CN101975200A

CN101975200A - 液力惯容器装置

Info

Publication number: CN101975200A
Application number: CN2010105109534A
Authority: CN
Inventors: 陈龙; 张孝良; 聂佳梅; 汪若尘; 江浩斌
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2010-10-19
Filing date: 2010-10-19
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2030-10-19
Also published as: CN101975200B

Abstract

本发明涉及一种液力惯容器装置，包括大液压缸、小液压缸和质量块。大液压缸内的两个腔和小液压缸内的两个腔是对应连通的，质量块与小液压缸活塞杆的端部相连。当外力沿活塞杆的轴向施加于大液压缸的活塞杆和缸体时，活塞相对于缸体做直线运动，推动油液从大液压缸流向小液压缸，使得小液压缸内的活塞两侧形成压差，压差驱动小液压缸活塞运动，最终驱动质量块运动，从而获得惯容器的特征。本发明内部有用于传递力的液体，只需在液体的通路上添加适当的阻尼机构即可兼做阻尼元件，因此不必再专门为系统增加阻尼元件。本发明为振动系统提供了一种能承载大载荷且可以兼做阻尼元件的理想惯容器装置。

Description

液力惯容器装置

技术领域

本发明涉及一种惯容器装置，特指液力惯容器装置。

背景技术

机电一体化已经成为新世纪工程领域的一个重要发展方向。在这种一体化过程中经常需要将机械与电子系统网络化后当成一个大系统来研究。传统工程应用中，机械与电子系统存在两种对应关系，一种是“力-电压”对应，即质量、阻尼和弹簧分别与电感、电阻和电容对应，另一种是“力-电流”对应，即质量、阻尼和弹簧分别与电容、电阻和电感对应。

上述电子网络元件均具有两个独立、自由的端点，即电感、电阻和电容的两个端点均不受特定参考点的限制。然而，质量元件却不是一个真正的两端点元件，这是因为质量的一个端点是它的质心，而另一个却总是与惯性参考系相连，即机械接地。因此，质量元件实际上和一端接地的电容对应。这极大地限制了人们设计机电系统时的自由性和灵活度，更糟糕的是，长期以来积累的大量的电子网络理论和研究电子网络的方法不能应用于机械网络的分析与综合。不仅如此，这种不严格的对应还限制了被动机械网络的性能。因此，必须找到一种真正的两端点机械元件来替代质量元件。

中国专利200810123830.8公开了一种齿轮齿条惯容器（又叫齿轮齿条惯性质量蓄能器或齿轮齿条惯性蓄能器），像弹簧和阻尼器一样这种装置是一种真正的两端点元件。因此，用这种惯容器替代传统机械系统中的质量元件，机械与电子网络就严格对应了起来。机械与电子网络严格对应后，大量的电子网络理论和研究方法便可以应用于机械系统，包括汽车悬架系统、车辆转向系统、火车悬架系统、建筑隔振系统、直升机隔振系统、动力吸振装置等等。该齿轮齿条惯容器包括箱体、飞轮、齿轮轴A、大齿轮、齿轮轴B和齿条，其中齿条置于箱体上的燕尾槽内，同齿轮轴B相啮合，大齿轮与齿轮轴B同轴相联，与齿轮轴A相啮合，飞轮则与齿轮轴A同轴相联。当外力沿齿条运动方向施加于箱体和齿条的末端时，齿条相对于箱体会产生相对位移，带动齿轮轴B、大齿轮和齿轮轴A旋转，进而驱动飞轮旋转。事实上，在运动过程中，齿条将相对于箱体做直线运动，而且齿条和箱体就是齿轮齿条惯容器的两个端点。齿轮齿条惯容器的动力学方程为f=b·a，其中f、a和b分别表示施加在两端点上的力、两端点的相对加速度和惯容系数，惯容系数可由齿轮组的转动惯量和半径以及惯性体的转动惯量计算出。根据动力学方程，改变惯性体和齿轮组的尺寸便可得到具有合适惯容系数的齿轮齿条惯容器。齿轮齿条惯容器克服了机械与电子网络之间不能严格对应的缺点。

尽管很容易设计出齿轮齿条惯容器，但齿轮在啮合时齿间存在背隙（回程间隙）却是个严重的问题。背隙会导致旋转过程中两相邻齿不能有效地接触，由于背隙的存在，在高速旋转换向时会导致迟滞现象和相位的滞后。更严重的是，齿轮齿条惯容器在大负荷作用下，齿很容易因短时过载或冲击载荷而产生过载折断。

因此，工程上迫切需要一种制造成本低廉的惯容器，能够承受大载荷，能够解决齿轮齿条惯容器背隙和承载能力有限的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服上述装置的缺点，提供一种液力惯容器装置使得机械与电了网络严格对应，并且该装置能够承受大的外载荷，制造成本低廉。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：液力惯容器装置包括大液压缸、小液压缸和质量块。大液压缸内的两个腔与小液压缸内的两个腔是对应连通的，质量块与小液压缸活塞杆的端部相连，大液压缸内的活塞运动通过油液带动小液压缸内的活塞运动，最终驱动质量块平动。

根据大、小液压缸的活塞杆形式不同，本发明专利有两种具体技术方案。

方案一

本发明包括大液压缸、小液压缸、质量块A、高压软管A和高压软管B。

大液压缸包括缸体A和放置在缸体A中的活塞A以及与活塞A相连的活塞杆A，活塞A把缸体A分成两个腔，腔A和腔B，腔A内靠近缸体A端部设有一个油口A，腔B内靠近缸体A端部设有一个油口B，活塞杆A从缸体A的腔A一端伸出。

小液压缸包括缸体B和放置在缸体B中的活塞B以及与活塞B相连的活塞杆B，活塞B把缸体B分成两个腔，腔C和腔D，腔C内靠近缸体B端部设有一个油口C，腔D内靠近缸体B端部设有一个油口D，活塞杆B从缸体B的腔D一端伸出。

质量块A与伸出小液压缸的活塞杆B的端部相连。

高压软管A的两端分别与油口A和油口D相连接，高压软管B的两端分别与油口B和油口C相连接。连接后，大液压缸的腔A和小液压缸的腔D就连通为一个腔，大液压缸的腔B和小液压缸的腔C就连通为一个腔，两腔内均充满油液。

腔A和腔D内活塞A与活塞B的有效面积之比等于腔B和腔C内活塞A与活塞B的面积之比。为了保证本发明有足够大的惯容系数，大、小液压缸的活塞A与活塞B的有效面积之比大于3。

有效面积为活塞横载面积减去活塞杆的横载面积。

方案二

方案二与方案一的不同之处在于，方案二中大液压缸的腔B中增加了一根活塞杆C，活塞杆C的一端与活塞A相连，另一端从大液压缸的腔B伸出，小液压缸的腔C中增加了一根活塞杆D，活塞杆D的一端与活塞B相连，另一端从小液压缸的腔C伸出与增加的质量块B相连。液力惯容器装置的其它部件，像缸体A、缸体B、活塞A、活塞B以及高压软管A和高压软管B都是完全一样的。

本发明的有益效果是，液压缸可以用来承载高压，还可以消除背隙的问题，而且众所周知，工程上液压技术已相当成熟，所以很容易制造出比齿轮齿条惯容器成本更低的液力惯容器。此外，对于振动控制系统来说，消耗振动能量的阻尼元件通常是其组件之一，而本发明正好能够兼做阻尼元件，这是因为，本发明内部有用于传递力的液体，只需在液体的通路上添加适当的阻尼机构即可兼做阻尼元件，因此不必再专门为系统增加阻尼元件。总之，与齿轮齿条惯容器相比本发明为振动系统提供了一种能承载大载荷且可以兼做阻尼元件的理想惯容器装置。

附图说明

图1为单侧活塞杆液力惯容器结构示意图；

图2为双侧活塞杆液力惯容器结构示意图。

图中， 1-大液压缸 2-缸体A 3-油口A 4-腔A 5-活塞杆A 6-活塞A 7-腔B 8-油液 9-高压软管A 10-油口B 11-高压软管B 12-小液压缸 13-缸体B 14-油口C 15-腔C 16-活塞B 17-活塞杆B 18-腔D 19-油口D 20-质量块A 21-活塞杆C 22-质量块B 23-活塞杆D。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

根据大液压缸7的活塞杆A11和小液压缸19的活塞杆B24形式的不同，下面分两个实施例对本发明加以说明。

实施例一

本发明包括大液压缸1、小液压缸12、质量块A20、高压软管A9和高压软管B11。

大液压缸1包括缸体A2和放置在缸体A2中的活塞A6以及与活塞A6相连的活塞杆A5，活塞A6把缸体A2分成两个腔，腔A4和腔B7，腔A4内靠近缸体A2端部设有一个油口A3，腔B7内靠近缸体A2端部设有一个油口B10，活塞杆A5从缸体A2的腔A4一端伸出。

小液压缸12包括缸体B13和放置在缸体B13中的活塞B16以及与活塞B16相连的活塞杆B17，活塞B16把缸体B13分成两个腔，腔C15和腔D18，腔C15内靠近缸体B13端部设有一个油口C14，腔D18内靠近缸体B13端部设有一个油口D19，活塞杆B17从缸体B13的腔D18一端伸出。

质量块A20与伸出小液压缸12的活塞杆B17的端部相连。

高压软管A9的两端分别与油口A3和油口D19相连接，高压软管B11的两端分别与油口B10和油口C14相连接。连接后，大液压缸1的腔A4和小液压缸12的腔D18就连通为一个腔，大液压缸1的腔B7和小液压缸12的腔C15就连通为一个腔，两腔内均充满油液8。

腔A4和腔D18内活塞A6与活塞B16的有效面积（活塞面积减去活塞杆的横载面积）之比等于腔B7和腔C15内活塞A6与活塞B16的面积之比。为了保证本发明有足够大的惯容系数，腔A4和腔D18内活塞A6与活塞B16的有效面积之比大于3。

实施例二

实施例二与实施例一的不同之处在于，实施例二中大液压缸1的腔B7中增加了一根活塞杆C21，活塞杆C21的一端与活塞A6相连，另一端从大液压缸1的腔B7伸出，小液压缸12的腔C15中增加了一根活塞杆D23，活塞杆D23的一端与活塞B16相连，另一端从小液压缸12的腔C15伸出与增加的质量块B22相连。液力惯容器装置的其它部件，像缸体A2、缸体B13、活塞A6、活塞B16以及高压软管A9和高压软管B11都是完全一样的。

下面结合附图对本发明具体实施过程作进一步说明。

对于实施例一，如图1所示，当等大反向的外力f ，沿轴向施加于活塞杆A5和缸体A2时，活塞杆A5推动大液压缸1内的活塞A6相对于缸体A2做直线运动，腔B7的油液通过高压软管B11从腔B7流向腔C15，腔B7和腔C15内油液的压力增加形成高压区，同时腔D18的油液通过液压软管A9从腔D18流向腔A4，腔D18和腔A4内油液的压力减小形成低压区，于是活塞B16两侧形成了压差，压差驱动活塞B16连同活塞杆B17一起向腔D18的一边运动，最终驱动质量块A20运动。结果是，外力通过大液压缸1和小液压缸12推动质量块A20运动，从而获得了惯性器的特征，事实上，液力惯容器就是通过两个液压缸把质量块A20的惯性封装了起来。如果外力以相反的方向施加于活塞杆A5和缸体A2时，活塞B16以相反的方向运动，即这是一个相反的过程。

实施例二中的双侧活塞杆液力惯容器，如图2所示，与实施例一中的单侧活塞杆液力惯容器工作原理相同，如图1所示。

下面结合附图对本发明的特点做进一步说明。

像弹簧、阻尼器以及电容、电阻和电感一样，惯容器也是一种理想元件，因此把实际装置抽象成惯容器时，必须忽略掉一些次要的因素，比如较小的滑动摩擦，还有像理想液压阻尼器那样，要忽略活塞、活塞杆、活塞筒以及油液的质量，对于本发明同样要做忽略次要因素的理想化处理。

对于实施例一，如图1所示，忽略油液8的质量，计活塞杆B17、活塞B16及质量块A20的总质量为m，设活塞A6和活塞B16有效面积分别为S _R和S _r，并理想地认为油液8不可压缩，不计高压软管液阻，则由液力惯容器装置的运动关系可得

(1)

式中，d ₁为缸体A2的绝对位移，d ₂为活塞杆A5的绝对位移，d _a为质量块A20的绝对位移，将式(1)对时间求导可得

Figure 2010105109534100002DEST_PATH_IMAGE002

(2)

式中，v ₁为缸体A2的绝对速度，v ₂为活塞杆A5的绝对速度，v _a为质量块A20的绝对速度，

将式(2)对时间求导可得

(3)

式中，a ₁为缸体A2的绝对加速度，a ₂为活塞杆A5的绝对加速度，a _a为质量块A20的绝对加速度。

对储能元件，输入元件的功率与元件吸收的功率相等，据此可得

Figure 2010105109534100002DEST_PATH_IMAGE004

(4)

由式(2)、(3)和(4)可得

(5)

因此液力惯容器惯容系数为

(6)

根据式(6)，可以通过调整质量块A20的质量和活塞A6与活塞B16的有效面积之比来设计出一个具有所需惯容系数的液力惯容器装置。例如，不妨取活塞A6与活塞B16的有效面积之比为9，根据上式可得b=81m，即惯容系数是质量块质量的81倍，因此，即使给定一个较小的质量块质量，也可以获得较大的惯容系数。

实施例二中双侧活塞杆液力惯容器惯容的推导过程与实施例一中单侧活塞杆液力惯容器惯容的推导过程相同，不再赘述。

本发明中采用液压缸有它的优点，即既可以承受重载又价格低廉，同时本发明还能够兼做阻尼元件，使得将液力惯容器用在振动控制系统中时，不用再专门为系统增加阻尼元件。

Claims

1.一种液力惯容器装置，其特征在于，包括大液压缸（1）、小液压缸（12）、质量块A（20）、高压软管A（9）和高压软管B（11）；

大液压缸（1）包括缸体A（2）、活塞A（6）和活塞杆A（5），所述活塞A（6）设置在缸体A（2）中，活塞A（6）把缸体A（2）分成腔A（4）和腔B（7）两个腔，活塞杆A（5）与活塞A（6）相连，活塞杆A（5）从缸体A（2）的腔A（4）一端伸出，腔A（4）内靠近缸体A（2）端部设有一个油口A（3），腔B（7）内靠近缸体A（2）端部设有一个油口B（10）；

小液压缸（12）包括缸体B（13）、活塞B（16）以及与活塞B（16）相连的活塞杆B（17），所述活塞B（16）设置在缸体B（13）中，活塞B（16）把缸体B（13）分成腔C（15）和腔D（18）两个腔，活塞杆B（17）与活塞B（16）相连，活塞杆B（17）从缸体B（13）的腔D（18）一端伸出，腔C（15）内靠近缸体B（13）端部设有一个油口C（14），腔D（18）内靠近缸体B（13）端部设有一个油口D（19）；

质量块A（20）与伸出小液压缸（12）的活塞杆B（17）的端部相连；

高压软管A（9）的两端分别与油口A（3）和油口D（19）相连接，高压软管B（11）的两端分别与油口B（10）和油口C（14）相连接，大液压缸（1）的腔A（4）和小液压缸（12）的腔D（18）连通为一个腔，大液压缸（1）的腔B（7）和小液压缸（12）的腔C（15）就连通为一个腔，两腔内均充满油液（8）；

腔A（4）和腔D（18）内活塞A（6）与活塞B（16）的有效面积之比等于腔B（7）和腔C（15）内活塞A（6）与活塞B（16）的面积之比。

2.根据权利要求1所述的液力惯容器装置，其特征在于，所述腔A（4）和腔D（18）内活塞A（6）与活塞B（16）的有效面积之比大于3。

3.根据权利要求1或2所述的液力惯容器装置，其特征在于，还包括活塞杆C（21）、质量块B（22）和活塞杆D（23），在所述大液压缸（1）的腔B（7）中增加了一根活塞杆C（21），所述活塞杆C（21）的一端与活塞A（6）相连，所述活塞杆C（21）的另一端从大液压缸（1）的腔B（7）伸出；在所述小液压缸（12）的腔C（15）中增加了一根活塞杆D（23），所述活塞杆D（23）的一端与活塞B（16）相连，所述活塞杆D（23）的另一端从小液压缸（12）的腔C（15）伸出，并与增加的质量块B（22）相连。