运动转换机构及万能弹力器

技术领域

本发明涉及机械节能技术领域，特别涉及一种运动转换机构及万能弹力器。

背景技术

弹簧，泛指具有形变力学特征的弹性体，是一类用途广泛的基础机械元件，包括螺旋弹簧以及杆簧、片簧、弓簧、筒簧等非螺旋弹簧。

弹簧的机械特性是弹力与形变量定量相关，如，螺旋弹簧的弹力与伸长或缩短呈正比或近似正比，非螺旋弹簧的弹力取决于弯曲或扭曲程度及其他因素。皮筋类弹性体为一种非螺旋拉力弹簧，其弹力特性与非螺旋弹簧类似或不同。尽管弹簧种类繁多，弹力特性不一，但共有的缺陷是弹力变化不够丰富，以至于仍无法很好地满足相当多变力应用场景的需要。

故需要开发新的弹性元件或储能元件，以便能够克服弹簧机械特性的局限性。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种运动转换机构，通过梭轨与弹针的配合将梭轨的往复运动转化为弹簧的反复形变运动，通过变换轨面造型对弹簧弹力进行按位按需精准变换，将弹簧的力学特性变换提升到了万能层级，扩大了弹簧的功能范围，为力学特征往返对称的各种各样往复运动力学器件的节能、适配、耦合、变换、消振、起振、助力和控制等提供了精准高效解决方案。

第一方面，为了实现这些目的和其它优点，本发明提供了一种运动转换机构，包括：

腔壳；

弹针，其为具有针梢的弹性组件，由定托、弹性部和动托构成，所述弹性部由定托和动托联合定位，所述针梢设置在动托上；

梭轨，其具有变换轨面，所述弹针通过定托定位并关联在所述腔壳上，并通过所述针梢与所述变换轨面保持运动触接，所述弹针和所述梭轨之间通过所述针梢和所述变换轨面进行弹力变换和能量交换，以实现所述梭轨受所述弹针约束，或受所述弹针和所述腔壳的联合约束，在外力的作用下相对于所述腔壳可做定向往复运动。

优选的是，在外力的作用下，在所述梭轨运动方向上，所述梭轨与所述腔壳之间的相互作用力，或在不与所述梭轨运动方向相垂直的任一方向上所述梭轨与所述腔壳之间的相互作用力，产生对等的弹力；

所述弹力为梭轨行程的一元函数，在所述弹性部能力可承受的范围内，弹力大小和方向可随所述梭轨行程任意连续变化，弹力方向可反转，弹力特性可任意更改；

所述腔壳由横腔壳和竖腔壳构成，或仅由所述横腔壳构成，所述横腔壳和所述竖腔壳形成的内部空间分别形成横腔和竖腔，当同时具有所述横腔壳和所述竖腔壳时，两个腔室相互贯通。

优选的是，所述弹针有三种，分别为：移托弹针、摆托弹针和摆簧弹针，三种弹针的所述针梢结构均相同，三种弹针与所述变换轨面关联方式均相同；所述针梢抵接或拉接于所述变换轨面，与所述变换轨面保持滚动触接或滑动触接，所述针梢的轴线垂直于所述梭轨运动方向；所述针梢和所述变换轨面保持形体配合。

优选的是，所述移托弹针包括轨托、移托和弹性部，所述移托的梢部安装所述针梢，梢部的针梢对侧连接并定位弹性部一端，所述弹性部的另一端连接所述轨托并由其定位，所述轨托约束所述移托仅沿弹性部中心线运动，所述轨托固定在所述竖腔内壁上，或者直接以有底竖腔壳作为所述轨托，弹性部的定托端直接连接定位在竖腔壳底上。

优选的是，所述摆托弹针包括簧座、摆托、弹性部及针座；所述簧座和所述针座固定在所述竖腔内壁上，所述针座可固定在所述横腔内壁上，或者直接以竖腔壳壁或/和横腔壳壁作为所述针座或所述簧座；所述摆托上可安装所述针梢；所述摆托以定轴线转动方式定位关联在所述针座上；

其中，所述针座为具有一定长度的形体，所述摆托可沿其轴线摆动，所述弹性部沿所述摆托摆动方向布置，一端定位关联在所述摆托上，另一端定位关联在所述簧座上。

优选的是，所述摆簧弹针包括弹性部，所述弹性部为弯曲型。

优选的是，所述梭轨为变高直轨，关联的所述弹针数量为一个或两个，当所述弹针数量为一个时，所述弹针设置在所述梭轨的一侧，所述梭轨上对应设置一个所述变换轨面；当所述弹针数量为两个时，两个弹针对称设置在所述梭轨的两侧，所述梭轨上对应设置背对背并呈镜像对称的两个变换轨面，一个变换轨面触接一个弹针针梢；当弹针数量为多个时，所述梭轨上对应一个弹针设置一个变换轨面，所述弹针与所述变换轨面为相应的旋转对称布局或其他布局；所述梭轨上设置导接特征，以承接所述腔壳运动触接和导向约束，或承接所述针梢导向约束；当具有两个或多个弹针时，所述梭轨上可不设导接轨面。

所述导接轨面与所述腔壳横腔内壁保持直接滑动触接或间接滚动触接，所述间接滚动触接包括借助滚动媒介来完成，所述滚动媒介的轴线垂直于所述梭轨运动方向，滑动触接和滚动触接时，所述梭轨、腔壳、滚动媒介中的三者或两者的直接接触部位可通过自身形体的凹凸配合来进行所述梭轨导向配合；也可在梭轨、腔壳、滚动媒介中的三者或两者上增设导接特征，通过三方或两方导接特征的凹凸配合来把控所述梭轨运动方向；

所述梭轨上可设置所述轨沿、所述轨筋、轨柱或轨墙，以增强所述梭轨结构强度，所述轨沿和轨墙可把控所述梭轨运动方向；所述梭轨或/和腔壳上设置止桩，以防所述梭轨脱离运动触接约束，以防所述梭轨运动超越行程范围。

优选的是，所述变换轨面为一平面母线沿一平面准线移动而形成的扫描曲面，轨面准线所在平面平行于所述梭轨运动方向、垂直于变换轨面所对应的所述针梢轴线，移动中轨面母线所在平面保持法向不变；轨面母线可为复合线段；轨面准线为梭轨的功能特征曲线，线上各点到一个参考平面的距离为轨高，参考平面为与所述梭轨运动方向相平行、与所述针梢轴线相平行的任一平面；轨高为轨面位置或梭轨行程的一元函数，为轨高函数，所述梭轨穿越腔壳横腔，相对于所述腔壳可做直线往复运动；在所述梭轨长度方向上，轨高曲线起点和终点之间的直线距离为梭程，梭轨可在处于其最大行程范围内的任何两点之间往返运动；

所述梭轨穿所述梭横腔的往复运动带动弹针动托在所述竖腔内或/和横腔内进行往复运动，弹针动托的往复运动带动弹簧进行伸缩、弯曲或扭曲及回弹；以所述梭轨在最大行程往返情况下的往返起点作为行程零点，则可得到全行程下弹力与行程的关系：

优选的是，若所述弹性部的特性为弹力与形变量呈正比，以轨高最小点所在平面作为参考平面，并忽略弹针针梢几何的影响，则可弹力与轨高特性之间的关系为：

当α为常数时，可获得弹力方向固定的轨高特性方程；当α为变量时，轨高或弹力为梭轨行程的一元函数；当α为已知函数时，可获得弹力方向可变的轨高特性方程：

第二方面，一种万能弹力器，包括所述的运动转换机构。

本发明至少包括以下有益效果：

本发明给出了一种运动转换机构，通过梭轨与弹针的配合将梭轨的往复运动转化为弹簧的反复形变运动，通过变换轨面造型对弹簧弹力进行按位按需精准变换，从而形成了一种万能弹力器。

本发明给出了弹力器力学特性、弹簧力学特性和轨高特性三者之间的定量关系。若三者之中任两个已知，则可依据这一定量关系得到第三者，从而可以根据需要对弹力器特性进行公式化设定和更改。

本发明提出的方法和装置克服了弹簧单一力学特性的缺陷，将弹簧的力学特性变换提升到了万能层级，扩大了弹簧的功能范围，为力学特征往返对称的各种各样往复运动力学器件的节能、适配、耦合、变换、消振、起振、助力和控制等提供了精准高效解决方案。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明所述的单移托弹针万能弹力器（压簧）示意图；

图2为本发明所述的双摆托弹针万能弹力器（压簧）示意图；

图3为本发明所述的双摆簧弹针万能弹力器（片簧）示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加，且各种近似、非理想修改、或非关键元件的构型改变均在本申请保护范围之内。

第一方面，如图1-3所示，本发明提供一种运动转换机构，包括：

腔壳100；

弹针，所述弹针为具有针梢300的弹性组件，由定托、弹性部和动托构成，其中，所述弹性部为弹簧。所述弹簧由定托和动托联合定位，所述针梢300设置在所述动托上；

梭轨200，所述梭轨200具有变换轨面220。

所述弹针通过所述定托定位并关联在所述腔壳100上，并通过所述针梢300与所变换轨面220保持运动触接，所述弹针和梭轨200之间通过所述针梢300和变换轨面220进行弹力变换和能量交换，将弹簧弹力转化为弹力器弹力。所述梭轨200受弹针约束，或受弹针和所述腔壳100的联合约束，在外力的作用下相对于所述腔壳100可做定向往复运动。

在本发明实施例所述的运动转换机构中，外力作用产生对等的弹力器弹力（在梭轨200运动方向上梭轨200与腔壳100之间的相互作用力，或在不与梭轨200运动方向相垂直的任一方向上梭轨200与腔壳100之间的相互作用力），弹力器弹力为所述梭轨200行程（梭轨相对于腔壳100的位移）的一元函数，在弹簧能力可承受的范围内，弹力器弹力大小和方向可随梭轨200行程任意连续变化（弹力大小突变除外），弹力方向可以反转，弹力器弹力特性（弹力关于梭轨行程的函数）可任意更改。

在本发明实施例所述的运动转换机构中，所述腔壳100由横腔壳和竖腔壳构成，或仅由横腔壳构成。所述横腔壳和所述竖腔壳形成的内部空间分别称为横腔110和竖腔120。当同时具有所述横腔壳和所述竖腔壳时，两个腔室相互贯通。

在本发明实施例所述的运动转换机构中，所述弹针有三种：移托弹针、摆托弹针和摆簧弹针。三种弹针的针梢结构相同，三种弹针分别与所述变换轨面220关联方式相同：所述针梢300抵接或拉接于所述变换轨面220，与所述变换轨面220保持滚动触接或滑动触接，针梢轴线垂直于所述梭轨200运动方向；所述针梢300和所述变换轨面220保持形体配合。

在本发明实施例所述的运动转换机构中，所述移托弹针包括轨托320、移托310和弹性部，在所述移托弹针中，所述弹性部为螺旋弹簧330，移托310为动托，轨托320为定托。移托梢部安装针梢300，梢部的针梢300对侧连接并定位所述螺旋弹簧330一端，所述螺旋弹簧330的另一端连接所述轨托320并由其定位，所述轨托320约束所述移托310仅沿所述螺旋弹簧330中心线运动。所述轨托320固定在所述竖腔120内壁上，或者直接以有底竖腔壳作为所述轨托320，所述螺旋弹簧330的定托端直接连接定位在竖腔壳底上。

在本发明实施例所述的运动转换机构中，所述摆托弹针包括簧座350、摆托340、螺旋弹簧330及针座360，所述摆托340为动托，所述簧座350、针座360为定托；所述簧座350和所述针座360固定在所述竖腔120内壁上，所述针座360也可固定在横腔110内壁上，或者直接以竖腔壳壁或/和横腔壳壁作为所述针座360或所述簧座350；所述摆托340梢部、侧部或其他部位均可安装所述针梢300；所述摆托340以定轴线转动方式定位关联在所述针座360上，所述针座360可为座体，也可为桩体或其他具有一定长度的形体，当为非座体形式时，亦可作为所述簧座350的关联安装载体；所述摆托340可沿其轴线摆动，所述螺旋弹簧330沿所述摆托340摆动方向布置，一端定位关联在所述摆托340上，另一端定位关联在所述簧座350上。

所述摆簧弹针的弹簧为弯曲型，包括但不限于片簧、杆簧、弓簧（片簧或杆簧的弯曲体或折弯体，弧形、几形、鞍形、波形及各种异形）、筒簧（片簧、杆簧或弓簧的开放性旋转体或这些旋转体的变体，柱形、碟形、锥形、梭形、舟形及各种异形）、球簧（片簧、杆簧或弓簧的闭合性旋转体或这些旋转体的变体，圆球形、椭球形、圆锥形、纺锤形、舟形、瘪形及各种异形），摆簧弹针据此可分为片簧、杆簧、弓簧、筒簧、球簧及异形摆簧弹针等多种。片簧和杆簧摆簧弹针以弹簧的一端作为定托，直接固定在横腔壳上或与横腔壳成为一体，另一端作为动托，安装所述针梢300，或直接作为动托兼针梢，针梢300带动片簧或杆簧相对于定托摆动。弓簧、筒簧和球簧在本质上是片簧或杆簧的变种，从广义上讲，弓簧、筒簧和球簧摆簧弹针也属于片簧或杆簧摆簧弹针，弓簧、筒簧和球簧视为由两个或多个片簧或杆簧共享一个针梢合并而成的一个整体，以弹簧上的一个或多个部位作为定托或支脚固定在横腔壁上；所述针梢300所在的弹簧部位相对于定托所在的弹簧部位摆动，或者针梢所在的弹簧部位相对于一处或一带非定托所在的弹簧部位摆动、而针梢300所在弹簧部位的摆根部位又相对于定托所在的弹簧部位摆动。

对所述移托弹针和所述摆托弹针而言，除螺旋弹簧外，与螺旋弹簧同属伸缩型的皮筋类弹性体，配备拉线或连杆的片簧、杆簧、弓簧、筒簧、球簧，甚至扭簧以及其他弹性体，亦可作为候选弹簧，构成特殊的拉簧式或/和压簧式移托弹针或摆托弹针。

所述梭轨200相对于所述腔壳100的往复运动方向可设为直线也可设为其他规定方向。本发明以所述梭轨200直线往复运动作为典型对发明内容进行公开，技术发明原理同样适用于梭轨按照其他规定方向运动。

所述梭轨200为变高直轨，关联的所述弹针数量为一个或两个（或为多个，但此时竖腔也相应为多个）。当弹针数量为一个时，所述弹针设置在所述梭轨200的一侧，所述梭轨200上对应设置一个所述变换轨面220。当所述弹针数量为两个时，两个弹针对称设置在所述梭轨200的两侧，所述梭轨200上对应设置背对背并呈镜像对称的两个变换轨面220，一个变换轨面220触接一个弹针针梢300。当弹针数量为多个时，所述梭轨200上对应一个弹针设置一个变换轨面220，所述弹针与所述变换轨面220为相应的旋转对称布局或其他布局。所述梭轨200上设置导接轨面或/和其他导接特征，以承接所述腔壳100运动触接和导向约束，或承接所述针梢300导向约束。当具有两个或多个弹针时，所述梭轨200上可以不设导接轨面。

所述导接轨面210与所述腔壳横腔110内壁保持直接滑动触接或间接滚动触接，间接滚动触接指的是借助滚动媒介240来完成，滚动媒介的轴线垂直于所述梭轨260运动方向。滑动触接和滚动触接时，所述梭轨200、腔壳100、滚动媒介240中的三者或两者的直接接触部位可通过自身形体的凹凸配合来进行梭轨200导向配合；也可在所述梭轨200、腔壳100、滚动媒介240中的三者或两者上增设导槽、导牙等其他导接特征，通过三方或两方其他导接特征的凹凸配合来把控梭轨运动方向。

所述梭轨200上可设置轨沿230、轨筋250、轨柱或轨墙，以增强所述梭轨200结构强度，所述轨沿230和所述轨墙可兼具其他导接特征性质，参与把控所述梭轨200运动方向。所述梭轨200或/和所述腔壳100上设置止桩260，防止所述梭轨200脱离运动触接约束，防止所述梭轨200运动超越行程范围。

所述变换轨面220为一平面母线沿一平面准线移动而形成的扫描曲面，例如可以采用单坡面或高低起伏的多坡面，轨面准线所在平面平行于所述梭轨200运动方向、垂直于变换轨面所对应的针梢轴305线，移动中轨面母线所在平面保持法向不变。轨面母线可为直线段、弧线段或其他复合线段。轨面准线为梭轨的功能特征曲线，线上各点到一个参考平面的距离称为轨高，参考平面为与所述梭轨200运动方向相平行、与所述针梢轴305线相平行的任一平面。轨高为轨面位置或所述梭轨200行程的一元函数，称为轨高函数，系梭轨特性，在几何上表现为轨高曲线及轨面准线。所述梭轨200穿越腔壳横腔110，相对于所述腔壳100可做直线往复运动。在所述梭轨200长度方向上，轨高曲线起点和终点之间的直线距离称为梭程，其是梭轨直线运动的最大行程（位移）。所述梭轨200可在处于其最大行程范围内的任何两点之间往返运动，弹力器弹力是梭轨行程的状态函数。

所述梭轨200穿梭所述横腔110的往复运动带动弹针动托在所述竖腔120内或/和所述横腔110内进行往复运动，弹针动托的往复运动带动弹簧进行伸缩、弯曲或扭曲及回弹。以所述梭轨200在最大行程往返情况下的往返起点作为行程零点，则可得到全行程下万能弹力器的弹力与行程的关系，如式1）所示，亦即弹力器的弹力既与弹簧的弹力呈正比，也与轨高斜率呈正比。式1）称为弹力器的机械特性方程或力学特性方程。

假定弹簧机械特性为弹力与形变量呈正比，以轨高最小点所在平面作为参考平面，并忽略弹针针梢几何的影响，则根据1）可得到弹力器弹力与轨高特性之间关系第二种形式，如式2）所示。式2）也称为弹力器的机械特性方程或力学特性方程。

当α为常数时，根据式2）可获得弹力方向固定的轨高特性方程，如式3）所示。当α为变量时，因其为梭轨行程的一元函数，故式2）所表达的仍是轨高或弹力器弹力关于梭轨行程的一元函数。当α为已知函数时，通过式2）或式1）亦可获得弹力方向可变的轨高特性方程。

式2）和式3）适用于移托弹针（应用特殊拉簧或压簧的除外）。当采用摆托弹针时，根据摆托弹针的结构参数对式2）和式3）进行相应的修正。当采用摆簧弹针时，根据摆簧弹针的弹簧特性从式1）获得轨高特性。

根据式1）和式2），可以通过改变轨高特性获得任意弹力器弹力特性。根据式3），可以基于任意弹力特性需求获得满足需要的轨高特性。从这两个方面讲，本发明给出的新装置被命名为万能弹力器。从工作原理上讲，它是一个正时按需吸功和吐功装置，往返一个来回，总的来看它既不产功，也不耗功，故它也称为往复功吸吐器。从功能上讲，它可以将外部瞬时作用力不相等的两个力学元件之间的无缝对接在一起，故也称为往复力适配器；它也可以对一个外部力学元件的力学特性进行变换，故也称为往复力变换器；它还可以将发生作用力交换的多个力学元件耦合匹配在一起，故也称为往复力耦合器；它还可以作为往复运动元件的灵活助力装置来使用，故也可称为万能助力器；它可以消除外部两个或多个力学元件之间的作用力的瞬时差异，故也可称为往复力消振器；它自身弹力具有周期变动属性，故也可称为往复力起振器。

所述梭轨200行程大小可给予正负区分，往程和返程二者之一设为正，另一个设为负，则弹力器的弹力关于梭轨行程呈现为轴对称特性，故本发明给出的装置可称为往返对称型万能弹力器。弹簧的弹力亦为轴对称特性。

第二方面，一种万能弹力器，包括所述的运动转换机构。

本发明至少包括以下有益效果：

本发明给出了一种运动转换机构，通过梭轨与弹针的配合将梭轨的往复运动转化为弹簧的伸缩运动，通过变换轨面造型对弹簧弹力进行按位按需精准变换，从而形成了一种万能弹力器。

本发明给出了弹力器力学特性、弹簧力学特性和轨高特性三者之间的定量关系。若三者之中任两个已知，则可依据这一定量关系得到第三者，从而可以根据需要对弹力器特性进行公式化设定和更改。

本发明提出的方法和装置克服了弹簧单一力学特性的缺陷，将弹簧的力学特性变换提升到了万能层级，扩大了弹簧的功能范围，为力学特征往返对称的各种各样往复运动力学器件的节能、适配、耦合、变换、消振、起振、助力和控制等提供了精准高效解决方案。

实施例1

如图1所示，在本发明实施例所述的运动转换机构中，所述弹针为移托弹针，所述移托弹针包括轨托320、移托310和弹性部，在所述移托弹针中，所述弹性部为螺旋弹簧330，移托310为动托，轨托320为定托。移托梢部安装针梢300，梢部的针梢300对侧连接并定位所述螺旋弹簧330一端，所述螺旋弹簧330的另一端连接所述轨托320并由其定位，所述轨托320约束所述移托310仅沿所述螺旋弹簧330中心线运动。所述轨托320固定在所述竖腔120内壁上，或者直接以有底竖腔壳作为所述轨托320，所述螺旋弹簧330的定托端直接连接定位在竖腔壳底上。

实施例2

如图2所示，所述弹针为摆托弹针，所述摆托弹针包括簧座350、摆托340、螺旋弹簧330及针座360，所述摆托340为动托，所述簧座350、针座360为定托；所述簧座350和所述针座360固定在所述竖腔120内壁上，所述针座360也可固定在横腔110内壁上，或者直接以竖腔壳壁或/和横腔壳壁作为所述针座360或所述簧座350；所述摆托340梢部、侧部或其他部位均可安装所述针梢300；所述摆托340以定轴线转动方式定位关联在所述针座360上，所述针座360可为座体，也可为桩体或其他具有一定长度的形体，当为非座体形式时，亦可作为所述簧座350的关联安装载体；所述摆托340可沿其轴线摆动，所述螺旋弹簧330沿所述摆托340摆动方向布置，一端定位关联在所述摆托340上，另一端定位关联在所述簧座350上。

实施例3

所述弹针为摆簧弹针370，所述摆簧弹针370的弹簧为弯曲型，包括但不限于片簧、杆簧、弓簧（片簧或杆簧的弯曲体或折弯体，弧形、几形、鞍形、波形及各种异形）、筒簧（片簧、杆簧或弓簧的开放性旋转体或这些旋转体的变体，柱形、碟形、锥形、梭形、舟形及各种异形）、球簧（片簧、杆簧或弓簧的闭合性旋转体或这些旋转体的变体，圆球形、椭球形、圆锥形、纺锤形、舟形、瘪形及各种异形），摆簧弹针370据此可分为片簧、杆簧、弓簧、筒簧、球簧及异形摆簧弹针等多种。片簧和杆簧摆簧弹针以弹簧的一端作为定托，直接固定在横腔壳上或与横腔壳成为一体，另一端作为动托，安装所述针梢300，或直接作为动托兼针梢，针梢300带动片簧或杆簧相对于定托摆动。弓簧、筒簧和球簧在本质上是片簧或杆簧的变种，从广义上讲，弓簧、筒簧和球簧摆簧弹针也属于片簧或杆簧摆簧弹针，弓簧、筒簧和球簧视为由两个或多个片簧或杆簧共享一个针梢合并而成的一个整体，以弹簧上的一个或多个部位作为定托或支脚固定在横腔壁上；所述针梢300所在的弹簧部位相对于定托所在的弹簧部位摆动，或者针梢所在的弹簧部位相对于一处或一带非定托所在的弹簧部位摆动、而针梢300所在弹簧部位的摆根部位又相对于定托所在的弹簧部位摆动。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。