基于行星齿轮系统的超元胞及大范围变刚度力学超材料
阅读说明：本技术 基于行星齿轮系统的超元胞及大范围变刚度力学超材料 (Meta-cell and large-range variable-stiffness mechanical metamaterial based on planetary gear system ) 是由 方鑫 温激鸿 郁殿龙 于 2021-09-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于行星齿轮系统的超元胞及大范围变刚度力学超材料,该力学超材料由若干超元胞沿x轴方向和/或y轴方向周期性延拓而成,其中,超元胞包括行星齿轮机构与传动机构；行星齿轮机构包括外环、太阳轮与行星轮组件；传动机构包括传动齿轮与中心轴,中心轴的一端与传动齿轮的中心固定相连,另一端与太阳轮的中心固定相连。该力学超材料一方面克服了现有可重构力学超材料设计技术中弹性参数调节范围窄、稳定状态少、调控健壮性低等缺陷；另一方面克服了基于普通平面齿轮的力学超材料难以承载拉伸载荷、难以调节拉伸模量、且受力部位与调控变形之间存在干涉等缺陷。(The invention discloses a supercell and large-range variable stiffness mechanical metamaterial based on a planetary gear system, which is formed by periodically extending a plurality of supercell along the x-axis direction and/or the y-axis direction, wherein each supercell comprises a planetary gear mechanism and a transmission mechanism; the planetary gear mechanism comprises an outer ring, a sun gear and a planetary wheel component; the transmission mechanism comprises a transmission gear and a central shaft, one end of the central shaft is fixedly connected with the center of the transmission gear, and the other end of the central shaft is fixedly connected with the center of the sun gear. On one hand, the mechanical metamaterial overcomes the defects of narrow elastic parameter adjusting range, few stable states, low adjusting and controlling robustness and the like in the existing reconfigurable mechanical metamaterial design technology; on the other hand, the defects that a mechanical metamaterial based on a common plane gear is difficult to bear tensile load, tensile modulus is difficult to adjust, interference exists between a stress part and regulation deformation and the like are overcome.)
技术领域
本发明涉及材料科学、力学与机械工程技术领域，具体是一种基于行星齿轮系统的超元胞及大范围变刚度力学超材料。
背景技术
当前，第四次工业革命已经到来，第四次工业革命的核心为智能结构与设备，比如自适应飞行器、自适应控制系统、智能连接器、智能振动噪声控制等等。设备的智能化要求制造设备的单元和材料智能可调。杨氏模量(即刚度)连续可调的力学材料能为智能设备的设计制备提供基础支撑。然而，传统的压电材料和形状记忆合金材料难以产生大范围弹性调节。新型智能材料设计存在诸多挑战。
力学超材料是指具有超常力学特性的人工材料，可以产生低密度高模量、负泊松比、手性等特性。典型结构有二维蜂窝结构、三维点阵结构、折叠结构、手性结构。力学超材料为航空航天、船舶、高铁、汽车等工业系统提供了重要的结构设计方案。可重构力学超材料是指能在外部刺激(如压缩力)作用下改变几何形状的力学超材料。几何形状的变化会导致力学属性的本质变化，其弹性参数可从一个值突变到另外一个值。弹性特性的完美调节不仅需要大的参数调节范围，还需要密集的稳定调节状态。然而，当前设计的可重构力学超材料只能产生极少的稳定的重构状态，难以实现具有较大工程应用价值的智能材料设计，尤其是大范围连续可调的智能材料设计。
齿轮力学超材料是基于齿轮结构设计的力学超材料。齿轮力学超材料的诞生为弹性参数的大范围连续调节提供了切实可行的实现路径。然而，基于普通平面齿轮设计的齿轮力学超材料破坏了整体的完整性，一方面会影响结构可靠性，另一方面难以实现拉伸杨氏模量的调节，而且导致受力部位与旋转调控变形之间的干涉(即载荷施加点在旋转过程中变化)。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于行星齿轮系统的超元胞及大范围变刚度力学超材料，一方面克服了现有可重构力学超材料设计技术中弹性参数调节范围窄、稳定状态少、调控健壮性低等缺陷；另一方面克服了基于普通平面齿轮的力学超材料难以承载拉伸载荷、难以调节拉伸模量、且受力部位与调控变形之间存在干涉等缺陷。
为实现上述目的，本发明提供一种基于行星齿轮系统的超元胞，包括行星齿轮机构与传动机构；
所述行星齿轮机构包括外环、太阳轮与行星轮组件，所述外环的内壁上沿周向间隔设有若干第一轮齿，所述太阳轮的外壁上沿周向间隔设有若干第二轮齿，所述第一轮齿、所述第二轮齿均与所述行星轮组件啮合，且所述外环与所述太阳轮同轴；
所述传动机构包括传动齿轮与中心轴，所述中心轴的一端与所述传动齿轮的中心固定相连，另一端与所述太阳轮的中心固定相连，且所述传动齿轮与所述太阳轮同轴。
在其中一个实施例中，所述行星轮组件包括四个行星轮，分为两组对称分布在太阳轮周围，其中两个行星轮的中心点连线穿过所述太阳轮，另外两个行星轮的中心点连线穿过所述太阳轮，且任意三个所述行星轮的中心点不共线；
所述行星轮的一侧与所述第一轮齿啮合，另一侧与所述第二轮齿啮合。
在其中一个实施例中，四个所述行星轮呈十字对称结构分布在所述外环与所述太阳轮之间。
在其中一个实施例中，四个所述行星轮为齿轮模数相等、压力角相等、高度相等的渐开线齿轮。
在其中一个实施例中，所述太阳轮的中心位置设有中心孔，且所述中心孔沿轴线贯穿所述太阳轮，所述中心轴的端部嵌入所述中心孔后与所述太阳轮固定相连，所述中心轴与所述中心孔之间配合面的轮廓为D形结构。
在其中一个实施例中，所述传动齿轮、所述中心轴、所述太阳轮一体成型。
在其中一个实施例中，所述传动齿轮上设有减重孔。
在其中一个实施例中，所述外环的外壁上设有至少一个凸台。
为实现上述目的，本发明还提供一种基于行星齿轮系统的大范围变刚度力学超材料，由若干上述超元胞沿x轴方向和/或y轴方向周期性延拓而成；
相邻的两个所述超元胞之间，两个所述传动齿轮相互啮合，两个所述外环相切且固定相连。
本发明提供的一种基于行星齿轮系统的超元胞及大范围变刚度力学超材料，具有如下有益技术效果：
1、本发明提供的大范围变刚度力学超材料由力学超材料超元胞沿x方向和/或y方向周期性延拓而成，当在外环上施加压缩或拉伸载荷时，外环会产生弯曲变形，进而将载荷传递给行星轮组件和太阳轮，变形的刚度与行星轮组件与载荷作用轴之间的锐角密切相关，通过传动齿轮和旋转太阳轮，从而驱动行星轮组件沿着外环(围绕太阳轮)旋转，进而实现对该锐角的调节，即行星轮的作用相当于外环的变形支点，最终实现对变形刚度的精确控制；
2、本发明提供的大范围变刚度力学超材料不仅能够实现对压缩杨氏模量的光滑连续调节，也能够实现对拉伸杨氏模量的调节；
3、本发明提供的大范围变刚度力学超材料中，当行星轮组件中的四个行星轮呈十字对称分布时，行星轮每公转45°，实际承载的行星轮实现切换；参数调节周期对应的行星轮旋转角度为90°；此时超材料在x方向和y方向的等效压缩模量(或等效拉伸模量)相等，即具有正交方向的各项同性性质；
4、本发明提供的大范围变刚度力学超材料内部为完整的外环框架，即参数的大范围调节并没有破坏整个结构的完整性，极大提高了材料在实际使用过程中的可靠性；而且，该超材料直接应用齿轮啮合和旋转实现对刚度(即模量)的大范围光滑连续调节，健壮性强；所有结构都可以采用金属材料制备，高刚度、高强度，可设计性强，易于制造；
5、本发明提供的大范围变刚度力学超材料的载荷施加在外环框架上，其直接承载部位为外环框架，这一承载方式不会与内部结构的旋转变形相互干涉(即承载部位不会随着旋转变形变化)，在实际使用中更易于实施。
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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例中超元胞的第一轴测示意图；
图2为本发明实施例中超元胞的第二轴测示意图；
图3为本发明实施例中传动机构的轴测示意图；
图4为本发明实施例中太阳轮的轴测示意图；
图5为本发明实施例中行星齿轮机构的正视图；
图6为本发明实施例中由3×3个超元胞构成的力学超材料示意图；
图7为本发明实施例中由5个超元胞呈十字架分布的的力学超材料示意图；
图8为本发明实施例中由3个超元胞呈直线分布的力学超材料示意图；
图9为本发明实施例中力学超材料具有承载平台时的示意图；
图10为本发明实施例中力学超材料在压缩和拉伸载荷下的典型变形-载荷曲线图
图11为本发明实施例中压缩和拉伸杨氏模量随着行星齿轮θp的变化曲线的有限元计算结果和实验测试结果。
附图标号：
外环1、第一轮齿101、凸台102、承载平台103、太阳轮2、第二轮齿201、中心孔202、行星轮3、传动齿轮4、减重孔401、中心轴5。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
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的一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
实施例1
如图1-5所示为本实施例所示的一种基于行星齿轮系统的超元胞，应用于大范围变刚度力学超材料，包括行星齿轮机构与传动机构。其中，行星齿轮机构包括外环1、太阳轮2与行星轮3组件，外环1的内壁上沿周向间隔设有若干第一轮齿101，太阳轮2的外壁上沿周向间隔设有若干第二轮齿201，第一轮齿101、第二轮齿201均与行星轮3组件啮合，且外环1与太阳轮2同轴。传动机构包括传动齿轮4与中心轴5，中心轴5的一端与传动齿轮4的中心固定相连，另一端与太阳轮2的中心固定相连，且传动齿轮4与太阳轮2同轴。
具体地，行星轮3组件包括四个行星轮3，分为两组对称分布在太阳轮周围，其中两个行星轮3的中心点连线穿过太阳轮2，另外两个行星轮3的中心点连线穿过太阳轮2，且任意三个行星轮3的中心点不共线，行星轮3的一侧与第一轮齿101啮合，另一侧与第二轮齿201啮合。
作为优选地实施方式，四个行星轮3呈十字对称结构分布在外环1与太阳轮2之间，且四个行星轮3为齿轮模数相等、压力角相等、高度相等的渐开线齿轮。即图5所示，四个行星轮3的中心点为O1、O2、O3和O4，太阳轮2的圆心点为O，本实施例中O1-O-O2三点共线、O3-O-O4三点共线，且直线O1O2⊥O3O4，通过行星轮3的对称性和正交关系实现力学超材料在正交方向上的各向同性。太阳轮2的节圆半径约等于两倍行星轮3的节圆半径。
行星轮3为齿轮模数为0.3、压力角为20°、高度为20mm的渐开线齿轮。外环1的节圆半径Rout＝12mm，太阳轮2的节圆半径为Rsun＝6mm、行星轮3的节圆半径Rp＝3mm，其中，Rout＝Rsun+2Rp，行星轮3、外环1与太阳轮2三者等高。行星轮3在外环1与太阳轮2之间的公转角θp与太阳轮2的自转角θsun之间的关系为θp＝θsun·Rsun/(Rout+Rsun)＝θsun/3。因此，可通过改变角度θsun来控制行星轮3的公转角θp。而由于行星轮3的作用相当于外环1的变形支点，因此当在外环1上施加压缩或拉伸载荷时，通过旋转太阳轮2驱动行星轮3公转，进而改变行星轮3与载荷作用轴之间的锐角，最终实现对变形刚度的精确控制。
外环1的外侧为光滑圆柱壳体结构，在外环1的外壁上设有至少一个凸台102。具体地，外环1外壁上的凸台102为四个，且呈十字对称分布，相互平行的两个凸台102之间的距离与传动齿轮4的节圆直径相等。本实施例中，相互平行的两个凸台102之间的距离为l＝42mm，外环1的厚度为d＝1mm。
太阳轮2的中心位置设有中心孔202，且中心孔202沿轴线贯穿太阳轮2，中心轴5的端部嵌入中心孔202后与太阳轮2固定相连。优选地，中心轴5与中心孔202之间配合面的轮廓为D形结构，且中心轴5与中心孔202之间为过盈配合，以防止中心轴5转动。进一步优选地，传动齿轮4上均匀的设置有多个减重孔401，以有效减少传动齿轮4的重量。当然，中心轴5与太阳轮2之间也可不采用中心孔202的配合方式，也可以直接将传动齿轮4、中心轴6、太阳轮2三者一体成型。
本实施例中，中心轴5与太阳轮2之间的连接方式为焊接或螺钉固定，中心轴5与传动齿轮4之间的连接方式为焊接或一体成型。
本实施例中，传动齿轮4为渐开线齿轮结构，其模数为0.5、节圆直径为42mm。
实施例2
参考图6，本实施例公开的一种基于行星齿轮系统的大范围变刚度力学超材料，由若干实施例1中超元胞沿x轴方向和/或y轴方向周期性延拓而成，该力学超材料为分层结构，所有周期化的传动机构为一层，所有周期化的行星齿轮机构为一层，两层之间设置间隙，通过中心轴5连接。具体地，相邻的两个超元胞之间，两个外环1相切且固定相连，从而使所有外环1形成了外环1框架结构，便于一体成型制造。两个传动齿轮4相互啮合，通过旋转其中一个传动齿轮4就可以驱动力学超材料中所有的行星轮3绕着超元胞内的太阳轮2旋转，从而实现了对力学超材料等效压缩拉伸杨氏模量的调节。
需要注意的是，图6中给出的由3×3个超元胞构成的力学超材料仅为示例，根据实际需求的差异，超元胞沿x轴方向和/或y轴方向周期性延拓数量是可变的，例如，也可以是图7示出的5个超元胞呈十字架分布的形式或图8示出的3个超元胞呈直线分布的形式。
对于有限大的超材料，位于外侧外环1上的凸可以继续向外延伸一定距离形成承载平台103，即图9所示，外部压缩和拉伸载荷施加在承载平台103上，以避免将载荷施加在齿轮上。
本实施例中，制造了图6所示的由3×3个超元胞构的力学超材料；力学超材料的所有齿轮全部采用不锈钢材料制作，通过线切割工艺制造而成。本实施例完成了力学超材料等效压缩模量和等效拉伸模量的有限元数值计算和实验测试，如图10和图11所示。设定当任意两个行星轮3的连线水平时行星轮3的公转角θp＝0°，当行星轮3的公转角40°<θp<50°时，等效压缩模量和等效拉伸模量同时达到最小值，且二者相等为0.11GPa。当θp＝0°时，等效压缩模量和等效拉伸模量同时达到最大值，等效压缩模量为5.2GPa、等效拉伸模量为0.52GPa。参数的调节周期都是90°，在一个周期内，拉伸和压缩模量都可以光滑连续调节。等效压缩模量和等效拉伸模量的调节幅度分别为47倍和4.7倍，证明了大范围光滑连续调节。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
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