CN105422729A - 速度自适应缓冲装置及其装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种速度自适应缓冲装置及其装配方法，其中缓冲装置包括：两个可封闭的腔体以及连接所述腔体的活塞；所述活塞表面设有单向风道及双向风道，且腔体与活塞之间设有弹性元件。通过上述方式，本发明基于风箱原理的速度自适应缓冲装置不仅使回弹力小于缓冲力，还使缓冲力对速度具有适应性，实现基于纯机械结构缓冲功能的智能化。

Description

速度自适应缓冲装置及其装配方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其是涉及一种速度自适应缓冲装置及其装配方法。

背景技术

当前，制造方式有等材制造、减材制造和增材制造三种。增材制造(AdditiveManufacturing，AM)技术是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术，是一种“自下而上”的制造方法。有接触的相互作用就有可能需要解决缓冲问题，接触充满着人们的生活，缓冲装置无处不在。缓冲是为了减小应力峰值，防止材料疲劳、损伤。根据动量定理，增加作用时间是简单、有效的缓冲方法。

弹簧通过储存弹性势能增加缓冲时间，弹簧是最常见的缓冲装置或元件。由胡克定律可知：固体弹性材料在弹性变形范围内，其应力与应变关系是线性的；应力只与变形有关，与速度无关；在弹性变形范围内，回弹力等于缓冲力。

回弹力极大地影响缓冲装置的缓冲效果。设计与安全有关的缓冲装置，使其缓冲力与速度不仅能呈线性关系，还可呈非线性关系，且回弹力小于缓冲力，是一项亟待突破的关键技术。随着增材制造技术的发展，基于风箱原理，结合气体的可压缩性和扩张性，如何设计速度自适应缓冲装置是解决问题的关键。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：弥补现有技术的缺陷，基于风箱原理进行缓冲装置设计，实现缓冲装置对速度具有自适应，增加缓冲时间，减小冲击力和回弹力峰值，防止材料疲劳、损伤的发生。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：提供一种速度自适应缓冲装置，包括：可封闭的腔体以及连接所述腔体的活塞；所述活塞表面设有贯穿活塞两面的单向风道及双向风道，且腔体与活塞之间设有弹性元件。

为解决上述问题，本发明还提供一种速度自适应缓冲装置的装配方法，包括：

通过活塞使可封闭腔体封闭，并形成两个独立空腔；

在所述活塞表面设置单向风道及双向风道；

在腔体与活塞之间设置弹性元件。

本发明的有益效果在于：区别于现有技术，本发明的速度自适应缓冲装置通过在可封闭腔体间设置活塞连接，活塞上通过单向风道使往复运动的缓冲力与回弹力不相等；由双向风道和弹性元件，使缓冲装置具有在低速情况下载荷与速度呈线性关系，在高速情况下载荷与速度呈非线性关系的特征。通过上述方式，本发明基于风箱原理的速度自适应缓冲装置不仅使回弹力小于缓冲力，还使缓冲力对速度具有适应性，实现基于纯机械结构缓冲功能的智能化。

附图说明

图1为本发明装置实施例一的可封闭腔体示意图；

图2为本发明装置实施例一的示出单向风道的活塞及活塞杆示意图；

图3为本发明装置实施例一的示出双向风道的活塞及活塞杆示意图；

图4为本发明装置实施例一的装配成果示意图；

图5为本发明装置中定位弹簧示意图；

图6为本发明装置实施例二的可封闭腔体示意图；

图7为本发明装置实施例二的示出单向风道的活塞及活塞杆示意图；

图8为本发明装置实施例二的示出双向风道的活塞及活塞杆示意图；

图9为本发明装置实施例二的装配成果示意图；

图10为本发明装置中支撑弹簧示意图；

图11为本发明装配方法的流程图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

本发明最关键的构思在于：物体在流体中运动受到的阻力除了与截面面积、形态有关外，还与流速有关，阻力与流速有时呈线性关系，有时呈非线性关系。另外，气体具有可压缩性和扩张性。基于气体的这些特征，封闭的、内部容积可变的封闭腔体结构通过结合活塞、活塞杆、弹性元件、单向风道和双向风道设计可以实现：1)在一定范围内活塞杆的缓冲力与速度呈线性关系，在另一范围内活塞杆的缓冲力与速度呈非线性关系；2)回弹力小于缓冲力。

请参照图1～10，本发明提供一种速度自适应缓冲装置，包括：封闭的腔体(图1、图6)以及连接所述腔体的活塞(图2、图3、图7、图8)；所述活塞表面设有贯穿活塞两面的单向风道(图2、图7所示)及双向风道(图3、图8所示)，且腔体与活塞之间设有弹性元件(图5、图10)。

其中，所述腔体包括开放端及封闭端；所述活塞装配在腔体内，通过间隙设计，实现活塞在封闭腔体内滑动。

其中，活塞设有活塞杆，所述活塞杆的一端与活塞固结，另一端通过腔体的开放端向外延伸，通过间隙设计，实现活塞杆在封闭腔体开放端滑动。

如图所示，在一个具体的实例中，所述弹性元件的一端与所述活塞固结，并与活塞杆分别位于活塞两端；弹性元件的另一端与腔体封闭端的内侧面固结。

如图所示，在另一个具体的实例中，所述活塞杆的从腔体开放端向外延伸的一端固结有第一圆板(未示出)。所述腔体封闭端的外侧面固结于第二杆件的一端，所述第二杆件的另一端固结有第二圆板(未示出)。所述弹性元件的两端分别与第一圆板、第二圆板联接。

其中，所述弹性元件为定位弹簧(图5)或支撑弹簧(图10)。

对应地，如图11所示，本发明还提供一种速度自适应缓冲装置的装配方法，包括：

通过活塞使可封闭腔体封闭，并形成两个独立的空腔；

在所述活塞表面设置单向风道及双向风道；

在腔体与活塞之间设置弹性元件。

本发明的目的是通过以下技术方案实现：速度自适应缓冲装置是根据功能需要，基于风箱原理，设计封闭腔体、活塞、拉杆、弹性元件和活塞表面的单向风道、双向风道。如图11所示，本发明提供的缓冲装置可以结合计算机仿真分析，确定缓冲装置的形态与结构，借助3D打印，完成速度自适应缓冲装置的快速制造，具体如下：

(1)设定装置的功能：缓冲包括压缩缓冲和拉伸缓冲两种，通过封闭腔体、活塞、活塞杆、弹性元件和活塞表面的单向风道、双向风道设计满足缓冲装置的功能需要；

(2)压缩缓冲装置：根据需要，设计封闭腔体、活塞、拉杆、弹性元件和活塞表面的单向风道、双向风道；由双向风道使压缩缓冲装置具有对压缩力的速度自适应，具体指当压缩速度小于某个速度值时，压缩力与速度接近线性关系，大于某个值时压缩速度越大，压缩力与速度呈线性关系；由单向风道，使压缩缓冲装置具有回弹力小于压缩力；由弹性元件，使压缩缓冲装置无载荷时使活塞保持初始位置；

(3)拉伸缓冲装置：根据需要，设计封闭腔体、活塞、拉杆、弹性元件和活塞表面的单向风道、双向风道；由双向风道使拉伸缓冲装置具有对拉伸力的速度自适应，具体指当压缩速度小于某个速度值时，拉伸力与速度接近线性关系，大于某个值时压缩速度越大，拉伸力与速度呈线性关系；由单向风道，使拉伸缓冲装置具有回弹力小于拉伸力；由弹性元件，使拉伸缓冲装置无载荷时使活塞保持初始位置；

(4)仿真分析及快速制造：根据缓冲装置的功能需要，对缓冲装置进行计算计仿真分析以确定装置最终的形态与结构。采用3D打印技术，完成速度自适应缓冲装置的快速制造。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明创造性地提出速度自适应缓冲装置设计方法，相较于现有技术，本发明基于风箱原理和气体的可压缩性和扩张性，通过封闭腔体、活塞结构设计使缓冲装置具有缓冲功能；本发明通过双向风道设计使缓冲装置具有对速度具有自适应的能力；通过单向风道设计，使缓冲装置的回弹力小于缓冲力；由弹性元件，使缓冲装置无载荷时使活塞保持初始位置。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一：

三点式安全带在高速碰撞时，其“卡死”方式会给颈部带来极大的角加速度，而颈椎部的肌肉在抵御外力对颈部的伤害时其功能是随着速度的增加而下降的生物力学特征，使得三点式安全带容易造成颈椎挥鞭性损伤。本实施例为一种加装在三点式安全带的外延装置，其功能是避免颈椎挥鞭性损伤发生。

实施例一以图1至图5所示的通过封闭腔体设计、活塞设计、单向风道设计、双向风道设计和回位装置设计，完成安全带拉伸缓冲装置设计，具体说明本实施例所述的速度自适应缓冲装置设计方法包括如下步骤：

(1)设计两个独立腔体的形态与结构：由活塞形成两个独立、封闭的腔体，其功能是通过活塞运动，使一个腔体的气体被压缩，另外一个腔体的气体被扩张，形成拉伸力；

(2)设计活塞上的单向风道：所述单向风道贯穿活塞两面，并通过的活塞其中一面(具体是与活塞杆固结的那一面)加装一个门板。其功能是安全带被拉伸时风道被关闭，实现一个腔体压力减小，另一个腔体压力增大，完成对安全带拉伸载荷的缓冲，在拉伸载荷卸载后，风道被打开，减小回弹力；

(3)设计活塞上的双向风道：所述双向风道贯穿活塞两面，并通过的活塞其中一面(具体是与活塞杆固结的那一面)加装一个门板。其功能是慢速拉伸时，载荷小且载荷与速度是线性的；

(4)设计弹性元件：固定一个腔体底部和活塞上的弹簧元件，其功能是在拉伸载荷卸载后，安全带活塞位置初始化。

快速拉伸触发安全带的固定功能，由于安全带的固定位置在躯干部位，使得头颈部会受到角加速度，通过增加时间可以减小头颈部的角加速度。设计封闭腔体设计、活塞设计、单向风道设计、双向风道设计和回位装置，实现在遇到快速拉伸触发安全带的固定之后，产生一定位移，增加拉伸时间，从而减小头颈部的角加速度，避免颈椎挥鞭性损伤。

各部件之间的装配形式为：封闭腔体一端是封闭的一端是开放的；活塞装配在封闭腔体内，通过间隙设计，活塞可在封闭腔体滑动；活塞杆一端与活塞固结，另一端通过封闭腔体的开放端伸出封闭腔体，可加载拉力；弹性元件一端与活塞固结(与活塞杆固结的另一端)，一端与封闭腔体的封闭端内侧面固结。

各部件之间的协同工作方式是：快速拉伸触发活塞杆运动；活塞杆带动活塞在封闭空腔中运动；活塞表面的单向风道关闭形成一个空腔的空气被压缩另一个被扩张，形成对拉伸载荷缓冲；当卸载后，单向风道打开，减小回弹力；回位装置，通过弹力使安全带活塞位置初始化，准备下一次快速拉伸触发；双向风道配合单向风道和回位装置工作。

实施例二

弹簧通过储存弹性势能、减小机械部件之间的冲击力峰值而被广泛使用。弹簧受冲击产生震动，为了抑制弹簧振动减小反弹时的震荡，加入基于气体或液体的活塞结构来衰减弹簧震动。液体的可压缩和扩张性能差，使得基于液体的活塞减震器局限在流体的连续性原理，即速度与缓冲力是线性的。基于空气悬挂技术的空气悬挂系统通过压缩空气的空气弹簧和阻尼可变的阻尼器可实现“自动、舒适、经济、运动”等多种特性。但没有单向风道，回弹力问题解决得不彻底。另外，因为依赖空气压缩系统，限制了其广泛使用。

实施例二以图6至图10所示的通过两个封闭腔体设计、活塞设计、双向风道设计和回位设计，实现压缩缓冲装置设计，具体说明实施例二所述的速度自适应缓冲装置设计方法包括以下步骤：

(1)设计两个独立腔体的形态与结构：由活塞形成两个独立的封闭的腔体，其功能是通过活塞运动，使一个腔体的气体被压缩，另一个腔体的气体被扩张，形成压缩力；

(2)设计活塞上的单向风道：其功能是安全带被拉伸时风道被关闭，实现一个腔体压力减小，另一个腔体压力增大，完成对避震压缩载荷的缓冲，在压缩载荷迅速减小时，风道被打开，减小回弹力，衰减弹簧震动；

(3)设计活塞上的双向风道：其功能是慢速拉伸时，载荷与速度是线性的；

(4)设计弹性元件：其功能是通过储存弹性势能减小机械部件之间的冲击力峰，载荷不变时，保持缓冲装置位置。

快速压缩载荷触发的避震的缓冲功能，由纯弹簧避震对载荷的变化是线性的，弹簧液压避震局限于流体的连续性原理，弹簧风压避震装置由于没有设计单向风道，缺乏对弹簧释放弹性势能时的适应能力。设计封闭腔体、活塞、拉杆、弹性元件和活塞表面的单向风道、双向风道的压缩缓冲装置，实现对速度产生适应性改变，衰减弹簧振动，减小阻尼振动，减小回弹力。

各部件之间的装配形式为：封闭腔体一端是封闭的一端是开放的，在封闭端外侧面固结一个杆件，杆件另一端固结一个圆板；活塞装配在封闭腔体内，通过间隙设计，活塞可在封闭腔体滑动；活塞杆一端与活塞固结，另一端通过封闭腔体的开放端伸出封闭腔体，固结一个圆板；弹性元件一端与封闭腔体固结的圆板联接(非固结)，一端与活塞杆固结的圆板联接。

各部件之间的协同工作方式是：快速压缩载荷触发活塞杆运动；活塞杆带动活塞在封闭空腔中运动；活塞表面的单向风道关闭形成一个空腔的空气被压缩另一个被扩张，形成压缩载荷缓冲；当卸载后，单向风道打开，减小回弹力，双向风道配合单向风道衰减弹簧振动，减小阻尼振动；弹性元件，储存弹性势能减小机械部件之间的冲击力峰，载荷不变时，保持缓冲装置位置。

通过以上两个实施例，通过封闭腔体结构，结合活塞、活塞杆、单向风道、双向风道和弹性元件设计，使缓冲装置具有对速度的适应性，延长缓冲时间，减小回弹力。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应视为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种速度自适应缓冲装置，其特征在于，包括：可封闭的腔体以及连接所述腔体的活塞；所述活塞表面设有贯穿活塞两面的单向风道及双向风道，且腔体与活塞之间设有弹性元件。

2.根据权利要求1所述的一种速度自适应缓冲装置，其特征在于，所述腔体包括开放端及封闭端；所述活塞装配在腔体内，通过间隙设计，实现活塞在封闭腔体内滑动。

3.根据权利要求1所述的一种速度自适应缓冲装置，其特征在于，活塞设有活塞杆，所述活塞杆的一端与活塞固结，另一端通过腔体的开放端向外延伸。

4.根据权利要求3所述的一种速度自适应缓冲装置，其特征在于，所述弹性元件的一端与所述活塞固结，并与活塞杆分别位于活塞两端；弹性元件的另一端与腔体封闭端的内侧面固结。

5.根据权利要求3所述的一种速度自适应缓冲装置，其特征在于，所述活塞杆的从腔体开放端向外延伸的一端固结有第一圆板。

6.根据权利要求5所述的一种速度自适应缓冲装置，其特征在于，所述腔体封闭端的外侧面固结于第二杆件的一端，所述第二杆件的另一端固结有第二圆板。

7.根据权利要求6所述的一种速度自适应缓冲装置，其特征在于，所述弹性元件的两端分别与第一圆板、第二圆板联接。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种速度自适应缓冲装置，所述弹性元件为定位弹簧或支撑弹簧。

9.一种速度自适应缓冲装置的装配方法，其特征在于，包括：

通过活塞使可封闭腔体封闭，并形成两个独立的空腔；

在所述活塞表面设置单向风道及双向风道；

在腔体与活塞之间设置弹性元件。