弹簧助力机构构形的一个定性结论及应用

何明松

摘 要

弹簧助力机构有着广泛的应用，但机构形式众多且难以参数化表达。本文旨在描述弹簧和重力作用杆的受力变化规律，为结构的初步构形提供方向和思路。应用仿真软件对结构受力进行初步可行性分析后，可以此为基础对机构进行参数化表达并作为优化设计的初始值。

关键词

弹簧助力 结构构形

中图分类号： TH122                     文献标识码： 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

在需要克服重力的机构中，相较于阻尼机构或者辅助动力机构，弹簧助力因其机构简单可靠、合理地运用重力势能的原因，在机构设计中得到了广泛的应用。

1 机构的定性分析

在机构选型时，可行构形的选择范围很大，需要依据一些定性的结论和经验，用以排除不合理不可行的方案。再考虑重力力矩的变化和弹簧提供的反向力矩的变化情况，使在重力作用杆上所受的重力力矩与弹簧提供的反向力矩的差值能保持在一个较小的水平。选定结构构形后，再利用工程算法和仿真软件对机构进行详细的分析和优化。

下面给出一个定性的结论：当弹簧作用力为阻止重力杆沿重力方向运动时，若作用杆的运动方向与只在重力作用下的运动一致时，弹簧力的值必然增大，若重力杆的运动方向与只在重力作用下的运动相反时，弹簧力的值必然减小。该结论与弹簧位置、弹簧拉压状态无关。

以下是该结论的分析：

只在重力的作用下，连接弹簧的两点共有两种趋势：

a、两点远离，则弹簧为保持平衡阻止该运动，必受拉。若实际运动与重力方向一致，则两点距离继续扩大，弹簧力值增大;若实际运动与重力趋势相反，则两点距离减小，弹簧力值减小。

b、两点靠近，则弹簧为保持平衡阻止该运动，必受压。若实际运动与重力方向一致，则两点距离继续减小，弹簧力值增大;若实际运动与重力趋势相反，则两点距离增大，弹簧力值减小。

2 机构构形与仿真结构

当机构为如下图所示机构，重力杆的变化为从水平变为朝下，因为弹簧力值不断增大，而重力力臂不断减小。故：a.机构形式能使重力杆在下翻的过程中，弹簧力臂减小比较快;b.并不能得到一个弹簧力矩与重力力矩协调一致变化并互相平衡的结果，可以得到一个运动前半段在重力下加速，运动的后半段在弹簧力作用下缓冲蓄能的机构形式。基于以上考虑，并经过一定的多体动力学软件的模拟，可得到如下的一个初步的构形。

当给门体一个缓慢的角速度逐渐开启时，力矩变化如下图，其中虚线为重力绕旋转中心的力矩，实线为拉力对选择转中心的力矩。可见：重力力矩逐渐减小;弹簧导致的力矩一开始很小，后面逐渐增大。后续可使用以机构交点坐标值为变量对机构进行优化。

当机构为如下图所示机构，重力杆的变化为从水平变为朝上，弹簧力值和重力力矩同时不断减小，就可以得到一个弹簧力矩与重力力矩协调一致变化并互相平衡结果。这种情况就只需要使用者施加较小的外力就能实现机构的开启。

参考文献

[1]李修峰，王亚斌，王晨编著.HyperWorks进阶教程系列《MotionView&MotionSolve应用技巧与实力分析》.

[2]徐灝，主编.《机械设计手册》.