[发明专利]一种大张力高稳定轻小型恒力装置

说明书

本发明公开了一种大张力高稳定轻小型恒力装置，包括包围盒和至少一个恒力单元。包围盒包括盒体和顶板，顶板上设有出绳孔和定滑轮。每个恒力单元包括非线性弹簧、滑块、滑杆、螺旋弹簧、调节螺母。滑杆两端分别与包围盒底板和顶板固连；非线性弹簧一端与包围盒底板固定，另一端与滑块铰接；滑块设置于滑杆上，可沿滑杆上下滑动；螺旋弹簧一端与滑块连接，另一端与调节螺母连接；调节螺母与滑杆上部的螺纹相旋合。该恒力装置可随着变形的增大而输出载荷(拉力)基本保持恒定，具有输出力大、载荷恒定、储能密度高、体积小、摩擦损耗小等优点，可以广泛应用于机械、电子、仪器仪表、航天和医疗等领域，例如隔振装置、平衡机构、电机刷握、失重模拟装置等。

技术领域

本发明涉及恒力装置技术领域，尤其涉及一种大张力高稳定轻小型恒力装置。

背景技术

现有的恒力装置通常为薄壁恒力弹簧，但实际工程应用中，发现恒力弹簧存在以下问题：输出的力不恒定；薄壁簧片容易失稳；收缩过程不按线性方向。

近年来国内外学者致力于研究恒力机构。基于PRBM模型的恒力机构方案，该方案通过优化刚性连杆和弹性元件，可实现恒力输出。主辅式恒力弹簧支吊架方案，采用一对辅助弹簧和摆动刀形凸轮，将主弹簧压缩时的力-位移三角形特性曲线切补成矩形，在整个过程中机构所提供的力是恒定的。但是总体来说，这些恒力机构方案输出的力不大，而且恒定力对应的位移行程不长；复杂机构带来的不可靠、重量大和非光滑性；有些方案需要输入一个初始力。这些缺点限制了恒力机构方案的工程应用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种大张力高稳定轻小型恒力装置。本发明采用的技术方案如下：

一种大张力高稳定轻小型恒力装置，包括包围盒和至少一个恒力单元，包围盒包括盒体和顶板，顶板上设有出绳孔和定滑轮，恒力单元包括非线性弹簧、滑块、滑杆、螺旋弹簧、调节螺母等。滑杆两端设有内螺纹孔，与包围盒底板和顶板采用螺栓连接，滑杆下部光滑，中部设有限位突起，上部设有外螺纹；非线性弹簧一端与包围盒底板固定，另一端与滑块铰接；滑块设置于滑杆上可沿滑杆光滑段上下滑动；螺旋弹簧套设于滑杆外，一端与滑块连接，另一端与调节螺母连接；调节螺母与滑杆上部的外螺纹相配合，可以通过改变调节螺母在滑杆螺纹上的位置改变螺旋弹簧的长度。

上述技术方案中，所述的恒力单元可以采用组合弹簧方案，如图1，系统主要由正刚度的螺旋弹簧和负刚度的非线性弹簧构成。螺旋弹簧的载荷位移曲线如图2(a)，具有正的结构刚度k。非线性弹簧的载荷位移曲线如图2(b)，其中ab段为正刚度段，bc段为负刚度段。两者组合后结构的载荷位移曲线如图2(c)，当非线性弹簧的bc段负刚度设计为-k时，组合后结构的载荷位移曲线具有恒力段de。当预调节力F_a施加于螺旋弹簧，其载荷位移曲线发生平移，如图2(d)。如果非线性弹簧的设计方案保持不变，则最终组合后结构的载荷位移曲线如图2(f)。从而可通过施加预调节力F_a，来调节恒力单元的输出恒力。

上述技术方案中，所述的非线性弹簧采用样条曲线表征，非线性弹簧的样条曲线形态采用优化理论来设计，其设计方法如下：

1)建立非线性弹簧形态优化设计模型

为了设计最优的非线性弹簧形态，使得其具有满足恒定力大小和位移行程设计要求的目标载荷-位移曲线，需要使其实际载荷-位移曲线尽可能逼近目标载荷-位移曲线，故选取若干目标载荷-位移曲线上的离散点建立优化目标函数如下：min(SFE+DP)

其中，

非线性弹簧的形态函数偏差SFE表示为：

式中N为载荷-位移曲线上离散点的个数；当弹簧未屈曲时，F_spring为实际施加的载荷，当弹簧发生屈曲时，F_spring为屈曲临界载荷，f_i为每个离散点上两条载荷-位移曲线的相对偏差；