專利名稱：重力與彈力隨遇平衡機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及物體的重力由彈簧的彈性力與之平衡的機(jī)構(gòu)，特別是一種重力矩與彈性力矩實(shí)現(xiàn)精確平衡、可周轉(zhuǎn)的重力與彈力隨遇平衡機(jī)構(gòu)，屬機(jī)械原理、機(jī)構(gòu)學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
本發(fā)明可表述為一可作周轉(zhuǎn)的擺錘，其重力矩由彈簧的彈性力矩與之平衡，使擺錘無論擺動至任何位置，均可靜止不動，取得精確的靜力平衡。
在機(jī)械結(jié)構(gòu)中，作上下擺動或周轉(zhuǎn)的桿件，若其一邊的重量需要由另一邊設(shè)置的重塊給予靜力平衡，那么依據(jù)本發(fā)明，可用伸縮的彈簧取代此重塊的作用，從而減少重量及占用空間。這僅是本發(fā)明基本的應(yīng)用，此外作為機(jī)構(gòu)元件，還有其他多方面的用途。
現(xiàn)有技術(shù)中，有一種帶有彈簧的二支組活動支架結(jié)構(gòu)，在支架活動有限角度范圍內(nèi)，其彈簧與所支承物的作用力只是部分或近似的平衡，還需由旋扭壓緊產(chǎn)生的摩擦力參與，因而性能欠佳，支承重量受限制，一般多用于支承如臺燈、醫(yī)療器具等輕巧物件。
本發(fā)明的目的，是要提出一種經(jīng)論證，為精確的、可以周轉(zhuǎn)的用彈簧平衡重物的機(jī)構(gòu)。即重力與彈力隨遇平衡機(jī)構(gòu)。由于是精確平衡，并且活動角度范圍大，因而可平衡的重量大，適用范圍廣，可有多方面用途，在工程實(shí)施中簡單易行。
本發(fā)明的目的可通過對彈簧作用力的特定位置和方向的設(shè)計(jì)，以及各參數(shù)關(guān)系的確定來達(dá)到。在直角坐標(biāo)上，設(shè)一桿件與坐標(biāo)原點(diǎn)O連接，并可繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動，一重物固定于此桿件上，其總重心位于桿件Q點(diǎn)，重量為p；在O點(diǎn)與Q點(diǎn)之間取適當(dāng)?shù)囊稽c(diǎn)D，另在Y軸正方向上取一固定點(diǎn)G，并令OG=OD；符合條件的壓縮彈簧或拉伸彈簧的設(shè)置，須令彈簧的彈性力作用于D點(diǎn)，而方向總指向G點(diǎn)；彈簧允許范圍的伸縮量，在桿件轉(zhuǎn)動時，總與隨之變化的GD長度相等；設(shè)彈簧的剛性系數(shù)為b，設(shè)計(jì)時令b·OD2=p·OQ，這樣，無論桿件繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動至任何位置，彈簧的彈性力對O點(diǎn)之矩總與重力p對O點(diǎn)之矩大小相等方向相反，即重力矩與彈性力矩取得隨遇平衡。這種平衡的求解是精確解，而且桿件可作360°的周轉(zhuǎn)。


圖1為本發(fā)明第一種類型的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。此結(jié)構(gòu)由桿件1、重物2、壓縮彈簧3、滑塊4和導(dǎo)桿5組成。
由圖1可知，桿件1可繞O點(diǎn)擺動，重物2的重心位于桿件1上Q點(diǎn)，滑塊4可以Y軸上G點(diǎn)為中心擺動，導(dǎo)桿5與滑塊4配合，并且一頭與桿件1上D點(diǎn)鉸接，另一頭壓緊壓縮彈簧3。
圖中設(shè)桿件1所處任意位置與Y軸的夾角為φ；重物2的重量為p；彈簧3的剛性系數(shù)為b。
現(xiàn)可證明，在圖1基礎(chǔ)上再滿足以下條件1、OG=OD2、彈簧3受靜力作用的長度變化量等于變量GD。
3、b·OD2=P·OQ則其重力矩與彈性力矩即可取得平衡。證明如下以桿件1為研究對象，取重力F1及彈性力F2對O點(diǎn)之矩mo(F1)=-p·OQSinφ 即有mo(F1)+mo(F2)=-p·OQSinφ+p·OQSinφ=0所以重力矩與彈性力矩取得平衡。因桿件1處任意位置，所以為隨遇平衡。
由圖1可知，在這種類型中，桿件1不能越過G點(diǎn)，角φ范圍是0°＜φ＜360°圖2為本發(fā)明第二種類型的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。其特定的技術(shù)特征與第一種類型相同，而結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，，但其桿件1可越過G點(diǎn)作360°周轉(zhuǎn)。
由圖2可知，此結(jié)構(gòu)包括，可繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動的桿件1、重心Q處于桿件1上的重物2、兩條輪番作用的壓縮彈簧3、可以桿件1上D點(diǎn)為中心轉(zhuǎn)動的滑塊4、與滑塊4配合而可以G點(diǎn)為中心轉(zhuǎn)動的導(dǎo)桿5、中心位于O點(diǎn)而與桿件1固定連接的小齒輪6、中間齒輪7、及中心位于G點(diǎn)而與導(dǎo)桿5固定連接的大齒輪8。
圖2中，桿件1和導(dǎo)桿5可同向轉(zhuǎn)動，其恒定傳動比為2。齒輪是作為虛約束設(shè)置的，以使當(dāng)D點(diǎn)與G點(diǎn)重合時，導(dǎo)桿5不至于失去約束而發(fā)生不確定的轉(zhuǎn)動。
圖3和圖4同屬本發(fā)明第三種類型的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。其特定的技術(shù)特征與第一及第二種類型相同，而主要不同的是結(jié)構(gòu)采用撓性件作連接件。
圖3和圖4只是彈簧固定位置及撓性件纏繞方式不一樣，結(jié)構(gòu)均包括，可繞O點(diǎn)擺動的桿件1、重心Q處于桿件1上的重物2、拉伸彈簧3、中心位于O點(diǎn)的滑輪9、中心位于G點(diǎn)的滑輪10、中心位于桿件1上D點(diǎn)的滑輪11、及經(jīng)過各滑輪而連接桿1和拉伸彈簧3的撓性件12。
圖3和圖4中，各滑輪半徑相等，撓性件與滑輪相接觸部分的總長度是一個不變的定值，并且因滑輪半徑這一因素而對桿件1產(chǎn)生的附加力矩剛可正負(fù)抵消。其角φ的范圍是0°＜φ＜180°。
圖3中，拉伸彈簧3的位置可有選擇；滑輪9可固定不轉(zhuǎn)。
圖4中，拉伸彈簧3沿桿件1平行設(shè)置，結(jié)構(gòu)較緊湊；滑輪11實(shí)際上只需取部分園弧輪廓，并固定不動。
重力與彈力隨遇平衡機(jī)構(gòu)作為元件運(yùn)用，將以不同的形式，作不同的用途出現(xiàn)。例如由兩個該機(jī)構(gòu)串接成二支組結(jié)構(gòu)，可有多種用途。
圖5是以圖4結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的二支組結(jié)構(gòu)，加上旋轉(zhuǎn)立柱，則其支承的重物可在一定空間范圍內(nèi)，任何位置上平衡。設(shè)計(jì)最大支承重量可超過1千公斤。
圖6是以圖1結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的二支組結(jié)構(gòu)，但不負(fù)重物，而用一沿直線導(dǎo)軌的力p1取代之。圖6中只要A點(diǎn)是沿直線移動的，則移動過程中力p1大小恒定不變。即此二支組結(jié)構(gòu)可作恒力彈簧使用，其安置方向無限制。圖6中桿件OG與導(dǎo)軌處于相對平行，則該恒力p1為最大值，大小即相當(dāng)于所取代之重力。桿件OG可逆時針繞O點(diǎn)擺一個角度，令G點(diǎn)在弧形槽上的另一位置固定，則該恒力將變小。如設(shè)OG擺角為α(0°≤α≤90°)，其相應(yīng)的恒力為p2，則p2=p1COSα角α取值由0°至90°時，其恒力由最大值變至為0，即該恒力彈簧的恒力大小可以調(diào)控。
權(quán)利要求
1.重力與彈力隨遇平衡機(jī)構(gòu)，可包括三種類型。第一種類型，包括可繞固定點(diǎn)O擺動的桿件(1)、重量為p而重心Q處于桿件(1)上的重物(2)、剛性系數(shù)為b的彈簧(3)，其特征是還包括可以固定點(diǎn)G為中心擺動的滑塊(4)、與滑塊(4)配合而與桿件(1)上D點(diǎn)鉸接的導(dǎo)桿(5)。第二種類型，包括可繞固定點(diǎn)O轉(zhuǎn)動的桿件(1)、重量為p而重心Q處于桿件(1)上的重物(2)、剛性系數(shù)為b的彈簧(3)，其特征是還包括可以桿件(1)上D點(diǎn)為中心轉(zhuǎn)動的滑塊(4)、與滑塊(4)配合而可以固定點(diǎn)G為中心轉(zhuǎn)動的導(dǎo)桿(5)、小齒輪(6)、中間齒輪(7)、大齒輪(8)。第三種類型，包括可繞固定點(diǎn)O擺動的桿件(1)、重量為p而重心Q處于桿件(1)上的重物(2)、剛性系數(shù)為b的彈簧(3)，其特征是還包括中心位于固定點(diǎn)O的滑輪(9)、中心位于固定點(diǎn)G的滑輪(10)、中心位于桿件(1)上D點(diǎn)的滑輪(11)、撓性件(12)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的重力與彈力隨遇平衡機(jī)構(gòu)，其特征是OG=OD
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的重力與彈力隨遇平衡機(jī)構(gòu)，其特征是若D點(diǎn)位于O點(diǎn)與Q點(diǎn)連線上，則G點(diǎn)應(yīng)位于以O(shè)點(diǎn)為原點(diǎn)的Y軸正向上，以此為基準(zhǔn)，G點(diǎn)和D點(diǎn)可同步繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)至另一位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的重力與彈力隨遇平衡機(jī)構(gòu)，其特征是彈簧(3)受靜力作用的長度變化量等于變量GD。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的重力與彈力隨遇平衡機(jī)構(gòu)，其特征是機(jī)構(gòu)參數(shù)滿足下式b·OD2=p·OQ
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的重力與彈力隨遇平衡機(jī)構(gòu)，其特征是可由兩個或多個該機(jī)構(gòu)串接成二支組或多支組結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的重力與彈力隨遇平衡機(jī)構(gòu)，其特征是可以用一恒力取代重物(2)。
全文摘要
本發(fā)明“重力與彈力隨遇平衡機(jī)構(gòu)”,屬機(jī)械原理、機(jī)構(gòu)學(xué)技術(shù)領(lǐng)域,涉及可作周轉(zhuǎn)的擺錘,其重力矩由彈簧的彈性力矩與之平衡的機(jī)構(gòu)。由于彈簧的作用力位置和方向以及各參數(shù)關(guān)系的確定,使此擺錘無論擺動至任何位置,均可靜止不動,即其重力矩與彈簧的彈性力矩均可取得理論上精確的平衡。應(yīng)用此機(jī)構(gòu),可用伸縮的彈簧取代作上下擺動或周轉(zhuǎn)的平衡重塊;作為機(jī)構(gòu)元件還可在其它多方面,例如二支組活動支架、恒力彈簧等技術(shù)中得到應(yīng)用。
文檔編號F21V21/14GK1300914SQ0110749
公開日2001年6月27日 申請日期2001年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月22日
發(fā)明者彭頌凱 申請人:彭頌凱