彈簧助力機構(gòu)構(gòu)形的一個定性結(jié)論及應(yīng)用

何明松

摘 要

彈簧助力機構(gòu)有著廣泛的應(yīng)用，但機構(gòu)形式眾多且難以參數(shù)化表達。本文旨在描述彈簧和重力作用桿的受力變化規(guī)律，為結(jié)構(gòu)的初步構(gòu)形提供方向和思路。應(yīng)用仿真軟件對結(jié)構(gòu)受力進行初步可行性分析后，可以此為基礎(chǔ)對機構(gòu)進行參數(shù)化表達并作為優(yōu)化設(shè)計的初始值。

關(guān)鍵詞

彈簧助力 結(jié)構(gòu)構(gòu)形

中圖分類號： TH122 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 08 . 28

Abstract

Spring-assisted mechanisms have a wide range of applications， but there are many kinds of mechanisms and it is difficult to parameterize them. The purpose of this article is to describe the force changes of springs and gravity-acting rods， and to provide directions and ideas for the preliminary configuration of the structure. After applying the simulation software to carry out a preliminary feasibility analysis of the structural forces， the mechanism can be used as a basis for parameterized expression and used as the initial value of the optimal design.

Key word

Spring-assisted; Structural configuration

0 前言

在需要克服重力的機構(gòu)中，相較于阻尼機構(gòu)或者輔助動力機構(gòu)，彈簧助力因其機構(gòu)簡單可靠、合理地運用重力勢能的原因，在機構(gòu)設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用。

1 機構(gòu)的定性分析

在機構(gòu)選型時，可行構(gòu)形的選擇范圍很大，需要依據(jù)一些定性的結(jié)論和經(jīng)驗，用以排除不合理不可行的方案。再考慮重力力矩的變化和彈簧提供的反向力矩的變化情況，使在重力作用桿上所受的重力力矩與彈簧提供的反向力矩的差值能保持在一個較小的水平。選定結(jié)構(gòu)構(gòu)形后，再利用工程算法和仿真軟件對機構(gòu)進行詳細的分析和優(yōu)化。

下面給出一個定性的結(jié)論：當彈簧作用力為阻止重力桿沿重力方向運動時，若作用桿的運動方向與只在重力作用下的運動一致時，彈簧力的值必然增大，若重力桿的運動方向與只在重力作用下的運動相反時，彈簧力的值必然減小。該結(jié)論與彈簧位置、彈簧拉壓狀態(tài)無關(guān)。

以下是該結(jié)論的分析：

只在重力的作用下，連接彈簧的兩點共有兩種趨勢：

a、兩點遠離，則彈簧為保持平衡阻止該運動，必受拉。若實際運動與重力方向一致，則兩點距離繼續(xù)擴大，彈簧力值增大;若實際運動與重力趨勢相反，則兩點距離減小，彈簧力值減小。

b、兩點靠近，則彈簧為保持平衡阻止該運動，必受壓。若實際運動與重力方向一致，則兩點距離繼續(xù)減小，彈簧力值增大;若實際運動與重力趨勢相反，則兩點距離增大，彈簧力值減小。

2 機構(gòu)構(gòu)形與仿真結(jié)構(gòu)

當機構(gòu)為如下圖所示機構(gòu)，重力桿的變化為從水平變?yōu)槌拢驗閺椈闪χ挡粩嘣龃?，而重力力臂不斷減小。故：a.機構(gòu)形式能使重力桿在下翻的過程中，彈簧力臂減小比較快;b.并不能得到一個彈簧力矩與重力力矩協(xié)調(diào)一致變化并互相平衡的結(jié)果，可以得到一個運動前半段在重力下加速，運動的后半段在彈簧力作用下緩沖蓄能的機構(gòu)形式。基于以上考慮，并經(jīng)過一定的多體動力學(xué)軟件的模擬，可得到如下的一個初步的構(gòu)形。

當給門體一個緩慢的角速度逐漸開啟時，力矩變化如下圖，其中虛線為重力繞旋轉(zhuǎn)中心的力矩，實線為拉力對選擇轉(zhuǎn)中心的力矩?？梢姡褐亓α刂饾u減小;彈簧導(dǎo)致的力矩一開始很小，后面逐漸增大。后續(xù)可使用以機構(gòu)交點坐標值為變量對機構(gòu)進行優(yōu)化。

當機構(gòu)為如下圖所示機構(gòu)，重力桿的變化為從水平變?yōu)槌?，彈簧力值和重力力矩同時不斷減小，就可以得到一個彈簧力矩與重力力矩協(xié)調(diào)一致變化并互相平衡結(jié)果。這種情況就只需要使用者施加較小的外力就能實現(xiàn)機構(gòu)的開啟。

參考文獻

[1]李修峰，王亞斌，王晨編著.HyperWorks進階教程系列《MotionView&MotionSolve應(yīng)用技巧與實力分析》.

[2]徐灝，主編.《機械設(shè)計手冊》.