CN108710775B

CN108710775B - 一种基于听骨链传动机制的减震***及设计方法

Info

Publication number: CN108710775B
Application number: CN201810855456.4A
Authority: CN
Inventors: 李允公; 李明智; 王怀玉; 刘君瑜; 李思雨; 郑月震
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2018-07-31
Filing date: 2018-07-31
Publication date: 2021-05-25
Anticipated expiration: 2038-07-31
Also published as: CN108710775A

Abstract

本发明提供一种基于听骨链传动机制的减震***及设计方法。本发明方法，包括如下步骤：S1、通过三维软件建立听小骨三维模型；S2、确定听骨链的材料及振动传递效果好的锤砧关节旋转轴线的α角；S3、将绘制好的听小骨模型导入到动力学与运动学的仿真软件中并给锤骨、砧骨、镫骨和听小骨周围的韧带添加预设的材料，从而组建完整的听骨链模型；S4、通过制造实物模拟听骨链中各部件的连接关系和相对位置，测试并改进直至获得减震效果良好的减震***。本发明可以更好地保护工厂内设备及施工人员的安全，同时也可以应用在交通运输领域，让座椅的减震性能更好。

Description

一种基于听骨链传动机制的减震***及设计方法

技术领域

本发明涉及减震设备技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于听骨链传动机制的减震***及设计方法。

背景技术

随着社会与经济的发展，人们对于生活和工作质量的要求也越来越高。现今人们不但要求安全可靠，而且要求旅途舒适，减振器的研发显得尤其的重要。减振器可以起到减小或削减振动对设备和人员的影响的作用，使得某些设备及人员免受不良振动的影响，起到保护设备及人员正常工作与安全的作用，因此它广泛应用于各种机械的频繁起降等。但现有的减振器存在着问题，例如：普通油\气压减振器尽管结构简单，便于维护，但工作寿命短，工艺要求高且需要花费就相对较多的时间由于检修和维护。对于某些特定场合减振器，例如阻尼可调式减振器，也有着结构复杂，成本较高，不具有普遍性的缺点。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种基于听骨链传动机制的减震***设计方法，本发明根据听骨链减振***具有响应速度快，自适应调节能力强，易于引入控制，对低频感应强，高频振动的能量容易衰减，传音功能几乎不随年龄的变化的特点，对仿生听骨链制造出的减震器进行设计并改进，得到的减震器内部结构简单，能够有效保护设备及工作人员的人身安全。

本发明采用的技术手段如下：

一种基于听骨链传动机制的减震***设计方法，包括如下步骤：

S1、通过三维软件建立听小骨三维模型，其中，所述听小骨包括锤骨、砧骨和镫骨；

S2、通过对听小骨周围的肌肉及韧带的弹性阻尼比进行调整，测试镫砧骨位移比、镫砧骨速度比和镫砧骨加速度比，从而确定听骨链周围韧带材料，通过试验和文献中得到的锤骨、砧骨和镫骨的材料特性确定锤骨、砧骨和镫骨的材料，通过对锤砧关节旋转轴线的α角进行调整，测试镫砧骨位移比、镫砧骨速度比、镫砧骨加速度比，从而确定振动传递效果好的α角；

S3、将绘制好的听小骨模型导入到动力学与运动学的仿真软件中并给锤骨、砧骨、镫骨和听小骨周围的韧带添加预设的材料，根据优选的α角确定锤骨、砧骨和镫骨之间的连接关系，从而组建完整的听骨链模型；

S4、通过制造实物模拟听骨链中各部件的连接关系和相对位置，并增设用于保护听骨链的模拟内耳功能的外壳，通过对实物施加外力，逐步测试出设计不合理的各项缺陷并进行相应的改进和简化直至获得减震效果良好的减震***。

进一步地，所述步骤S3中，组建完整的听骨链模型后还设有如下步骤：

通过对锤骨柄施加力，得到镫骨位移及加速度的变化值，从而确定听小骨具有减震效果。

进一步地，所述步骤S3中，确定听小骨具有减震效果后还设有如下步骤：

通过在捶砧关节处添加模拟各种类型的运动副，对锤骨柄施加力，得到镫骨位移及加速度的变化值，从而确定模拟镫骨运动适宜的副。

进一步地，所述步骤S3中，确定模拟镫骨运动适宜的副后还设有如下步骤：对所述听骨链模型进行不同频率下锤砧位移的变化情况仿真，得到锤镫骨的位移、速度和加速度稳定的频率。

进一步地，所述步骤S4中，所述改进包括：将减震器的锤骨部的锤骨柄改为与人耳锤骨不同的振动接触面、将锤骨柄的横截面的中心与镫骨中心设置在同一直线上。

本发明还提供了一种基于听骨链传动机制的减震***，包括：仿生人耳听骨链的减震器主体和仿生人耳内耳的减震器外壳，所述减震器主体装配于所述减震器外壳内，所述减震器主体包括仿生锤骨部、仿生砧骨部和仿生镫骨部，所述仿生锤骨部包括上、下底面均具有预设弧度的锤柄部、与人耳锤骨头部外形一致的锤头部和连接所述锤柄部下底面与锤头部的连接部，所述仿生砧骨部包括与所述锤头部形状匹配的锤砧关节部和锤砧关节部延伸出的具有预设折角的砧骨长突部，所述仿生镫骨部包括与所述砧骨长突部相连的砧镫关节部和镫骨底板部，所述锤头部与锤砧关节部连接后的水平方向开设适配连接杆的通孔，所述连接杆穿过仿生锤骨部和仿生砧骨部固定在两侧的减震器外壳上，所述砧镫关节部与所述镫骨底板部通过弹簧连接。

进一步地，所述锤柄部的横截面的中心与仿生镫骨部的中心位于同一直线上。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过对听骨链传动机制进行建模分析，通过对听小骨及周围肌肉、韧带的模拟，仿生出一套响应速度快、自适应调节能力强的基于听骨链传动机制的减震***，通过对各组件之间的位置结构、转动方式进行调整，从而获得适宜于生产生活中的最优解，保护工厂内设备及施工人员的安全，同时也可以应用在交通运输领域，让座椅的减震性能更好，旅客更加舒适安心。

基于上述理由本发明可在减震设备领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于听骨链传动机制的减震***设计方法流程图。

图2为本发明对听小骨仿真的三维建模图，其中，(a)为锤骨的三维建模图，(b)为砧骨的三维建模图，(c)为镫骨的三维建模图，(d)为整体的听小骨仿真模型图。

图3为本发明将听小骨给定材料属性后，对锤骨炳底部给定输入力，得到的锤骨、镫骨位移及加速度变化图，其中，(a)为锤骨位移的变化波形图，(b)为镫骨位移的变化波形图，(c)为锤骨加速度的变化波形图，(d)为镫骨加速度的变化波形图。

图4为本发明韧带的k/c为10时，给定固定频率，得到的锤骨、镫骨位移及加速度变化图，其中，(a)为锤骨位移的变化波形图，(b)为镫骨位移的变化波形图，(c)为锤骨加速度的变化波形图，(d)为镫骨加速度的变化波形图。

图5为本发明锤砧关节旋转轴线α角的变化时，得到的锤骨、镫骨位移及加速度变化图，其中，(a)为锤骨位移的变化波形图，(b)为镫骨位移的变化波形图，(c)为锤骨加速度的变化波形图，(d)为镫骨加速度的变化波形图。

图6为本发明锤砧关节采用转动副时，得到的锤骨、镫骨位移及加速度变化图，其中，(a)为锤骨位移的变化波形图，(b)为镫骨位移的变化波形图，(c)为锤骨加速度的变化波形图，(d)为镫骨加速度的变化波形图。

图7为本发明锤砧关节采用转动副及弹性体时的对比图，其中，(a)(b)(c)(d)为采用转动副，(e)(f)(g)(h)为采用弹性体，(a)(e)为锤骨位移的变化波形图，(b)(f)为镫骨位移的变化波形图，(c)(g)为锤骨加速度的变化波形图，(d)(h)为镫骨加速度的变化波形图。

图8为本发明动力学模型中不同频率下锤砧参数的变化图，其中，(a)为不同频率下锤砧位移比的变化图，(b)为不同频率下锤砧速度比的变化图，(c)为不同频率下锤砧位加速度的变化图。

图9为本发明减震***的仿真模型图，其中，(a)为仿生锤骨部，(b)为仿生砧骨部，(c)为仿生镫骨部的砧镫关节部，(d)为仿生镫骨部的镫骨底板部。

图10为本发明一种基于听骨链传动机制的减震***示意图。

图11为本发明具有仿生听骨链结构的减震******图示意图。

图中：1、锤柄部；2、连接部；3、锤头部；4、锤砧关节部；5、砧骨长突部；6、砧镫关节部；7、镫骨底板部；8、连接杆。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

当听小骨受到中等强度声压作用时，镫骨足板会沿其后脚的垂直轴(短轴)振动，当声强接近于痛阈时，镫骨足板会沿其前后轴(长轴)呈摇摆式转动。这不仅可以很好的保护听骨链免受伤害，还可以极大的减免了强振动对卵圆窗带来的冲击，保护了内耳免受强震动带来的伤害，本发明正是基于听小骨的这些减震方面的优良特性，而设计出一套基于听骨链传动机制的减震***设计方法。

如图1所示，本发明提供了一种基于听骨链传动机制的减震***设计方法，包括如下步骤：

S1、通过三维软件建立听小骨三维模型如图2(d)所示，其中，所述听小骨包括如图2(a)所示的锤骨、如图2(b)所示的砧骨和如图2(c)所示的镫骨；

听小骨的物理力学参数沿用国外学者由试验测定的结果，模型中赋予锤骨、砧骨、镫骨等以不同的材料特性，泊松比均取为0.3，其中，根据中耳有限元模型材料参数如表1所示，通过文献查阅，人耳听小骨的模型尺寸如表2所示。

表1

表2

将听小骨给定材料属性，在锤骨炳底部给定输入力的值为P(t)＝50*sin(wt)的正弦函数，测定捶砧骨的位移比，加速度比，锤骨、镫骨位移的变化如图3(a)和3(b)所示，锤骨、镫骨加速度的变化如图3(c)和图3(d)所示。仿真结果表明：听小骨的模型基本符合听小骨的数值比，运动也相对更为稳定。

韧带连接在听小骨周围，在听小骨工作过程中韧带起到固定骨的位置和听骨复位的作用，实验很难测得韧带真实的材料参数，且参数是非线性的。目前为止还没有确定准确的材料参数。相关文献中韧带的杨性模量一般为范围值，为确定本模型中韧带最佳的杨性模量，本申请给定韧带的阻尼为10，以韧带的弹性阻尼比为1,5,10,50,100的比值为本模型分别仿真参数，以镫砧骨位移比、镫砧骨速度比、镫砧骨加速度比考察指标。给定固定频率，实验结果如表3所示：

表3

韧带的k/c为10时，镫砧骨位移如图4(a)、图4(b)所示，镫砧骨加速度如图4(c)、图4(d)所示，给定固定频率为20Hz。

仿真结果表明：当韧带的k/c的比值为100和50时，砧镫骨的位移比，速度比和角加速度比值较大，在高频时的镫骨的位移呈现下降的趋势，这很可能是由于韧带的k/c的过大，阻尼不够所造成的。当韧带的k/c的比值为1和5时，砧镫骨的位移比，速度比和角加速度比值较小，这很可能是由于韧带的k/c的过小，弹簧无法起到控制作用造成的，综上当韧带的k/c为10时运动小骨最佳。

有文献表明听小骨在工作过程中，听骨链会以锤骨颈部前韧带和砧骨短突之间的连线上为杠杆轴转动。以听骨链的运动轴为支点，可将锤骨柄与砧骨长突分别看成是杠杆的长、短两臂。在运动轴的两侧，听小骨的质量大致相等。但对于轴线的角度大小没有文献提及到，为确定本模型锤砧关节旋转轴线α角对听小骨动力***减振的影响，本申请以锤砧关节旋转轴线α角为-10,0,10,20,30为本模型分别仿真参数，以镫砧骨位移比、镫砧骨速度比、镫砧骨加速度比考察指标。给定固定频率，实验结果如表4所示：

表4

通过改变锤砧关节旋转轴α角，统计适宜分析的锤骨位移的变化波形图如图5(a)所示，镫骨位移的变化波形图如图5(b)所示，锤骨加速度的变化波形图如图5(c)所示，镫骨加速度的变化波形图如图5(d)所示。

仿真结果表明：锤砧关节旋转轴线α角为-10，1，20，30时，砧镫骨的位移比，速度比和角加速度比减震效果不如当锤砧关节旋转轴线α角为30时的效果，这是由于当锤砧关节旋转轴线α角为-10，1时由杠杆定理计算可知。这是由于当锤砧关节旋转轴线α角为20,30度时，韧带，弹簧无法起到其作用，砧骨的振动传递效果不佳，在不同频带的传动差异性较大。

S3、将绘制好的听小骨模型导入到动力学与运动学的仿真软件中并给锤骨、砧骨、镫骨和听小骨周围的韧带添加预设的材料，根据优选的α角确定锤骨、砧骨和镫骨之间的连接关系，从而组建完整的听骨链模型；通过对锤骨柄施加力，得到镫骨位移及加速度的变化值，从而确定听小骨具有减震效果，通过在捶砧关节处添加模拟各种类型的运动副，对锤骨柄施加力，得到镫骨位移及加速度的变化值，从而确定模拟镫骨运动适宜的副，对所述听骨链模型进行不同频率下锤砧位移的变化情况仿真，得到锤镫骨的位移、速度和加速度稳定的频率。

在锤骨炳给定力的值为P(t)＝50*sin(wt)，捶砧关节采用转动副，锤骨、镫骨位移的变化如图6(a)、6(b)所示，锤骨、镫骨加速度的变化如图6(c)、6(d)所示，仿真结果表明听小骨具有当输入振动信号经听骨链的传递后，锤镫骨位移比放小，加速度比放大的功能。此处则证明了听小骨有减震效果。

在锤骨炳底部给定输入力的值为P(t)＝50*sin(wt)的正弦函数，锤砧关节采用转动副时，锤骨、镫骨位移的变化如图7(a)、7(b)所示，锤骨、镫骨加速度的变化如图7(c)、7(d)所示，

锤砧关节采用弹性体时，锤骨、镫骨位移的变化如图7(e)、7(f)所示，锤骨、镫骨加速度的变化如图7(g)、7(h)所示。

根据仿真结果可以看出，当在捶砧关节处添加柔性体和以转动副模拟关节处的韧带时是两种不同的效果。根据运动的整体形式来看显然在捶砧关节处添加模拟转动副的效果更好。在砧镫关节处通过仿真的方法，尝试了很多的运动副后，发现移动副为最好的模拟镫骨运动的副。

在以上的工作中得出了听小骨周围韧带的阻尼系数10和弹性系数100。以及锤砧关节旋转轴线α角10°。锤砧关节处选择转动副，砧镫关节处选择滑动副，给定力的大小为F(t)＝sin(2*pi*t)。分别测定频率为1-1000hz的镫砧骨位移比、镫砧骨速度比、镫砧骨加速度比。不同频率下锤砧位移的变化情况仿真如图8(a)所示；不同频率下锤砧位速度的变化如图8(b)所示；不同频率下锤砧位加速度的变化如图8(c)所示，图中，锤骨相关变化曲线的大部分高于砧骨相关变化曲线。

仿真结果表明：当频率在400Hz以内的时候，锤镫骨的位移，速度，加速度基本维持稳定的比值，当大于400Hz时，这时候肌肉起到了控制作用，镫骨的速度，加速度明显减小。通过测定哪个频率范围内的减振的效果好，不同频率下哪段频率的变化锤砧加速度位移比变化小，仿生的减震器在工作时可以就远离共振区，使工作时在此频带内工作稳定。

所述改进包括：将减震器的锤骨部的锤骨柄改为与人耳锤骨不同的振动接触面、将锤骨柄的横截面的中心与镫骨中心设置在同一直线上。

通过改进及强度分析可知，锤骨在锤骨炳和锤骨头之间受到的应变力最大，很有可能在工作中由于受到猛然的冲击力而失去工作能力。砧骨炳中部受到的应变力最大，在制作中应该对锤骨炳多加优化，例如增加砧骨的厚度等。镫骨基本不会发生变形。减震***在受力为10N的时候，基本不会发生应变，但是锤骨炳和锤骨头是最薄弱的环节，需要***优化。

根据优化，得出得出本申请提供的一种基于听骨链传动机制的减震***，如图9-11所示，包括：仿生人耳听骨链的减震器主体和仿生人耳内耳的减震器壳体，所述减震器主体装配于所述减震器壳体内，所述减震器主体包括仿生锤骨部、仿生砧骨部和仿生镫骨部，所述仿生锤骨部包括上、下底面均具有预设弧度的锤柄部1、与人耳锤骨头部外形一致的锤头部3和连接所述锤柄部下底面与锤头部的连接部2，所述仿生砧骨部包括与所述锤头部形状匹配的锤砧关节部4和锤砧关节部延伸出的具有预设折角的砧骨长突部5，所述仿生镫骨部包括与所述砧骨长突部5相连的砧镫关节部6和镫骨底板部7，所述锤头部3与锤砧关节部4连接后的水平方向开设适配连接杆8的通孔，所述连接杆8穿过仿生锤骨部和仿生砧骨部固定在两侧的减震器壳体上，所述砧镫关节部6与所述镫骨底板部7通过弹簧连接。

所述锤柄部1的横截面的中心与仿生镫骨部的中心位于同一直线上。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种基于听骨链传动机制的减震***设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于听骨链传动机制的减震***设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，组建完整的听骨链模型后还设有如下步骤：通过对锤骨柄施加力，得到镫骨位移及加速度的变化值，从而确定听小骨具有减震效果。

3.根据权利要求2所述的基于听骨链传动机制的减震***设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，确定听小骨具有减震效果后还设有如下步骤：通过在捶砧关节处添加模拟各种类型的运动副，对锤骨柄施加力，得到镫骨位移及加速度的变化值，从而确定模拟镫骨运动适宜的副。

4.根据权利要求3所述的基于听骨链传动机制的减震***设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，确定模拟镫骨运动适宜的副后还设有如下步骤：对所述听骨链模型进行不同频率下锤砧位移的变化情况仿真，得到锤镫骨的位移、速度和加速度稳定的频率。

5.根据权利要求1所述的基于听骨链传动机制的减震***设计方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述改进包括：将减震器的锤骨部的锤骨柄改为与人耳锤骨不同的振动接触面、将锤骨柄的横截面的中心与镫骨中心设置在同一直线上。