CN104405809A - 一种环形弹簧式弹塑性缓冲吸能装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环形弹簧式弹塑性缓冲吸能装置，包括单锥面内圆环，双锥面内圆环，双锥面弹塑性外圆环三种部件。内圆环部件采用弹性材料，要求其材料强度高于外圆环部件所采用的弹塑性材料。所有部件锥面角度均相等，保证配合。装置的两端为单锥面内圆环，中间为若干个双锥面内圆环和双锥面弹塑性外圆环交替排列。内外圆环部件壁厚相当，因内圆环材料强度远大于外圆环材料，可确保内圆环结构刚度明显大于外圆环，变形主要集中在外圆环。本发明结构简单，便于加工、装配。各部件应力应变状态简单，变形均匀稳定，材料利用率高。缓冲力可靠稳定，压缩行程大，缓冲容量高。尤其重要的是，采用简单重复结构，便于标准化、系列化的生产，而各使用单位设计人员可以自由、灵活选用。

Description

一种环形弹簧式弹塑性缓冲吸能装置

技术领域

本发明涉及一种适用于车辆、机械等领域的缓冲装置，尤其是涉及一种环形弹簧式弹塑性缓冲吸能装置。

背景技术

环形弹簧是一种常用的缓冲器，由多个带内锥面的外圆环和带有同样锥角之外锥面的内圆环配合而成，内外圆环的尺寸和数量可以根据载荷和变形要求确定，当环形弹簧承受轴向载荷时，内外圆环相互挤压，沿着圆锥面相对滑动，产生轴向位移，起到弹簧作用，同时内、外圆环间产生巨大的摩擦力，可以在变形过程中耗散大量能量，常用于空间受限而又需要强力缓冲的场合。传统环形弹簧都设计在材料的弹性范围内工作，但受制于弹簧钢材料弹性限的约束，轴向相对变形较小(约10％)，缓冲容量有限。

最近本发明人向国家知识产权局申请了一项发明专利“一种大行程高耗能的形状记忆合金缓冲器”，专利申请号201410209794.2，并且同时申请了实用新型专利并已获批(ZL201420256333.6)。利用形状记忆合金材料和弹簧钢配合组成环形弹簧，其中内圆环由弹簧钢材料制成，外圆环由形状记忆合金材料制成。选择恰当的内、外圆环厚度保证内圆环刚度明显大于外圆环刚度，内圆环始终处于弹性状态，不会发生塑性变形，也不会发生结构屈曲，变形主要集中在形状记忆合金材料制成的外圆环。通过合适的几何参数设计，当行程达到最大时，形状记忆合金材料应变达到最大容许值，实现较大的轴向相对变形，同时保证形状记忆合金材料可重复使用。该设计结构简单，便于加工、装配。形状记忆合金材料处于环向拉伸状态，应力状态简单、均匀，材料利用率高。相比传统的环形弹簧缓冲器，相对压缩变形有了显著提高(约40％)。形状记忆合金相变耗能和摩擦耗能结合，能量耗散能力更高。当压缩位移较大时，载荷几乎保持恒值，是一种近乎理想的缓冲装置。但该设计的局限性在于，所用形状记忆合金材料较为昂贵，仅适合高价值的重要设备的多次缓冲保护，不适宜一般设备的单次防碰撞使用。

铁路车辆中经常使用的一类碰撞能量吸收装置——扩张式压溃装置，在专利“扩张式压溃装置，ZL200820180063.X”，“扩张式吸能装置，201120310785.4”中均有介绍，基本原理相同：内顶杆强行压入变形管，变形管发生径向膨胀，通过变形管的塑性变形来缓冲、吸收能量。此外，还有面向其它使用场合的设计，如“一种吸能器，201120309076.4”等，也采用了相同的设计原理。此类装置变形可靠，缓冲力基本恒定，缓冲容量大，是一种良好的适合单次使用的能量吸收装置。此类设计的主要缺陷在于：需要根据具体应用场合的载荷力幅值和缓冲行程来确定缓冲装置的尺寸，包括变形管的直径、壁厚和长度等，以及对应的内顶杆的相关尺寸，并且还须对变形管进行预扩张等处理。这样的结果在于，对于每一个应用场合都需要单独设计，单独制作，事实上是限制了此类装置的大规模推广应用。

发明内容

本发明的目的就是结合现有缓冲设计的优点，利用常规金属材料，设计一种造价低廉，加工容易，结构简单，使用可靠，缓冲行程大，耗能容量高，并且具有多种应用场合通用性的缓冲吸能装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：借鉴现有环形弹簧的基本结构，其中内圆环由强度较高的弹簧钢等材料制成，外圆环用软钢或者铝合金等弹塑性金属材料制成。选择恰当的内、外圆环厚度保证内圆环刚度明显大于外圆环刚度，内圆环始终处于弹性状态，不会发生塑性变形，也不会发生结构屈曲，变形主要集中在弹塑性金属材料制成的外圆环。通过合适的几何参数设计，当行程达到最大时，外圆环材料应变达到最大容许值，实现较大的轴向相对变形，同时保证外圆环不会发生断裂等意外情况。

本发明一种环形弹簧式弹塑性缓冲吸能装置，包括单锥面内圆环，双锥面内圆环，双锥面弹塑性外圆环三种部件，其中该环形弹簧式弹塑性缓冲吸能装置的两端为单锥面内圆环，中间部分根据实际行程的需要，选择若干个双锥面弹塑性外圆环和双锥面内圆环交替排列，重叠装配而成；所有三种部件锥面角度均相等，保证配合；双锥面内圆环可以从中间对称面切割成两个单锥面内圆环；单锥面内圆环和双锥面内圆环组成内圆环部件，双锥面弹塑性外圆环为外圆环部件，内、外圆环部件壁厚相当，因内圆环部件材料强度远大于外圆环部件材料，可确保内圆环部件结构刚度明显大于外圆环部件结构刚度，变形主要集中在外圆环；双锥面内圆环高度略高于双锥面弹塑性外圆环高度，可保证完全压实时，由刚度较大的单锥面内圆环、双锥面内圆环承受轴向压力。

进一步的，根据双锥面弹塑性外圆环选用的弹塑性材料的最大容许塑性应变，选取合适的锥角，可以实现最大约40％的轴向相对压缩量。

进一步的，若容许塑性应变较大，则内、外圆环可以选择较大的锥角，相同情况下装置轴力更大，意味着缓冲耗能容量也更大。

进一步的，当锥面角度等几何形状参数确定以后，该环形弹簧式弹塑性缓冲吸能装置的轴力大小完全由双锥面弹塑性外圆环直径确定。

使用时，在两端施加轴向压缩载荷，装置轴向尺寸缩短，内外圆环相互挤压，因为设计的内圆环刚度明显大于外圆环刚度，故变形主要集中在外圆环，内圆环变形可以忽略，外圆环被扩径涨开，应力状态主要表现为环向拉应力，同时内、外圆环间产生摩擦力，摩擦力大小与正压力成比例，间接的和外圆环的环向拉应力成比例。加载初始时，外圆环处于弹性状态，应力随环向应变线性增加，轴向力随位移线性增加；当轴向位移到达一定程度，外圆环材料开始发生塑性变形，应力几乎保持恒定，摩擦力大小也不再增加，此时对应的轴向作用力也保持恒定，直到加载结束。当轴向变形较小时，外圆环材料尚处于弹性阶段，性能与传统的环形弹簧类似，加载结束时还可以恢复到初始形状；当变形较大时，塑性耗能和摩擦耗能共同作用，耗散大量冲击能量。

本设计可以直接作为压缩型缓冲装置。在具体工程应用中，若有需要，也可把本设计装置作为核心部分，配套设计相应的封装部件，使装置对外表现为压缩型缓冲装置，拉伸型缓冲装置或者拉压型缓冲装置。此类封装部件的设计为机械设计中常规技术，故不再详细说明，而视为本领域技术人员已经普遍掌握的技能。

本发明的优点和积极效果为：

本设计结构简单，便于加工、装配。各部件应力应变状态简单，变形均匀稳定，材料利用率高。缓冲力可靠稳定，压缩行程大，缓冲容量高。尤其重要的是，采用简单重复结构，便于标准化、系列化的生产，而各使用单位设计人员可以自由、灵活选用。

附图说明

图1为多个单元串联缓冲装置的初始构形剖视图；

图2为多个单元串联缓冲装置经过一定压缩变形后剖视图；

图中：1-单锥面内圆环，2-双锥面弹塑性外圆环，3-双锥面内圆环。

具体实施方式

下面结合技术方案和参照附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

本发明的一种实施例，如图1所示，包括单锥面内圆环1，双锥面内圆环3，双锥面弹塑性外圆环2三种部件。装置的两端为单锥面内圆环1，中间部分根据实际行程的需要，选择若干个双锥面弹塑性外圆环2和双锥面内圆环3交替排列，重叠装配而成。

单锥面内圆环1，双锥面内圆环3采用弹簧钢等高强度材料制造，双锥面弹塑性外圆环2采用软钢或者铝合金制造。所有三种部件锥面角度均相等，保证配合。双锥面内圆环3可以从中间对称面切割成两个单锥面内圆环1。双锥面内圆环3和双锥面弹塑性外圆环2壁厚相当，因弹簧钢材料强度远大于软钢或者铝合金材料塑性屈服应力，可确保双锥面内圆环3结构刚度明显大于双锥面弹塑性外圆环2，变形主要集中在双锥面弹塑性外圆环2。双锥面内圆环3高度略高于双锥面弹塑性外圆环2高度，可保证完全压实时，由刚度较大的双锥面内圆环3和单锥面内圆环1承受轴向压力。根据双锥面弹塑性外圆环2选用的金属材料的最大容许塑性应变，选取合适的锥角，可以实现最大约40％的轴向相对压缩量，具体说来，若容许塑性应变较大，则可以选择较大的锥角，相同情况下装置轴力更大，意味着缓冲耗能容量也更大。

使用时，在两端的单锥面内圆环1施加轴向压缩载荷，装置轴向尺寸缩短，内外圆环相互挤压，因为设计的单锥面内圆环1、双锥面内圆环3刚度明显大于双锥面弹塑性外圆环2的刚度，故变形主要集中在双锥面弹塑性外圆环2，单锥面内圆环1、双锥面内圆环3变形很小，双锥面弹塑性外圆环2被扩径涨开，应力状态主要表现为环向拉应力，同时内、外圆环间产生摩擦力，摩擦力大小与正压力成比例，间接的和双锥面弹塑性外圆环2的环向拉应力成比例。加载初始时，双锥面弹塑性外圆环2处于弹性状态，应力随环向应变线性增加，轴向力随位移线性增加；当轴向位移到达一定程度，双锥面弹塑性外圆环2材料开始发生塑性变形，应力几乎保持恒定，摩擦力大小也不再增加，此时对应的轴向作用力也保持恒定，直到加载结束。当轴向变形较小时，双锥面弹塑性外圆环2中材料尚处于弹性阶段，装置性能与传统的环形弹簧类似，加载结束时还可以恢复到初始形状；当变形较大时，塑性耗能和摩擦耗能共同作用，耗散大量冲击能量，不再能够恢复原状，如图2所示。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种环形弹簧式弹塑性缓冲吸能装置，其特征在于：包括单锥面内圆环(1)，双锥面内圆环(3)，双锥面弹塑性外圆环(2)三种部件，其中该环形弹簧式弹塑性缓冲吸能装置的两端为单锥面内圆环(1)，中间部分根据实际行程的需要，选择若干个双锥面弹塑性外圆环(2)和双锥面内圆环(3)交替排列，重叠装配而成；所有三种部件锥面角度均相等，保证配合；双锥面内圆环(3)可以从中间对称面切割成两个单锥面内圆环(1)；单锥面内圆环(1)和双锥面内圆环(3)组成内圆环部件，双锥面弹塑性外圆环(2)为外圆环部件，内、外圆环部件壁厚相当，因内圆环部件材料强度远大于外圆环部件材料，可确保内圆环部件结构刚度明显大于外圆环部件结构刚度，变形主要集中在外圆环；双锥面内圆环(3)高度略高于双锥面弹塑性外圆环(2)高度，可保证完全压实时，由刚度较大的单锥面内圆环(1)、双锥面内圆环(3)承受轴向压力。

2.根据权利要求1所述的一种环形弹簧式弹塑性缓冲吸能装置，其特征在于：根据双锥面弹塑性外圆环(2)选用的弹塑性材料的最大容许塑性应变，选取合适的锥角，可以实现最大约40％的轴向相对压缩量。

3.根据权利要求1所述的一种环形弹簧式弹塑性缓冲吸能装置，其特征在于：若容许塑性应变较大，则内、外圆环可以选择较大的锥角，相同情况下装置轴力更大，意味着缓冲耗能容量也更大。

4.根据权利要求1所述的一种环形弹簧式弹塑性缓冲吸能装置，其特征在于：当锥面角度等几何形状参数确定以后，该环形弹簧式弹塑性缓冲吸能装置的轴力大小完全由双锥面弹塑性外圆环(2)直径确定。

5.根据权利要求1所述的一种环形弹簧式弹塑性缓冲吸能装置，其特征在于：使用时，在两端施加轴向压缩载荷，装置轴向尺寸缩短，内外圆环相互挤压，因为设计的内圆环刚度明显大于外圆环刚度，故变形主要集中在外圆环，内圆环变形可以忽略，外圆环被扩径涨开，应力状态主要表现为环向拉应力，同时内、外圆环间产生摩擦力，摩擦力大小与正压力成比例，间接的和外圆环的环向拉应力成比例；加载初始时，外圆环处于弹性状态，应力随环向应变线性增加，轴向力随位移线性增加；当轴向位移到达一定程度，外圆环材料开始发生塑性变形，应力几乎保持恒定，摩擦力大小也不再增加，此时对应的轴向作用力也保持恒定，直到加载结束；当轴向变形较小时，外圆环材料尚处于弹性阶段，性能与传统的环形弹簧类似，加载结束时还可以恢复到初始形状；当变形较大时，塑性耗能和摩擦耗能共同作用，耗散大量冲击能量。