一种基于开槽螺母的变刚度弹簧装置

1.本实用新型涉及弹簧装置领域，具体是一种基于开槽螺母的变刚度弹簧装置。


背景技术：

2.弹簧是一种利用弹性来工作的机械零件，类型繁多，应用广泛。据化学工业出版社出版的第六版《机械设计手册》第3卷第12篇的表12-1-1可查，常见的弹簧单体大致可分为圆柱螺旋弹簧、变径螺旋弹簧、扭杆弹簧、碟形弹簧、环形弹簧、压力弹簧管等十三类，但是这些弹簧中除了压力弹簧管之外无一能够达到特性曲线同时具有标准线性段和非线性段的要求，都是全直线段或全曲线段，并且压力弹簧管因结构特殊导致应用受限。
3.除了以上常见的弹簧单体，现有的专利技术中已有很多变刚度弹簧装置或可调刚度弹簧装置，这些专利技术使得弹簧的特性曲线变得更加丰富多样。例如申请公布号为cn112268090a的发明专利公开了一种变刚度空气弹簧及其刚度调控方法，该空气弹簧垂向刚度呈现非线性变化，通过改变内部气压与初始气压等参数可准确调节空气弹簧的刚度与高度，其特性曲线是全非线性；又例如申请公布号为cn102345701a的发明专利公开了一种刚度和阻尼可调的车用油气弹簧，可实现阻尼和刚度的调节，其特性曲线是全非线性。
4.因此，无论是常见的标准弹簧单体，还是以上述两项专利为代表的变刚度弹簧装置或可调刚度弹簧装置，其特性曲线大都无法或很难达到线性段与非线性段兼备的要求，故现有的弹簧或弹簧装置技术在某些需要特性曲线兼备线性段与非线性段的特殊工作场合中就难以适用。


技术实现要素：

5.实用新型目的：本实用新型的目的是为了解决现有技术的不足，提供的一种基于开槽螺母的变刚度弹簧装置，该装置的特性曲线可以同时具有线性段与非线性段，并且线性段与非线性段的先后顺序可人为设定。
6.技术方案：为了实现以上目的，本实用新型所述的一种基于开槽螺母的变刚度弹簧装置，它包括外壳、底座、拨杆、球头销、拨杆固定螺钉、线性弹簧、长螺钉、螺杆、开槽螺母、推力轴承和固定螺母，所述的外壳和底座配合连接在一起，开槽螺母的端部通过推力轴承和固定螺母固定在外壳上，螺杆的一端穿设在开槽螺母上并在其内做直线移动，螺杆的另一端设有凸缘，长螺钉上的光杆部分穿过凸缘上的通孔后拧在底座上，长螺钉的端头卡在凸缘上，底座与线性弹簧的一端固定连接，线性弹簧的另一端与凸缘的底部相抵，对称设置的拨杆通过拨杆固定螺钉固定在底座上，两个拨杆上的球头销分别卡在开槽螺母外表面的槽内，每个拨杆底面有两个通孔，用于穿过拨杆固定螺钉与底座连接起来，拨杆顶端拧入了球头销，拨杆的作用是固定两个球头销并使两者在槽内同步滑动；
7.所述的槽为螺旋槽或直线槽或螺旋槽和直线槽的结合；
8.所述的螺杆端部设有的外螺纹与开槽螺母的内螺纹配合连接。
9.作为本实用新型的进一步优选，所述的外壳上的矩形凸块卡入底座上的矩形凹槽
内进行轴向移动，外壳和底座为间隙配合，外壳用于容纳开槽螺母、螺杆等零件，外壳的顶面有两个螺纹孔，用于通过螺纹与外界组件之一连接，底座用于容纳线性弹簧、拨杆等零件，底座的底面最外侧的两个螺纹孔，用于通过螺纹与另一外界组件连接。
10.作为本实用新型的进一步优选，所述的外壳外侧设有均布的矩形凸块与底座内表面设有的矩形凹槽匹配，矩形凹槽和矩形凸块的数量均为4个，且位置相对应。
11.作为本实用新型的进一步优选，所述的外壳和底座可以轴向相对滑动。
12.作为本实用新型的进一步优选，开槽螺母外表面两条相同的槽的间隔角度为180
°
，两条槽的槽型完全一样，两个拨杆的球头销各在一条槽内滑动。
13.作为本实用新型的进一步优选，所述的球头销的顶端有钢珠，可以全方向无阻力自由转动，钢珠用于在开槽螺母的槽内滚动。
14.作为本实用新型的进一步优选，所述的长螺钉上的光杆部分的外径尺寸小于螺杆的凸缘上的通孔内径尺寸，长螺钉的光杆部分可以在通孔中轴向自由滑动，长螺钉的端头作为限位。
15.作为本实用新型的进一步优选，套设在开槽螺母端部且用于对开槽螺母进行径向限位的推力轴承的数量为2。
16.作为本实用新型的进一步优选，两个推力轴承分别位于外壳和开槽螺母连接处的上下表面。
17.作为本实用新型的进一步优选，所述的固定在开槽螺母端部的推力轴承和开槽螺母为间隙配合。
18.开槽螺母是一个阶梯轴，内部有螺纹通孔，与螺杆的外螺纹匹配。阶梯轴直径较小的部分的端头有一小段螺纹，其余都是光杆，直径较大的部分外周是直线槽或螺旋槽或螺旋槽和直线槽的搭配组合，使用者可任意选择螺旋槽与直线槽的搭配组合方式。
19.线性弹簧的刚度为定值，是本装置的重要原件，装置在本弹簧的基础上实现变刚度，使用者可根据实际情况需要换用不同刚度的弹簧。线性弹簧一端使用ergo5800型氰基丙烯酸酯类万能胶粘接在底座上，当需要更换线性弹簧时，使用ergo9153型解胶剂滴在凝固的胶水上使胶水融化，即可将线性弹簧从底座上取下并更换新的线性弹簧，弹簧的上下都有平端面，下端面与底座固定连接，上端面与螺杆的底部方形凸缘相抵。弹簧不会与外围4个长螺钉发生干涉。
20.工作原理
21.以开槽螺母由下往上分别为直线槽、螺距逐渐减小的螺旋槽、另一段直线槽的三段式槽型为例进行说明。假设外壳固定，当底座产生轴向向上的位移后，线性弹簧会被底座压缩，对称布置的两个拨杆会同步向上运动，球头销会在槽内滑动，由于第一段是直线槽，所以开槽螺母不会旋转，故弹簧暂时仅被底座向内压缩，此阶段弹簧装置的特性曲线为线性。底座继续向内压缩，球头销进入螺旋槽段，由于两个球头销与开槽螺母的两条螺旋槽段组成的螺旋副不具备自锁条件，即螺旋线升角大于摩擦角。所以随着球头销的向上移动，开槽螺母会开始旋转，从而通过螺纹传动驱动内部的螺杆向下移动，螺杆受到长螺钉的周向限位，不会发生旋转，下降的螺杆也会压缩弹簧，此阶段线性弹簧既受到底座向上压缩，又受到螺杆凸缘底面向下压缩，所以此阶段弹簧装置的特性曲线是非线性曲线。底座继续向上移动，最后球头销进入另一直线槽段，与第一阶段类似，所以此阶段的弹簧装置特性曲线
又恢复为线性。
22.当弹簧装置卸载后，底座原路返回，球头销会随着底座的运动向下退回，经过直线槽段时开槽螺母不转动，经过螺旋槽段时因为不具备自锁条件，所以开槽螺母会反向旋转，驱动螺杆向上收回，从而释放部分弹簧压缩量，最后球头销滑动到最下方的直线槽段底端，装置恢复原状。
23.有益效果：本实用新型所述的一种基于开槽螺母的变刚度弹簧装置，与现有技术相比，具有以下优点：
24.(1)当拨杆在螺旋槽内运动不发生自锁的前提下，其内置线性弹簧选型的自由性、螺旋槽的形状设计自由性允许弹簧装置的特性曲线可人为控制，其中线性弹簧的选型可以控制特性曲线线性段的斜率，螺旋槽的形状设计可以控制非线性段的形状；
25.(2)当拨杆在螺旋槽内运动不发生自锁的前提下，如果开槽螺母的螺旋槽部分的螺距由下往上逐渐增大，特性曲线的非线性部分就是递增的凸函数，反之，螺旋槽部分的螺距由下往上逐渐减小，特性曲线的非线性部分就是递增的凹函数，如果开槽螺母只有直线槽没有螺旋槽时，本装置的特性曲线就仅仅是内部线性弹簧的特性曲线；
26.(3)该弹簧装置由于开槽螺母的螺旋槽与直线槽的具体搭配形式可由设计者根据需求自行设计，故特性曲线的直线段与曲线段可以自由组合；
27.(4)本装置可实现的特性曲线形状丰富，通过更换开槽螺母可得到不同的特性曲线形状；
28.(5)该弹簧装置的曲线段连续顺滑，没有转折。
附图说明
29.图1为本实用新型的右侧视图；
30.图2为本实用新型沿图1中的剖线a-a的全剖视图；
31.图3为本实用新型去掉外壳和底座后的内部结构正视图；
32.图4为本实用新型去掉外壳和底座后的内部结构右侧视图；
33.图5为本实用新型中外壳的轴测视图；
34.图6为本实用新型中底座的轴测视图；
35.图7为实施例一中所使用的开槽螺母的右侧视图；
36.图8为实施例一中所使用的开槽螺母沿图1中的剖线a-a的全剖视图；
37.图9为本实用新型在实施例一中的特性曲线图；
38.图10为实施例二中所使用的开槽螺母的右侧视图；
39.图11为本实用新型在实施例二中的特性曲线图；
40.图12为实施例三中所使用的开槽螺母的右侧视图；
41.图13为本实用新型在实施例三中的特性曲线图；
42.图14为实施例四中所使用的开槽螺母的右侧视图；
43.图15为本实用新型在实施例四中的特性曲线图；
44.图16为实施例五中所使用的开槽螺母的右侧视图；
45.图17为本实用新型在实施例五中的特性曲线图；
46.图18为实施例六中所使用的开槽螺母的右侧视图；
47.图19为本实用新型在实施例六中的特性曲线图。
具体实施方式
48.下面结合附图和实施例，进一步阐明本实用新型。
49.如图1至图6所示，本实用新型所述的一种基于开槽螺母的变刚度弹簧装置，它包括外壳1、底座2、拨杆3、球头销4、拨杆固定螺钉5、线性弹簧6、长螺钉7、螺杆8、开槽螺母9、推力轴承10和固定螺母11。
50.开槽螺母9的端部通过两个推力轴承10和固定螺母11固定在外壳1上，固定螺母11和开槽螺母9端部设有的螺纹配合连接，螺杆8的一端穿设在开槽螺母9上并在其内做直线移动，螺杆8的另一端设有凸缘81；
51.长螺钉7上的光杆部分72穿过凸缘81上的通孔后拧在底座2上，长螺钉7的端头71卡在凸缘81上，长螺钉7的光杆部分72在凸缘81的通孔中轴向自由滑动，长螺钉7的端头71作为限位。
52.底座2与线性弹簧6的一端固定连接，线性弹簧6的另一端与凸缘81的底部相抵，所述的拨杆3通过拨杆固定螺钉5固定在底座2上，拨杆3上设有的球头销4卡在开槽螺母9外表面的螺旋槽或直线槽或螺旋槽和直线槽的结合槽91内滑动；
53.实施例一
54.步骤一：将本装置安装在具有相对运动并且需要调节相互作用力的两个组件上，外壳1通过外界固定组件自带的螺钉与外界固定组件连接，然后底座2通过外界运动组件自带的螺钉与外界运动组件连接，反之亦可，即外壳1与外界运动组件连接，底座2与外界固定组件连接。球头销初始位置在槽91的最下端。设工况一中开槽螺母由下往上为直线槽的一段式槽型，如图7、图8所示；
55.步骤二：当弹簧装置被压缩，底座2产生轴向向上的位移后，线性弹簧6会被底座2压缩，对称布置的两个拨杆3会同步向上运动，球头销4从槽91的最下端开始向上滑动，由于是直线槽91，所以开槽螺母9不会旋转，故线性弹簧6仅被底座2向内压缩，弹簧装置的特性曲线为线性，斜率等于装置内线性弹簧6的刚度，如图9所示，其中横坐标x为弹簧装置被压缩的位移量，纵坐标f为弹簧装置的作用力；
56.当弹簧装置卸载后，底座2原路返回释放线性弹簧6压缩量，球头销4会随着底座2的运动向下退回，因为是直线槽段，开槽螺母9不旋转，最终球头销4滑到槽91的最下端，装置恢复原状。
57.实施例二
58.步骤一：将本装置安装在具有相对运动并且需要调节相互作用力的两个组件上，外壳1通过外界固定组件自带的螺钉与外界固定组件连接，然后底座2通过外界运动组件自带的螺钉与外界运动组件连接，反之亦可，即外壳1与外界运动组件连接，底座2与外界固定组件连接。球头销初始位置在槽91的最下端。设工况二中开槽螺母由下往上为螺距逐渐减小的螺旋槽的一段式槽型，如图10所示；
59.步骤二：当弹簧装置被压缩，底座2产生轴向向上的位移后，线性弹簧6会被底座2压缩，对称布置的两个拨杆3会同步向上运动，球头销4从槽91的最下端开始向上滑动，由于两个球头销4与开槽螺母9上的螺旋槽91段组成的螺旋副不具备自锁条件，即螺旋线升角大
于摩擦角，所以随着球头销4向上移动，开槽螺母9会开始旋转，从而开槽螺母9通过螺纹传动驱动内部的螺杆8向下移动，螺杆8受到长螺钉7的周向限位，不会旋转，下降的螺杆8也会压缩线性弹簧6，所以当球头销4在螺旋槽91内滑动时，线性弹簧6既受到底座2向上的压缩，又受到螺杆8的凸缘81底面向下的压缩，所以弹簧装置的特性曲线是非线性曲线，又螺旋槽91部分的螺距由下而上是逐渐减小的，所以曲线的斜率逐渐增大，即装置刚度逐渐增大，呈递增的凹函数状，如图11所示，其中横坐标x为弹簧装置被压缩的位移量，纵坐标f为弹簧装置的作用力；
60.当弹簧装置卸载后，底座2原路返回释放部分线性弹簧6压缩量，球头销4会随着底座2的运动向下退回，与此同时，球头销4与螺旋槽91之间因为不具备自锁条件，所以开槽螺母9会反向旋转，从而驱动螺杆8向上收回，从而进一步释放线性弹簧6的压缩量，最后球头销4滑到槽91的最下端，装置恢复原状。
61.实施例三
62.步骤一：将本装置安装在具有相对运动并且需要调节相互作用力的两个组件上，外壳1通过外界固定组件自带的螺钉与外界固定组件连接，然后底座2通过外界运动组件自带的螺钉与外界运动组件连接，反之亦可，即外壳1与外界运动组件连接，底座2与外界固定组件连接，球头销4初始位置在槽91的最下端，设工况三中开槽螺母9由下往上分别为直线槽、螺距逐渐减小的螺旋槽的两段式槽型，如图12所示；
63.步骤二：当弹簧装置被压缩，底座2产生轴向向上的位移后，线性弹簧6会被底座2压缩，对称布置的两个拨杆3会同步向上运动，球头销4从槽91的最下端开始向上滑动，由于第一段是直线槽91，所以开槽螺母9不会旋转，故线性弹簧6暂时仅被底座2向内压缩，此阶段弹簧装置的特性曲线为线性，斜率等于装置内线性弹簧6的刚度。底座2继续向上压缩，球头销4进入螺旋槽91段，由于两个球头销4与开槽螺母9上的螺旋槽91段组成的螺旋副不具备自锁条件，即螺旋线升角大于摩擦角。所以随着球头销4的向上移动，开槽螺母9开始旋转，从而开槽螺母9通过螺纹传动驱动内部的螺杆8向下移动，螺杆8受到长螺钉7的周向限位，不会旋转，下降的螺杆8也会压缩线性弹簧6，所以球头销4在螺旋槽91内滑动时，线性弹簧6既受到底座2向上的压缩，又受到螺杆8的凸缘81底面向下的压缩，所以此阶段弹簧装置的特性曲线是非线性曲线，又螺旋槽91部分的螺距由下而上是逐渐减小的，所以曲线的斜率逐渐增大，如图13所示，其中横坐标x为弹簧装置被压缩的位移量，纵坐标f为弹簧装置的作用力；
64.当弹簧装置卸载后，底座2原路返回释放部分线性弹簧6压缩量，与此同时，球头销4会随着底座2的运动向下退回，经过螺旋槽91段时因为不具备自锁条件，所以开槽螺母9会反向旋转，从而驱动螺杆8向上收回，从而释放部分线性弹簧6的压缩量，最后球头销4滑到槽91的最下端，装置恢复原状。
65.实施例四
66.步骤一：将本装置安装在具有相对运动并且需要调节相互作用力的两个组件上，外壳1通过外界固定组件自带的螺钉与外界固定组件连接，然后底座2通过外界运动组件自带的螺钉与外界运动组件连接，反之亦可，即外壳1与外界运动组件连接，底座2与外界固定组件连接。球头销初始位置在槽91的最下端。设工况四中开槽螺母由下往上分别为螺距逐渐减小的螺旋槽、直线槽的两段式槽型，如图14所示；
67.步骤二：当弹簧装置被压缩，底座2产生轴向向上的位移后，线性弹簧6会被底座2压缩，对称布置的两个拨杆3会同步向上运动，球头销4从槽91的最下端开始向上滑动，由于两个球头销4与开槽螺母9上的螺旋槽91段组成的螺旋副不具备自锁条件，即螺旋线升角大于摩擦角，所以随着球头销4向上移动，开槽螺母9会开始旋转，从而开槽螺母9通过螺纹传动驱动内部的螺杆8向下移动，螺杆8受到长螺钉7的周向限位不会旋转，下降的螺杆8也会压缩线性弹簧6，所以球头销4在螺旋槽91内滑动时，线性弹簧6既受到底座2向上的压缩，又受到螺杆8的凸缘81底面向下的压缩，所以此阶段弹簧装置的特性曲线是非线性曲线，又螺旋槽91部分的螺距由下而上是逐渐减小的，所以曲线的斜率逐渐增大。底座2继续向内压缩，由于第二段是直线槽，所以开槽螺母9不会旋转，故线性弹簧6仅被底座2向内压缩，此阶段弹簧装置的特性曲线为线性，斜率等于装置内线性弹簧6的刚度，如图15所示，其中横坐标x为弹簧装置被压缩的位移量，纵坐标f为弹簧装置的作用力；
68.当弹簧装置卸载后，底座2原路返回释放部分线性弹簧6压缩量，球头销4会随着底座2的运动向下退回经过直线槽91，开槽螺母9不旋转，经过螺旋槽91时因为不具备自锁条件，所以开槽螺母9会反向旋转，从而驱动螺杆8向上收回，从而释放线性弹簧6压缩量，最后球头销4滑到槽91的最下端，装置恢复原状。
69.实施例五
70.步骤一：将本装置安装在具有相对运动并且需要调节相互作用力的两个组件上，外壳1通过外界固定组件自带的螺钉与外界固定组件连接，然后底座2通过外界运动组件自带的螺钉与外界运动组件连接，反之亦可，即外壳1与外界运动组件连接，底座2与外界固定组件连接。球头销初始位置在槽91的最下端。设工况五中开槽螺母由下往上分别为直线槽、螺距逐渐减小的螺旋槽、另一段直线槽的三段式槽型，如图16所示；
71.步骤二：当弹簧装置被压缩，底座2产生轴向向上的位移后，线性弹簧6会被底座2压缩，对称布置的两个拨杆3会同步向上运动，球头销4从槽91的最下端开始向上滑动，由于第一段是直线槽，所以开槽螺母9不会旋转，故线性弹簧6暂时仅被底座2向内压缩，此阶段弹簧装置的特性曲线为线性。底座2继续向上压缩，球头销4进入螺旋槽91段，由于两个球头销4与开槽螺母9上的螺旋槽91段组成的螺旋副不具备自锁条件，即螺旋线升角大于摩擦角。所以随着球头销4的向上移动，开槽螺母9会开始旋转，从而开槽螺母9通过螺纹传动驱动内部的螺杆8向下移动，螺杆8受到长螺钉7的周向限位不会旋转，下降的螺杆8也会压缩线性弹簧6，所以球头销4在螺旋槽91内滑动时，线性弹簧6既受到底座2向上的压缩，又受到螺杆8的凸缘81底面向下的压缩，所以此阶段弹簧装置的特性曲线是非线性曲线，螺旋槽91部分的螺距由下而上是逐渐减小的，所以曲线的斜率逐渐增大。底座2继续向上移动，最后球头销4进入另一直线槽91段，与第一阶段相同，所以此阶段的弹簧装置特性曲线又恢复为线性直线，并且斜率和第一段相同，都等于线性弹簧6的刚度，如图17所示，其中横坐标x为弹簧装置被压缩的位移量，纵坐标f为弹簧装置的作用力。
72.当弹簧装置卸载后，底座2原路返回释放部分线性弹簧6的压缩量，球头销4会随着底座2的运动向下退回，经过直线段时开槽螺母9不转动，经过螺旋槽91段时因为不具备自锁条件，所以开槽螺母9会反向旋转，从而驱动螺杆8向上收回，从而释放线性弹簧6压缩量，最后球头销4滑到槽91的最下端，装置恢复原状。
73.实施例六
74.步骤一：将本装置安装在具有相对运动并且需要调节相互作用力的两个组件上，外壳1通过外界固定组件自带的螺钉与外界固定组件连接，然后底座2通过外界运动组件自带的螺钉与外界运动组件连接，反之亦可，即外壳1与外界运动组件连接，底座2与外界固定组件连接。球头销4初始位置在槽91的最下端。设工况六中开槽螺母9由下往上分别为螺距逐渐减小的螺旋槽、直线槽、另一段螺距逐渐减小的螺旋槽的三段式槽型，如图18所示；
75.步骤二：当弹簧装置被压缩，底座2产生轴向向上的位移后，线性弹簧6会被底座2压缩，对称布置的两个拨杆3会同步向上运动，球头销4从槽91的最下端开始向上滑动，由于两个球头销4与开槽螺母9上的螺旋槽91段组成的螺旋副不具备自锁条件，即螺旋线升角大于摩擦角，所以随着球头销4的向上移动，开槽螺母9会开始旋转，从而开槽螺母9通过螺纹传动驱动内部的螺杆8向下移动，螺杆8受到长螺钉7的周向限位不会旋转，下降的螺杆8也会压缩线性弹簧6，所以球头销4在螺旋槽91内滑动时，线性弹簧6既受到底座2向上的压缩，又受到螺杆8的凸缘81底面向下的压缩，所以此阶段弹簧装置的特性曲线是非线性曲线，又螺旋槽91部分的螺距由下而上是逐渐减小的，所以曲线的斜率逐渐增大。第二段是直线槽91，所以开槽螺母9不会旋转，故线性弹簧6暂时仅被底座2向内压缩，此阶段弹簧装置的特性曲线为线性，斜率等于装置内线性弹簧6的刚度，底座2继续向内压缩，球头销4再次进入第三段的螺旋槽91段，由于两个球头销4与开槽螺母9上的螺旋槽91段组成的螺旋副不具备自锁条件，即螺旋线升角大于摩擦角。所以随着球头销4的向上移动，开槽螺母9开始旋转，从而开槽螺母9通过螺纹传动驱动内部的螺杆8向下移动，螺杆8受到长螺钉7的周向限位不会旋转，下降的螺杆8也会压缩线性弹簧6，所以球头销4在螺旋槽91内滑动时，线性弹簧6既受到底座2向上的压缩，又受到螺杆8的凸缘81底面向下的压缩，所以此阶段弹簧装置的特性曲线是非线性曲线，又螺旋槽91部分的螺距由下而上是逐渐减小的，所以曲线的斜率逐渐增大，如图19所示，其中横坐标x为弹簧装置被压缩的位移量，纵坐标f为弹簧装置的作用力。
76.当弹簧装置卸载后，底座2原路返回释放部分弹簧压缩量，与此同时，球头销4会随着底座2的运动向下退回，在螺旋槽91段时因为不具备自锁条件，所以开槽螺母9会反向旋转，驱动螺杆8向上收回，从而释放线性弹簧6压缩量。球头销4滑到直线槽91段，开槽螺母9不旋转，螺杆8不上升，最后球头销4进入最下方螺旋槽91段，开槽螺母9继续旋转，螺杆8继续上升至初始位置，球头销4滑动至槽91的最下端，装置恢复原状。
77.上述实施方式只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的是让熟悉该技术领域的技术人员能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此来限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所做出的等同变换或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。