CN115056188A

CN115056188A - 一种绞线驱动与混合超弹性储能结合的高爆发冲击刀具

Info

Publication number: CN115056188A
Application number: CN202210827459.3A
Authority: CN
Inventors: 魏敦文; 曹奕; 高涛; 黎子良; 迟宏宇
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2022-07-14
Filing date: 2022-07-14
Publication date: 2022-09-16
Anticipated expiration: 2042-07-14
Also published as: CN115056188B

Abstract

本发明公开了一种绞线驱动与混合超弹性储能结合的高爆发冲击刀具，涉及冲孔、穿刺刀具领域，包括混合超弹性储能机构、双绞线传动机构、驱动组件和冲击刀具；混合超弹性储能机构包括弹性绳绑定器和超弹性形变片，超弹性形变片与弹性绳绑定器之间连有超弹性绳；双绞线传动机构包括双绞线和接线柱，双绞线的一端与接线柱连接，另一端穿过弹性绳绑定器与混合超弹性储能机构连接；驱动组件包括电机、按钮，接线柱套接在电机轴上，其外侧壁上设有限位环，按下按钮电机通电转动的同时按钮端部伸入限位环轴向限位接线柱，冲击刀具可拆卸更换不同形状功能刀具。该刀具能够适用于多种加工表面的穿刺、冲孔作业，同时适用野外生存防护和军事单兵应用场景。

Description

一种绞线驱动与混合超弹性储能结合的高爆发冲击刀具

技术领域

本发明涉及冲孔、穿刺刀具领域，具体为一种绞线驱动与混合超弹性储能结合的高爆发冲击刀具。

背景技术

对目标物体进行穿刺、冲孔是日常生活中常见的一种加工生产方式，截至目前，针对大型金属类零件的打孔加工往往需要利用钻床、镗床、数控机床等机床，加工器件、加工方法已十分成熟；而针对薄件金属物品、薄件蒙皮类物品、介于柔性与刚性材质间轻制物品等打孔加工对象而言，目前常用的方法有手工冲孔、机械冲压孔、手工钻削、数控机床自动钻削、气体切割以及激光打孔等方式。其中，机械冲压孔、数控机床钻削打孔具有精度较高、效率较好的特点，但其通常加工成本高且能耗较高；气体切割、激光打孔作为日趋成熟的加工技术，能够在异形面的穿孔加工中发挥不错的效果，具有精度高、个性化高的特点，但其普及程度不高、往往需要带有外源，不便于携带。

在缺少高精度的打孔设备时，手工冲孔、手工钻削仍然是针对上述材料零件加工的常用方法。手工冲孔一般采用在底座上利用冲杆穿刺、打孔冲孔的方法，操作简单，但加工过程费时费力，加工精度低；手工钻削需要用到手钻，配合相应的钻头能够较好地完成打孔工作，但存在着钻削力矩小的缺陷，而在钻较深孔时若未能及时排出钻屑或施加润滑，可能会造成钻头堵钻、卡死的情况，且在对布料等柔性材料进行钻孔时，容易造成周围面料绞入破损的现象，故不适用于柔性材料的加工。

此外，野外生存环境中诸如防身、开路、狩猎、处理猎物、陷阱制作、工具制作、生火材料制作、营地搭建、急救逃生隔断绳索等作业项目中，往往也需要用到穿刺类刀具。现有的野外生存刀具，在使用时通常由人持握刀具机械往返做功，其费时费力，在面对人体机能不足、运动空间受限等问题时难以顺利完成上述野外作业项目。另外，在单兵作战环境中，现有的刀具仅靠人体挥动做功，其能提供的伤害有限，尤其在作战人员被限制运动能力时，难以提供足够的伤害。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种绞线驱动与混合超弹性储能结合的高爆发冲击刀具，其结构简单、成本低廉、操作方便、加工精度高、且无需外源、便于携带，能够适用于多种材质、多种加工表面的穿刺、冲孔作业，适合野外防护和军事单兵应用场景。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种绞线驱动与混合超弹性储能结合的高爆发冲击刀具，包括混合超弹性储能机构、双绞线传动机构和驱动组件；

所述混合超弹性储能机构包括前固定环、后固定环、弹性绳绑定器、若干超弹性绳和若干超弹性形变片，所述弹性绳绑定器呈空心圆柱状，所述前固定环、弹性绳绑定器、后固定环依次同心设置，所述超弹性形变片的两端分别与所述前固定环和所述后固定环固定连接，若干所述超弹性形变片呈圆周均布设置于所述弹性绳绑定器的外侧，若干所述超弹性绳的一端均与所述弹性绳绑定器固定连接，若干所述超弹性绳的另一端分别与若干所述超弹性形变片固定连接；

所述双绞线传动机构包括双绞线和接线柱，所述双绞线的一端与所述接线柱的一端固定连接，所述双绞线的另一端穿过所述弹性绳绑定器并与所述前固定环固定连接；

所述驱动组件包括手持握柄、电机、按钮、复位弹簧和缓冲环，所述电机固定安装于所述手持握柄内，所述接线柱远离所述双绞线的一端可滑动的套接在所述电机的输出轴上，所述缓冲环的一端与所述手持握柄通过螺纹连接，所述缓冲环的另一端与所述后固定环固定连接，所述缓冲环朝向所述电机的一端内部设有用于容纳所述接线柱的释放空间，所述接线柱的外侧壁上开设有限位环，所述手持握柄上开设有安装孔，所述按钮的一端可滑动的设置于所述安装孔内，所述按钮的一端选用金属材质，所述手持握柄上设置有断开的电机电路，所述按钮按下时所述按钮可使所述电机电路导通并同时使所述按钮的端部伸入所述限位环内，所述复位弹簧用于在松开所述按钮时使所述按钮复位。

优选的，其特征在于，所述超弹性形变片具有向远离所述弹性绳绑定器方向凸出的弯曲弧度。

优选的，所述超弹性形变片选用弹簧钢或碳纤维材料制成，所述超弹性绳选用高比能橡胶皮筋。

优选的，所述超弹性形变片的数量为六个。

优选的，所述前固定环远离后固定环的一端设置有连接螺杆。

优选的，所述接线柱带有磁性，所述接线柱可与所述电机的输出轴磁性吸附。

优选的，所述缓冲环内设置有海绵挡环。

优选的，所述接线柱上套设有滚珠轴承，所述滚珠轴承的两端设置有橡胶封。

优选的，所述双绞线采用PE或尼龙材质制成。

本发明的有益效果是：

本发明一种绞线驱动与混合超弹性储能结合的高爆发冲击刀具，包括混合超弹性储能机构、双绞线传动机构和驱动组件，在储能时可利用驱动组件经双绞线传动机构对混合超弹性储能机构储能，在混合超弹性储能机构的能量释放时能快速完成穿刺运动，其结构简单、成本低廉、操作方便、加工精度高、且无需外源、便于携带，能够适用于多种材料、多种加工表面的穿刺、冲孔作业。另外，相比于一般的野外用刀具，本发明采用主动渐进式储能的势能存储方式以及瞬时高爆发的冲击输出，避免了由人持握刀具机械往返做功带来的费时费力问题，在面对人体机能不足、运动空间受限等问题时能够更便利地完成上述野外作业项目；同时，在单兵作战环境下，配合操作人员的持刀冲刺运动，本发明能够缩减人体运动位移、提供高额冲击伤害，在操作员被强行限制运动能力时，亦能利用本发明对威胁人员造成近身伤害。

具体而言：

上述混合超弹性储能机构包括前固定环、后固定环、弹性绳绑定器、若干超弹性绳和若干超弹性形变片，若干超弹性形变片呈圆周均布设置于弹性绳绑定器的外侧，若干超弹性绳的一端均与弹性绳绑定器固定连接，若干超弹性绳的另一端分别与若干超弹性形变片固定连接。该混合超弹性储能机构具有极高的单位质量储存能量，可维持在一定距离范围内施加的压缩力恒定，在最大牵引力一定的情况下，允许牵引***向其输入更多能量，可实现对弹性势能的渐增式良好储存，配合瞬时卸荷过程，可实现高爆发冲击效果。

上述双绞线传动机构包括双绞线和接线柱，双绞线的一端与接线柱的一端固定连接，双绞线的另一端穿过上述弹性绳绑定器并与前固定环固定连接。该刀具将绞线驱动作为主动驱动技术引入到手持类穿刺、冲孔刀具中，通过双绞线主动供力的方式避免了手动操作的费力问题，利用双绞线的绞旋收缩特性，将电机的旋转运动转化成了用以给混合超弹性储能机构提供压缩力的平直运动，降低了对电机的输入转矩要求，且无需额外设置将旋转运动转化成平直运动的中间机构，使得装置具有体积小，重量轻的特点。同时，其利用绞线驱动的变传动比特性，相比于匀速牵引运动进一步缩短了混合超弹性储能机构的储能时间，其可与上述混合超弹性储能机构的渐进式储存机理完美匹配，提升了装置单位时间为混合超弹性储能机构提供势能输入的能力。

上述驱动组件包括手持握柄、电机、按钮、复位弹簧和缓冲环，手持握柄上设置有断开的电机电路，按钮按下时可使所述电机电路导通并同时使按钮的端部伸入接线柱的限位环内。在运行过程中，通过按下按钮的时间控制即可控制双绞线的绞旋量即混合超弹性储能机构的储能量，松开按钮即可瞬间释放能量完成作业过程，其操作简单，控制方便。

附图说明

图1为本发明一种绞线驱动与混合超弹性储能结合的高爆发冲击刀具在释放状态的结构示意图；

图2为本发明一种绞线驱动与混合超弹性储能结合的高爆发冲击刀具在储能状态的结构示意图；

图3为本发明一种绞线驱动与混合超弹性储能结合的高爆发冲击刀具中混合超弹性储能机构在释放状态的结构示意图；

图4为本发明一种绞线驱动与混合超弹性储能结合的高爆发冲击刀具中混合超弹性储能机构在储能状态的结构示意图；

图5为本发明一种绞线驱动与混合超弹性储能结合的高爆发冲击刀具中双绞线传动机构和驱动组件的拆分结构示意图；

图中：

10-混合超弹性储能机构，11-前固定环，12-后固定环，13-弹性绳绑定器，14-超弹性绳，15-超弹性形变片，16-连接螺杆；

20-双绞线传动机构，21-接线柱，22-双绞线，23-限位环；

30-驱动组件，31-手持握柄，32-电机，33-按钮，34-复位弹簧，35-缓冲环，36-安装孔；

40-刀具。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1至图5所示，一种绞线驱动与混合超弹性储能结合的高爆发冲击刀具，包括混合超弹性储能机构10、双绞线传动机构20、驱动组件30和刀具40。

上述混合超弹性储能机构包括前固定环11、后固定环12、弹性绳绑定器13、若干超弹性绳14和若干超弹性形变片15。弹性绳绑定器13呈空心圆柱状，前固定环11、弹性绳绑定器13、后固定环12依次同心设置。上述各超弹性形变片15的两端分别与前固定环11和后固定环12固定连接，若干超弹性形变片15呈圆周均布设置于弹性绳绑定器13的外侧。上述若干超弹性绳14的一端均与弹性绳绑定器13固定连接，若干超弹性绳14的另一端分别与若干超弹性形变片15固定连接。

上述双绞线传动机构包括双绞线22和接线柱21，双绞线的22一端与接线柱21的一端固定连接，双绞线22的另一端穿过上述弹性绳绑定器13并与前固定环11固定连接；接线柱21位于后固定环12远离前固定环11的一侧。

上述驱动组件包括手持握柄31、电机32、按钮33、复位弹簧34和缓冲环35，电机32固定安装于手持握柄31内，接线柱21远离双绞线22的一端可滑动的套接在电机32的输出轴上，缓冲环35的一端与手持握柄31通过螺纹连接，缓冲环35的另一端与后固定环12固定连接，缓冲环35朝向电机32的一端内部设有用于容纳接线柱21的释放空间，接线柱21的外侧壁上开设有限位环23，手持握柄31上开设有安装孔36，按钮33的一端可滑动的设置于安装孔36内，按钮33的一端选用金属材质制成，手持握柄31上设置有断开的电机电路，按钮33按下时按钮33可使所述电机电路导通并同时使按钮33的端部伸入所述限位环23内，复位弹簧34用于在松开按钮33时使按钮33复位。

该绞线驱动与混合超弹性储能结合的高爆发冲击刀具使用过程如下：

使用准备阶段：在混合超弹性储能机构10的前固定环11端部安装合适的刀具40，对双绞线22解绕，并将接线柱21插在电机32的输出轴上，将缓冲环35及混合超弹性储能机构10旋紧安装在手持握柄31上。作为优选的，在前固定环11远离后固定环12的一端安装有连接螺杆16，以用于安装不同的刀具40，适用各种穿刺、冲击等作业需求。

储能阶段：操作人员握住手持握柄31，按下按钮33，此时按钮33的下端使电机32的电路导通，电机32启动，其输出轴开始带动接线柱21转动；同时按钮33的下端***接线柱21的限位环23内进行限位，防止接线柱21相对于电机32做轴向运动。随着接线柱21的转动，双绞线22随之旋转产生绞旋收缩位移，带动前固定环11向握持手柄31方向移动。随着前固定环11的移动，若干超弹性形变片15被压缩储能，同时若干超弹性绳14被拉伸储能，借助于微小功率电机驱动实现超弹性形变片和超弹性绳的渐进式混合储能。

释放阶段：松开按钮33，在复位弹簧34的作用下按钮被弹起，此时电机32的电路断开，其输出轴不再转动；同时按钮33对接线柱21的轴向限位解除，在若干超弹性形变片15和超弹性绳14的作用下，上述储存的弹性势能瞬时释放，前固定环11带动刀具40向前弹出，完成穿刺、冲孔等作业过程。在前固定环11向前弹出时，双绞线22拉动接线柱21与电机32的输出轴脱离，接线柱21最终落入缓冲环35内。作为优选的，在缓冲环35内设置有海绵挡环，用于减小接线柱21的冲击，起到保护作用。

在进行下一次作业前，旋开缓冲环35使其与握持手柄31脱离，取出接线柱21，对其进行解绕并将其插接在电机32的输出轴上，其后连接缓冲环35与手持握柄31以待下一次作业。作为优选的，接线柱21带有磁性，接线柱21可与电机32的输出轴磁性吸附，在该准备阶段可利用磁吸作用对接线柱21在电机32的输出轴上的位置进行限位，以能顺利进行储能；同时由于该磁吸力有限，并不会在释放阶段对接线柱21的脱离造成阻滞。作为优选的，接线柱21上还固定套设有滚珠轴承，由于在准备阶段需要对接线柱21反向旋转以使得双绞线22解除缠绕，设置滚珠轴承可在准备阶段时直接握住该滚珠轴承拉动接线柱21，在拉动过程中接线柱21可自行转动对双绞线22解绕，操作过程更为简单方便。滚珠轴承的两端设置有橡胶封，可对滚珠轴承起到防冲击保护作用。进一步的，在该优选实施例的基础上，还可设计类枪栓的结构，即便在缓冲环35和手持握柄31不脱离的情况下，可通过该类枪栓结构直接轴向拉动滚珠轴承，同时完成双绞线22解绕和接线柱21在电机32轴上的插接动作，操作更为简单方便。

该绞线驱动与混合超弹性储能结合的高爆发冲击刀具通过电机32和双绞线22驱动主动供力的方式避免了手动操作的费力问题。其将绞线驱动作为主动驱动技术引入到手持类穿刺、冲孔刀具中，利用双绞线22的绞旋收缩特性，将电机32的旋转运动转化成了用以给混合超弹性储能机构10提供压缩力的平直运动，降低了对电机32的输入转矩要求，且无需额外设置将旋转运动转化成平直运动的中间机构，使得装置具有体积小，重量轻的特点。同时，其利用绞线驱动的变传动比特性，相比于匀速牵引运动进一步缩短了装置的储能时间，提升了装置单位时间为混合超弹性储能机构10提供势能输入的能力。另外，通过双绞线22的两根绞线绞旋配合工作，避免了由单根线拉动直驱的方式造成的可靠性不足问题。作为优选的，上述双绞线22采用PE、尼龙等材质制成，可进一步提升装置在潮湿环境内的工作能力。

该绞线驱动与混合超弹性储能结合的高爆发冲击刀具采用了超弹性绳14和超弹性形变片15相结合的混合弹性储能结构，弹性绳绑定器13呈空心圆柱状，双绞线22穿过弹性绳绑定器13，可有效避免双绞线22和超弹性绳14之间发生干涉，在储能阶段，弹性绑定器13可随超弹性形变片15的压缩轴向移动，保持超弹性绳14对超弹性形变片15始终维持正拉力。该弹性储能结构具有极高的单位质量储存能量，此结构可维持在一定距离范围内施加的压缩力恒定，在最大牵引力一定的情况下，允许牵引***向其输入更多能量。作为优选的，超弹性形变片15的数量为六个，使得整个装置具有良好的弹性势能储存能力，同时由六个超弹性形变片15组成的六边形位置分布也增加了机构在垂直于中心轴方向上的抗位移能力，提高了机构的稳定性。作为优选的，超弹性形变片15在未压缩时即具有向远离弹性绳绑定器13方向凸出的弯曲弧度，保证其在受压缩时能按照指定方向弯曲变形，保证结构的稳定性。作为优选的，该超弹性形变片15选用弹簧钢或碳纤维材料制成，超弹性绳14选用高比能橡胶皮筋，整个混合超弹性储能机构10具有极高的单位质量储存能量，实现了对弹性势能的渐增式良好储存。利用其具有的卸荷可恢复能力，实现了装置形状的记忆复原，配合瞬时卸荷过程，可实现高爆发冲击效果。

该绞线驱动与混合超弹性储能结合的高爆发冲击刀具中，设计有按钮33与接线柱21上的限位环23的配合限位结构和按钮33与电机32的电路回路配合的电路通断结构，在按下按钮32时可控制电机32的输出轴转动并同时限制接线柱21轴向移动，在松开按钮33后，电机32停转且对接线柱21的限位瞬间解除，使混合超弹性储能机构能瞬时释放能量，保证刀具的瞬态高输出特性。在运行过程中，通过按下按钮33的时间控制即可控制双绞线22的绞旋量即混合超弹性储能机构10的储能量，松开按钮33即可瞬间释放能量完成作业过程，其操作简单，控制方便。需要说明的是，在具体实施时需对电机32的最大工作时间进行设定，即当按钮33按下的时间达到该最大工作时间时电机32停止运转，以此避免双绞线22过绞，造成的双绞线22以及超弹性形变片15、超弹性绳14损伤的情况。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种绞线驱动与混合超弹性储能结合的高爆发冲击刀具，其特征在于，包括混合超弹性储能机构、双绞线传动机构和驱动组件；

2.根据权利要求1所述的一种绞线驱动与混合超弹性储能结合的高爆发冲击刀具，其特征在于，所述超弹性形变片具有向远离所述弹性绳绑定器方向凸出的弯曲弧度。

3.根据权利要求1所述的一种绞线驱动与混合超弹性储能结合的高爆发冲击刀具，其特征在于，所述超弹性形变片选用弹簧钢或碳纤维材料制成，所述超弹性绳选用高比能橡胶皮筋。

4.根据权利要求1所述的一种绞线驱动与混合超弹性储能结合的高爆发冲击刀具，其特征在于，所述超弹性形变片的数量为六个。

5.根据权利要求1所述的一种绞线驱动与混合超弹性储能结合的高爆发冲击刀具，其特征在于，所述前固定环远离后固定环的一端设置有连接螺杆。

6.根据权利要求1所述的一种绞线驱动与混合超弹性储能结合的高爆发冲击刀具，其特征在于，所述接线柱带有磁性，所述接线柱可与所述电机的输出轴磁性吸附。

7.根据权利要求1所述的一种绞线驱动与混合超弹性储能结合的高爆发冲击刀具，其特征在于，所述缓冲环内设置有海绵挡环。

8.根据权利要求1所述的一种绞线驱动与混合超弹性储能结合的高爆发冲击刀具，其特征在于，所述接线柱上套设有滚珠轴承，所述滚珠轴承的两端设置有橡胶封。

9.根据权利要求1所述的一种绞线驱动与混合超弹性储能结合的高爆发冲击刀具，其特征在于，所述双绞线采用PE或尼龙材质制成。