CN102483117B - 力控制液压设备 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于控制机械力的设备。该设备包括第一终端和第二终端，在使用中第一终端和第二终端连接至用于控制机械力的系统的部件并能够独立运动。该设备还包括液压装置，液压装置连接在终端之间并容纳液体。该液压装置被配置为在使用中当终端相对运动时使液体流动，以生成由液体的质量所导致的惯性力来控制终端处的机械力，从而使机械力与终端之间的相对加速度基本成比例。具有外部和内部螺旋流体通路(5，16)的液压气缸。

Description

力控制液压设备

本发明涉及利用流体来控制机械力(诸如振动力)的设备。

力控制设备例如用于车辆悬挂系统中。车辆悬挂系统通常采用被动悬挂系统，诸如与阻尼器平行的弹簧。然而，在实践中利用惯性力需要大质量，故使用这种系统的问题在于各种性能需求的优化受到限制。US 7316303B的设备通过提供用于构造悬挂系统的部件来解决这一问题，该部件具有任何期望的机械阻抗，但保持较小的悬挂系统总体质量。

US 7316303B所公开的设备通常包括连接至飞轮的线性旋转(linear to rotary)换能器。已经提出了这种设备的多种变形，其中某些例如包括使用滚珠螺杆或链条与齿轮。这些变形的一个缺点在于，存在相当多的活动部分。

因此，本发明力图提供活动部分数量大大减少的简单设备。

根据本发明，提供了一种用于控制机械力的设备，该设备包括：第一终端和第二终端，在使用中第一终端和第二终端连接至用于控制机械力的系统的部件并能够独立运动；以及液压装置，连接在终端之间并容纳液体，液压装置在使用中被配置为当终端相对运动时使液体流动，以生成由液体的质量所导致的惯性力来控制终端处的机械力，从而使该机械力与终端之间的相对加速度基本成比例。

因此，本发明提供了一种装置，其中运动液体充当动能的储存器。根据本发明的装置的一个优点是其在生产中的易处理性。

液压装置还可以包括：限定用于容纳所述液体的腔室的壳体，该壳体与终端之一附接；以及活塞，活塞与终端中的另一个附接并能够在腔室内运动，从而使活塞的运动导致液体沿至少一个流动通路流动。

至少一个流动通路可以是螺旋形的。因此，本发明提供一种设备，其中流体既充当线性旋转换能器，又充当旋转动能的储存器。

至少一个流动通路可以设置在腔室外部或内部。

该设备还可以包括调节装置以控制终端处的机械力，使得该机械力与终端之间的相对加速度成比例，该比例项可以是固定常数。

该设备还可以包括限制两个终端的相对运动程度的装置。

本发明还提供一种质量模拟器，其包括根据上面限定的设备。

本发明还提供一种使用如上面所限定的设备的机械阻尼系统，诸如汽车悬挂内的系统。

本发明还提供一种吸收振动的方法，该方法使用如上面所限定的设备。

下面将参照附图对本发明的示例进行描述，在附图中：

图1是根据本发明的力控制液压设备的一个示例性实施方式的示意图；

图2是根据本发明的力控制液压设备的另一个示例性实施方式的示意图；

图3示出作为(恒定)活塞速度的函数的图1的设备两端的压力下降；以及

图4示出作为(恒定)活塞速度的函数的图1的设备的活塞上的阻尼力。

我们构造并测试了两种原型，其中一个如图1所示在气缸外设置有盘管并使用水作为流体，另一个如图2所示具有在活塞本身中成形的内螺旋通路并使用液压流体。

图1示出根据本发明的力控制液压设备1的示例。设备1包括气缸2、能够在气缸内运动的活塞3、以及位于气缸内的液体4。该设备还包括位于气缸外的螺旋管5，螺旋管5创建密封通路以供液体经由两个孔口(6，7)流出和返回气缸。活塞3的运动使液体4流过螺旋管5，这生成由液体的运动质量所导致的惯性力。气缸可包括一个终端，活塞可包括另一个终端。如下面所描述，这两个终端之间的相互运动所产生的由液体的运动质量所导致的惯性力控制这两个终端处的机械力，以使这两个机械力与这两个终端之间的相对加速度基本成比例。

活塞3的运动可由设备诸如弹簧缓冲器(未示出)来限制。如果在活塞行程的极限处产生很大的力或速度，则这些装置可提供有用的安全特征以保护该设备。

图1的设备使用通杆8来实施。使用具有浮动活塞或双管或其它类似布置的单杆的可选替换也同样可行。设想对流体加压的装置(未示出)。

图2示出根据本发明的力控制液压设备11的另一个示例。设备11包括气缸12、能够在气缸内运动的活塞13、以及位于气缸内的液体14。活塞13的外表面具有螺旋通道，从而当活塞13被插入气缸时，在活塞与气缸之间形成螺旋通路15。活塞13的运动导致液体14流过螺旋通路15，这生成由气缸内的液体的运动质量所导致的惯性力。在图2的示例中，螺旋通路15的截面是便于加工的半圆盘形。在有利于控制设备的阻尼特性情况下，也可以采用其它截面形状。图2的示例使用通杆实施。

在图1所示的示例中，通过改变诸如活塞、气缸以及螺旋管的半径、气缸的长度以及液体密度的值，能够改变设备1的特性参数，即在终端处所施加的力与终端之间的相对加速度所关联的比例常数。下面将详细描述这些参数的作用。

考虑图1所示的布置，其中r₁是活塞的半径，r₂是气缸的内半径，r₃是螺旋管的内半径，r₄是螺旋的半径，h是气缸的螺距，p是液体密度。此外，

A₁＝π(r₂ ²-r₁ ²)是气缸的截面积，以及

A₂＝πr₃ ²是管的截面积。

螺旋管中的液体的总质量约等于：

$\mathrm{\ρn\π}{r_3}^2\sqrt{h^2+{\left(2\mathrm{\π}{r}_4\right)}^2}=:m_{\mathrm{hel}}---\left(1\right)$

气缸中的液体的总质量约等于：

ρπ(r₂ ²-r₁ ²)L＝：m_cyl        (2)

如果活塞的线性位移等于x，则螺旋管中的流体元件可期望角位移θ(弧度)，θ约等于：

$\frac{2\mathrm{\πx}({r_2}^2-{r_1}^2)}{{r3}^2\sqrt{h^2+{\left(2\mathrm{\π}{r}_4\right)}^2}}---\left(3\right)$

螺旋管中的总液体质量围绕活塞轴线的惯性力矩约等于m_helr₄ ²＝：J。现在假设设备1在b代表比例常数时具有理想表现，其中终端之间所生成的惯性力与终端之间的相对加速度成比例。随后可以预计：

$\frac{1}{2}b{\stackrel{\·}{x}}^2=\frac{1}{2}J{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}^2---\left(4\right)$

得出

$b=\frac{m_{\mathrm{hel}}}{1+{(h/\left(2\mathrm{\π}{r}_4\right))}^2}\frac{{({r_2}^2-{r_1}^2)}^2}{{r_3}^4}=\frac{m_{\mathrm{hel}}}{1+{(h/\left(2\mathrm{\π}{r}_4\right))}^2}{\left(\frac{A_1}{A_2}\right)}^2---\left(5\right)$

设总液体质量为m_tot＝m_hel+m_cyl。图1所示实施方式中所使用的两种不同液体的示例性值在下面被制成表格形式。在下面的示例中，假设r₄＝r₂+r₃，h＝2r₃且L＝nh。还使设备的外直径(OD)等于2(r₄+r₃)。

表1ρ＝1200kgm^-3的合成油

表2ρ＝13579kgm^-3的水银

如表1和表2所示，建模和测试工作表明，所产生的惯性效果(与加速度成比例的力)可以足够大(比例常量b大于50kg)。当设备与弹簧和阻尼器平行放置时，这种效果将是所需的。

此外，建模和测试表明，液体的粘度背离理想运行。通过流体的可压缩性能提供另外的寄生元件，其可以被建模为与两个平行元件串联的弹簧。

在US 7316303B中，理想设备被限定(即与相对加速度成比例的力)并且由摩擦、后冲等所导致的偏差被认为是寄生现象，寄生现象可小至所需程度，从而获得该设备的基本功能。然而，在本发明的情况下，液体粘度所导致的非线性阻尼是固有的，并且将在大的活塞速度下导致偏离理想表现。

本发明固有的非线性阻尼是“递增的”，即该力随着相对速度以比线性速率更快的速率增加。汽车应用中的实际阻尼常常是递减的，即力随着相对速度以比线性速率更慢的速率增加。即使当使用常规液体(诸如液压流体)时，根据本发明的设备也可以被配置为使用调节装置显示理想表现。例如，可在孔口6，7处采用垫片包来实现更加线性的阻尼特性，虽然这会导致无法忽略的平行阻尼器。由于根据本发明的具有平行的线性阻尼器的理想设备的表现，可能生成方便的集成设备。在其它情况下，不对粘度效应进行修正可能是有利的。

下文详细介绍了阻尼的效果。设u为流体在螺旋管中的平均速度，Δp为活塞两端的压力下降，μ为液体粘度，l为螺旋管的长度，其中

$l=n\sqrt{h^2+{\left(2\mathrm{\π}{r}_4\right)}^2}---\left(6\right)$

现在将对使管中流动保持为平均速度u所需的主活塞两端的压力下降Δp进行计算。这将允许对使活塞保持相对速度所需的稳定力进行计算，因此允许计算阻尼系数。

假定管的雷诺数(Re)等于

$\left(\mathrm{Re}\right)=\frac{2\mathrm{\ρ}{r}_3}{\mathrm{\μ}}u=\frac{2\mathrm{\ρ}{r}_3{A}_1}{\mathrm{\μ}{A}_2}\stackrel{\·}{x}---\left(7\right)$

其中从层流到涡流的转变约出现在(Re)＝2×10³。假设u小到足以保持层流，并且对直管使用Hagen-Poiseuille方程式，得出：

$u=\frac{{r_3}^2}{8\mathrm{\μ}}\frac{\mathrm{\Δp}}{l}---\left(8\right)$

活塞上的保持稳定的相对速度所需的力等于ΔpA₁。这说明线性阻尼速率系数等于：

$c=\frac{\mathrm{\Δp}{A}_1}{\stackrel{\·}{x}}=\frac{\mathrm{\Δp}{A_1}^2}{A_{2}u}={\left(\frac{A_1}{A_2}\right)}^{2}8\mathrm{\π\μl}---\left(9\right)$

根据Darcy的方程，保持涡流所需的压力下降为：

$\mathrm{\Δp}=\frac{1}{r_3}\mathrm{f\ρ}{u}^2---\left(10\right)$

其中f是无量纲摩擦因子。对于平管，Blasius的经验方程为：

f＝0.079(Re)^-1/4            (11)

这给出活塞上的保持稳定速度所需的恒定力的下列表达：

$F=\mathrm{\Δp}{A}_1$

$=0.0664{\mathrm{\μ}}^{0.25}{\mathrm{\ρ}}^{0.75}\frac{l{A}_1}{{\left(r_3\right)}^{1.25}}{u}^{1.75}$

$=0.664{\mathrm{\μ}}^{0.25}{\mathrm{\ρ}}^{0.75}\frac{l{A}_1}{{r_3}^{1.25}}{\left(\frac{A_1}{A_2}\right)}^{1.75}{\left(\stackrel{\·}{x}\right)}^{1.75}=:c_1{\left(\stackrel{\·}{x}\right)}^{1.75}---\left(12\right)$

设流体为ρ＝100kgm^-3且μ＝10^-3Pas的水。取l＝7m，r₁＝8mm，r₂＝20mm，r₃＝4mm，L＝300mm。在该设备中，结果为：

m_hel＝0.352kg，

m_cyl＝0.317kg，以及

b＝155kg

向涡流的转变出现在活塞速度为以及与层流一致的速度处，阻尼速率为c＝77.6N s m^-1。

在涡流条件下的压力下降和线性力分别如图3和图4所示。

如果r₁、r₂和r₃全部增加2倍，且l减小4倍，且m_hel和b不变，则m_cyl增加4倍，并且涡流中的阻尼力减小2^1.25＝2.38倍。

在本发明的其它实施方式中，图1所示的螺旋管可由不同形状的管替换。此外，流体通路可设置在气缸内，并且活塞的形状被设置为例如提供螺旋液体流动通路或多个同轴螺旋。还可以采用活塞周围的间隙来提供气缸内的流动通路。在实践中，通过螺旋流动通路实现最好的结果。

对于汽车悬挂应用，如果悬挂相对较硬，则与规则弹簧和阻尼器平行设置的本发明的实施方式是有利的。对于普通乘用车，该平行配置可能需要结合其他串联的元件。

Claims (10)

1.一种用于控制机械力的设备，所述设备包括：

第一终端和第二终端，在使用中所述第一终端和所述第二终端连接至用于控制机械力的系统的部件并能够独立运动；

液压装置，连接在所述第一终端和所述第二终端之间并容纳有液体，其中所述液压装置包括：

壳体，限定用于容纳所述液体的腔室，所述壳体与所述第一终端和所述第二终端之一附接；以及

活塞，与所述第一终端和所述第二终端中的另一个附接并能够在所述腔室内运动，使得所述活塞的运动导致所述液体沿至少一个流动通路流动；

其中，所述液压装置在使用中被配置为当所述第一终端和所述第二终端相对运动时使液体流动，并存储在所述第一终端和所述第二终端相对运动时流动的液体中的能量，以基于所述第一终端和所述第二终端的相对速度的改变生成由所述液体的质量所导致的惯性力来控制所述第一终端和所述第二终端处的机械力，从而使所述机械力与所述第一终端和所述第二终端之间的相对加速度基本成比例。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个流动通路是螺旋形的。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述至少一个流动通路设置在所述腔室之外。

4.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述至少一个流动通路设置在所述腔室之内。

5.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述设备还包括调节装置以控制所述第一终端和所述第二终端处的机械力，使得所述机械力与所述第一终端和所述第二终端之间的相对加速度以及线性或非线性阻尼特性成比例。

6.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述设备还包括限制所述第一终端和所述第二终端的相对运动程度的装置。

7.一种质量模拟器，包括根据前述权利要求中任一项所述的设备。

8.一种使用根据权利要求1至6中任一项所述的设备的机械阻尼系统。

9.一种根据权利要求8所述的机械阻尼系统，其中所述设备被配置为使两个终端中的任何一个都不与固定点连接。

10.一种吸收振动的方法，所述方法包括采用根据权利要求1至6中任一项所述的设备的步骤。