一种多用途不倒翁

1.本发明属于新能源与玩具技术领域，具体涉及一种多用途不倒翁。


背景技术：

2.不倒翁是最常见的儿童玩具之一，因其具有球面底座及头轻脚重的特点，受到外界扰动后可实现多次往复摇摆并最终恢复直立状态，故深受人们的喜爱。近年来，为了进一步提升不倒翁的趣味性，人们逐渐将声光要素融入了不倒翁的设计中，开发了形形色色带音乐及会发光的不倒翁玩具。遗憾的是，这些新型的不倒翁需要电池供电，电量耗尽时无法继续提供音乐和灯光。因此，具有自发电、发光及发声功能的不倒翁将更受人们的欢迎。


技术实现要素：

3.一种多用途不倒翁，主要包括上壳、下壳、支架、摇摆器、换能器、碟弹簧、惯性块、配重块及电路板。
4.上壳的上壳壁围成端口朝下的上壳腔，上壳壁的内侧设有上壳环台和上壳小环台，上壳环台靠近上壳腔的端口，上壳环台上下两侧的侧壁为直壁；上壳壁的顶面形状为球面、椭球面或圆锥体，上壳小环台上经螺钉安装有电路板，电路板上设有声音播放单元，上壳壁上镶嵌有发光二极管。
5.下壳的下壳壁围成端口朝上的下壳腔，下壳腔的腔壁内侧设有下壳环台，下壳环台靠近下壳腔的端口，下壳环台上方的侧壁为直壁；下壳壁的底面形状为球面或椭圆球面，下壳腔的底部设有配重块，配重块的上表面为平面，配重块上表面中部经设有限位环，限位环镶嵌在配重块中。
6.支架由架壁和隔板构成，隔板位于架壁的内侧中部，隔板的中心处设有球腔；隔板与架壁形成上架腔和下架腔，隔板上下两侧分别设有上架环台和下架环台；支架为整体或分体结构，分体结构是指支架由上下两部分组装并共同形成球腔。
7.摇摆器由球头和两个阶梯轴构成，阶梯轴位于球头的上下两侧，阶梯轴由粗轴和细轴构成，粗轴位于球头和细轴之间，球头两侧的阶梯轴同轴，粗轴的轴肩与阶梯轴的轴线垂直。
8.上壳壁与下壳壁的端口相对安装在一起并将支架的架壁压接在中间，上壳壁与下壳壁经螺钉或卡扣相互连接，架壁上下两端分别顶靠在上壳环台和下壳环台上；上架环台和下架环台上都经螺钉、隔环及压环安装有两组换能器，换能器为扇形的悬臂梁结构且大端固定，隔环位于两组换能器的固定端之间，换能器沿圆周方向均布；换能器由基片和pzt晶片粘接而成，隔板同一侧的两组换能器的基片相对安装。
9.摇摆器的球头置于隔板的球腔内，摇摆器上下两侧的阶梯轴分别位于隔板的上下两侧，即分别置于上壳腔和下壳腔内；两个粗轴的轴肩上都经螺钉和压板安装有激励板，激励板为环形，激励板的内孔套在细轴上、外缘插在两组相邻的换能器的自由端之间；激励板上下两侧分别与两组换能器的基片接触但其间无相互作用力，换能器处于自然的平直状
态；隔板上方或下方的细轴上经螺钉安装有惯性块、下方的细轴自由端置于限位环中，惯性块的在细轴上的安装位置可调；隔板下方的细轴上套有碟弹簧，碟弹簧的两端分别顶靠在激励板和配重块上，或碟弹簧的一端顶靠在压板上；非工作的自然状态下，摇摆器的阶梯轴处于铅垂面内，换能器不发生弯曲变形。
10.本发明中，摇摆器、换能器、碟弹簧及惯性块构成震荡系统，震荡系统的固有频率由摇摆器、换能器、碟弹簧及惯性块结构及性能参数共同决定；为获得足够大的震荡惯性力和不倒翁整体的复位与平衡能力，惯性块和配重块的质量需足够大，且惯性块的质量远大于震荡系统中其它器件质量之和，惯性块和配重块的材料为金属，其它器件的材料为非金属轻质材料。
11.本发明中，震荡系统的结构及参数确定后，通过惯性块到球头中心的距离调节震荡系统的固有频率，摇摆器沿某一水平方向摆动的固有频率约为，式中：ζ为阻尼比，x和y分别为激励板的外缘半径和碟弹簧与激励板接触端的半径，k1和k2分别为单组换能器和碟弹簧的等效刚度，m为惯性块的质量，l为惯性块的质心到球头中心的垂直距离，λ为修正系数。
12.不倒翁受外界扰动时，摇摆器因受惯性块的惯性力作用而往复摆动并通过换能器的弯曲变形将机械能转换成电能，所生成的电能整流后输送给电路板，经进一步转换处理供给发光二极管和声音播放单元。
13.本发明中，摇摆器摆动并使下方的细轴顶靠在限位环上时各换能器的变形量小于其许用变形量，pzt晶片所受的最大应力小于其许用应力。
14.本发明的不倒翁，除了用作儿童玩具外还可用于收集车辆振动、船舶颠簸等环境能量并为其定位跟踪系统供电，也可用于单纯的海浪及风等具有多向扰动特征的环境能量收集。
15.优势与特色：无需电池即可实现发光发声，提升了不倒翁的趣味性；换能器仅受可控的单向变形，可靠性高；动力学特性易于通过器件的结构参数及安装位置调节。
附图说明
16.图1是本发明一个较佳实施例中不倒翁的结构剖面示意图；图2是图1的i部放大图；图3是本发明一个较佳实施例中下壳的结构示意图；图4是本发明一个较佳实施例中上壳的结构示意图；图5是本发明一个较佳实施例中支架的结构示意图；图6是本发明一个较佳实施例中的摇摆器的结构示意图。
具体实施方式
17.一种多用途不倒翁，主要包括上壳a、下壳b、支架c、摇摆器d、换能器i、碟弹簧k、惯性块m、配重块q及电路板p。
18.上壳a的上壳壁a1围成端口朝下的上壳腔a2，上壳壁a1的内侧设有上壳环台a3和上壳小环台a4，上壳环台a3靠近上壳腔a2的端口，上壳环台a3上下两侧的侧壁为直壁；上壳
壁a1的顶面形状为球面、椭球面或圆锥体，上壳小环台a4上经螺钉安装有电路板p，电路板p上设有声音播放单元t，上壳壁a1上镶嵌有发光二极管s。
19.下壳b的下壳壁b1围成端口朝上的下壳腔b2，下壳腔b2的腔壁内侧设有下壳环台b3，下壳环台b3靠近下壳腔b2的端口，下壳环台b3上方的侧壁为直壁；下壳壁b1的底面形状为球面或椭圆球面，下壳腔b2的底部设有配重块q，配重块q的上表面为平面，配重块q上表面中部经设有限位环e，限位环e镶嵌在配重块q中。
20.支架c由架壁c1和隔板c2构成，隔板c2位于架壁c1的内侧中部，隔板c2的中心处设有球腔c5；隔板c2与架壁c1形成上架腔c3和下架腔c4，隔板c2上下两侧分别设有上架环台c7和下架环台c6；支架c为整体或分体结构，分体结构是指支架c由上下两部分组装并共同形成球腔c5。
21.摇摆器d由球头d1和两个阶梯轴构成，阶梯轴位于球头d1的上下两侧，阶梯轴由粗轴d2和细轴d3构成，粗轴d2位于球头d1和细轴d3之间，球头d1两侧的阶梯轴同轴，粗轴d2的轴肩与阶梯轴的轴线垂直。
22.上壳壁a1与下壳壁b1的端口相对安装在一起并将支架c的架壁c1压接在中间，上壳壁a1与下壳壁b1经螺钉或卡扣相互连接，架壁c1上下两端分别顶靠在上壳环台a3和下壳环台b3上；上架环台c7和下架环台c6上都经螺钉、隔环h及压环j安装有两组换能器i，换能器i为扇形的悬臂梁结构且大端固定，隔环h位于两组换能器i的固定端之间，换能器i沿圆周方向均布；换能器i由基片i1和pzt晶片粘接而成，隔板c2同一侧的两组换能器i的基片i1相对安装。
23.摇摆器d的球头d1置于隔板c2的球腔c5内，摇摆器d上下两侧的阶梯轴分别位于隔板c2的上下两侧，即分别置于上壳腔a2和下壳腔b2内；两个粗轴d2的轴肩上都经螺钉和压板n安装有激励板f，激励板f为环形，激励板f的内孔套在细轴d3上、外缘插在两组相邻的换能器i的自由端之间；激励板f上下两侧分别与两组换能器i的基片i1接触但其间无相互作用力，换能器i处于自然的平直状态；隔板c2上方的细轴d3上经螺钉安装有惯性块m、下方的细轴d3自由端置于限位环e中，惯性块m的在细轴d3上的安装位置可调；隔板c2下方的细轴d3上套有碟弹簧k，碟弹簧k的两端分别顶靠在激励板f和配重块q上，或碟弹簧k的一端顶靠在压板n上；非工作的自然状态下，摇摆器d的阶梯轴处于铅垂面内，换能器i不发生弯曲变形。
24.本发明中，摇摆器d、换能器i、碟弹簧k及惯性块m构成震荡系统，震荡系统的固有频率由摇摆器d、换能器i、碟弹簧k及惯性块m结构及性能参数共同决定；为获得足够大的震荡惯性力和不倒翁整体的复位与平衡能力，惯性块m和配重块q的质量需足够大，且惯性块m的质量远大于震荡系统中其它器件质量之和，惯性块m和配重块q的材料为金属，其它器件的材料为非金属轻质材料。
25.本发明中，震荡系统的结构及参数确定后，通过惯性块m到球头d1中心的距离调节震荡系统的固有频率，摇摆器沿某一水平方向摆动的固有频率约为，式中：ζ为阻尼比，x和y分别为激励板f的外缘半径和碟弹簧k与激励板f接触端的半径，k1和k2分别为单组换能器i和碟弹簧k的等效刚度，m为惯性块m的质量，l为惯性块m的质心到球头d1中心的垂直距离，λ为修正系数。
26.不倒翁受外界扰动时，摇摆器d因受惯性块m的惯性力作用而往复摆动并通过换能器i的弯曲变形将机械能转换成电能，所生成的电能整流后输送给电路板p，经进一步转换处理供给发光二极管s和声音播放单元t。
27.本发明中，摇摆器d摆动并使下方的细轴d3顶靠在限位环e上时各换能器i的变形量小于其许用变形量，pzt晶片所受的最大应力小于其许用应力。
28.本发明的不倒翁，除了用作儿童玩具外还可用于收集车辆振动、船舶颠簸等环境能量并为其定位跟踪系统供电，也可用于单纯的海浪及风等具有多向扰动特征的环境能量收集。