CN105209780B - 用于将多个主体弹开的紧凑型柔性支承弹簧 - Google Patents

Abstract

一种柔性支承“平面”弹簧，其可弹开多个独立往复运动的主体，例如将每个主体弹开至第三主体或将第一主体弹开至第二主体并将第二主体弹开至第三主体。主臂部组的主弹簧臂通过开口彼此间隔开，并沿着非径向主路径从周缘框架向内延伸，该非径向主路径向内朝向中央轴线且关于中央轴线成角度地行进。辅助臂部组的至少一个辅助弹簧臂沿着非径向辅助路径延伸，该非径向辅助路径径向地且关于中央轴线成角度地行进。每个辅助臂部置于主臂部之间的开口中，允许主臂部和辅助臂部彼此穿过开口，而不会彼此干扰。

Description

用于将多个主体弹开的紧凑型柔性支承弹簧

发明背景

本发明涉及一种机械弹簧，更具体地，涉及一种已在过去用于使自由活塞斯特林发动机的置换器或冷却器在其外壳内共振的特殊类型的机械弹簧中的改进，但其改进允许弹簧使多个不同的主体共振，而不是仅使一个主体共振。

术语“柔性支承弹簧”用于表示这样一种类型的弹簧，其在现有技术中已被称为多种术语，其包括平面弹簧、柔性支承件以及平螺旋弹簧。在美国专利5,522,214和8,028,409以及美国公开申请US 2008/0191399中示出了这种弹簧的实例。柔性支承弹簧通常用于支撑往复主体，例如活塞和自由活塞斯特林发动机的置换器或冷却器。典型的柔性支承弹簧具有环绕的周缘框架(其中央轴线垂直于框架)和从周缘框架向内延伸的一组臂部。臂部不沿着轴线的径向向内延伸，而是每个臂部沿着或多或少的螺旋形路径向内行进。臂部的内端在周缘框架内普通地连接在一起，其中，其附接至沿着中央轴线往复运动的主体。柔性支承弹簧是这种意义上的支承件：其支撑主体抵抗远离其往复运动轴线的径向运动。其是这种意义上的弯曲部分：其臂部是在主体往复运动过程中弯曲的悬臂弹簧。其是这种意义上的弹簧：其臂部是弹性的和能复原的，因此可接收、储存并返还能量。臂部围绕中央轴线等角度地间隔开，并且优选地，臂部是相同的，这是因为这些特征允许弹簧与往复运动主体之间的径向力具有一矢量和，该矢量和是当臂部径向地位于中心时基本上为零的径向力的结果。如果臂部偏离中心，则其施加使轴向往复运动的主体返回至轴线的定心力。由于定心力以及在位于中心时没有侧向力，所以主体被保持在轴线上，但主体可沿着轴线共振地往复运动。臂部无需沿着数学上精确的螺旋形延伸。实际上，一些柔性支承弹簧具有线性臂，该线性臂具有成角度交叉的区段。柔性支承弹簧的臂部沿着朝向中央轴线径向地向内且围绕中央轴线成角度地行进的路径延伸，使得臂部比其为径向时更长，因此，与径向臂相比，每个臂部施加更小的径向侧力，并可在往复运动过程中进一步沿着轴线平移。当臂部从周缘框架朝向轴线向内行进时，臂部的特殊轮廓原则上是设计师判断的问题，并且通常需要试验和误差实验。

因为柔性支承弹簧用作弹簧并将与其附接的主体保持在中央轴线上，所以该柔性支承弹簧通常用于支撑自由活塞斯特林机器的置换器活塞并使其共振。置换器通过连杆附接至弹簧，并以机器的运转频率而在置换器气缸内沿着其中央轴线往复运动。该弹簧还附接至斯特林机器的外壳，使得其形成连接在置换器与外壳之间的弹簧。为了增加弹簧常量(使弹簧***)，将多个相同的柔性支承弹簧堆叠在一起，并将其都连接至相同的连杆连接且连接至外壳。

对于许多自由活塞斯特林机器来说，可仅用斯特林循环压力摆动来使斯特林机器的动力活塞共振，因此，不用单独的弹簧来使动力活塞共振。然而，对于一些自由活塞斯特林机器而言，将期望向活塞增加一些机械弹簧，以使活塞静态地轴向定心，和/或使发动机在给定的压力下运行得更快。但实际上这很少实现，这是因为对动力活塞增加第二弹簧会增加机械复杂性、增加额外的部件和重量、并且显著增加机器的长度。原因在于，置换器和动力活塞都沿着相同轴线异相地往复运动。因此，必须小心以避免两个弹簧之间的干扰，例如碰撞。因此，在两个活塞沿着相同轴线往复运动且每个活塞与不同的柔性支承弹簧连接的情况下，这两个弹簧必须轴向地间隔开，以避免弹簧之间的干扰。通常，所增加的动力活塞弹簧远离置换器弹簧轴向地移动一距离(该距离大约是活塞振幅)，以避免操作过程中的干扰。因此，必须使斯特林机器的长度增加出弹簧之间的间隔的长度。这意味着，外壳的尺寸必须也增加出动力活塞连杆的长度。这种增加的尺寸和产生的重量增加使得斯特林机器更大且更重，从而减小其功率重量比和功率体积比。

因此，本发明的一个目的和特征在于提供一种能够将两个不同的同轴往复运动主体(例如，自由活塞斯特林机器的动力活塞和置换器)弹开至外壳的柔性支承弹簧，而不需要延长机器使其超过如果仅有一个主体弹开至外壳时所需的长度。

本发明的另一目的和特征在于提供一种能够将两个不同的同轴往复运动主体(例如，自由活塞斯特林机器的动力活塞和置换器)彼此弹开并将其中一个弹开至外壳的柔性支承弹簧。

发明内容

本发明是一种紧凑型的(优选地平面的)柔性支承机械弹簧，其可附接至至少两个不同的、独立往复运动的主体，以使每个主体独立地弹开至外壳，或使第一主体弹开至外壳并使另一主体弹开至第一主体。该弹簧形成有至少两组弹簧臂。每组弹簧臂置于另一组弹簧臂之间的开口中。这允许每组弹簧臂的臂部在往复运动过程中独立地穿过另一组臂部之间的开口。因此，每组弹簧臂自由地移动穿过弹簧的公共平面，从而允许紧凑地轴向布置。一组弹簧臂可具有一个、两个、三个或更多个弹簧臂。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的俯视平面图。

图2是图1的实施例的侧视图以及图3至图7的实施例的侧视图。

图3是本发明的一个可替换实施例的俯视平面图。

图4是本发明的一个可替换实施例的俯视平面图。

图5是本发明的一个可替换实施例的俯视平面图。

图6是本发明的一个可替换实施例的俯视平面图。

图7是本发明的一个可替换实施例的俯视平面图。

图8是本发明的一个可替换实施例的部件的俯视平面图。

图9是将与图8的部件连接以形成本发明的一个可替换实施例的第二部件的俯视平面图。

图10是图8和图9的形成本发明的一个替代实施例的组装部件的俯视平面图。

图11是图10的组装部件的侧视图。

图12是本发明的另一替代实施例的部件的俯视平面图。

图13是将与图12的部件连接以形成本发明的一个可替换实施例的第二部件的俯视平面图。

图14是图12和图13的形成本发明的一个可替换实施例的组装部件的侧视图。

在描述附图中所示的本发明的优选实施例时，为了清楚起见，将采取专用术语。然而，并非旨在将本发明限制于由此选择的专用术语，将理解到的是，每个专用术语均包括所有以类似方式操作以实现类似目的的技术等价物。

具体实施方式

现有技术已经开发了一种平面弹簧，该平面弹簧具有一组螺旋形的臂部且用于提供弹簧力以使主体共振。本发明增加了至少额外的一组额外的臂部，使得同一弹簧也可使第二个单独的主体共振。该额外的臂部可来自于“接地物”，例如外壳，其中，该额外的一组臂部本质上是与第二主体接地的单独的第二弹簧。可替换地，第二组臂部可连接至第一组臂部的运动部分，在该情况中，产生“相对的”弹簧，其是连接在两个运动主体之间的弹簧。还可增加额外的多组臂部。

图1示出了体现本发明的柔性支承弹簧10。图1的弹簧10用于通过弹簧将两个主体中的每一个独立地连接至第三主体(例如外壳)，并因此用作两个单独的弹簧。像本发明的所有所示的实施例一样，弹簧10是平面的，如在图2的其侧视图中所示出的。弹簧10具有周缘框架12和垂直于周缘框架12(且垂直于附图的平面)的中央轴线14。弹簧10具有主臂部组，该主臂部组包括由开口20和22彼此间隔开的多个主弹簧臂16和18。弹簧10还具有辅助臂部组，该辅助臂部组包括辅助弹簧臂24和26。辅助弹簧臂24和26置于主臂部16和18之间的开口20和22中。

如图1所示(但对本发明的其他所示实施例而言也是正确的)，弹簧10是单一一片弹性材料，所有臂部平稳地结合到周缘框架12中。因此，在臂部与周缘框架12之间没有物理或结构边界。然而，周缘框架12可认为是附接有臂部的环形框架，尽管该框架可以是正方形的、椭圆形的或其他多边形形状的。一系列孔28、30、32和34延伸穿过周缘框架12，使得紧固件将弹簧10附接至“接地”主体，例如外壳或外壳内的内部支撑件。框架12优选地是单个单一体的与弹簧臂成一体的一部分。然而，周缘框架可形成为多区段，其中，每个框架区段均附接至一个或多个弹簧臂。在后一种情况中，每个区段变得刚性地固定至第三主体(例如外壳)，使得第三主体将框架区段与其臂部保持在一起，作为柔性支承弹簧。类似地，每个弹簧臂均可刚性附接至第三主体，使得第三主体用作对臂部进行支撑的框架。

两个主臂部16和18中的每一个均沿着非径向主路径从周缘框架12向内延伸，该非径向主路径朝向中央轴线14向内地且围绕中央轴线14成角度地行进至主端部连接件36。在图1的实施例中，将主臂部组的臂部16和18在单个中央端部连接件36处连接在一起。

用于本发明实施例的优选的端部连接件是位于臂部的端部处或附近的孔，使得可将紧固件***该孔以将臂部的端部附接至主体。柔性支承弹簧的每个臂部均具有端部连接件。在臂部的端部处的术语“端部连接件”的结构特征在于，其形成为将臂部的端部连接至主体，臂部将对该主体施加其弹簧力。当然，其他类型的端部连接件也是可能的，例如槽或柱。端部连接件可以是焊接件，尽管其不是优选的。可使臂部在部分或所有端部连接件孔的周围变宽，以得到额外的强度。如将在所示实施例中看到的，一组弹簧臂的所有臂部可连接在一起，并终止于单个中央端部连接件中。可替换地，每个臂部可终止于其自身不同的端部连接件中，使得每个臂部具有一个端部连接件。单个中央端部连接件的使用便于通过单个紧固件将其相关联的臂部与往复运动主体连接。然而，在每个臂部的端部具有不同的端部连接件的实施例中，对于每个臂部而言，可通过一个紧固件将每个主体(将对其施加弹簧力)与主体连接。可预见到，每组臂部可通过公共的中央连接件直接连接在一起，或者这组臂部通过其对同一主体的附接件(例如连杆)而连接在一起。

辅助臂部组的臂部24和26中的每个均沿着非径向辅助路径延伸，该非径向辅助路径径向地且关于中央轴线14成角度地行进至辅助端部连接件38和40。在图1的实施例中，辅助臂部24和26均从周缘框架12径向地向内并关于中央轴线成角度地行进。

弹簧臂的形状和定向不限于任何特殊的形状或定向。本发明的实施例的各种弹簧臂描述为，朝向中央轴线或中央连接件或周缘框架或者从中央轴线或中央连接件或周缘框架向内、向外或径向地行进，并且关于中央轴线成角度地行进。虽然没有弹簧臂所需的特定的形状或方向，但是相信这些术语描述了其特征。术语“行进”用于表示想象中的沿着弹簧臂的移动方向。该移动方向具有两个分量，径向分量和角度分量。角度分量是顺时针的或逆时针的。臂部沿着径向不对准，并因此其是非径向的。一些弹簧臂被描述为从周缘框架以两个方向分量地向内行进。这意味着，当想象中的从周缘框架沿着弹簧臂的移动沿着臂部行进时，该移动朝向中央轴线向内且成角度地移动。一些弹簧臂被描述为从中央连接件以两个方向分量向外行进。这意味着，当想象中的从中央连接件沿着弹簧臂的移动沿着臂部行进时，该移动从中央轴线向外且成角度地移动。还可将移动的向内和向外的分量描述为移动方向的径向分量。本发明的实施例优选地具有曲臂，当曲臂成角度地行进时，其连续地向内或向外行进。然而，臂部可具有线性区段，这些区段可沿着移动的任一分量方向或两个分量方向逐渐增加地行进，但是，沿着臂部移动的区段的总和整体上沿着两个方向的分量。

优选地，当一组弹簧臂具有两个或多个臂部时，弹簧臂关于中央轴线等角度地间隔开。例如，如果一组臂部中具有两个臂部，则其间隔180°。如果一组中有三个臂部，则其间隔120°。优选地，当一组中的所有臂部从周缘框架朝向中央或从中央朝向周缘框架行进时，其以与类似轮廓相同的方式成角度地行进。

回到图1，主臂部16和18的端部连接件36易于连接至置换器连杆或与斯特林机器置换器连接的其他连接件。类似地，端部连接件38和40例如通过轭部连接至活塞连杆。在周缘框架12固定至斯特林机器外壳的情况下，斯特林机器的置换器和活塞与辅助臂部24和26独立地往复运动，辅助臂部24和26弯曲并穿过弹簧10的在主臂部16和18之间的开口中的平面。类似地，主臂部16和18也自由弯曲并穿过弹簧的在辅助臂部24和26之间的开口中的平面。

图3示出了体现本发明的一个可替换的柔性支承弹簧50。图3的弹簧50用于将第一往复运动主体通过一组弹簧臂连接至第二往复运动主体，并且还用于将两个主体中的一个通过另一组弹簧臂独立地连接至第三主体。例如，图3的实施例可将置换器弹开至斯特林机器外壳，并且还将置换器弹开至斯特林机器的活塞。

参考图3，柔性支承弹簧50具有周缘框架52(该周缘框架具有如图1所示的紧固件安装孔)以及垂直于周缘框架52的平面(并垂直于附图的平面)的中央轴线54。弹簧50具有主臂部组，该主臂部组包括由开口彼此隔开且在中央连接件76处连接在一起的两个主弹簧臂56和58。弹簧50还具有辅助臂部组，该辅助臂部组包括两个辅助弹簧臂64和66。将辅助弹簧臂64和66置于主臂部56和58之间的开口60和62中。每个辅助臂部64和66从中央连接件76向外延伸至相应的端部连接件78和80，一个端部连接件位于每个辅助臂部的外端处或附近。辅助臂部64和66关于中央轴线54等角度地间隔开。

主臂部56和58的端部连接件76易于连接至置换器连杆或与斯特林机器置换器连接的其他连接件。类似地，端部连接件78和80例如通过轭部连接至活塞连杆。在周缘框架52固定至斯特林机器外壳的情况下，斯特林机器的置换器和活塞与辅助臂部64和66往复运动，该辅助臂部在置换器和活塞之间形成弹簧并且弯曲和穿过主臂部56和58之间的开口60和62中的弹簧50的平面。类似地，主臂部56和58在外壳和与端部连接件76连接的置换器或活塞中的任一个之间形成弹簧。主臂部56和58自由弯曲并穿过辅助臂部64和66之间的弹簧的平面。

剩下的附图示出了本发明的可替换实施例。这些可替换的实施例均具有与图1至图3中的实施例的结构特征相同的许多结构特征，因此，不对相同特征进行重复描述。因此，图4至图14的描述将指向与之前描述的结构特征不同的结构特征。

图4示出了弹簧110，其与图1的弹簧相似，除了主臂部116和118不终止于中央连接件。替代地，主臂部116和118均分别具有其自己的端部连接件128和130。因此，代替将一个主体(例如置换器连杆)连接至单个端部连接件，其可例如通过轭部连接至两个端部连接件128和130。

图5示出了弹簧140，其与图3的弹簧相似，除了其具有额外的第三臂部组，该第三臂部组包括两个弹簧臂142和144。臂部142和144中的每个均分别具有端部连接件146和148。因此，除了提供由图3的实施例提供的弹簧连接以外，图5的实施例允许第三主体通过弹簧臂142和144弹开至外壳。可替换地，第三组臂部也可连接至活塞。在这种情况中，活塞将具有接地的弹簧和与置换器连接的弹簧。

图6示出了弹簧150，其与图1的弹簧相似，除了其具有仅包括一个辅助弹簧臂的辅助臂部组。与图1的实施例相似，图6的实施例具有主臂部组，该主臂部组包括在公共中央连接件156处连接的主臂部152和154。然而，图6的实施例仅具有一个辅助臂部158，该辅助臂部具有端部连接件160。臂部158连接至第二往复运动主体，以将第二主体弹开至安装有周缘框架162的主体。虽然并不期望仅具有一个弹簧臂的辅助臂部组提供像具有多个弹簧臂的臂部组一样在所有径向方向上都均匀的定心力，但其将提供一些定心力。图6的实施例可与其辅助臂部158一起使用，该辅助臂部连接至那些斯特林机器中的通过其气缸将活塞保持充分轴向对准的斯特林机器的活塞。

图7示出了弹簧170，其与图3的弹簧相似，除了其具有仅包括一个辅助弹簧臂的辅助臂部组。与图3的实施例相似，图7的实施例具有主臂部组，该主臂部组包括在公共中央连接件176处连接的主臂部172和174。然而，图7的实施例仅具有一个辅助臂部178，该辅助臂部具有端部连接件180。臂部178连接至第一往复运动主体，中央连接件176连接至第二往复运动主体，以将第一主体弹开至第二主体。如上所述，虽然仅具有一个弹簧臂的辅助臂部组不太可能提供像具有多个弹簧臂的臂部组一样在所有径向方向上都均匀的定心力，但其将提供一些定心力。图7的实施例可与其辅助臂部178一起使用，该辅助臂部连接至那些斯特林机器中的通过其气缸将活塞保持充分轴向对准的斯特林机器的活塞。

图8至图11示出了本发明的一个实施例，其可通过以下方式构成：在一片弹性材料上形成主臂部组，在第二片弹性材料上形成辅助臂部组，然后将这两片连接在一起，以形成体现本发明的单个弹簧。图8示出了弹簧200，其具有周缘框架202和主臂部组，该主臂部组包括在公共中央连接件28处连接的弹簧臂204和206。图9示出了弹簧210，其具有周缘框架212和辅助臂部组，该辅助臂部组包括臂部214和216。优选地且方便地，但并非必须地，弹簧200和210具有类似尺寸的周缘框架202和212以及相同直径的外边缘。如图10和图11所示，弹簧200和210并排地放置或层压并且一起附接在主体(例如机器外壳)上，以形成体现本发明的弹簧。作为一个单元，图10和图11的实施例形成与图1的弹簧相似的弹簧，除了其包括两层而不是一层。

图12至图14示出了相同的原理，其可通过以下方式构成：在一片材料上形成一些臂部，在一个或多个其他片的材料上形成其他臂部，然后将所有片连接在一起，以形成体现本发明的单个弹簧。例如，可在一片材料上形成主臂部组，并且可在第二片材料上形成辅助臂部组。将这两片连接在一起可形成体现本发明的单个弹簧。图12示出了弹簧230，其具有周缘框架232和主臂部组，该主臂部组包括在公共中央连接件238处连接的弹簧臂234和236。弹簧230与图8的弹簧200相同。图13示出了弹簧240，其不具有周缘框架，但其具有包括臂部244和246的辅助臂部组，该臂部中的每个均具有端部连接件248和250并在中央连接件252处连接在一起。如图14所示，弹簧230和240并排地放置或层压，并且该弹簧通过***相应的中央连接件238和252的紧固件而一起附接在主体(例如置换器连杆)上，以形成体现本发明的弹簧。作为一个单元，图12至图14的实施例形成与图3的弹簧相似的弹簧，除了其包括两层而不是一层。在弹簧臂形成在多片材料上的那些实施例中，在这些片之间可具有小间隔。例如，可将多片弹簧部件夹在一起，在其之间具有垫圈状材料。或者，多片弹簧部件可单独安装，仅在其之间具有小气体间隙。然而，必须将这些片之间的间隔保持较小，否则将丧失本发明的优点。“较小”的度量是，这些片之间的距离足够小，使得每个臂部组的臂部可独立地穿过所有其他臂部组的臂部之间的开口。这些片之间的比这个间隔更大的任何间隔都不具有本发明的优点。

在本发明的最优选的实施例中，每个臂部组具有至少两个臂部，因此，径向力平衡且当定心时具有为零的合径向力。如上所述和所示的，一组可具有一个臂部。对于每组而言，一组还可具有三个或多个等角度间隔开的臂部。优选地，一组中的每个臂部与这个组中的其他臂部相同，因此，当定心时容易使其定心合力为零。

当处于其放松状态时，本发明的优选实施例是平面的。然而，还可能形成三维的实施例，其通过将臂部设置为使其也在轴向方向上从周缘框架的平面延伸出来而实现，例如通过将其在轴向方向上弯曲超过其弹性极限而实现。这种修改对每个这种弯曲弹簧臂组在轴向方向上提供弹簧偏压。所有臂部均可在相同的轴向方向上轴向地延伸，因此将其构造或弯曲为使得在放松状态下，其在相同的方向上从周缘框架的平面延伸出来。可替换地，一组臂部可在一个轴向方向上延伸，其他组的臂部可在相反的轴向方向上延伸。例如，一组臂部可在周缘框架的平面上方延伸，另一组在周缘框架的平面的下方延伸。

这种详细描述连同附图的目的主要是作为本发明的优选的实施例的描述，并非旨在仅代表本发明可构造或使用的形式。该描述阐述了结合所示实施例的执行本发明的设计、功能、方式和方法。然而，将理解到的是，可通过不同的实施例来实现相同或等价的功能和特征，这些实施例也旨在包含在本发明的精神和范围内，并且将理解到的是，在不背离本发明或所附权利要求书的范围的前提下，可采用各种修改。

Claims (3)

1.一种能够弹开多个主体的柔性支承弹簧，所述弹簧具有周缘框架和垂直于所述周缘框架的中央轴线，所述弹簧包括：

(a)主臂部组，包括通过开口彼此间隔开的多个弹簧主臂部，每个所述主臂部从所述周缘框架沿着非径向主路径向内延伸，所述非径向主路径向内朝向所述中央轴线且关于所述中央轴线成角度地行进至主端部连接件；以及

(b)辅助臂部组，包括至少一个弹簧辅助臂部，每个所述辅助臂部沿着非径向辅助路径延伸，所述非径向辅助路径径向地且关于所述中央轴线成角度地行进至辅助端部连接件，每个所述辅助臂部置于所述主臂部之间的开口中，使得每组臂部能独立地穿过另一组臂部之间的开口；

所述主臂部围绕所述中央轴线等角度地间隔开并在中央连接件处连接，所述辅助臂部组包括至少两个所述辅助臂部，每个所述辅助臂部均从所述中央连接件向外延伸、围绕所述中央轴线等角度地间隔开、并且置于所述主臂部之间的开口中。

2.根据权利要求1所述的柔性支承弹簧，其中，所有臂部都是弯曲的。

3.根据权利要求2所述的柔性支承弹簧，其中，具有两个臂部组，每个臂部组均具有两个臂部。