkeit und Linearbewegung weist drei Hauptkomponenten auf: ein Außenrohr oder eine Außenführung 1, ein Innenrohr oder Innenführung 3 und einen flexiblen, im Wesentlichen toroidförmigen Balg 2. Somit weist in dem allgemeinen Fall eine Vorrichtung mit negativer Steifigkeit und Linearbewegung gemäß der vorliegenden Offenbarung einen im Wesentlichen toroidförmigen Balg auf, der zwischen einer ersten Fläche und einer zweiten Fläche angeordnet ist.Referring now to the drawings wherein the illustrated is for the purpose of illustrating certain example embodiments only and not for the purpose of limiting the same, FIG 1 a device 100 with negative stiffness that works linearly, ie a device with negative stiffness and linear motion. The device 100 with negative stiffness and linear motion has three main components: an outer tube or an outer guide 1 , an inner tube or inner guide 3 and a flexible, substantially toroidal bellows 2 , Thus, in the general case, a negative stiffness and linear motion device according to the present disclosure has a substantially toroidal bellows disposed between a first surface and a second surface.

Der Balg 2 ist im Allgemeinen zwischen und in Kontakt mit der Innenfläche 8 der Außenführung 1 und der Außenfläche 7 der Innenführung 3 angeordnet. Der allgemeine Abschnitt des Balgs 2 in Kontakt mit der Innenfläche 8 der Außenführung 1 kann als eine Außenwand 19 bezeichnet werden, und der allgemeine Abschnitt des Balgs 2 in Kontakt mit der Außenfläche 7 der Innenführung 3 kann als eine Innenwand 17 bezeichnet werden. Stirnwände des Balgs können im Allgemeinen die axial gegenüberliegenden Abschnitte des Balgs 2 betreffen, die die Innen- und Außenwände verbinden. Da die Positions- und Kontaktbeziehung des Balgs zwischen und mit den Flächen der Innen- und Außenführung im Betrieb variiert, sei zu verstehen, dass die Innen-, Außen- und Stirnwände relative Deskriptoren sind und keine absoluten Abschnitte des Balgs betreffen. Der Balg 2 ist flexibel, wobei er aus Gummi oder elastomerem Material hergestellt und mit einem Fluid, entweder Gas oder Flüssigkeit, gefüllt ist.The bellows 2 is generally between and in contact with the inner surface 8th the outside guide 1 and the outer surface 7 the inner guide 3 arranged. The general section of the bellows 2 in contact with the inner surface 8th the outside guide 1 can as an outer wall 19 be designated, and the general section of the bellows 2 in contact with the outer surface 7 the inner guide 3 can as an interior wall 17 be designated. End walls of the bellows can generally the axially opposite portions of the bellows 2 affecting the interior and exterior walls. Since the position and contact relationship of the bellows varies between and with the surfaces of the inner and outer guides in operation, it should be understood that the inner, outer and end walls are relative descriptors and do not relate to absolute portions of the bellows. The bellows 2 is flexible, being made of rubber or elastomeric material and filled with a fluid, either gas or liquid.

Die Innenführung 3 ist länglich und zylindrisch und längs entlang einer Achse der Linearbewegung (Längszentrallinie 200) ausgerichtet. Die Außenführung 1 ist länglich und längs entlang der Achse der Linearbewegung ausgerichtet, besitzt jedoch allgemein konvexe Querschnittswände bei Schnitt durch die Längszentrallinie 200. Bei einem Schnitt rechtwinklig zu der Längszentrallinie 200 sind die Querschnitte der Außenführung 1 kreisförmig mit einem zentral angeordneten minimalen Umfang und Umfängen, die monoton zu jedem Ende der Außenführung 1 weg von dem minimalen Umfang zunehmen. Während die Innen- und Außenführungen 3 bzw. 1 in Längsrichtung symmetrisch gezeigt sind, ziehen die Anmelder asymmetrische Geometrien in Betracht, beispielsweise eine Anordnung des minimalen Umfangs der Führung 1 näher an einem Ende, allgemein konvexe Querschnitte von unterschiedlicher Krümmung oder röhrenförmige Strukturen, die sich aufweiten oder sich reduzieren, wie es nur an einem Ende davon der Fall sein kann. Darüber hinaus kann, während die Innenführung 3 zylindrisch ist, die Innenführung 3 andere Geometrien besitzen. Beispielsweise kann die Innenführung 3 einen maximalen zentralen Umfang und Umfänge aufweisen, die sich von dem maximalen zentralen Umfang weg zu jedem Ende reduzieren. Während die Innenführung 3 als ein leerer Hohlzylinder dargestellt ist, kann die Führung alternativ komplett massiv sein, hohl mit einem gefüllten Kern sein oder jede Konstruktion aufweisen, die für einen Fachmann auf dem Gebiet offensichtlich ist. Material, das verwendet werden kann, um die Innenführung 3 und Außenführung 1 herzustellen, kann ein für jede Anwendung geeignetes Material in Abhängigkeit von solchen Überlegungen wie Masse, Festigkeit, Betriebsumgebung, Auslegung zu Herstellung, etc. sein. Beispielhafte Materialien können herkömmliche Stahlmaterialverohrung aufweisen. Techniken zum Aufweiten und Verringern des Rohrmaterials sind dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt und können zum Beispiel Stößelformen, Rotationsformen und Hydroformen aufweisen.The inner guide 3 is elongate and cylindrical and longitudinal along an axis of linear motion (longitudinal center line 200 ). The exterior guide 1 is elongated and longitudinally aligned along the axis of linear motion, but generally has convex cross-sectional walls when intersected by the longitudinal centerline 200 , In a section perpendicular to the longitudinal center line 200 are the cross sections of the outer guide 1 circular with a centrally located minimum circumference and circumferences that are monotone to each end of the outer track 1 away from the minimum amount. While the inner and outer guides 3 respectively. 1 are shown symmetrically in the longitudinal direction, the applicants take asymmetric geometries into consideration, for example an arrangement of the minimum circumference of the guide 1 closer to one end, generally convex cross-sections of different curvature, or tubular structures that expand or collapse, as may be the case only at one end thereof. In addition, while the inner guide 3 is cylindrical, the inner guide 3 own other geometries. For example, the inner guide 3 have a maximum central circumference and circumferences that reduce from the maximum central circumference to each end. While the inside guide 3 alternatively, as shown as an empty hollow cylinder, the guide may be completely solid, hollow with a filled core, or of any construction apparent to one skilled in the art. Material that can be used to guide the interior 3 and outdoor tour 1 can be a suitable material for any application depending on such considerations as mass, strength, operating environment, design to manufacture, etc. Exemplary materials may include conventional steel material tubing. Techniques for expanding and reducing the tubing are known to those skilled in the art and may include, for example, plunger shapes, rotational molding and hydroforming.

Die Vorrichtung 100 mit negativer Steifigkeit ist in 1 mit in Längsrichtung symmetrischer Anordnung zwischen der Außenführung 1 und den Balg 2 gezeigt, d. h. der Balg 2 ist mittig in Bezug auf den minimalen Querschnittsumfang der Außenführung 1 angeordnet. Der Balg 2 ist zwischen der Innenfläche 8 der Außenführung 1 und der Außenfläche 7 der Innenführung 3 eingeschränkt. Sogar an dem engsten Abschnitt der Führung 1 kann ein offener Kanal an der Innenseite des Balges 2 für eine Fluidverbindung dort vorhanden sein. In der Komponentenorientierung der 1 ist der Balg 2 zu einer nahezu gleichförmigen Dicke von Wand zu Wand von Ende zu Ende zusammengedrückt, und aufgrund der symmetrischen Anordnung in Bezug auf die Außenführung 1 sind die Längskräfte ((falls gemäß den Profilen der Innenfläche 8 und der Außenfläche 7 vorhanden) ausgeglichen. Somit wird die Orientierung von 1 als eine im wesentlichen Gleichgewichtsorientierung oder als ein Gleichgewichtszustand bezeichnet. Eine derartige Position kann auch als Nenn- oder abgestimmte Position bezeichnet werden. Der Balg 2 ist an der Innenführung 3 und der Außenführung 1 an den jeweiligen Flächen befestigt, wo sie sich an einer oder mehreren Stellen in Ausrichtung mit dem Schnitt treffen, der durch das Symmetriezentrum verläuft (d. h. der Schnitt senkrecht zu der durch den kleinsten Umfang der Außenführung 1 verlaufenden Längsachse). Eine solche Befestigung kann mit Hilfe von Klebstoffen oder zusammenwirkenden positiven und negativen Wulstmerkmalen, zum Beispiel Wulst, bewirkt werden.The device 100 with negative stiffness is in 1 with a longitudinally symmetrical arrangement between the outer guide 1 and the bellows 2 shown, ie the bellows 2 is centered with respect to the minimum cross-sectional circumference of the outer guide 1 arranged. The bellows 2 is between the inner surface 8th the outside guide 1 and the outer surface 7 the inner guide 3 limited. Even at the narrowest part of the guide 1 can be an open channel on the inside of the bellows 2 be there for a fluid connection. In the component orientation of 1 is the brat 2 compressed to a nearly uniform thickness from wall to wall from end to end, and due to the symmetrical arrangement with respect to the outer guide 1 are the longitudinal forces (if according to the profiles of the inner surface 8th and the outer surface 7 available) balanced. Thus, the orientation of 1 is referred to as a substantially equilibrium orientation or as an equilibrium state. Such a position may also be referred to as a nominal or coordinated position. The bellows 2 is on the inside guide 3 and the outside guide 1 attached to the respective surfaces where they meet at one or more locations in alignment with the section passing through the center of symmetry (ie the section perpendicular to that through the smallest circumference of the outer guide 1 extending longitudinal axis). Such attachment may be effected by means of adhesives or co-acting positive and negative bead features, for example bead.

Es wird eine zusätzliche Kontextbezugnahme auf die 3-A und 3-B genommen. Wenn sich die Innenführung 3 relativ zu der Außenführung 1 bewegt, rollt der eingeschränkte Balg 2 zwischen der Innenfläche 8 und der Außenfläche 7. Der Balg 2 passt sich in der Form an den sich ändernden Spalt zwischen der Innenfläche 8 und der Außenfläche 7 und einer resultierenden Änderung des eingeschlossenen Volumens an. Die Form der Außenführung 1, der Innenführung 3 oder von beiden kann so ausgelegt sein, um eine gewünschte Volumenbeschränkungsänderung an unterschiedlichen Positionen zwischen den Innen- und Außenführungen und resultierende Axialkräfte, die auf die Führungen wirken, zu erreichen. There will be an additional contextual reference to the 3-A and 3-B taken. When the inner guide 3 relative to the outer guide 1 moves, the restricted bellows rolls 2 between the inner surface 8th and the outer surface 7 , The bellows 2 adapts in shape to the changing gap between the inner surface 8th and the outer surface 7 and a resulting change in trapped volume. The shape of the outer guide 1 , the interior guide 3 or both may be designed to achieve a desired volume constraint change at different positions between the inner and outer guides and resultant axial forces acting on the guides.

Die Volumenänderung resultiert in einer Druckänderung gemäß den Gasregeln unter Annahme adiabatischer oder isothermer Prozesse. Diese Volumen/Druckänderung resultiert in Arbeit, die durch die Vorrichtung 100 verrichtet wird, was in einer zwischen der Innen- und Außenführung wirkenden Linearkraft resultiert. Verrichtete Arbeit kann (für einen isothermen Prozess) gemäß der folgenden Beziehung geschätzt werden: W = P1·V1·ln(V2/V1) [1] wobei

W
inkrementelle Arbeit ist, die bei der Bewegung der Innen- und Außenführungen von der ersten Positionsbeziehung zu der zweiten Positionsbeziehung verrichtet wird;
P1
der Balgdruck in der ersten Positionsbeziehung ist;
V1
das Balgvolumen an einem ersten Ablenkpunkt δ1 (eine erste Positionsbeziehung zwischen der Innen- und Außenführung) ist; und
V2
das Balgvolumen an einem zweiten Ablenkpunkt δ2 (eine zweite Positionsbeziehung zwischen der Innen- und Außenführung) ist.
The volume change results in a pressure change according to the gas rules assuming adiabatic or isothermal processes. This volume / pressure change results in work passing through the device 100 is performed, resulting in a force acting between the inner and outer guide linear force. Performed work can be estimated (for an isothermal process) according to the following relationship: W = P 1 * V 1 * ln (V 2 / V 1 ) [1] in which
W
incremental work performed on the movement of the inner and outer guides from the first positional relationship to the second positional relationship;
P 1
the bellows pressure is in the first positional relationship;
V 1
the bellows volume at a first deflection point δ 1 (a first positional relationship between the inner and outer guides); and
V 2
the bellows volume at a second deflection point δ 2 (a second positional relationship between the inner and outer guides).

Diese Arbeit ist gleich der Arbeit, die durch die Kraft verrichtet wird, die entlang der Relativbewegung zwischen den Innen- und Außenführungen wirkt, gemäß der folgenden Beziehung. W = F·δ2-1 [2] wobei

W
inkrementelle Arbeit ist, die bei der Bewegung der innen- und Außenführungen von der ersten Positionsbeziehung zu der zweiten Positionsbeziehung verrichtet wird;
F
die durchschnittliche Kraft ist, die entlang der relativen Bewegung zwischen den Innen- und Außenführungen von der ersten Positionsbeziehung zu der zweiten Positionsbeziehung wirkt; und
δ2-1
die Auslenkung aus der ersten Positionsbeziehung zu der zweiten Positionsbeziehung ist.
This work is equal to the work performed by the force acting along the relative movement between the inner and outer guides according to the following relationship. W = F · δ 2-1 [2] in which
W
incremental work performed on the movement of the inner and outer guides from the first positional relationship to the second positional relationship;
F
the average force acting along the relative movement between the inner and outer guides from the first positional relationship to the second positional relationship; and
δ 2-1
is the displacement from the first positional relationship to the second positional relationship.

Aus den Gleichungen [1] und [2] kann eine Leistungsfähigkeit von Kraft in Abhängigkeit der Verstellung durch einen Fachmann ausgelegt werden.From the equations [1] and [2], a performance of force depending on the adjustment by a person skilled in the art can be designed.

Unter Bezugnahme auf die 4-A und 4-B ist eine Anwendung auf ein hydropneumatisches Federbein 200 gezeigt. Die Vorrichtung 100 mit negativer Steifigkeit ist ein einfacher und kosteneffektiver Weg, eine negative Steifigkeit mit einem mit geringer Trägheit, nahezu keiner Reibung gesteuerten Profil mit Einfachheit und bewährten Technologien zu implementieren, während ein konzentrischer Einbau um das Federbein ermöglicht wird, wodurch das beseitigte Schraubenfedervolumen ersetzt wird. Alternativ kann die Vorrichtung 100 mit negativer Steifigkeit zwischen einen Dämpfer und eine Schraubenfeder, beispielsweise in herkömmlicheren passiven Aufhängungen eingebaut werden. In jedem Fall kann die abgestimmte Position durch die relative Höhe zwischen den inneren und äußeren Führungen, die durch die Länge der Verbindungshülse 400 hergestellt ist, eingestellt werden. Dem Fachmann sei zu verstehen, dass eine Abstimmpositionseinstellung auch aktiv verändert werden kann.With reference to the 4-A and 4-B is an application to a hydropneumatic strut 200 shown. The device 100 with negative stiffness is a simple and cost effective way to implement a negative stiffness with a low inertia, virtually no friction controlled profile with simplicity and proven technologies while allowing concentric installation about the strut, thereby replacing the eliminated coil spring volume. Alternatively, the device 100 with negative stiffness between a damper and a coil spring, for example, be installed in more conventional passive suspensions. In any case, the tuned position can be determined by the relative height between the inner and outer guides, which is determined by the length of the connecting sleeve 400 is set to be adjusted. Those skilled in the art should be understood that a Abstimmpositionseinstellung can also be actively changed.

Tabelle 1 zeigt das Balgvolumen (V), den Balgdruck (P), die durch Volumen/Druckänderung verrichtete Arbeit (W) und die durchschnittliche, auf das Federbein (F) wirkende Kraft bei verschiedenen Verstellungen (δ) aus der abgestimmten Position der beispielhaften Anwendung der Vorrichtung 100 mit negativer Steifigkeit zu dem hydropneumatischen Federbein 200, wie in den 4-A und 4-B dargestellt ist. Und 5 veranschaulicht eine Durchschnittskraft (F), die auf das Federbein wirkt, in Abhängigkeit von Verstellungen (δ) aus der abgestimmten Position der beispielhaften Anwendung der Vorrichtung 100 mit negativer Steifigkeit zu dem hydropneumatischen Federbein 200, wie in den 4-A und 4-B dargestellt ist. Tabelle 1 δ Auslenkung von abgestimmter Position [mm] V Balgvolumen [cm3] P Balgdruck [Atm] W Durch Volumen- oder Druckänderung verrichtete Arbeit [J] F Durchschnittskraft [N] 80 191.80 4.25 5.67 1134.91 75 178.90 4.56 6.49 1298.62 70 165.20 4.93 5.83 1165.51 65 153.80 5.30 5.99 1198.18 60 142.90 5.70 5.79 1158.02 55 133.10 6.12 5.64 1128.08 50 124.20 6.56 5.43 1085.26 45 116.20 7.01 5.14 1027.68 40 109.10 7.47 4.77 953.67 35 102.90 7.92 4.39 878.66 30 97.50 8.36 3.85 770.22 25 93.00 8.76 3.40 680.01 20 89.20 9.14 2.79 557.64 15 86.20 9.45 2.20 440.83 10 83.90 9.71 1.53 305.93 5 82.34 9.90 0.84 167.14 0 81.50 10.00 - 0.00 –5 81.60 9.99 0.10 –19.99 –10 82.00 9.94 0.40 –79.71 –15 83.30 9.78 1.23 –256.39 –20 85.30 9.55 1.93 –386.73 –25 88.00 9.26 2.54 –507.95 –30 91.40 8.92 3.09 –617.91 –35 95.60 8.53 3.65 –732.32 –40 100.50 8.11 4.07 –814.75 –45 106.20 7.67 4.50 –899.21 –50 112.60 7.24 4.77 –953.84 –55 119.80 6.80 5.05 –1010.31 –60 128.20 6.36 5.52 –1104.62 Table 1 shows the bellows volume (V), the bellows pressure (P), the volume / pressure change work (W), and the average force on the strut (F) at various displacements (δ) from the tuned position of the example application the device 100 with negative stiffness to the hydropneumatic strut 200 as in the 4-A and 4-B is shown. And 5 Figure 12 illustrates an average force (F) acting on the strut in response to displacements (δ) from the adjusted position of the exemplary application of the device 100 with negative stiffness to the hydropneumatic strut 200 as in the 4-A and 4-B is shown. Table 1 δ deflection of tuned position [mm] V bellows volume [cm 3 ] P bellows pressure [Atm] W Work performed by volume or pressure change [J] F average power [N] 80 191.80 4.25 5.67 1134.91 75 178.90 4:56 6:49 1298.62 70 165.20 4.93 5.83 1165.51 65 153.80 30.5 5.99 1198.18 60 142.90 5.70 5.79 1158.02 55 133.10 6.12 5.64 1128.08 50 124.20 6:56 5:43 1085.26 45 116.20 7:01 5.14 1027.68 40 109.10 7:47 4.77 953.67 35 102.90 7.92 4:39 878.66 30 97.50 8:36 3.85 770.22 25 93.00 8.76 3:40 680.01 20 89.20 9.14 2.79 557.64 15 86.20 9:45 2.20 440.83 10 83.90 9.71 1:53 305.93 5 82.34 9.90 0.84 167.14 0 81.50 10:00 - 00:00 -5 81.60 9.99 12:10 -19.99 -10 82.00 9.94 12:40 -79.71 -15 83.30 9.78 1.23 -256.39 -20 85.30 9:55 1.93 -386.73 -25 88.00 9.26 2:54 -507.95 -30 91.40 8.92 3:09 -617.91 -35 95.60 8:53 3.65 -732.32 -40 100.50 8.11 4:07 -814.75 -45 106.20 7.67 4:50 -899.21 -50 112.60 7.24 4.77 -953.84 -55 119.80 6.80 5:05 -1010.31 -60 128.20 6:36 5:52 -1104.62

Die 6-A und 6-B zeigen eine Vorrichtung 100' mit negativer Steifigkeit, die in Drehbewegung ist, d. h. eine Vorrichtung mit negativer Steifigkeit und Drehbewegung. Die Vorrichtung 100' mit negativer Steifigkeit und Drehbewegung weist drei Hauptkomponenten auf: eine Außenführung 1', eine Innenführung 3' und einen flexiblen Balg 2'. Der Balg 2' ist im Allgemeinen zwischen und in Kontakt mit der Innenfläche 8' der Außenführung 1' und der Außenfläche 7' der Innenführung 3' angeordnet. Der allgemeine Abschnitt des Balgs 2' in Kontakt mit der Innenfläche 8' der Außenführung 1' kann als eine Außenwand bezeichnet werden, und der allgemeine Abschnitt des Balgs 2' in Kontakt mit der Außenfläche 7' der Innenführung 3' kann als eine Innenwand bezeichnet werden. Stirnwände des Balgs können im Allgemeinen die umfangsbezogen gegenüberliegenden Abschnitte des Balgs 2' umfassen, die die Innen- und Außenwände verbinden. Da die Positions- und Kontaktbeziehung des Balgs zwischen und mit den Flächen der Innen- und Außenführung im Betrieb variiert, sei zu verstehen, dass die Innen-, Außen- und Stirnwände relative Deskriptoren sind und keine absoluten Abschnitte des Balgs betreffen. Somit weist in dem allgemeinen Fall eine Vorrichtung mit negativer Steifigkeit und Drehbewegung gemäß der vorliegenden Offenbarung einen Balg auf, der zwischen einer ersten Fläche und einer zweiten Fläche angeordnet ist. Der Balg 2' ist flexibel, wobei er aus Gummi oder elastomerem Material hergestellt und mit einem Fluid, entweder Gas oder Flüssigkeit, gefüllt ist.The 6-A and 6-B show a device 100 ' with negative stiffness, which is in rotary motion, ie a device with negative stiffness and rotary motion. The device 100 ' with negative stiffness and rotary motion has three main components: an outer guide 1' , an inside guide 3 ' and a flexible bellows 2 ' , The bellows 2 ' is generally between and in contact with the inner surface 8th' the outside guide 1' and the outer surface 7 ' the inner guide 3 ' arranged. The general section of the bellows 2 ' in contact with the inner surface 8th' the outside guide 1' may be referred to as an outer wall, and the general portion of the bellows 2 ' in contact with the outer surface 7 ' the inner guide 3 ' can be referred to as an inner wall. End walls of the bellows may generally be the circumferentially opposed portions of the bellows 2 ' include, which connect the inner and outer walls. Since the position and contact relationship of the bellows varies between and with the surfaces of the inner and outer guides in operation, it should be understood that the inner, outer and end walls are relative descriptors and do not relate to absolute portions of the bellows. Thus, in the general case, a negative stiffness and rotary motion device in accordance with the present disclosure has a bellows disposed between a first surface and a second surface. The bellows 2 ' is flexible, being made of rubber or elastomeric material and filled with a fluid, either gas or liquid.

Die Innenführung 3' ist zylindrisch. Die Außenführung 1' weist eine allgemein konkave Innenfläche 8' bei rechtwinkligem Schnitt zu der Längszentrallinie 200' auf. Die Innenfläche 8' weist einen Krümmungsradius oder ein Profil auf, der/das größer als das der Außenfläche 7' der Innenführung 3' ist. Ein minimaler Abstand zwischen der Außenfläche 7' und der Innenfläche 8' entspricht einer Achse 210, die normal zu der Längsachse 200' ist.The inner guide 3 ' is cylindrical. The exterior guide 1' has a generally concave inner surface 8th' with a right-angled cut to the longitudinal center line 200 ' on. The inner surface 8th' has a radius of curvature or profile that is greater than that of the outer surface 7 ' the inner guide 3 ' is. A minimal distance between the outer surface 7 ' and the inner surface 8th' corresponds to an axis 210 that are normal to the longitudinal axis 200 ' is.

Der Balg 2' ist symmetrisch in Bezug auf den minimalen Abstand zwischen der Außenfläche 7' und der Innenfläche 8' entsprechend der Achse 210' angeordnet. Der Balg 2' ist zwischen der Innenfläche 8' der Außenführung 1' und der Außenfläche 7' der Innenführung 3' eingeschränkt. Selbst im Bereich des engsten Zwischenraums zwischen der Innenfläche 8' und der Außenfläche 7' kann ein offener Kanal an dem Inneren des Balges 2' zur Fluidverbindung darin vorhanden sein. In der Komponentenorientierung der 6-A und 6-B ist der Balg 2' zu einer nahezu gleichförmigen Dicke von Wand zu Wand von Ende zu Ende zusammengedrückt, und aufgrund der symmetrischen Anordnung in Bezug auf die Außenfläche 7' und Innenfläche 8' sind die Drehkräfte ((falls gemäß dem Profil der Innenfläche 8' und der Außenfläche 7' vorhanden) ausgeglichen. Somit wird die Orientierung von 6-A und 6-B als eine im wesentlichen Gleichgewichtsorientierung oder als ein Gleichgewichtszustand bezeichnet. Eine derartige Position kann auch als Nenn- oder abgestimmte Position bezeichnet werden. Der Balg 2' ist mit der Innenführung 3' und Außenführung 1' an den jeweiligen Flächen befestigt, wo sie an einer oder mehreren Stellen in Ausrichtung mit der Längsachse 200' zusammentreffen.The bellows 2 ' is symmetrical with respect to the minimum distance between the outer surface 7 ' and the inner surface 8th' according to the axis 210 ' arranged. The bellows 2 ' is between the inner surface 8th' the outside guide 1' and the outer surface 7 ' the inner guide 3 ' limited. Even in the area of the narrowest space between the inner surface 8th' and the outer surface 7 ' can be an open channel on the inside of the bellows 2 ' be present for fluid communication therein. In the component orientation of 6-A and 6-B is the brat 2 ' compressed to a nearly uniform wall to wall thickness from end to end and due to the symmetrical arrangement with respect to the outer surface 7 ' and inner surface 8th' are the rotational forces ((if according to the profile of the inner surface 8th' and the outer surface 7 ' available) balanced. Thus, the orientation of 6-A and 6-B is referred to as a substantially equilibrium orientation or as an equilibrium state. Such a position may also be referred to as a nominal or coordinated position. The bellows 2 ' is with the inner guide 3 ' and outdoor tour 1' attached to the respective surfaces, where at one or more locations in alignment with the longitudinal axis 200 ' meet.

Es wird eine zusätzliche Kontextbezugnahme auf die 7-A und 7-B genommen. Wenn sich die Innenführung 3' relativ zu der Außenführung 1' bewegt (in 7-A im Uhrzeigersinn), rollt der eingeschränkte Balg 2' zwischen der Innenfläche 8' und der Außenfläche 7'. Der Balg 2' passt sich in der Form an den sich ändernden Spalt zwischen der Innenfläche 8' und der Außenfläche 7' und einer resultierenden Änderung des eingeschlossenen Volumens an. Die Form der Außenführung 1' kann so ausgelegt sein, um eine gewünschte Volumenbeschränkungsänderung an unterschiedlichen Positionen zwischen den Innen- und Außenführungen und resultierende Axialkräfte, die auf die Führungen wirken, zu erreichen.There will be an additional contextual reference to the 7-A and 7-B taken. When the inner guide 3 ' relative to the outer guide 1' moved (in 7-A clockwise), the restricted bellows rolls 2 ' between the inner surface 8th' and the outer surface 7 ' , The bellows 2 ' adapts in shape to the changing gap between the inner surface 8th' and the outer surface 7 ' and a resulting change in trapped volume. The shape of the outer guide 1' may be configured to achieve a desired volume constraint change at different positions between the inner and outer guides and resultant axial forces acting on the guides.

Wie bei der Vorrichtung mit negativer Steifigkeit und Linearbewegung von 1 resultiert die Volumenänderung in einer Druckänderung gemäß der Gasregeln unter Annahme adiabatischer oder isothermer Prozesse. Diese Volumen/Druckänderung resultiert in Arbeit, die durch die Vorrichtung 100' verrichtet wird, was in einer zwischen der Innen- und Außenführung wirkenden Linearkraft resultiert.As with the device with negative stiffness and linear motion of 1 the volume change results in a pressure change according to the gas rules assuming adiabatic or isothermal processes. This volume / pressure change results in work passing through the device 100 ' is performed, resulting in a force acting between the inner and outer guide linear force.

Die Offenbarung hat bestimmte bevorzugte Ausführungsformen und Modifikationen daran beschrieben. Weitere Abwandlungen und Änderungen können für Dritte beim Lesen und Verstehen der Beschreibung ersichtlich werden. Daher ist es beabsichtigt, dass die Offenbarung nicht auf die bestimmte(n) Ausführungsform(en) beschränkt ist, die als die beste Art offenbart ist/sind, die zur Ausführung dieser Offenbarung denkbar ist, sondern dass die Offenbarung alle Ausführungsformen umschließt, die in den Schutzumfang der angefügten Ansprüche fallen.The disclosure has described certain preferred embodiments and modifications thereto. Other modifications and changes may become apparent to others in reading and understanding the description. Therefore, it is intended that the disclosure not be limited to the particular embodiment (s) disclosed as the best mode contemplated for carrying out this disclosure, but that the disclosure encompass all embodiments described in U.S. Patent Nos. 5,312,309; fall within the scope of the appended claims.

Claims (10)

Vorrichtung mit negativer Steifigkeit, umfassend: einen fluidgefüllten Balg, der zwischen einer ersten Fläche und einer zweiten Fläche angeordnet ist, wobei der Balg und die erste und zweite Fläche eine im wesentlichen Gleichgewichtsorientierung zwischen der ersten und zweiten Fläche aufweisen und wobei der Balg und die erste und zweite Fläche andere Orientierungen umfassen, wobei die erste und zweite Fläche aus der im wesentlichen Gleichgewichtsorientierung verstellt sind und der Balg eine Verstellkraft ausübt, um die erste und zweite Fläche weiter weg aus der im wesentlichen Gleichgewichtsorientierung zu treiben.Negative stiffness device comprising: a fluid-filled bellows disposed between a first surface and a second surface, the bellows and the first and second surfaces having a substantially equilibrium orientation between the first and second surfaces, and wherein the bellows and the first and second surfaces comprise other orientations, wherein the first and second surfaces are displaced from substantially equilibrium orientation and the bellows exerts an adjustment force to drive the first and second surfaces farther away from substantially equilibrium orientation. Vorrichtung mit negativer Steifigkeit nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung eine Vorrichtung mit negativer Steifigkeit und Linearbewegung umfasst, die umfasst: eine längliche Innenführung, die die erste Fläche umfasst, wobei die Innenführung längs entlang einer Achse der Linearbewegung ausgerichtet ist und ein jeweiliges erstes und zweites Ende aufweist; eine längliche Außenführung, die die zweite Fläche umfasst, wobei die Innenführung längs entlang der Achse der Linearbewegung ausgerichtet ist und ein jeweiliges erstes und zweites Ende aufweist, wobei die Außenführung koaxial mit der Innenführung derart angeordnet ist, dass die zweite Fläche der Außenführung die erste Fläche der Innenführung in beabstandeter Nachbarschaft umgibt und zu dieser weist; und wobei der Balg eine im Wesentlichen toroidförmige flexible Fluideinhausung aufweist, die zwischen und in Kontakt mit der ersten Flache der Innenführung und der zweiten Fläche der Außenführung angeordnet ist.The negative stiffness device of claim 1, wherein the device comprises a negative stiffness and linear motion device comprising: an elongate inner guide including the first surface, the inner guide being longitudinally aligned along an axis of linear motion and having respective first and second ends; an elongated outer guide comprising the second surface, the inner guide aligned longitudinally along the axis of linear motion and having respective first and second ends, the outer guide being coaxial with the inner guide such that the second surface of the outer guide is the first surface surrounding and facing the inner guide in spaced proximity; and wherein the bellows comprises a substantially toroidal flexible fluid housing disposed between and in contact with the first surface of the inner guide and the second surface of the outer guide. Vorrichtung mit negativer Steifigkeit nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung eine Vorrichtung mit negativer Steifigkeit und Drehbewegung umfasst, die umfasst: eine Innenführung, die umfasst, dass die erste Fläche relativ zu einer Achse der Drehbewegung konvex ist; eine Außenführung, die umfasst, dass die zweite Fläche konkav relativ zu der Achse der Drehbewegung ist und zu der ersten Fläche der Innenführung in beabstandeter Nachbarschaft weist; und wobei der Balg eine flexible Fluideinhausung aufweist, die zwischen und in Kontakt mit der ersten Fläche der Innenführung und der zweiten Fläche der Außenführung angeordnet ist.The negative stiffness device of claim 1, wherein the device comprises a negative stiffness and rotary motion device comprising: an inner guide comprising: the first surface being convex relative to an axis of rotational movement; an outer guide comprising the second surface being concave relative to the axis of rotational movement and facing the first surface of the inner guide in spaced-apart relationship; and wherein the bellows includes a flexible fluid housing disposed between and in contact with the first surface of the inner guide and the second surface of the outer guide. Vorrichtung mit negativer Steifigkeit nach Anspruch 2, wobei der Balg eine Außenwand in Kontakt mit der zweiten Fläche der Außenführung und eine Innenwand in Kontakt mit der ersten Fläche der Innenführung umfasst, wobei ferner die Außenwand fest an der zweiten Fläche der Außenführung befestigt ist und die Innenwand fest an der ersten Fläche der Innenführung befestigt ist.The negative stiffness device of claim 2, wherein the bellows includes an outer wall in contact with the second surface of the outer guide and an inner wall in contact with the first surface of the inner guide, further wherein the outer wall is fixedly secured to the second surface of the outer guide and the inner wall firmly attached to the first surface of the inner guide. Vorrichtung mit negativer Steifigkeit nach Anspruch 3, wobei der Balg eine Außenwand in Kontakt mit der zweiten Fläche der Außenführung und eine Innenwand in Kontakt mit der ersten Fläche der Innenführung umfasst, wobei ferner die Außenwand fest an der zweiten Fläche der Außenführung befestigt ist und die Innenwand fest an der ersten Fläche der Innenführung befestigt ist.The negative stiffness device of claim 3, wherein the bellows includes an outer wall in contact with the second surface of the outer guide and an inner wall in contact with the first surface of the inner guide, further wherein the outer wall is fixedly secured to the second surface of the outer guide and the inner wall firmly attached to the first surface of the inner guide. Vorrichtung mit negativer Steifigkeit nach Anspruch 2, wobei die zweite Fläche der Außenführung zu zumindest einem Ende auswärts aufgeweitet ist.The negative stiffness device of claim 2, wherein the second surface of the outer guide is flared outwardly toward at least one end. Vorrichtung mit negativer Steifigkeit nach Anspruch 6, wobei sich die zweite Fläche der Außenführung gekrümmt aufweitet.The negative stiffness device of claim 6, wherein the second surface of the outer guide widens in a curved manner. Vorrichtung mit negativer Steifigkeit nach Anspruch 7, wobei die erste Fläche der Innenführung zylindrisch ist.The negative stiffness device of claim 7, wherein the first surface of the inner guide is cylindrical. Vorrichtung mit negativer Steifigkeit nach Anspruch 2, wobei die erste Fläche der Innenführung zu zumindest einem Ende einwärts verjüngt ist.The negative stiffness device of claim 2, wherein the first surface of the inner guide is tapered inwardly toward at least one end. Vorrichtung mit negativer Steifigkeit, umfassend: ein längliches Innenelement, das längs entlang einer Achse einer Linearbewegung ausgerichtet ist und gegenüberliegende Enden und eine Außenfläche umfasst; ein längliches Außenelement, das längs entlang der Achse der Linearbewegung ausgerichtet ist und gegenüberliegende Enden und eine Innenfläche umfasst, die auswärts zu zumindest einem Ende aufgeweitet ist, wobei das Außenelement das Innenelement in beabstandeter Nachbarschaft umgibt; und eine flexible toroidförmige Fluideinhausung, die eine Außenwand und eine Innenwand umfasst, wobei die Einhausung zwischen der Außenfläche des Innenelements und der Innenfläche des Außenelements angeordnet ist, so dass die Außenwand in konformem Kontakt mit der Innenfläche der Außenführung steht und die Innenwand in konformem Kontakt mit der Außenfläche des Innenelements steht, und wobei die Außenwand fest an der Innenfläche des Außenelements befestigt ist und die Innenwand fest an der Außenfläche des Innenelements befestigt ist.Negative stiffness device comprising: an elongated inner member longitudinally aligned along an axis of linear motion and having opposite ends and an outer surface; an elongate outer member longitudinally aligned along the axis of linear motion and having opposite ends and an inner surface flared outwardly to at least one end, the outer member surrounding the inner member in spaced apart proximity; and a flexible toroidal fluid housing comprising an outer wall and an inner wall, the enclosure being disposed between the outer surface of the inner member and the inner surface of the outer member such that the outer wall is in conformal contact with the inner surface of the outer guide and the inner wall is in conformal contact with the outer wall Outside surface of the inner member is, and wherein the outer wall is fixedly secured to the inner surface of the outer member and the inner wall is fixedly secured to the outer surface of the inner member.
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