CN114688193B - 一种基于折纸原理的缓冲减震结构 - Google Patents

Abstract

一种基于折纸原理的缓冲减震结构，涉及缓冲减震装置技术领域，包括上承重板、形变吸能模组、底座，所述形变吸能模组设置于上承重板和底座之间，所述的形变吸能模组包括3个呈等边三角形放置的基本模块，所述的基本模块为柔性折纸结构，且基本模块的顶端与上承重板下表面固定连接，底端与底座的上表面固定连接。本发明提供了一种基于折纸原理的缓冲减震结构，通过本发明解决了传统缓震装置适应性差、空间利用率低、安装移动困难等问题，在精密仪器缓震、人体骨骼保护等方向有着实际广泛的应用。

Description

一种基于折纸原理的缓冲减震结构

技术领域

本发明涉及缓冲减震装置技术领域，具体涉及一种基于折纸原理的缓冲减震结构。

背景技术

随着智能时代的带来，越来越多的精密仪器被应用到工业生产领域中，在精密仪器的运输与使用过程中，提供可靠的缓冲减震装置可以保证精密仪器不被损坏，有效地保证了使用过程中的精度。现有的缓冲减震结构分为以下几类：

1.弹簧式减震器

弹簧减震器是现有最常见的缓冲减震装置，通过弹簧的形变来实现缓冲减震的效果，能够很好地控制扭振。但其只能在单一方向上起到缓冲减震的效果，并且使用场景单一，拆装复杂，并且在长期震动情形下易失效，耐用性差。

2.液压缓冲器

液压缓冲器是利用油液流动的黏性阻尼作用，将冲击带来的机械能转换为热能和压力能，延长冲击作用时间，来减缓冲击、保护装置平稳运行的装置。其依靠液压阻尼对作用在其上的物体进行缓冲减速至停止，起到一定程度的保护作用，可以在工作过程中有效防止硬性碰撞导致机构损坏。但其在使用过程的中液压油易泄露，容易失去缓冲减震功能，性能不稳定，并且制造成本高，性价比低。

3.动力吸振器

动力吸振器利用共振***吸收物体的振动能量以减小物体振动，这种附加在振动物体上的装置能够有效地减小物体的振动。但这种装置结构复杂，且在物体大幅度振动时便会失效。

4.磁流变减振器

磁流变减振器利用电磁反应，使用一种磁性软粒悬浮液，将该液体注入减震器活塞内的电磁线圈，线圈的磁场会产生流体阻力，从而产生反应迅速、可控性强的阻尼力，起到缓冲减震的效果。磁流变减震器具有阻尼连续可调、响应速度快、结构简单、低成本、高可靠性等优点，但是与传统液压减震器相比，其额外带来的耗能问题不容忽视，而且这种缓冲减震装置由于带有电磁器件，会对精密仪器产生干扰，环境适应性差。

由此可以看出，以上现有的缓冲减震装置无法同时具有多维度多方向同时缓震、结构简单、无电磁干扰等特点，无法满足精密仪器运输与工作场景中的缓震需求。

发明内容

本发明提供了一种基于折纸原理的缓冲减震结构，通过本发明解决了传统缓震装置适应性差、空间利用率低、安装移动困难等问题，在精密仪器缓震、人体骨骼保护等方向有着实际广泛的应用。

为达到上述目的，本发明技术方案为：

一种基于折纸原理的缓冲减震结构，包括上承重板、形变吸能模组、底座，所述形变吸能模组设置于上承重板和底座之间，所述的形变吸能模组包括3个呈等边三角形放置的基本模块，所述的基本模块为柔性折纸结构，且基本模块的顶端与上承重板下表面固定连接，底端与底座的上表面固定连接。

优选的，所述的基本模块包括3个紧固定位框、2个形变吸能膜、每个形变吸能膜设有8个增稳限位嵌板；3个紧固定位框沿上下方向排列，2个形变吸能膜由折纸工艺构成上下端敞口的缓冲减震筒，相邻的2个紧固定位框之间分别设置1个缓冲减震筒，所述的缓冲减震筒的上下端分别与对应的紧固定位框的端部固定连接，所述的增稳限位嵌板与形变吸能膜的表面固定连接。

优选的，所述的紧固定位框为正四边形框，所述的形变吸能膜为平行四边形结构。

优选的，所述的缓冲减震筒的制作方法为：步骤A1、将平行四边形结构的2个长边4等分，沿上下一一对应的等分点的连线在形变吸能膜的内表面挖槽，并形成3条与平行四边形结构侧边平行的第一凹槽，此时平行四边形结构被第一凹槽分隔成4个更小的平行四边形结构；步骤A2、在形变吸能膜的外表面沿着更小的平行四边形结构的较长对角线走向挖槽，并形成4条第二凹槽，第二凹槽将每个更小的平行四边形结构分隔成2个三角形区域；步骤A3、在每个三角形区域内挖出三角形孔洞；步骤A4、在每个三角形孔洞内嵌入与其形状大小适配的增稳限位嵌板，并通过渗胶体配合粘合剂固定；步骤A5、将形变吸能膜沿第一凹槽折成筒状结构，并使形变吸能膜的2个短边通过渗胶体配合粘合剂固定。

优选的，所述的基本模块的制作方法为：步骤B1、使用2块长度尺寸与紧固定位框的周长适配的形变吸能膜制成2个缓冲减震筒；步骤B2、将3个紧固定位框上下端开槽，并形成与缓冲减震筒上下端形状尺寸适配的卡槽；步骤B3、将其中1个紧固定位框下表面的卡槽与其中1个缓冲减震筒的上端口卡接，并将另一个紧固定位框的上表面的卡槽与此缓冲减震筒的下端口卡接；步骤B4、将另一个缓冲减震筒的上端口与上述另一个紧固定位框下表面的卡槽卡接，并在此缓冲减震筒的下端口卡接最后一个紧固定位框，在此过程中，使2个缓冲减震筒关于中间的紧固定位框对称设置；步骤B5、通过渗胶体配合粘合剂固定的方式将缓冲减震筒与紧固定位框的卡接位置粘结固定。

优选的，所述的缓冲减震结构的制备方法包括：步骤C1、制备3个基本模块，并将3个基本模块呈正三角形摆放在底座上表面，通过渗胶体配合粘合剂固定的方式将基本模块的底端与底座的上表面粘接固定；步骤C2、盖上上承重板，同样通过渗胶体配合粘合剂固定的方式将基本模块的顶端与上承重板的下表面粘接固定。

优选的，所述的形变吸能膜为由TPU材料制成的柔性软膜。

优选的，所述的增稳限位嵌板由不锈钢或尼龙或树脂材料制成。

优选的，所述的增稳限位嵌板的侧边与对应的三角形区域的侧边平行。

优选的，所述的紧固定位框由树脂材料制成。

本发明一种基于折纸原理的缓冲减震结构的有益效果：

(1)本发明的缓冲减震结构主要借鉴了折纸结构的优势，通过柔性材料的形变，将负载的动能转化为装置的应变能，在保证强度的同时也能满足多自由度的形变，具有很强的角度容差性，实现了多维减震的效果；

(2)本发明无需外部驱动，不使用任何电磁元器件，故不对精密仪器产生干扰；

(3)紧固定位框的材料为树脂，形变吸能膜由TPU制成，增稳限位嵌板的材料为不锈钢，并且可以由尼龙和树脂等更加耐腐蚀的刚性材料替换，在易腐蚀环境下具有可靠性；

(4)本产品在缓冲减震领域开辟了一种新的研究思路与思维模式，折纸结构的加入解决了大多数缓震装置仅能在一个自由度起到缓冲减震效果的痛点，使其具有广泛的应用场景。

附图说明

图1、本发明的正视结构示意图；

图2、本发明的俯视结构示意图；

图3、本发明基本模块的结构示意图；

图4、本发明形变吸能膜外表面的示意图；

图5、本发明形变吸能膜内表面的示意图；

图6、本发明的缓冲减震筒的原理图；

图7、本发明的基本模块受到轴向力的形变示意图；

图8、本发明的基本模块受到轴向扭力矩的形变示意图；

图9、本发明的基本模块受到轴向扭力矩的形变示意图；

图10、本发明反向回弹力-轴向压缩量曲线(F-x曲线)；

1、上承重板；2、底座；3、基本模块；31、紧固定位框；32、增稳限位嵌板；33、形变吸能膜；331、三角形孔洞；332、第二凹槽；333、第一凹槽。

具体实施方式

以下所述，是以阶梯递进的方式对本发明的实施方式详细说明，该说明仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”“下”“左”“右”“顶”“底”“内”“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以及特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1、

一种基于折纸原理的缓冲减震结构，如图1-9所示，包括上承重板1、形变吸能模组、底座2，所述形变吸能模组设置于上承重板1和底座2之间，所述的形变吸能模组包括3个呈等边三角形放置的基本模块3，所述的基本模块3为柔性折纸结构，且基本模块3的顶端与上承重板1下表面固定连接，底端与底座2的上表面固定连接。

本实施例中，基本模块3可以为多种形状的柔性折纸结构，通过柔性折纸结构实现减震缓冲作用。

实施例2、

在实施例1的基础上，本实施例改进为：

如图1-9所示，所述的基本模块3包括3个紧固定位框31、2个形变吸能膜33、每个形变吸能膜33设有8个增稳限位嵌板32；3个紧固定位框31沿上下方向排列，2个形变吸能膜33由折纸工艺构成上下端敞口的缓冲减震筒，相邻的2个紧固定位框31之间分别设置1个缓冲减震筒，所述的缓冲减震筒的上下端分别与对应的紧固定位框31的端部固定连接，所述的增稳限位嵌板32与形变吸能膜33的表面固定连接。

本实施例中，紧固定位框31根据需要可设定为方形、圆环形或其他形状，缓冲减震筒根据需要可设置为立方体形、圆柱形或其他形状，增稳限位嵌板32可以直接粘贴在形变吸能膜33表面，包括内表面或外表面，也可以通过开槽嵌设的方式与形变吸能膜固定。增稳限位嵌板32及与其相配的开槽可以为方形、三角形或其他异形结构，并不仅仅局限于三角形。

实施例3、

在实施例2的基础上，本实施例改进为：

如图1-9所示，所述的紧固定位框31为正四边形框，所述的形变吸能膜33为平行四边形结构，所述的缓冲减震筒的制作方法为：步骤A1、将平行四边形结构的2个长边4等分，沿上下一一对应的等分点的连线在形变吸能膜33的内表面挖槽，并形成3条与平行四边形结构侧边平行的第一凹槽333，此时平行四边形结构被第一凹槽333分隔成4个更小的平行四边形结构；步骤A2、在形变吸能膜33的外表面沿着更小的平行四边形结构的较长对角线走向挖槽，并形成4条第二凹槽332，第二凹槽332将每个更小的平行四边形结构分隔成2个三角形区域；步骤A3、在每个三角形区域内挖出三角形孔洞331；步骤A4、在每个三角形孔洞331内嵌入与其形状大小适配的增稳限位嵌板32，并通过渗胶体配合粘合剂固定；步骤A5、将形变吸能膜33沿第一凹槽333折成筒状结构，并使形变吸能膜33的2个短边通过渗胶体配合粘合剂固定。

实施例4、

在实施例3的基础上，本实施例改进为：

如图1-9所示，所述的基本模块3的制作方法为：步骤B1、使用2块长度尺寸与紧固定位框31的周长适配的形变吸能膜33制成2个缓冲减震筒；步骤B2、将3个紧固定位框31上下端开槽，并形成与缓冲减震筒上下端形状尺寸适配的卡槽；步骤B3、将其中1个紧固定位框31下表面的卡槽与其中1个缓冲减震筒的上端口卡接，并将另一个紧固定位框31的上表面的卡槽与此缓冲减震筒的下端口卡接；步骤B4、将另一个缓冲减震筒的上端口与另一个紧固定位框31下表面的卡槽卡接，并在此缓冲减震筒的下端口卡接最后一个紧固定位框31，在此过程中，使2个缓冲减震筒关于中间的紧固定位框对称设置；步骤B5、通过渗胶体配合粘合剂固定的方式将缓冲减震筒与紧固定位框31的卡接位置粘结固定。

实施例5、

在实施例4的基础上，本实施例改进为：

如图1-9所示，所述的缓冲减震结构的制备方法包括：步骤C1、制备3个基本模块3，并将3个基本模块3呈正三角形摆放在底座2上表面，通过渗胶体配合粘合剂固定的方式将基本模块3的底端与底座2的上表面粘接固定；步骤C2、盖上上承重板1，同样通过渗胶体配合粘合剂固定的方式将基本模块3的顶端与上承重板1的下表面粘接固定。

实施例6、

在以上实施例的基础上，本实施例改进为：

所述的形变吸能膜3为由TPU材料制成的柔性软膜。

所述的增稳限位嵌板32由不锈钢或尼龙或树脂材料制成。

所述的增稳限位嵌板32的侧边与对应的三角形区域的侧边平行。

所述的紧固定位框由树脂材料制成。

本发明的缓冲减震原理：

1、轴向力缓冲：如图7所示，定义紧固定位框的中心的连线为轴向。当缓冲减震结构受到轴向的挤压时，紧固定位框之间的距离减少，同时形变吸能膜内部的各个三角形区域面与紧固定位框平面的夹角减小，同时形变吸能膜的柔性三角形区域面以增稳限位嵌板平面为基准发生形变，也即除了与紧固定位框接触的一边的形变吸能膜都就近沿增稳限位嵌板的边线作线性延长。此时形变吸能膜的三角形区域面受到增稳限位嵌板和紧固定位框的刚性约束的情况下伸长，吸收轴向的挤压的能量。也即从轴向观察，受挤压时中间的紧固定位框带动其附着的两个形变吸能膜的三角形面旋转一定的角度，两边的两个紧固定位框向彼此平移靠近。

2、轴向力矩缓冲：如图8、9所示，当以轴向的力矩的冲击施加于缓冲减震结构时，两个形变吸能膜中有一个会发生形变，吸收冲击的能量。在轴向从上往下看，若受挤压时中间的紧固定位框顺时针转动，则力矩为正视上方的形变吸能膜单元发生扭转形变(图8)。反之，当力矩为负的时候，下方的形变吸能膜单元发生扭转形变(图9)。另一个形变吸能膜的形状发生与力矩同向的轻微膨胀，尺寸略微变大，它所连结的两个紧固定位框基本不发生相对位移。而由于发生显著形变，形变吸能膜连结的两个紧固定位框(有一个公共的紧固定位框)从轴向来看非公共的紧固定位框会旋转一定的角度，而公共的紧固定位框基本不发生位移，同时两个紧固定位框的中心距离减小。

3、水平力缓冲：当缓冲减震机构受到垂直于轴向的冲量时，下承重板附近的形变吸能膜发生形变，并具有一定的扭转的效应，缓冲减震结构的形态与上述受到轴向力矩的情况相似。区别是，在上述情况中膨胀的形变吸能膜在这种情况下不会发生中心对称的膨胀，而形变吸能膜的三角形区域面都略微沿冲量的方向倒伏，发生小量的形变。

综上所述，本发明具有如下优势：

A、多维减震

利用轴向的三角形软膜的耦合压缩实现垂直方向减震，折纸扭转可以实现反力矩减震，并由此组合成各个方向的缓冲减震，解决了传统缓冲减震装置只能在单个方向实现缓震效果的劣势，不仅适用于更加广泛的缓震场景，也呈现出更加优异的缓震效果。

B、模块化设计

基于折纸结构单元，通过模块化的组合，如对称放置、三角放置等组合方式，根据负载大小与使用环境的差异进行不同方式有针对性的组合，产品适应性好。

C、个性化定制

出于紧固定位框大小与高度以及增稳限位嵌板的尺寸和内嵌方式的考虑，当产品参数发生改变时，模块本身的缓震性能也会发生改变，结合具体场景定制不同参数的缓震结构，可以实现性价比与缓震效果的双赢，产品个性化定制前景广。

D、无需外部驱动

本产品缓震吸能的基本原理是柔性材料的应变吸收能量，并通过折纸结构的方式实现将外部负载的动能转换为柔性材料内部的应变能。本产品相比于动力吸振器有更高的可靠性，相比于液压缓冲器则摆脱了外加驱动的累赘。

E、适用于耐腐蚀环境

紧固定位框的材料为邵氏硬度为30的TPU(Thermoplastic polyurethanes)，增稳限位嵌板的材料为不锈钢，并且增稳限位嵌板可以由尼龙和树脂等更加耐腐蚀的刚性材料替换，原料易得，容易制备，产品性价比高。

实验表明，当产品经过1000次负载冲击后，仍能实现固有的运动形态，具有很好的缓冲减震效果，产品的稳定性与鲁棒性好。

本设计中，折纸结构的加入是最大的创新点，在现有的科学领域中***的折纸结构呈现出丰富的空间几何原理与实用价值，独特的折纸结构可以使本缓冲减震机构实现新颖的运动形态，摆脱了传统纯刚体较为单一运动形式的束缚。此外，在本发明中，刚性材料与柔性材料的有机融合也是一大特色，“刚柔并济”的产品特点使得其兼具刚性结构强度高、稳定性好与柔性材料自由度高、鲁棒性好的优点，缓冲减震的效果更好。从缓冲减震的领域来说，本产品摆脱了传统缓震装置的束缚，在缓冲减震领域开辟了一种新的研究思路与思维模式，折纸结构的加入解决了大多数缓震装置仅能在一个方向起到缓冲减震效果的问题，使其可以适应于更多的应用场景。

应用场景举例：

1、可以用于医疗小推车的缓震。由于本装置具有两个稳定状态，复位量小，振幅小，可以减轻在山区就医路途颠簸对患者的损伤。

2、可以用于易碎物品的缓震。由于本产品使用柔性的材料作为吸能元件，同时具有折纸结构的独特力学性能，因此缓震效果好，可以用于鸡蛋、手机、水果等诸多易碎物品、易损物品的运输保护。

3、可以用于救援逃生领域的缓震。由于将本产品的形变吸能膜和增稳限位嵌板分离后，可以拆分为平板件，具有平时占用的储藏空间少、组装方便的特点。可以用于快速组装的逃生装置。

如图10所示，根据反向回弹力-轴向压缩量曲线(F-x曲线)可以看出，本装置的基本模块有两个稳定状态，这个特点使其具有广泛的应用前景。在a点部署的情况下，无论是将减震筒压短还是拉长，它都能提供一个更大的回弹力，a点就是应变能的极小值；若载荷与b点的纵坐标一致，则当减震筒从0位移开始压缩时，会有两个位置有一样的与载荷等大的反向回弹力。也就是说，在实际场景下，若载荷大小合适即略大于b点的纵坐标时，本装置不会像弹簧一样自动复位，而是在冲击后维持压缩的状态，可以将吸收的能量“锁定”住。

Claims (7)

1.一种基于折纸原理的缓冲减震结构，其特征为：包括上承重板、形变吸能模组、底座，所述形变吸能模组设置于上承重板和底座之间，所述的形变吸能模组包括3个呈等边三角形放置的基本模块，所述的基本模块为柔性折纸结构，且基本模块的顶端与上承重板下表面固定连接，底端与底座的上表面固定连接；

所述的基本模块包括3个紧固定位框、2个形变吸能膜、每个形变吸能膜设有8个增稳限位嵌板；3个紧固定位框沿上下方向排列，2个形变吸能膜由折纸工艺构成上下端敞口的缓冲减震筒，相邻的2个紧固定位框之间分别设置1个缓冲减震筒，所述的缓冲减震筒的上下端分别与对应的紧固定位框的端部固定连接，所述的增稳限位嵌板与形变吸能膜的表面固定连接；

所述的紧固定位框为正四边形框，所述的形变吸能膜为平行四边形结构；

所述的缓冲减震筒的制作方法为：步骤A1、将平行四边形结构的2个长边4等分，沿上下一一对应的等分点的连线在形变吸能膜的内表面挖槽，并形成3条与平行四边形结构侧边平行的第一凹槽，此时平行四边形结构被第一凹槽分隔成4个更小的平行四边形结构；步骤A2、在形变吸能膜的外表面沿着更小的平行四边形结构的较长对角线走向挖槽，并形成4条第二凹槽，第二凹槽将每个更小的平行四边形结构分隔成2个三角形区域；步骤A3、在每个三角形区域内挖出三角形孔洞；步骤A4、在每个三角形孔洞内嵌入与其形状大小适配的增稳限位嵌板，并通过渗胶体配合粘合剂固定；步骤A5、将形变吸能膜沿第一凹槽折成筒状结构，并使形变吸能膜的2个短边通过渗胶体配合粘合剂固定。

2.如权利要求1所述的一种基于折纸原理的缓冲减震结构，其特征为：所述的基本模块的制作方法为：步骤B1、使用2块长度尺寸与紧固定位框的周长适配的形变吸能膜制成2个缓冲减震筒；步骤B2、将3个紧固定位框上下端开槽，并形成与缓冲减震筒上下端形状尺寸适配的卡槽；步骤B3、将其中1个紧固定位框下表面的卡槽与其中1个缓冲减震筒的上端口卡接，并将另一个紧固定位框的上表面的卡槽与此缓冲减震筒的下端口卡接；步骤B4、将另一个缓冲减震筒的上端口与上述另一个紧固定位框下表面的卡槽卡接，并在此缓冲减震筒的下端口卡接最后一个紧固定位框，在此过程中，使2个缓冲减震筒关于中间的紧固定位框对称设置；步骤B5、通过渗胶体配合粘合剂固定的方式将缓冲减震筒与紧固定位框的卡接位置粘结固定。

3.如权利要求1所述的一种基于折纸原理的缓冲减震结构，其特征为：所述的缓冲减震结构的制备方法包括：步骤C1、制备3个基本模块，并将3个基本模块呈正三角形摆放在底座上表面，通过渗胶体配合粘合剂固定的方式将基本模块的底端与底座的上表面粘接固定；步骤C2、盖上上承重板，同样通过渗胶体配合粘合剂固定的方式将基本模块的顶端与上承重板的下表面粘接固定。

4.如权利要求1所述的一种基于折纸原理的缓冲减震结构，其特征为：所述的形变吸能膜为由TPU材料制成的柔性软膜。

5.如权利要求1所述的一种基于折纸原理的缓冲减震结构，其特征为：所述的增稳限位嵌板由不锈钢或尼龙或树脂材料制成。

6.如权利要求1所述的一种基于折纸原理的缓冲减震结构，其特征为：所述的增稳限位嵌板的侧边与对应的三角形区域的侧边平行。

7.如权利要求1所述的一种基于折纸原理的缓冲减震结构，其特征为：所述的紧固定位框由树脂材料制成。