CN102644688A - 一种基于着陆机构的腿式机械缓冲器 - Google Patents

Abstract

一种基于着陆机构的腿式机械缓冲器，它是由上端盖、直流丝杠电机、碟型弹簧、阻尼挡片、力传感器、胀环、活塞推杆、锥环推杆、缓冲腔壳、电机丝杠导环、泡沫金属填充块填充物、柔性多孔材料、底端盖、压簧组成；它具有两级缓冲吸能结构，第一级利用薄壁金属管塑性变形缓冲、泡沫金属和柔性多孔材料塑性变形吸收能量原理设计的机械式缓冲结构，第二级是利用伺服电机反馈控制、泡沫金属塑性变形吸收能量、弹性元件储能与释能的原理设计的自主式缓冲吸能结构。它是一种结构简单、吸能效果明显、性能稳定的复合型缓冲器。

Description

一种基于着陆机构的腿式机械缓冲器

技术领域：

本发明涉及一种基于着陆机构的腿式机械缓冲器，它可应用于航空航天及其它需要利用缓冲结构和技术的各种场合，属于缓冲机械技术领域。

技术背景：

腿式机械缓冲器是现在航天领域应用较为广泛的一种缓冲方式，其主要借鉴飞机起落架先进着陆缓冲技术，通过采用弹簧、板簧或液压减震器来耗散冲击能量。

目前的机械式缓冲结构大多是单一反冲方式或者是复合度较低的缓冲结构，因为单一的方式结构虽较为简单，但是其缓冲性能方面较复合型缓冲差。有些单一的方式受环境影响较大，因而影响了缓冲性能的稳定性。而自主式缓冲结构技术设计要求高，不仅提高了生产成本，而且稳定性也难以保证。因而，可靠而简单的复合式缓冲器是发展研究的方向。

发明内容：

1.目的：本发明的目的是为了提供一种一种基于着陆机构的腿式机械缓冲器，它克服了现有技术的不足，是一种结构比较简单、缓冲性能稳定、缓冲效果良好并能自主控制的复合型缓冲装置。

2.技术方案：为了实现上述发明的目的，本发明采用以下技术方案：

见图1，本发明一种基于着陆机构的腿式机械缓冲器，它是由上端盖、直流丝杠电机、碟型弹簧、阻尼挡片、力传感器、胀环、活塞推杆、锥环推杆、缓冲腔壳、电机丝杠导环、泡沫金属填充块A、B、C填充物、柔性多孔材料、底端盖、压簧组成；它们之间的位置连接关系是：上端盖与缓冲腔壳同轴连接在一起、底端盖通过螺钉与缓冲腔壳同轴连接，形成缓冲器外部壳体。缓冲腔壳下腔嵌入一胀环。胀环与缓冲腔壳间由泡沫金属填充块B填充，锥环推杆中央开有一向上的盲孔，孔内自下向上嵌入压簧与活塞推杆。锥环推杆、胀环与活塞推杆围成的空腔由柔性多孔材料填充。至此形成缓冲器的一级缓冲结构。活塞推杆上方放置一阻尼挡片(其外圈与缓冲腔壳的上腔内壁通过螺纹副连接)，力传感器装在阻尼挡片的卡槽内。阻尼挡片与电机丝杠导环通过螺栓组连接，电机丝杠导环上安置一直流丝杠电机，直流丝杠电机的丝杠末端可以通过电机丝杠导环、阻尼挡片以及活塞推杆的中孔。阻尼挡片、直流丝杠电机与缓冲腔壳之间的空腔由泡沫金属填充块A、C与蝶形弹簧间隔填充。至此形成缓冲器的二级缓冲结构。

所述上端盖是类圆锥台形零件，上端盖通过铰接片可与着陆器主体部分连接，其下平面开有四方形凹槽，用以固定直流丝杠电机，凹槽尺寸根据所选择直流丝杠电机设定。上端盖开有竖直的小通孔，用以通过直流丝杠电机、力传感器提供电源线及信号线；

所述直流丝杠电机是四方形的直流伺服电机，输出轴为直径10mm的丝杠，主要功能是根据控制信号通过其丝杠旋转控制阻尼挡片旋转上升和下降。

所述碟型弹簧是有支撑面的垫圈式弹簧，利用对合方式排布，主要用于储存冲击能量；

所述阻尼挡片是圆柱状的零件，其外圆柱面有螺纹副，用以与缓冲腔内壁相配合，与电机丝杠导环通过螺栓固连，用以在直流丝杠电机的丝杠上旋转上升或下降，阻尼挡片下端平面开有十字形凹槽，用以固定四个力传感器，其主要功能一是压缩上腔内的碟型弹簧和泡沫金属填充块A、C填充物，同时通过自身的旋转上升控制活塞推杆运动速度，并且也有一定的耗散冲击能量功能；

所述力传感器是选用市购件的规格型号，其作用是测量活塞推杆推力；

所述胀环是由多个厚度不完全相同的胀环串联而成的结构，其直径较大的胀环与直径较小胀环间用锥面过渡。其功能是通过活塞推杆周向挤压，使其发生塑性变形，吸收部分冲击能量，是一级缓冲结构的吸收能量的载体；

所述活塞推杆是三园柱构成的长柱形体，在其大端处设置有预定深度的盲孔，其功能是将通过压簧传递的载荷传给二级缓冲结构；

所述锥环推杆是头部为园锥台状的长柱形体，在其园锥台端开有盲孔，放置压簧，同时与活塞推杆存在间隙配合。其功能是，在受到冲击后锥环推杆对胀环、柔性多孔材料和泡沫金属填充块B进行压缩，同时通过压簧传力给二级缓冲结构，实现能量转换；

所述缓冲腔壳是圆筒形的阶梯形空腔，其结构可分为上腔、下腔和分型面三个部分，其上腔内壁为螺纹副，下腔内壁光滑，它是整个缓冲器结构的保护罩，能够使缓冲器结构紧凑，有效地工作；

所述电机丝杠导环是法兰盘结构，通过螺栓与阻尼挡片固连。其功能是支撑和固定直流丝杠电机的丝杠，使其沿着活塞推杆顺利进行直线运动。

所述泡沫金属填充块A、泡沫金属填充块B、泡沫金属填充块C填充物是由金属合金材料(如铝合金)制成的疏松多孔如蜂窝状的环形块体，主要功能是在受到冲击载荷的作用下发生塑性变形，吸收冲击能量，达到缓冲效能。

所述柔性多孔材料是由非金属材料制成的疏松多孔的环形块体，同载荷下变形较泡沫金属填充块大，主要功能是在受到冲击载荷的作用下发生塑性变形，吸收冲击能量，达到缓冲效能。

所述底端盖是带有通孔的圆柱状法兰盘结构，通过螺钉与缓冲腔壳固连，能够起到密封和支撑锥形推杆的作用。

所述压簧是两端磨平并紧的压缩弹簧，在冲击载荷作用时，通过压缩变形存储能量，同时将载荷传给活塞推杆。

本发明的工作原理及流程简介如下：

缓冲原理包括薄壁金属管塑性变形缓冲、泡沫金属塑性变形、蓄能元件(压簧、碟型弹簧)储能与能量传递、摩擦等热耗散；

大致流程为锥环推杆的轴向运动引起胀环、泡沫金属填充块A、B、C和柔性多孔材料的塑性变形，吸收大量的冲击能量；压簧将冲击载荷传递给活塞推杆，活塞推杆的冲击，引起直流丝杠电机对阻尼挡片上升下降运动的控制，进而压缩泡沫金属填充块和碟型弹簧的变形，吸收和储存冲击能量。

3.优点及功效：本发明一种基于着陆机构的腿式机械缓冲器，其主要优点是：

(1)与其他机械缓冲相比，本发明的缓冲效果较好，由于采用复合式缓冲方式，利用多种缓冲结构的优点，泡沫金属塑性变形、薄壁金属管塑性变形缓冲等方式可以迅速大量的吸收冲击能量，也增大了对环境的适应性；

(2)与其他缓冲方式相比，缓冲性能稳定，由于采用直流丝杠电机控制了蓄能元件碟型弹簧的变形过程，使得缓冲回弹力变小可控，综合缓冲性能更稳定可靠；

(3)与其他自主式缓冲方式相比，缓冲结构简单，本发明只利用了一维反馈方式，控制部件少，控制参数也较少，整个的自主式缓冲对控制要求不高；

(4)第一、二级缓冲结构的串、并联设计，能够快速地达到缓冲效果，由于结构的串联设计而执行时的并联方式使得第二级缓冲比第一级缓冲结构延迟开始，充分利用每一级的缓冲效能的同时也提高了抗大冲击载荷的能力；

(5)部分部件可以多次循环使用，一定程度上降低了成本。

附图说明：

图1为本发明总体结构剖面等轴视图；

图2为本发明缓冲腔壳结构图；

图3为本发明胀环-锥环缓冲结构原理图；

图4为本发明第一级缓冲结构图。

图中符号说明如下：

1-上端盖；2-蝶形弹簧；3-直流丝杠电机；4-缓冲腔壳；5-电机丝杠导环；6-泡沫

金属填充块A；7-阻尼挡片；8-活塞推杆；9-底端盖；10-压簧；11-锥环推杆；12-

柔性多孔材料；13-泡沫金属填充块B；14-胀环；15-力传感器；16-泡沫金属填充

块C；17-上腔；18-分型面；19-下腔。

具体实施方式：

参见图1，本发明一种基于着陆机构的腿式机械缓冲器，它是由上端盖1、直流丝杠电机3、碟型弹簧2、阻尼挡片7、力传感器15、胀环14、活塞推杆8、锥环推杆11、缓冲腔壳4、电机丝杠导环5、泡沫金属填充块A6、泡沫金属填充块B13、泡沫金属填充块C16、柔性多孔材料12、底端盖9、压簧10组成；它们之间的位置连接关系是：上端盖1与缓冲腔壳4同轴焊接在一起、底端盖9通过螺钉与缓冲腔壳4同轴连接，形成缓冲器外部壳体。缓冲腔壳4下腔嵌入一胀环14。胀环14与缓冲腔壳4间由泡沫金属填充块B13填充，锥环推杆11中央开有一向上的盲孔，孔内自下向上嵌入压簧10与活塞推杆8。锥环推杆11、胀环14与活塞推杆8围成的空腔由柔性多孔材料12填充。至此形成缓冲器的一级缓冲结构。活塞推杆8上方放置一阻尼挡片7(其外圈与缓冲腔壳4的上腔内壁通过螺纹副连接)，力传感器15装在阻尼挡片7的卡槽内。阻尼挡片7与电机丝杠导环5通过螺栓组连接，电机丝杠导环5上设置一直流丝杠电机3，直流丝杠电机3的丝杠末端可以通过电机丝杠导环5、阻尼挡片7以及活塞推杆8的中孔。阻尼挡片7、直流丝杠电机3与缓冲腔壳4之间的空腔由泡沫金属填充块A6、C16与蝶形弹簧2间隔填充。至此形成缓冲器的二级缓冲结构。

所述上端盖1是类圆锥台形零件，上端盖1通过铰接片可与着陆器主体部分连接，其下平面开有四方形凹槽，用以固定直流丝杠电机3，凹槽尺寸根据所选择直流丝杠电机3设定。上端盖开有竖直的小通孔，用以通过直流丝杠电机3、力传感器15提供电源线及信号线；

所述直流丝杠电机3是四方形的直流伺服电机，输出轴为直径10mm的丝杠，主要功能是根据控制信号通过丝杠旋转控制阻尼挡片7旋转上升和下降。

所述碟型弹簧2是有支撑面的垫圈式弹簧，利用对合方式排布，主要用于暂时储存冲击能量

所述阻尼挡片7是圆柱状的零件，其外圆柱面有螺纹副，用以与缓冲腔内壁相配合，与电机丝杠导环5通过螺栓固连，用以在直流丝杠电机3的丝杠上旋转上升或下降，阻尼挡片7下端平面开有十字形凹槽，用以固定四个力传感器15，其主要功能一是压缩上腔内的碟型弹簧2和泡沫金属填充块C16填充物，同时通过自身的旋转上升控制活塞推杆8运动速度，并且也有一定的耗散冲击能量功能；

所述力传感器15是测量活塞推杆8推力；

所述胀环14是由多个厚度不完全相同的胀环14串联而成的结构，其直径较大的胀环14与直径较小胀环14间用锥面过渡。其功能是通过活塞推杆8周向挤压，使其发生塑性变形，吸收部分冲击能量，是一级缓冲结构的吸收能量的载体。

所述活塞推杆8是三园柱构成的长柱形体，在其大端处有一定深度的盲孔，其功能是将通过压簧10传递的载荷传给二级缓冲结构。

所述锥环推杆11是头部为园锥台状的长柱形体，在其锥形端开有盲孔，放置压簧10，同时与活塞推杆8存在间隙配合。其功能是，在受到冲击后锥形对胀环14、柔性多孔材料12和泡沫金属填充块B13进行压缩，同时通过压簧10传力给二级缓冲结构，是实现能量转换的。

所述缓冲腔壳4是圆筒形空腔，见图2，其结构可分为上腔17、下腔19和分型面18三个部分，其上腔17内壁为螺纹副，下腔19内壁光滑，它是整个缓冲器结构的保护罩，能够使缓冲器结构紧凑，有效地工作；

所述电机丝杠导环5是法兰盘结构，通过螺栓与阻尼挡片7固连。其功能是支撑和固定直流丝杠电机3的丝杠，使其沿着活塞推杆8顺利进行直线运动。

所述泡沫金属填充块A6、泡沫金属填充块B13、泡沫金属填充块C16是由铝合金制成的疏松多孔如蜂窝状的环形块体，主要功能是在受到冲击载荷的作用下发生塑性变形，吸收冲击能量，达到缓冲效能。

所述柔性多孔材料12是由非金属材料制成的疏松多孔的环形块体，主要功能是在受到冲击载荷的作用下发生塑性变形或破坏，吸收冲击能量，达到缓冲效能。

所述底端盖9是带有通孔的圆柱状法兰盘结构，通过螺钉与缓冲腔壳4固连，能够起到密封和支撑锥环推杆11的作用。

所述压簧10是两端磨平并紧的压缩弹簧，在冲击载荷作用时，通过压缩变形存储能量，同时将载荷传给活塞推杆8。

在着陆器着陆时，由于需要在非常短的时间内将速度减为零，因而着陆腿会受到非常大的冲击载荷作用。

当受到来至地面的轴向冲击载荷时，锥环推杆11沿轴向发生位移，周向挤压胀环14，轴向挤压柔性多孔材料12。胀环14和柔性多孔材料12受到挤压后均发生塑性变形，吸收力冲击的部分能量，达到缓冲效能。而由于胀环14的周向塑性变形，即胀环14直径变大，进而压缩填充在胀环14与壳体间的泡沫金属填充块B13，使泡沫金属填充块B13也在载荷的作用下发生塑性变形，吸收冲击能量，达到缓冲效能。

同时在锥环推杆11中的压簧10也由于锥环推杆11的轴向位移而受到冲击力后发生压缩变形，因而便可以将冲击载荷传递给活塞推杆8。活塞推杆8在受到压簧10的力后沿轴向运动，撞击阻尼挡片7和力传感器15，力传感器15将冲击力的大小信息反馈控制系统，进而通过控制系统控制直流丝杆电机3的正转和转速。直流丝杆电机3的丝杠的转动带动电机丝杠导环5及与其固连在一起的阻尼挡片7旋转上升，由于阻尼挡片7外螺纹和缓冲腔壳4内螺纹配合滑动，产生热能耗散。同时，阻尼挡片7的向内轴向进给挤压碟型弹簧2和泡沫金属填充块A6、C16，使得碟型弹簧2压缩蓄能，泡沫金属填充块A6、16C发生塑性变形吸收冲击能量。当活塞推杆8推到极限位置后，控制直流丝杆电机3反转和转速，电机丝杠导环5与阻尼挡片7旋转下降。此时，碟型弹簧2储存的能量也逐渐缓慢释放，形成反推活塞向外的力。至此完成第一次缓冲过程，直流丝杆电机3可以在一定程度上控制在一次缓冲后的反弹力，使得缓冲性能更加稳定可靠。

见图4，第一级缓冲结构原理解析：

薄壁金属管塑性变形缓冲器利用的是扩径变形过程中的弹性塑性变形和摩擦发热来吸收冲击能量的，图3所示为该缓冲器的工作原理图，它是由锥环推杆11和多个厚度不完全相同的胀环14串联而成，当外部输入冲击载荷超过设定的阈值时(与设计有关)，由于锥环推杆11大端的外径大于胀环14下端的内径，在锥环推杆11进入胀环14时，胀环14会发生扩径现象，外部的冲击能量转换为胀环14材料的弹性塑性变形及胀环14和锥环推杆11组件之间的摩擦热能，胀环14的扩径压缩外圈的泡沫金属填充块B13，使其发生塑性变形或破坏，冲击能量进一步转化成泡沫金属填充块B13的变形能。锥环推杆11同时也冲击柔性多孔材料12，从而达到了缓冲吸能的目的。

第二级缓冲结构原理解析：

当锥环推杆11轴向运动时，压簧10将冲击载荷传递到活塞推杆8上，活塞推杆8冲击挤压阻尼挡片7，此时直流丝杠电机3根据力传感器15反馈的作用力调节转速与转向，控制阻尼挡片7的旋转上升或下降，挤压上腔内的泡沫金属填充块C16和碟型弹簧2，由于阻尼挡片7与缓冲腔壳4的内壁通过螺纹副链接，在旋转过程通过摩擦与切割发热，从而吸收冲击能量。上腔内碟型弹簧2的对合放置承载形式放置，可以增大碟型弹簧2的形变量，碟型弹簧2与泡沫金属填充块C16的相间隔布置，使得塑性变形和碟型弹簧2的储能过程交替，缓冲更加平稳，碟型弹簧2和泡沫金属填充块C16的同时作用也使得在阻尼挡片7向上运动过程更多的冲击能量被吸收。

Claims (1)

1.一种基于着陆机构的腿式机械缓冲器，其特征在于：它是由上端盖、直流丝杠电机、碟型弹簧、阻尼挡片、力传感器、胀环、活塞推杆、锥环推杆、缓冲腔壳、电机丝杠导环、泡沫金属填充块A、B、C填充物、柔性多孔材料、底端盖、压簧组成；上端盖与缓冲腔壳同轴连接在一起、底端盖通过螺钉与缓冲腔壳同轴连接，形成缓冲器外部壳体，缓冲腔壳下腔嵌入一胀环，胀环与缓冲腔壳间由泡沫金属填充块B填充，锥环推杆中央开有一向上的盲孔，孔内自下向上嵌入压簧与活塞推杆，锥环推杆、胀环与活塞推杆围成的空腔由柔性多孔材料填充，至此形成缓冲器的一级缓冲结构；活塞推杆上方放置一阻尼挡片，其外圈与缓冲腔壳的上腔内壁通过螺纹副连接，力传感器装在阻尼挡片的卡槽内；阻尼挡片与电机丝杠导环通过螺栓组连接，电机丝杠导环上安置一直流丝杠电机，直流丝杠电机的丝杠末端通过电机丝杠导环、阻尼挡片以及活塞推杆的中孔，阻尼挡片、直流丝杠电机与缓冲腔壳之间的空腔由泡沫金属填充块A、C与蝶形弹簧间隔填充，至此形成缓冲器的二级缓冲结构；

所述上端盖是类圆锥台形零件，上端盖通过铰接片与着陆器主体部分连接，其下平面开有四方形凹槽，用以固定直流丝杠电机，凹槽尺寸根据所选择直流丝杠电机设定；上端盖开有竖直的小通孔，用以通过直流丝杠电机、力传感器提供的电源线及信号线；

所述直流丝杠电机是四方形的直流伺服电机，输出轴为直径10mm的丝杠，功能是根据控制信号通过其丝杠旋转控制阻尼挡片旋转上升和下降；

所述碟型弹簧是有支撑面的垫圈式弹簧，利用对合方式排布，用于储存冲击能量；

所述阻尼挡片是圆柱状的零件，其外圆柱面有螺纹副，用以与缓冲腔内壁相配合，与电机丝杠导环通过螺栓固连，用以在直流丝杠电机的丝杠上旋转上升或下降，阻尼挡片下端平面开有十字形凹槽，用以固定四个力传感器，其功能一是压缩上腔内的碟型弹簧和泡沫金属填充块A、C填充物，同时通过自身的旋转上升控制活塞推杆运动速度，并且也能耗散冲击能量；

所述力传感器是选用市购件的规格型号，其作用是测量活塞推杆推力；

所述胀环是由多个厚度不完全相同的胀环串联而成的结构，其直径较大的胀环与直径较小胀环间用锥面过渡；其功能是通过活塞推杆周向挤压，使其发生塑性变形，吸收部分冲击能量，是一级缓冲结构的吸收能量的载体；

所述活塞推杆是三园柱构成的长柱形体，在其大端处设置有预定深度的盲孔，其功能是将通过压簧传递的载荷传给二级缓冲结构；

所述锥环推杆是头部为园锥台状的长柱形体，在其园锥台端开有盲孔，放置压簧，同时与活塞推杆存在间隙配合；其功能是在受到冲击后锥环推杆对胀环、柔性多孔材料和泡沫金属填充块B进行压缩，同时通过压簧传力给二级缓冲结构，实现能量转换；

所述缓冲腔壳是圆筒形阶梯形空腔，其结构可分为上腔、下腔和分型面三个部分，其上腔内壁为螺纹副，下腔内壁光滑，它是整个缓冲器结构的保护罩，能够使缓冲器结构紧凑，有效地工作；

所述电机丝杠导环是法兰盘结构，通过螺栓与阻尼挡片固连；其功能是支撑和固定直流丝杠电机的丝杠，使其沿着活塞推杆顺利进行直线运动；

所述泡沫金属填充块A、泡沫金属填充块B、泡沫金属填充块C填充物是由金属合金材料制成的疏松多孔蜂窝状的环形块体，其功能是在受到冲击载荷的作用下发生塑性变形，吸收冲击能量，达到缓冲效能；

所述柔性多孔材料是由非金属材料制成的疏松多孔的环形块体，同载荷下变形较泡沫金属填充块大，其功能是在受到冲击载荷的作用下发生塑性变形，吸收冲击能量，达到缓冲效能；

所述底端盖是带有通孔的圆柱状法兰盘结构，通过螺钉与缓冲腔壳固连，能够起到密封和支撑锥形推杆的作用；

所述压簧是两端磨平并紧的压缩弹簧，在冲击载荷作用时，通过压缩变形存储能量，同时将载荷传给活塞推杆。

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