CN103016604A - 压电晶片式自供能液压阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压电晶片式自供能液压阻尼器，属于减振器。缸盖安装在缸体上端，弹簧通过活塞压接在缸体下腔内，振动体固定在活塞杆上，蓄能器与缸体上腔连通；安装在缸体外壁的连接板依次将设有限位曲面的前压块、中间压块和后压块压接在壳体内；相邻两压块间分别压接有压电振子，各限位腔及阻尼腔通过其相邻压块上的流道与缸体上腔或下腔连通；所述各阻尼腔内均设有一个单向阀。优点是采用限位曲面控制压电振子的变形形状，两侧同时受系统背压作用的压电振子非工作状态下不产生弯曲变形，故可靠性高、发电能力及阻尼调节能力较强。

Description

压电晶片式自供能液压阻尼器

技术领域

本发明属于振动控制技术领域应用的减振器，具体涉及一种基于压电晶片发电并调节阻尼的液压减振器，简称压电晶片式自供能液压阻尼器。

背景技术

液压阻尼器在交通工具、机械设备等的振动控制领域已有广泛应用。早期的被动式液压阻尼器结构简单、成本低、技术较成熟，但因阻尼不可调，其减振效果及环境的适应性较差，不适于某些要求振动控制效果较好的场合，如汽车发动机及车架悬置、大型精密仪器设备减振等。因此，人们提出了主动式、半主动式可调液压阻尼器，即利用电机驱动液压泵提供动力、并由电磁换向/溢流/减压阀进行控制的主动式可调阻尼器，如中国发明专利CN1367328A、CN101392809A等。比之于被动式不可调液压阻尼器，主动式可调液压阻尼器的控制效果好、振动环境的适应能力强，已在汽车主动悬置等方面获得成功应用；但现有的主动式液压阻尼调节技术也存在一些不足，如：①需要较大的泵站进行驱动、多个电磁阀进行联合控制，②需要传感器进行振动状态的检测，③需要持续的外部能量供应。因此，现有的主动式可调液压阻尼器的系统体积庞大、连接及控制较复杂、可靠性较低，在应用上存在一定的局限性。

鉴于现有压电及液压主动振动控制技术自身结构、控制能力以及依赖外界能量供应等问题，发明人曾提出了一种基于压电叠堆换能器与流体耦合作用回收能量并进行阻尼调节的自供能可调阻尼阻尼器，即中国专利201110275849.6。为使该压电液压阻尼器具有较好的能量回收和阻尼调节效果，整个系统必须施加足够的背压，以便提高系统内流体刚度及其响应特性。在这种工作模式下，压电叠堆在非工作时就已承受了较大的流体作用力，从而降低其工作时的发电能力及控制能力；此外，因压电叠堆成本较高，会对产品的推广应用造成一定的不利影响。

发明内容

本发明提供一种压电晶片式自供能液压阻尼器，以解决现有压电液压减振器以及压电叠堆式自供能可调液压阻尼器所存在的可靠性低的问题。

本发明采取的技术方案是：缸盖安装在缸体上端，弹簧通过活塞压接在缸体下腔内，振动体固定在活塞杆上，蓄能器通过管路与缸体上腔连通，壳体通过螺钉安装在缸体外壁的连接板上；连接板依次将设有限位曲面的前压块、中间压块和后压块压接在壳体内；所述前压块和后压块的一侧、以及中间压块的两侧设有限位曲面H；所述相邻两压块间分别压接有压电振子一和压电振子二，自左至右依次构成阻尼腔一、限位腔一、阻尼腔二和限位腔二；前压块上设有与阻尼腔一连通的上流道一及下流道一，中间压块上设有与限位腔二连通的上流道二和与限位腔一连通的下流道二，后压块上设有与阻尼腔二连通的上流道三和下流道三；所述各上流道相互连通后再与缸体上腔连通，所述各下流道相互连通后再与缸体下腔连通；阻尼腔一内与下流道一入口的交汇处设有单向阀一，阻尼腔二内与上流道三入口的交汇处设有单向阀二；压电振子一和压电振子二分别通过导线组一和导线组二与控制单元连接，控制单元通过螺钉安装在缸体外壁的连接板上。

本发明中，阻尼腔的作用是通过改变压电振子与限位曲面H间的间隙调节阻尼，阻尼腔及限位腔的作用是限制压电振子在流体或电压作用下的变形量。为使阻尼器具有最大发电量、最大阻尼调节量、以及最大的可靠性，阻尼腔及限位腔的限位曲面H的形状曲线w(r)应为：

$w\left(r\right)=\frac{(1-{\mathrm{\υ}}_c^2)}{2(3+{\mathrm{\υ}}_c)E_{c}h{R}^2}(\frac{5+\mathrm{\υ}}{1+{\mathrm{\υ}}_c}{R}^2-r^2)(R^2-r^2)T^{*};$

式中： $E_c=[\frac{2\mathrm{\α}}{(1-2\mathrm{\α})\mathrm{\ξ}}+\frac{1+{\mathrm{\υ}}_p}{1+{\mathrm{\υ}}_m}][\frac{2\mathrm{\α}}{(1-2\mathrm{\α})\mathrm{\ξ}}+\frac{1-{\mathrm{\υ}}_p}{1-{\mathrm{\υ}}_m}]E_p/\left\{\frac{1}{(1-2\mathrm{\α})\mathrm{\ξ}}\right[\frac{2\mathrm{\α}}{(1-2\mathrm{\α})\mathrm{\ξ}}+\frac{1-{\mathrm{\υ}}_p^2}{1-{\mathrm{\υ}}_m^2}\left]\right\},$ ${\mathrm{\υ}}_c=[\frac{1-2\mathrm{\α}}{2\mathrm{\α}}\mathrm{\ξ}{\mathrm{\υ}}_m+\frac{1-{\mathrm{\υ}}_m^2}{1-{\mathrm{\υ}}_p^2}{\mathrm{\υ}}_p]/[\frac{1-2\mathrm{\α}}{2\mathrm{\α}}\mathrm{\ξ}+\frac{1-{\mathrm{\υ}}_m^2}{1-{\mathrm{\υ}}_p^2}],$ α＝h_p/h，ξ＝E_m/E_p，h为压电振子总厚度，h_p为单层压电晶片厚度，υ_m、υ_p分别为基板和压电晶片材料的泊松比，E_m和E_p分别为基板和压电晶片材料的弹性模量，R为压电振子直径，T^*为压电晶片材料的许用拉应力，r为限位曲面上某一点到其对称中心的距离。

在非工作状态下，活塞在弹簧、振动体及流体压力作用下处于静止状态，缸体上腔和缸体下腔、阻尼腔一、限位腔一、阻尼腔二及限位腔二相互连通，其内流体压力均为蓄能器的预置压力，压电振子一及压电振子二两侧所受流体压力相等，不产生弯曲变形。阻尼器进入稳态工作后，液压缸活塞随振动体的振动而上下运动，进而使系统内的流体压力分布状态、以及压电振子一或压电振子二的受力状态发生变化。在半个振动周期内，仅一个压电振子，如压电振子一，因其两侧流体压力不等而产生弯曲变形，将机械能转换成电能，并输送给电控单元，此为发电过程；同时，另一压电振子，如压电振子二，因其两侧流体压力相等而保持平衡状态，此时控制单元为其输出电能并使其产生弯曲变形，从而改变该压电振子与限位曲面间的间隙，即改变流体流动阻尼的大小，此为阻尼调节过程。

本发明优点是：①采用限位曲面控制晶片型压电振子的变形形状，从而确保压电振子不致因变形过大而损毁，故可靠性高；② 晶片型压电振子两侧同时受系统背压作用，非工作状态下不产生弯曲变形，故单个压电振子的发电能力及阻尼调节能力较强；③用于阻尼调节的电能由压电振子产生，根据振动体振动状态暨压电振子发电状态自动调节阻尼，无需额外的传感器及能量供应。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例的结构剖面示意图；

图2是本发明一个较佳实施例图1的A-A剖视图；

图3是本发明一个较佳实施例活塞向上运动时的结构剖面示意图；

图4是本发明一个较佳实施例活塞向下运动时的结构剖面示意图；

图5是本发明一个较佳实施例压电振子的结构示意图；

图6是图5的剖视图。

具体实施方式：

缸盖5通过螺纹安装在缸体1上端，弹簧2通过活塞3压接在缸体1下腔C11内，振动体7通过螺母8固定在活塞杆6上，蓄能器4通过管路与缸体1上腔C12连通，壳体9通过螺钉安装在缸体1外壁的连接板101上；所述连接板101依次将前压块10、中间压块11和后压块12压接在所述壳体9内；所述前压块10和后压块12的一侧、以及中间压块11的两侧设有限位曲面H；在所述前压块10与中间压块11之间、中间压块11与后压块12之间分别通过密封圈13压接有由金属基板141和压电晶片142粘接而成的压电振子一14’和压电振子二14；所述压电振子一14’与前压块10及中间压块11的限位曲面H间分别构成阻尼腔一C1和限位腔一C2；所述压电振子二14与后压块12及中间压块11的限位曲面H间分别构成阻尼腔二C4和限位腔二C3；所述前压块10上设有与阻尼腔一C1连通的上流道一L11及下流道一L12；中间压块11上设有与限位腔二C3连通的上流道二L21和与限位腔一C2连通的下流道二L22；后压块12上设有与阻尼腔二C4连通的上流道三L31和下流道三L32；所述前压块10、中间压块11及后压块12上分别设有相互连通的导线通道一L13、导线通道二L23和导线通道三L33；所述上流道一L11、上流道二L21和上流道三L31相互连通后再与缸体1上腔C12连通；所述下流道一L12、下流道二L22和下流道三L32相互连通后再与缸体1下腔C11连通；阻尼腔一C1内与下流道一L12入口的交汇处设有单向阀一15’，阻尼腔二C4内与上流道三L31入口的交汇处设有单向阀二15；所述压电振子一14’和压电振子二14分别通过导线组一18和导线组二16与控制单元17连接，所述控制单元17通过螺钉安装在缸体1外壁的连接板101上。

本发明中，阻尼腔的作用是通过改变压电振子与限位曲面H间的间隙调节阻尼，阻尼腔及限位腔的作用是限制压电振子在流体或电压作用下的变形量。为使阻尼器具有最大发电量、最大阻尼调节量、以及最大的可靠性，阻尼腔及限位腔的限位曲面H的形状曲线

应为：

$w\left(r\right)=\frac{(1-{\mathrm{\υ}}_c^2)}{2(3+{\mathrm{\υ}}_c)E_{c}h{R}^2}(\frac{5+\mathrm{\υ}}{1+{\mathrm{\υ}}_c}{R}^2-r^2)(R^2-r^2)T^{*};$

式中： $E_c=[\frac{2\mathrm{\α}}{(1-2\mathrm{\α})\mathrm{\ξ}}+\frac{1+{\mathrm{\υ}}_p}{1+{\mathrm{\υ}}_m}][\frac{2\mathrm{\α}}{(1-2\mathrm{\α})\mathrm{\ξ}}+\frac{1-{\mathrm{\υ}}_p}{1-{\mathrm{\υ}}_m}]E_p/\left\{\frac{1}{(1-2\mathrm{\α})\mathrm{\ξ}}\right[\frac{2\mathrm{\α}}{(1-2\mathrm{\α})\mathrm{\ξ}}+\frac{1-{\mathrm{\υ}}_p^2}{1-{\mathrm{\υ}}_m^2}\left]\right\},$ ${\mathrm{\υ}}_c=[\frac{1-2\mathrm{\α}}{2\mathrm{\α}}\mathrm{\ξ}{\mathrm{\υ}}_m+\frac{1-{\mathrm{\υ}}_m^2}{1-{\mathrm{\υ}}_p^2}{\mathrm{\υ}}_p]/[\frac{1-2\mathrm{\α}}{2\mathrm{\α}}\mathrm{\ξ}+\frac{1-{\mathrm{\υ}}_m^2}{1-{\mathrm{\υ}}_p^2}],$ α＝h_p/h，ξ＝E_m/E_p，h为压电振子总厚度，h_p为单层压电晶片厚度，υ_m、υ_p分别为基板和压电晶片材料的泊松比，E_m和E_p分别为基板和压电晶片材料的弹性模量，R为压电振子直径，T^*为压电晶片材料的许用拉应力，r为限位曲面上某一点到其对称中心的距离。

如图1、图2所示，在非工作状态下，活塞3在弹簧2、振动体7及流体压力作用下处于静止状态，缸体1上腔C12和缸体1下腔C11、阻尼腔一C1、限位腔一C2、阻尼腔二C4及限位腔二C3相互连通，其内流体压力均为蓄能器4的预置压力，压电振子一14’及压电振子二14两侧所受流体压力相等，不产生弯曲变形。阻尼器进入稳态工作后，液压缸活塞3随振动体7的振动而上下运动，进而使系统内的流体压力分布状态、以及压电振子一14’或压电振子二14的受力状态发生变化。在半个振动周期内，仅一个压电振子，如压电振子一14’，因其两侧流体压力不等而产生弯曲变形，将机械能转换成电能，并输送给电控单元17，此为发电过程；同时，另一压电振子，如压电振子二14，因其两侧流体压力相等而保持平衡状态，此时控制单元17为其输出电能并使其产生弯曲变形，从而改变该压电振子与限位曲面间的间隙，即改变流体流动阻尼的大小，此为阻尼调节过程。

如图3所示，当活塞3暨振动体7受外力作用开始向上运动时：缸体1上腔C12内的流体压力增加、下腔C11内流体压力降低，单向阀一15’关闭、单向阀二15开启，阻尼腔一C1压力升高、限位腔一C2压力降低，从而使压电振子一14’向右弯曲变形，并将机械能转换成电能，所生成电能经导线组一18传输给电控单元17，此为压电振子一14’的发电过程；同时，因限位腔二C3与阻尼腔二C4经上流道二L21和上流道三L31连通而使压电振子二14两侧流体压力相等，故压电振子二14不会因流体作用产生弯曲变形，此时，电控单元17将压电振子一14’所产生的电能经转换处理后施加到压电振子二14，使其向右弯曲变形，并减小压电振子二14与后压块12上的限位曲面H之间的间隙，从而起到了增加阻尼的作用，此为压电振子二14的阻尼调节过程。

如图4所示，当活塞3受外力作用开始向下运动时：缸体1上腔C12内的流体压力降低、下腔C11内流体压力增加，单向阀一15’开启、单向阀二15关闭，阻尼腔二C4压力升高、限位腔二C3压力降低，致使压电振子二14向左弯曲变形，并将机械能转换成电能，所生成电能经导线组二16传输给电控单元17，此为压电振子二14的发电过程；同时，因限位腔一C2与阻尼腔一C1经下流道二L22和下流道一L12连通而使压电振子一14’两侧流体压力相等，故压电振子一14’不会因流体作用产生弯曲变形，此时，电控单元17将压电振子二14所产生的电能经转换处理后施加到压电振子一14’，使其向左弯曲变形，并减小压电振子一14’与前压块10上的限位曲面H之间的间隙，从而起到了增加阻尼的作用，此为压电振子一14’的阻尼调节过程。

Claims (2)

1.一种压电晶片式自供能液压阻尼器，其特征在于：缸盖安装在缸体上端，弹簧通过活塞压接在缸体下腔内，振动体固定在活塞杆上，蓄能器通过管路与缸体上腔连通，壳体通过螺钉安装在缸体外壁的连接板上；连接板依次将设有限位曲面的前压块、中间压块和后压块压接在壳体内；所述前压块和后压块的一侧、以及中间压块的两侧设有限位曲面H；所述相邻两压块间分别压接有压电振子一和压电振子二，自左至右依次构成阻尼腔一、限位腔一、阻尼腔二和限位腔二；前压块上设有与阻尼腔一连通的上流道一及下流道一，中间压块上设有与限位腔二连通的上流道二和与限位腔一连通的下流道二，后压块上设有与阻尼腔二连通的上流道三和下流道三；所述各上流道相互连通后再与缸体上腔连通，所述各下流道相互连通后再与缸体下腔连通；阻尼腔一内与下流道一入口的交汇处设有单向阀一，阻尼腔二内与上流道三入口的交汇处设有单向阀二；压电振子一和压电振子二分别通过导线组一和导线组二与控制单元连接，控制单元通过螺钉安装在缸体外壁的连接板上。

2.根据权利要求1所述压电晶片式自供能液压阻尼器，其特征在于：限位曲面H的形状曲线w(r)由下式确定：

$w\left(r\right)=\frac{(1-{\mathrm{\υ}}_c^2)}{2(3+{\mathrm{\υ}}_c)E_{c}h{R}^2}(\frac{5+\mathrm{\υ}}{1+{\mathrm{\υ}}_c}{R}^2-r^2)(R^2-r^2)T^{*};$

式中： $E_c=[\frac{2\mathrm{\α}}{(1-2\mathrm{\α})\mathrm{\ξ}}+\frac{1+{\mathrm{\υ}}_p}{1+{\mathrm{\υ}}_m}][\frac{2\mathrm{\α}}{(1-2\mathrm{\α})\mathrm{\ξ}}+\frac{1-{\mathrm{\υ}}_p}{1-{\mathrm{\υ}}_m}]E_p/\left\{\frac{1}{(1-2\mathrm{\α})\mathrm{\ξ}}\right[\frac{2\mathrm{\α}}{(1-2\mathrm{\α})\mathrm{\ξ}}+\frac{1-{\mathrm{\υ}}_p^2}{1-{\mathrm{\υ}}_m^2}\left]\right\},$ ${\mathrm{\υ}}_c=[\frac{1-2\mathrm{\α}}{2\mathrm{\α}}\mathrm{\ξ}{\mathrm{\υ}}_m+\frac{1-{\mathrm{\υ}}_m^2}{1-{\mathrm{\υ}}_p^2}{\mathrm{\υ}}_p]/[\frac{1-2\mathrm{\α}}{2\mathrm{\α}}\mathrm{\ξ}+\frac{1-{\mathrm{\υ}}_m^2}{1-{\mathrm{\υ}}_p^2}],$ α＝h_p/h，ξ＝E_m/E_p，h为压电振子总厚度，h_p为单层压电晶片厚度，υ_m、υ_p分别为基板和压电晶片材料的泊松比，E_m和E_p分别为基板和压电晶片材料的弹性模量，R为压电振子直径，T^*为压电晶片材料的许用拉应力，r为限位曲面上某一点到其对称中心的距离。

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