本发明专利技术公开了一种非线性凸轮弹簧组合机构，属于机械结构设计技术领域，该机构包括非线性凸轮，与该非线性凸轮相连的线性弹簧和用于输出外力绕过非线性凸轮的绳子，所述的非线性凸轮采用多圈螺旋结构，该多圈螺旋的轮廓线轨迹为根据应用需求提出的力——位移曲线经由数学方法求出。本发明专利技术能够利用自主设计的凸轮与现有的线性弹簧实现任意目标力——位移曲线，本机构具有结构简单，适应性强，刚度调节范围大的特点，具有很强的工程实用性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于机械结构设计
，涉及一种可以实现任意力一位移曲线的凸轮 弹簧组合机构，特别是机构中凸轮与弹簧的组合方式与凸轮的设计方法。
技术介绍
普通螺旋弹簧或平面涡卷弹簧为线性弹簧，即弹簧输出的拉力/力矩与弹簧拉伸 长度/转角成正比，其变形越大，输出的力/力矩越大。而在很多工程应用中需要弹簧变形增 大时整个系统输出的力（力矩)变小，或者呈现出满足预定需求的变化过程。传统的正比例 弹簧及其组合机构刚度固定难以变化，对于复杂的实际工况缺乏适应性。而在某些特定工 况，如应用于卫星的桁架式天线展开机构中，系统展开过程中输入能量先高后低，利用现有 的正刚度弹簧机构助力展开会造成很大的能量损失，而非线性弹簧则能更好的满足需求。 中国专利文献"【申请号】20061015092. Γ公开了一种非线性压杆弹簧装置，利用压 杆失稳前后的独特力学性质，将压杆作为弹性器件，构建出了一种高承载能力低固有频率 的弹簧机构，主要应用于低频环境的隔震减震装置。该装置结构主要由压杆决定，占据空间 大，可以实现动静刚度的变化，但变化范围较小，缺乏设计性和针对性。
技术实现思路
本专利技术为克服正比例弹簧系统在工程应用中的众多不足，以及负刚度实现困难， 设计缺乏针对性的问题，提出一种非线性凸轮弹簧组合机构。本专利技术利用了设计外轮廓的 凸轮与普通正比例弹簧的组合机构，能够实现特定要求的力一位移曲线，具有结构简单、适 应性强，刚度调节范围大的特点。 本专利技术提出的一种非线性凸轮弹簧组合机构，其特征在于，该机构包括非线性凸 轮，与该非线性凸轮相连的线性弹簧和用于输出外力绕过非线性凸轮的绳子，所述的非线 性凸轮采用多圈螺旋结构，该多圈螺旋的轮廓线轨迹为根据应用需求提出的力一位移曲线 经由数学方法求出。 上述机构的一种具体结构包括固定框架，该固定框架由上下横梁和连接上下横梁 一端的侧梁，设置在上下横梁上的两个转动轴承，以及在下梁上固定的一固定柱组成;所述 线性弹簧为正比例的平面涡卷弹簧，所述非线性凸轮由多圈螺旋本体，连接在本体上下两 端的上下轴组成;该本体下端底面设有用于嵌入平面涡卷弹簧的凹槽，该平面涡卷弹簧的 中心端固定在凸轮的下轴上，外侧端固定于框架的固定柱上;该非线性凸轮的上、下轴分别 与该框架的上下横梁的两个转动轴承相配合转动;所述绳子从上至下缠绕于螺旋本体沟槽 内并固定于本体底部，工作时绳子上端沿沟槽拉伸用于外力输出。上述机构的另一种具体结构包括固定框架，该固定框架由上下横梁和连接上下横 梁一端的侧梁，分别设置在上下横梁上的上下转动轴承，与下转动轴承相动的匹配轴和与 匹配轴相连的绕线轴组成;所述线性弹簧由正比例的线性螺旋拉伸弹簧、连接拉伸弹簧一 端的连接线组成;该连接线另一端固定在绕线轴上;所述非线性凸轮由多圈螺旋本体，连接 在本体上下两端的上下轴组成；该下轴与绕线轴相配合转动，该上轴与上转动轴承相配合 转动;所述绳子从上至下缠绕于螺旋本体沟槽内并固定于本体底部，工作时，线性螺旋拉伸 弹簧的一端固定，绳子上端沿沟槽拉伸用于外力输出。 本专利技术的有益效果是： 本专利技术提出的一种凸轮弹簧组合机构，在满足实际需要的众多约束条件下，凸轮 可以根据具体应用需要设计，与现有的普通线性弹簧组合可实现任意给定的目标力一位移 曲线，外力通过绳子输出，凸轮半径大小的变化改变力臂大小以调节输出力。 本非线性凸轮弹簧组合机构具有结构简单、适应性强，刚度调节范围大的特点。 本非线性凸轮弹簧组合机构可用于常力、负刚度弹簧设计，空间网状天线展开，减 振隔震等领域。【附图说明】 图1是本专利技术的非线性凸轮弹簧组合机构实施例1结构示意图。图2是本实施例中根据应用需求设定的目标力一位移曲线。 图3是本实施例的凸轮设计原理图。 图4是本专利技术的非线性凸轮弹簧组合机构实施例2结构示意图。【具体实施方式】 本专利技术提出的一种非线性凸轮弹簧组合机构结合附图及实施例进一步说明如下： 本专利技术提出的一种非线性凸轮弹簧组合机构，其特征在于，该机构包括非线性凸 轮，与该非线性凸轮相连的线性弹簧和用于输出外力绕过非线性凸轮的绳子，所述的非线 性凸轮采用多圈螺旋结构，该多圈螺旋的轮廓线轨迹为根据应用需求提出的力一位移曲线 经由数学方法求出，所述线性弹簧为传统的正比例弹簧中的线性拉簧或平面涡卷弹簧。 实施例1 本专利技术的凸轮弹簧组合机构实施例1的结构如图1所示，该机构包括固定框架0、框 架上伸出的固定柱01、用于输出力的绳子10、嵌入框架中的轴承11、线性平面涡卷弹簧12及 多圈螺旋结构的非线性凸轮。该非线性凸轮由多圈螺旋本体13及该本体两端伸出的上轴 14、下轴15、本体的螺旋沟槽16和本体下端用于嵌入平面涡卷弹簧的凹槽17组成，其中该凸 轮本体的螺旋沟槽的轮廓线轨迹为根据应用需求的力一位移曲线所计算出的轨迹，绳子10 从上至下缠绕于凸轮沟槽16内并固定于本体底部，工作时输出力的绳子10另一端沿沟槽拉 伸用于外力输出。固定框架〇由上下横梁和连接上下横梁一端的侧梁组成，下梁上伸出的固 定柱01与平面涡卷弹簧外端相连。在该框架0的上下横梁设有两个转动轴承11，该非线性凸 轮的上、下轴分别与上下轴承11相配合转动;平面涡卷弹簧12嵌入非线性凸轮本体下端的 凹槽16内，平面涡卷弹簧12的中心端固定在凸轮的下轴15上，外侧端固定于框架0的固定柱 01上。 本实施例的非线性凸轮1具体结构说明如下：应用需求的力一位移曲线如图2所 示，其中外力总行程d为650mm，最大外力25N，对应行程0-200mm，最小外力10N，对应行程 450-650mm，中间部分的曲线由step函数给出；并要求凸轮的向径大小控制在5mm~25mm，凸 轮工作圈数9圈，平面涡卷弹簧预紧圈数少于10圈。根据给出曲线计算凸轮沟槽轮廓线的原 理如图3所示。在极坐标下，轨迹记做Γ(θ)，平面涡卷弹簧刚度为ke。图中虚线表示初始位 置，输出外力的绳子与凸轮本体的接触点为P1,极角为实线表示凸轮本体顺时针转过角 度α，绳子IO与凸轮本体的接触点为P 2，极角为Θ。拉当前第1页1 2 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种非线性凸轮弹簧组合机构，其特征在于，该机构包括非线性凸轮，与该非线性凸轮相连的线性弹簧和用于输出外力绕过非线性凸轮的绳子，所述的非线性凸轮采用多圈螺旋结构，该多圈螺旋的轮廓线轨迹为根据应用需求提出的力—位移曲线经由数学方法求出。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：赵治华，李萌，何泽远，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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