CN105317905A - 负刚度设备 - Google Patents

Abstract

一种负刚度设备，包括流体填充的膜盒，插设在第一表面与第二表面之间，其中，该膜盒和第一、第二表面具有在第一和第二表面之间的大致平衡的定向。该膜盒和第一、第二表面包括其它定向，其中，第一和第二表面从大致平衡的定向移开，膜盒施加位移力以促使第一和第二表面进一步离开该大致平衡的定向。

Description

负刚度设备

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年6月9日提交的美国临时申请No.62/009,416的权益，其全部内容作为引用并入本文。

技术领域

本发明涉及负刚度设备。

背景技术

本节陈述只是提供与本发明相关的背景信息。因此，这些陈述不意图构成对现有技术的认可。

负刚度设备是已知的，它们通过例如机械卡扣或电磁实现它们的性能目标。机械负刚度设备需要接头，它们呈现出磨损和摩擦。此外，需要垂直弹簧的机械执行机构会受到包装障碍。电磁执行机构可以采取线性电机的形式，它们大而重且昂贵，或是采取螺线管吸引器的形式，它们局限于小的位移。另外，电磁执行机构需要能量输入，包括在保持的同时。

发明内容

一种负刚度设备包括填充流体的膜盒（bellows），插在第一表面与第二表面之间，其中，该膜盒和第一、第二表面具有在第一和第二表面之间的大致平衡的定向。该膜盒和第一、第二表面包括其它定向，其中，第一和第二表面从大致平衡的定向移开，膜盒施加位移力以促使第一和第二表面进一步离开该大致平衡的定向。

本发明提供下列技术方案。

技术方案1.一种负刚度设备，包括：

流体填充的膜盒，其插设在第一表面与第二表面之间，其中，该膜盒和第一、第二表面具有在第一和第二表面之间的大致平衡的定向，并且其中，该膜盒和第一、第二表面包括其它定向，其中，第一和第二表面从大致平衡的定向移开，膜盒施加位移力以促使第一和第二表面进一步离开该大致平衡的定向。

技术方案2.如技术方案1所述的负刚度设备，其中，该设备包括线性运动负刚度设备，包括：

细长的内导向体，其包括所述第一表面，所述内导向体沿着线性运动的轴线纵向对齐并且具有相应的第一和第二端；

细长的外导向体，其包括所述第二表面，所述内导向体沿着线性运动的轴线纵向对齐并且具有相应的第一和第二端，所述外导向体与所述内导向体同轴布置，从而使得外导向体的第二表面以间隔邻近的方式包围且面对内导向体的第一表面；并且

所述膜盒包括大致环形的柔性流体外壳，其插设在内导向体的第一表面与外导向体的第二表面之间并且接触它们。

技术方案3.如技术方案1所述的负刚度设备，其中，该设备包括旋转运动负刚度设备，包括：

内导向体，其包括所述第一表面，相对于旋转运动的轴线凸起；

外导向体，其包括所述第二表面，相对于旋转运动的轴线凹陷并且以间隔邻近的方式面对内导向体的第一表面；并且

所述膜盒包括柔性流体壳体，其插设在内导向体的第一表面与外导向体的第二表面之间并且接触它们。

技术方案4.如技术方案2所述的负刚度设备，其中，所述膜盒包括与外导向体的第二表面接触的外壁和与内导向体的第一表面接触的内壁，进一步地，其中，所述外壁固定连接到外导向体的所述第二表面，且所述内壁固定连接到所述内导向体的所述第一表面。

技术方案5.如技术方案3所述的负刚度设备，其中，所述膜盒包括与外导向体的第二表面接触的外壁和与内导向体的第一表面接触的内壁，进一步地，其中，所述外壁固定连接到外导向体的所述第二表面，所述内壁固定连接到所述内导向体的所述第一表面。

技术方案6.如技术方案1所述的负刚度设备，其中，所述流体包括液体。

技术方案7.如技术方案1所述的负刚度设备，其中，所述流体包括气体。

技术方案8.如技术方案2所述的负刚度设备，其中，外导向体的所述第二表面朝着至少一端向外张开。

技术方案9.如技术方案8所述的负刚度设备，其中，外导向体的所述第二表面线性张开。

技术方案10.如技术方案8所述的负刚度设备，其中外导向体的所述第二表面曲线地张开。

技术方案11.如技术方案10所述的负刚度设备，其中，内导向体的所述第一表面是圆柱形的。

技术方案12.如技术方案2所述的负刚度设备，其中，内导向体的所述第一表面朝着至少一端向内渐缩。

技术方案13.一种负刚度设备，包括：

细长的内构件，其沿着线性运动的轴线纵向对齐，包括对立的端部以及外表面；

细长的外构件，其沿着线性运动的轴线纵向对齐，包括对立的端部以及朝着至少一端向外张开的内表面，所述外构件以间隔邻近的方式包围所述内构件；和

柔性的环形流体壳体，其包括外壁和内壁，所述壳体插设在内构件的外表面与外构件的内表面之间，从而使得外壁共形接触外构件的内表面并且内壁共形接触内构件的外表面，并且其中所述外壁固定连接到外构件的所述内表面，并且所述内壁固定连接到所述内构件的所述外表面。

技术方案14.如技术方案13所述的负刚度设备，其中，外构件的所述第二表面线性张开。

技术方案15.如技术方案13所述的负刚度设备，其中，外构件的所述第二表面曲线地张开。

技术方案16.如技术方案13所述的负刚度设备，其中，内构件的所述外表面是圆柱形的。

技术方案17.如技术方案13所述的负刚度设备，其中，内构件的所述外表面朝着至少一端向内渐缩。

附图说明

现在将以举例的方式描述一个或多个实施例，参照附图，其中：

图1示出本发明的处于平衡定向的线性运动负刚度设备的实施例；

图2-A至图2-C示出本发明的图1的线性运动负刚度设备的某些主要部件；

图3-A和图3-B示出本发明的图1的线性运动负刚度设备从平衡定向移开；

图4-A和图4-B示出本发明的图1的线性运动负刚度设备应用到液压气动式悬架支柱上；

图5示出本发明的来自表格1的力比对位移数据；

图6-A和图6-B示出本发明的处于平衡定向的旋转运动负刚度设备的实施例；和

图7-A和图7-B示出本发明的图6-A和6-B的旋转运动负刚度设备移离平衡定向。

具体实施方式

现在参照附图，其中，所示仅仅是为了说明某些示范性实施例，而不是为了限制它们。图1示出一种在工作时是线性的负刚度设备100，即线性运动负刚度设备。该线性运动负刚度设备100包括三个主要部件：外管或外导向体1，内管或内导向体3以及柔性的大致环形的膜盒2。因此，总体来说，本发明的线性运动负刚度设备包括插在第一表面与第二表面之间的大致环形膜盒。

膜盒2大致位于外导向体1的内表面8与内导向体3的外表面7之间且接触它们。膜盒2的接触外导向体1的内表面8的大体部分可以称作外壁19，并且，膜盒2的接触内导向体3的外表面7的大体部分可以称作内壁17。膜盒端壁可以泛指膜盒2的连接内、外壁的轴向相对部分。因为膜盒在内、外导向体的表面之间的位置关系和与它们的接触关系在工作时是变化的，因此要理解的是，内壁、外壁和端壁是相对描述法并且不指代膜盒的绝对部分。膜盒2是柔性的，由橡胶或弹性体材料制成，并且填充有流体，气体或液体。

内导向体3是细长圆柱形，并且沿着线性运动的轴线（纵向中心线200）纵向对齐。外导向体1是细长的，沿着线性运动的轴线纵向对齐，但当剖过纵向中心线200时具有大致凸起截面的壁。当垂直于纵向中心线200剖时，外导向体1的截面是圆环形的，带有位于中央的最小圆周和朝着外导向体1的每端远离该最小圆周单调增大的圆周。虽然内、外导向体3、1分别示为纵向对称的，但是申请人构思了非对称几何结构，例如，导向体1最小圆周位于更接近一端的地方，有变化曲率的大致凸起的截面或看情况向外张开或减小的管状结构可以仅仅在其一端。此外，虽然内导向体3是圆柱形的，但是内导向体3也可以具有其它的几何结构。例如，内导向体3可以具有最大中央圆周和朝着每端远离该最大圆周减小的圆周。虽然内导向体3示为空的中空圆柱体，但是可替代的，该导向体可以是完全实心的，带有填充芯的中空或是本领域技术人员显而易见的任何构造。用于制造内导向体3和外导向体1的材料可以是任何应用合适的材料，取决于这样的考虑因素，例如质量、强度、工作环境、对制造的设计等等。示范性材料可以包括常规的钢原料管。张开和减小管原料的技术是本领域普通技术人员公知的，并且可以包括例如冲压成形、旋转成形和液压成形。

负刚度设备100在图1中示出，有在外导向体1与膜盒2之间的纵向对称布置，即，膜盒2相对于外导向体1的最小截面圆周定位在中央。膜盒2被约束在外导向体1的内表面8与内导向体3的外表面7之间。即使在导向体1的最窄区段，膜盒2的内部上可以存在开式管道供流体流通在其中。在图1的部件定向中，膜盒2从头到尾被压成几乎一致的壁到壁厚度，因为相对于外导向体1对称布置，纵向力（如果有，按照内表面8和外表面7的轮廓）是平衡的。因此，图1的定向被称作大致平衡定向或平衡状态。这样的位置也可以称作标称或配平位置。膜盒2在相应表面处连在内导向体3和外导向体1上，在此，它们在一个或多个点处对齐通过对称中心剖取的截面（即，垂直于通过外导向体1的最小圆周的纵向轴线的截面）会合。这样的连接可以通过例如粘合剂或合作的正负卷边特征部的方式实现。

更多的内容参照图3-A和3-B。当内导向体3相对于外导向体1移动时，受约束的膜盒2在内表面8与外表面7之间滚动。膜盒2调整形状以适应内表面8与外表面7之间的变化间隙和得到的所包围体积的变化。外导向体1、内导向体3或这两者的形状能够设计成在内、外导向体之间的不同位置处获得期望的体积约束变化和作用于导向体的合成轴向力。

体积变化引起压力变化，根据气体规律，假设绝热或等温过程。这个体积/压力变化得到设备100做出的功，这引起作用在内、外导向体之间的线性力。做的功能够根据下列关系式估计（对于等温过程）：

W=P ₁ *V ₁ *ln(V ₂ /V ₁ )[1]

式中，W是把内、外导向体从第一位置关系移向第二位置关系做的增加的功；

P₁是第一位置关系时的膜盒压力；

V₁是第一变位点δ ₁ （内、外导向体之间的第一位置关系）处的膜盒体积；和

V₂是第二变位点δ ₂ （内、外导向体之间的第二位置关系）处的膜盒体积。

这个功等于沿着内、外导向体之间的相对运动作用的力，按照下列关系是。

W=F*δ _2-1 [2]

式中，W是把内、外导向体从第一位置关系移向第二位置关系做的增加的功；

F是沿着内、外导向体之间从第一位置关系到第二位置关系的相对运动作用的平均力；和

δ _2-1 是从第一位置关系到第二位置关系的变位。

通过上面的方程式[1]和[2]，本领域技术人员能够设计出力比对位移性能。

参照图4-A和4-B，示出对液压气动式悬架支柱200的应用。负刚度设备100是实施负刚度的简单廉价有效方式，带有低的惯性，几乎没有摩擦，受控的轮廓，带有简化且被证实的技术，同时实现围绕该支柱的同心包装，代替消除盘簧空间。替代地，该负刚度设备100能够包装在阻尼器与盘簧之间，例如，在更常见的被动悬架中。在任一情况中，能够通过由连接套筒400的长度形成的在内、外导向体之间的相对高度调整配平位置。本领域普通技术人员明白也可以主动改变配平位置调整。

表格1说明了在负刚度设备100的示范性应用到液压气动式悬架支柱200时从配平位置进行的不同位移（δ）下的膜盒体积（V）、膜盒压力（P）、体积/压力变化做的功（W）和作用于支柱的平均力（F），如图4A和4B中所示。并且，图5示出作用于支柱的平均力（F）比对从负刚度设备100的示范性应用到液压气动式悬架支柱200时从配平位置的移动（δ），如图4A和4B所示。

图6-A和6-B示出负刚度设备100’，其是旋转运动的，即旋转运动负刚度设备。该旋转运动负刚度设备100’包括三个主要部件：外导向体1’、内导向体3’和柔性膜盒2’。膜盒2’大致位于外导向体1’的内表面8’与内导向体3’的外表面7’之间并且接触它们。膜盒2’的接触外导向体1’的内表面8’的大体部分可以称作外壁，并且，膜盒2’的接触内导向体3’的外表面7’的大体部分可以称作内壁。膜盒端壁可以泛指膜盒2’的连接内、外壁的圆周相对部分。因为膜盒在内、外导向体的表面之间的位置关系和与它们的接触关系在工作时是变化的，因此要理解的是，内壁、外壁和端壁是相对描述法而不指代膜盒的绝对部分。因此，总体来说，本发明的旋转运动负刚度设备包括插设在第一表面与第二表面之间的膜盒。膜盒2’是柔性的，由橡胶或弹性体材料制成，并且填充有流体，气体或液体。

内导向体3’是圆柱形的。当垂直于纵向中心线200’剖时，外导向体1’具有大致凹陷的内表面8’。内表面8’的曲率或轮廓半径大于内导向体3’的外表面7’的。外表面7’与内表面8’之间的最小间隙对应于轴线210，其垂直于纵向轴线200’。

膜盒2’相对于外表面7’与内表面8’之间的对应于轴线210的最小间隙对称布置。膜盒2’被约束在外导向体1’的内表面8’与内导向体3’的外表面7’之间。即使在外表面7’与内表面8’之间的最窄间隙区域处，膜盒2’的内部上可以存在开式管道供流体流通在其中。在图6-A和6-B的部件定向中，膜盒2’从头到尾被压成几乎一致的壁到壁厚度，因为相对于外表面7’和内表面8’对称布置，旋转力（如果有，按照内表面8’和外表面7’的轮廓）是平衡的。因此，图6-A和6-B的定向被称作大致平衡定向或平衡状态。这样的位置也可以称作标称或配平位置。膜盒2’在各个表面处连在内导向体3’和外导向体1’上，在此它们与纵向轴线200’对齐在一个或多个点处会合。

更多的内容参照图7-A和7-B。当内导向体3’相对于外导向体1’移动（图7-A中的顺时针方向）时，受约束的膜盒2’在内表面8’与外表面7’之间滚动。膜盒2’调整形状以适应内表面8’与外表面7’之间的变化间隙和得到的所包围体积的变化。外导向体1’的形状能够设计成在内、外导向体之间的不同位置处获得期望的体积约束变化和作用于导向体的合成旋转力。

如图1的线性运动负刚度设备一样，体积变化引起压力变化，根据气体规律，假设绝热或等温过程。这个体积/压力变化得到设备100’做出的功，这引起作用在内、外导向体之间的旋转力。

本发明已经描述了某些优选实施例及其改型。一旦阅读和理解说明书，可以让别人想起更多改型和改变。因此，意图是，本发明不限于作为构思为执行本发明的最佳方式公开的特殊实施例，但是，本发明将包括所有落入附上的权利要求范围内的实施例。

Claims (10)

1.一种负刚度设备，包括：

流体填充的膜盒，其插设在第一表面与第二表面之间，其中，该膜盒和第一、第二表面具有在第一和第二表面之间的大致平衡的定向，并且其中，该膜盒和第一、第二表面包括其它定向，其中，第一和第二表面从大致平衡的定向移开，膜盒施加位移力以促使第一和第二表面进一步离开该大致平衡的定向。

2.如权利要求1所述的负刚度设备，其中，该设备包括线性运动负刚度设备，包括：

细长的内导向体，其包括所述第一表面，所述内导向体沿着线性运动的轴线纵向对齐并且具有相应的第一和第二端；

细长的外导向体，其包括所述第二表面，所述内导向体沿着线性运动的轴线纵向对齐并且具有相应的第一和第二端，所述外导向体与所述内导向体同轴布置，从而使得外导向体的第二表面以间隔邻近的方式包围且面对内导向体的第一表面；并且

所述膜盒包括大致环形的柔性流体外壳，其插设在内导向体的第一表面与外导向体的第二表面之间并且接触它们。

3.如权利要求1所述的负刚度设备，其中，该设备包括旋转运动负刚度设备，包括：

内导向体，其包括所述第一表面，相对于旋转运动的轴线凸起；

外导向体，其包括所述第二表面，相对于旋转运动的轴线凹陷并且以间隔邻近的方式面对内导向体的第一表面；并且

所述膜盒包括柔性流体壳体，其插设在内导向体的第一表面与外导向体的第二表面之间并且接触它们。

4.如权利要求2所述的负刚度设备，其中，所述膜盒包括与外导向体的第二表面接触的外壁和与内导向体的第一表面接触的内壁，进一步地，其中，所述外壁固定连接到外导向体的所述第二表面，且所述内壁固定连接到所述内导向体的所述第一表面。

5.如权利要求3所述的负刚度设备，其中，所述膜盒包括与外导向体的第二表面接触的外壁和与内导向体的第一表面接触的内壁，进一步地，其中，所述外壁固定连接到外导向体的所述第二表面，所述内壁固定连接到所述内导向体的所述第一表面。

6.如权利要求1所述的负刚度设备，其中，所述流体包括液体。

7.如权利要求1所述的负刚度设备，其中，所述流体包括气体。

8.如权利要求2所述的负刚度设备，其中，外导向体的所述第二表面朝着至少一端向外张开。

9.如权利要求8所述的负刚度设备，其中，外导向体的所述第二表面线性张开。

10.一种负刚度设备，包括：

细长的内构件，其沿着线性运动的轴线纵向对齐，包括对立的端部以及外表面；

细长的外构件，其沿着线性运动的轴线纵向对齐，包括对立的端部以及朝着至少一端向外张开的内表面，所述外构件以间隔邻近的方式包围所述内构件；和

柔性的环形流体壳体，其包括外壁和内壁，所述壳体插设在内构件的外表面与外构件的内表面之间，从而使得外壁共形接触外构件的内表面并且内壁共形接触内构件的外表面，并且其中所述外壁固定连接到外构件的所述内表面，并且所述内壁固定连接到所述内构件的所述外表面。