CN106989131B - 一种sma丝分瓣套筒大行程主动调节阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种SMA丝分瓣套筒大行程主动调节阻尼器，包括分瓣套筒、超弹性SMA丝、活塞、外接螺栓两个、阻尼环两个以及安装架；分瓣套筒内壁为周期性变直径圆柱面，与活塞外壁形状互补，活塞两端均连接着外接螺栓，用于阻尼器与其他部件的连接，活塞的两侧各有一个阻尼环，超弹性SMA丝均匀缠绕在分瓣套筒的绝缘外壁面；本发明融合超弹性记忆合金的材料阻尼、干摩擦阻尼、阻尼环阻尼三种阻尼提高了减震性能，利用周期性摩擦面的结构，使阻尼器的一次行程中可包含多次超弹性SMA丝的加载卸载过程，有效增大了阻尼器所能承受的振幅，并能通过对SMA丝的控制实现了自适应调节刚度、阻尼的功能，规避了密封件失效问题，使用寿命长，适用范围广，可靠性高。

Description

一种SMA丝分瓣套筒大行程主动调节阻尼器

技术领域

本发明涉及阻尼器的技术领域，特别涉及一种SMA丝分瓣套筒大行程主动调节阻尼器，其同时利用分瓣套筒与活塞接触面间的干摩擦和超弹性形状记忆合金丝等材料的高阻尼特性吸收外界能量，从而起到减振作用。

背景技术

减震是日常生活中，工程领域中，甚至航空航天领域中十分常见而重要的课题。地震、台风等自然灾害对人类建筑的安全性构成严重威胁，研究如何有效减轻建筑在自然灾害产生的载荷下的响应，提高抗震抗风能力意义重大；汽车行驶，大型旋转机械运行等过程中，过度的振动载荷对驾驶员，操作人员的人生安全造成威胁，对汽车、设备厂商的声誉、经济效益都将造成不可估量的损失；而飞机着陆，火炮发射瞬间，由于自身重量对地面或底座产生强大的冲击力，他们虽然装了各种减振器，但容易产生弹簧塑性变形，密封件老化，漏油等问题，进而降低安全性，可靠性。

目前比较成熟的减震技术有液压减震，高阻尼固体材料减震，摩擦减震等等，但是任何单一原理的阻尼器均有自身的缺陷，例如液压阻尼器的密封问题，高阻尼固体材料的老化问题，摩擦阻尼器的损耗问题等等，记忆合金是相对新型的智能材料，拥有形状记忆效应、超弹性和高阻尼等特性，性能相对其他材料优势明显，但是，单一使用记忆合金作为减震材料，减震效果受到记忆合金的形变量和材料强度等因素限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种SMA丝分瓣套筒大行程主动调节阻尼器，该阻尼器融合了超弹性记忆合金材料阻尼、干摩擦阻尼、阻尼环阻尼(由橡胶类粘弹性材料或金属橡胶类干摩擦阻尼材料制成)三种阻尼，无需液态阻尼介质，避免了密封件引起的系列问题，同时，可对超弹性SMA丝通电，改变其温度进而改变其微观晶体结构，最终改变其力学性质而达到调节阻尼器承载刚度与阻尼的效果，而且，本发明设计的周期性波形摩擦面将往复振动的直线运动过程转化为超弹性SMA丝的周期性加载卸载过程，增大了阻尼器所能承受的振幅。

本发明采用的技术方案为：一种SMA丝分瓣套筒大行程主动调节阻尼器，包括活塞、第一分瓣套筒、第二分瓣套筒、第一阻尼环、第二阻尼环、超弹性SMA丝、安装架、第一外接螺栓和第二外接螺栓，其中，分成两瓣的第一分瓣套筒和第二分瓣套筒，分瓣套筒内壁为周期性变直径圆柱面，与活塞外壁形状互补，超弹性SMA丝缠绕在压紧的第一分瓣套筒、第二分瓣套筒所组成的圆柱面上，超弹性SMA丝的两端通过夹丝块固定，活塞两端分别连接的第一外接螺栓、第二外接螺栓是阻尼器与外部的接口，活塞两侧分别设有第一阻尼环、第二阻尼环，最外层的安装架固定后，外部振动通过第一外接螺栓、第二外接螺栓引起活塞相对于第一分瓣套筒、第二分瓣套筒运动，通过活塞与第一分瓣套筒、第二分瓣套筒之间干摩擦阻尼，第一阻尼环、第二阻尼环的阻尼，超弹性SMA丝的材料阻尼共同消耗能量，起到减震效果。

进一步的，所述活塞的外壁为周期性变直径圆柱面，其剖面线为周期性波形，可为正弦波、三角波或其它类似结构，活塞外壁与第一分瓣套筒、第二分瓣套筒内壁形状互补，活塞两端面有螺纹孔，用于与第一外接螺栓、第二外接螺栓连接，第一阻尼器、第二阻尼环工作时，活塞将第一分瓣套筒、第二分瓣套筒沿半径方向胀开，此过程中接触面的摩擦，对超弹性SMA丝的加载，对第一阻尼环、第二阻尼环的挤压均产生耗能效果。

进一步的，所述第一分瓣套筒和第二分瓣套筒对齐后，形成完整圆筒结构，可为半圆结构，根据不同的工况、性能要求也可以设计为三分之一圆、四分之一圆等结构；第一分瓣套筒、第二分瓣套筒两端根部设置两个限位块和一个夹丝块，半圆分割面附近两个限位块与另一半套筒的对应限位块拼合，用于限制分瓣套筒被胀开时在径向上沿直线运动，夹丝块位于半圆面背部，上面开有切向小孔，用于夹紧超弹性SMA丝，为防止超弹性SMA丝捆绑时发生轴向滑脱，可以在外壁面加工切向防滑槽。

进一步的，所述超弹性SMA丝呈螺旋状缠绕在压紧的第一分瓣套筒和第二分瓣套筒所组成的圆柱面上，其自由端通过夹丝块固定，其两端与第一电极、第二电极相连，第一分瓣套筒、第二分瓣套筒的外壁面做绝缘处理，第一、第二阻尼器工作过程中可通过对超弹性SMA丝通入不同电流加热SMA丝，SMA丝受热发生相变，不同程度地提高其屈服平台，增大其约束力，从而实现阻尼器变刚度与变阻尼功能。

进一步的，所述第一阻尼环、第二阻尼器其中必有一个在活塞运动时受到挤压作用，消耗能量，阻尼环根据工况要求，可选择高阻尼橡胶或金属橡胶材料制成，其滞回环饱满，变形后形状恢复能力强。

进一步的，所述安装架为阻尼器安装、限位结构，通过对第一分瓣套筒、第二分瓣套筒的部分限位，使其只能各自沿指定方向向外撑开。

进一步的，所述阻尼器融合了超弹性记忆合金的材料阻尼、干摩擦阻尼、阻尼环阻尼(由橡胶类粘弹性材料或金属橡胶类干摩擦阻尼材料制成)三种阻尼，利用周期性摩擦面的结构，使阻尼器的一次行程中可包含多次超弹性SMA丝的加载卸载过程，充分利用了SMA的材料阻尼进行耗能，同时有效增大了阻尼器所能承受的振幅。

进一步的，所述第一、第二阻尼器具备在不同温度环境下自适应调节刚度、阻尼的功能，由于超弹性SMA丝在不同温度环境下可呈现出不同的力学特性，使得该第一、第二阻尼器在高温环境下呈现为大阻尼、大刚度特性，在低温环境下呈现为小阻尼、小刚度特性。

本发明的原理在于：

本发明同时采用记忆合金的超弹性效应、摩擦耗能、粘弹性材料耗能三种耗能原理，阻尼大，耗能能力强，利用周期性变直径圆柱面的结构使阻尼器的一次行程中可包含多次超弹性SMA丝的加载卸载过程，增大了阻尼器所能承受的振幅，并通过对超弹性SMA通电实现了阻尼，刚度的可调性。

一方面，记忆合金的超弹性，即指当温度高于奥氏体相变终止温度后，加载应力超过弹性极限产生非弹性应变后，卸载时即使不加热，应变也会随着载荷非弹性下降，且应力为零时应变也恢复到零，并现出迟滞循环效应，在一个加载循环过程中，形状记忆合金可吸收相当多的能量，吸收能量的大小与迟滞环的面积成正比；另一方面，在阻尼器工作过程中，可对SMA丝通电，利用焦耳效应使其温度升高，奥氏体含量增大，屈服平台上升，捆紧力增大，实现了阻尼器刚度、阻尼可调的功能；其次，分瓣套筒被SMA丝捆紧后，再被安装架限位，仅剩一个自由度，当振动传至活塞，并使其向一侧运动时，分瓣套筒被撑开，将一部分能量传至SMA丝，同时，分瓣套筒与活塞错位，摩擦，消耗能量，由于分瓣套筒与活塞是通过周期性变直径圆柱面配合，因此，若把整个阻尼器看成一个单元，此单元的应力应变曲线也是具有周期性的区间的，此周期性区间理论上可以无限延长，与此对应的是阻尼器所能承受振幅的增大；此外，阻尼环的材质根据性能要求可变，比如以高阻尼橡胶为代表的粘弹性材料，或者将一侧甚至两侧的阻尼环替换为记忆合金弹簧，增加一个刚度、阻尼调控的环节，同时增强阻尼器自动复位的能力。

本发明与现有的技术相比，具有以下技术效果：

(1)与普通金属材料相比，超弹性记忆合金具有更饱满的滞回环，耗能性能更强，并且具有更大的可恢复形变量，提高了所述阻尼器的减震性能，解决了长时间使用后，金属材料塑性变形引起的系列问题；

(2)与现有记忆合金阻尼器相比，本发明利用利用周期性摩擦面结构，使阻尼器的一次行程中可包含多次超弹性SMA丝的加载卸载过程，充分利用了SMA的材料阻尼，同时有效增大了阻尼器所能承受的振幅；

(3)与大部分现有阻尼器相比，利用SMA丝在不同温度环境下力学特性不同的特点，使得该阻尼器在高温环境下呈现为大阻尼、大刚度特性，在低温环境下呈现为小阻尼、小刚度特性，实现了在不同温度环境下自适应调节刚度、阻尼的功能；

(4)与大部分现有阻尼器相比，同时采用三种耗能原理，减震效果更强，可靠性更高；

(5)与使用液态阻尼介质的阻尼器相比，无需密封，避免了因为密封件失效引起的一系列问题。

(6)若阻尼环选择为金属橡胶，该阻尼器为全金属阻尼器，抗环境腐蚀能力远强于现在大多数基于非金属材料的阻尼器。

附图说明

图1为本发明SMA丝分瓣套筒大行程主动调节阻尼器的初始状态三视图；

图2为本发明所述活塞结构示意图；

图3为本发明所述分瓣套筒结构示意图；

图4为本发明工作时分瓣套筒运动示意图；

图5为本发明所述超弹性SMA丝通电后应力-应变曲线的变化；

图6为本发明SMA丝分瓣套筒大行程主动调节阻尼器的迟滞回线。

图中附图标记含义为：1为活塞，2为第一分瓣套筒，3为第二分瓣套筒，4为第一阻尼环，5为第二阻尼环，6为超弹性SMA丝，7为安装架，8为第一外接螺栓，9为第二外接螺栓，10为第一电极，11为第二电极，13为活塞外壁，21为分瓣套筒内壁，22a为第一端面，22b为第二端面，23为限位块，24a为第一限位面，24b为第二限位面，25为切向小孔，26为夹丝块，27为外壁面，28为切向防滑槽，29为分瓣剖分面，71a为Z向第一内壁面，71b为Z向第二内壁面，72a为Y向第一内壁面，72b为Y向第二内壁面。

具体实施方式

下面结合附图及具体实例对本发明的内容进一步说明。

本发明提供一种SMA丝分瓣套筒大行程主动调节阻尼器，如图1，图2，图3所示，该装置包括分成两瓣的分瓣套筒，即第一分瓣套筒2和第二分瓣套筒3，分瓣套筒内壁21为周期性变直径圆柱面，与活塞外壁13形状互补，第一分瓣套筒2、第二分瓣套筒3以分瓣剖分面29贴合，并通过其外壁面27被超弹性SMA丝6呈螺旋状捆紧，丝的两端通过夹丝块26固定，活塞1两端分别连接的第一外接螺栓8、第二外接螺栓9是阻尼器与外部的接口，活塞两侧分别设有第一阻尼环4、第二阻尼环5，最外层的安装架7固定后，外部振动分别通过第一外接螺栓8、第二外接螺栓9引起活塞1相对于第一分瓣套筒2、第二分瓣套筒3运动，通过活塞与分瓣套筒之间干摩擦阻尼、阻尼环的阻尼、超弹性SMA丝的材料阻尼共同消耗能量，起到减震效果，如图6所示。

活塞外壁13为周期性变直径圆柱面，与分瓣套筒内壁21形状互补，其剖面线为周期性波形，可为正弦波、三角波、或其它类似结构，其两端面有螺纹孔，用于与第一外接螺栓8、第二外接螺栓9连接。

第一分瓣套筒2、第二分瓣套筒3对齐后，形成完整圆筒结构，本发明中为半圆结构，根据不同的工况、性能要求也可以设计为三分之一圆、四分之一圆等结构；分瓣套筒根部设置限位块23和夹丝块26，限位块23与另一半套筒的对应限位块33拼合，用于保证分瓣套筒被胀开时沿图4中X/—X方向运动，夹丝块26上开有切向小孔25，用于夹紧超弹性SMA丝6的自由端，分瓣套筒的外壁面27做绝缘处理，由于绝缘层的存在，还能对SMA丝通电以改变其温度，调节其性能。为防止SMA丝捆绑时发生轴向滑脱，可以在外壁面加工切向防滑槽28。

超弹性SMA丝6呈螺旋状在压紧的第一分瓣套筒2、第二分瓣套筒3所组成的圆柱面上，其自由端通过夹丝块26固定，其两端与第一电极10、第二电极11相连，阻尼器工作过程中可通过对超SMA丝通入不同电流，不同程度地抬高其屈服平台，增大其约束力，从而实现阻尼器变刚度与变阻尼功能。

第一阻尼环4、第二阻尼环5根据工况要求，可选择高阻尼橡胶或金属橡胶材料制成，其滞回环饱满，变形后形状恢复能力强。

安装架7为阻尼器安装、限位结构，通过对分瓣套筒的部分限位，如图4所示，其Z向第一内壁面71a、Z向第二内壁面71b分别与第一限位面24a、第二限位面24b配合，其Y向第一内壁面72a、Y向第二内壁面72b分别与分瓣套筒第一端面22a、第二端面22b配合，使第一分瓣套筒2、第二分瓣套筒3只能各自沿X/—X方向向外撑开。

对于装配好的阻尼器，初始时刻，超弹性SMA丝6处于拉紧状态，通过第一电极10、第二电极11连接电源；第一分瓣套筒2、第二分瓣套筒3彼此对齐贴合，由安装架7限位，由超弹性SMA丝6呈螺旋状捆紧；活塞1被卡紧，两侧的第一阻尼环4、第二阻尼环5同处于未压缩状态。工作时，外界振动通过第一外接螺栓8、第二外接螺栓9传入阻尼器，活塞1相对第一分瓣套筒2、第二分瓣套筒3发生往复运动，位移产生后，第一分瓣套筒2、第二分瓣套筒3分别沿X/—X方向胀开，将一部分能量传至SMA丝6，而在此过程中，第一分瓣套筒2、第二分瓣套筒3与活塞1错位，发生剧烈摩擦，吸收部分能量，随着第一分瓣套筒2、第二分瓣套筒3周期性地被活塞1胀开再被超弹性SMA丝6拉紧，超弹性SMA丝6经历周期性地加载-卸载过程，吸收部分能量，第一阻尼环4、第二阻尼环5作为辅助结构，具有提高阻尼，防止活塞1和第一分瓣套筒2、第二分瓣套筒3发生碰撞等功能，提高了阻尼器的可靠性；如果工况改变，可利用SMA丝在不同温度环境下力学特性不同的特点，对其通入不同电流，即可实现在不同温度环境下自适应调节刚度、阻尼的功能。

Claims (3)

1.一种SMA丝分瓣套筒大行程主动调节阻尼器，其特征在于：包括活塞（1）、第一分瓣套筒（2）、第二分瓣套筒（3）、第一阻尼环（4）、第二阻尼环（5）、超弹性SMA丝（6）、安装架（7）、第一外接螺栓（8）和第二外接螺栓（9），其中，分瓣套筒分成两瓣，即第一分瓣套筒（2）和第二分瓣套筒（3），分瓣套筒内壁为周期性变直径圆柱面，沿轴线呈正弦曲线，与活塞（1）外壁形状互补，超弹性SMA丝（6）缠绕在压紧的第一分瓣套筒（2）、第二分瓣套筒（3）所组成的圆柱面上，超弹性SMA丝（6）的两端通过夹丝块固定，活塞（1）两端分别连接的第一外接螺栓（8）、第二外接螺栓（9）是阻尼器与外部的接口，活塞（1）两侧分别设有第一阻尼环（4）、第二阻尼环（5），其外径小于第一分瓣套筒（2）的内径，最外层的安装架（7）固定后，外部振动通过第一外接螺栓（8）、第二外接螺栓（9）引起活塞（1）相对于第一分瓣套筒（2）、第二分瓣套筒（3）运动，通过活塞（1）与第一分瓣套筒（2）、第二分瓣套筒（3）之间干摩擦阻尼，第一阻尼环（4）、第二阻尼环（5）的阻尼，超弹性SMA丝（6）的材料阻尼共同消耗能量，起到减震效果；

所述活塞（1）的外壁为周期性变直径圆柱面，其剖面线为正弦曲线，活塞外壁与第一分瓣套筒（2）、第二分瓣套筒（3）内壁形状互补，活塞两端面有螺纹孔，用于与第一外接螺栓（8）、第二外接螺栓（9）连接，第一阻尼环（4）、第二阻尼环（5）工作时，活塞（1）将第一分瓣套筒（2）、第二分瓣套筒（3）沿半径方向胀开，此过程中活塞（1）与第一分瓣套筒（2）、第二分瓣套筒（3）的接触面的摩擦，对超弹性SMA丝（6）的加载，对第一阻尼环（4）、第二阻尼环（5）的挤压均产生耗能效果；

所述第一分瓣套筒（2）和第二分瓣套筒（3）对齐后，形成完整圆筒结构，为半圆结构；第一分瓣套筒（2）、第二分瓣套筒（3）两端根部均设置两个限位块和一个夹丝块，半圆分割面附近第一分瓣套筒（2）的两个限位块与第二分瓣套筒（3）的对应限位块拼合，用于限制分瓣套筒被胀开时在径向上沿直线运动，夹丝块位于半圆面背部，上面开有切向小孔，用于夹紧超弹性SMA丝（6），为防止超弹性SMA丝（6）捆绑时发生轴向滑脱，在外壁面加工切向防滑槽；

所述超弹性SMA丝（6）呈螺旋状缠绕在压紧的第一分瓣套筒（2）和第二分瓣套筒（3）所组成的圆柱面上，其自由端通过夹丝块固定，其两端与第一电极（10）、第二电极（11）相连，第一分瓣套筒（2）、第二分瓣套筒（3）的外壁面做绝缘处理，第一阻尼环、第二阻尼环工作过程中可通过对超弹性SMA丝（6）通入不同电流加热SMA丝，SMA丝受热发生相变，不同程度地提高其屈服平台，增大其约束力，从而实现阻尼器变刚度与变阻尼功能；

所述第一阻尼环（4）、第二阻尼环（5），其外径小于第一分瓣套筒（2）的内径，工作时，其中必有一个在活塞（1）运动时受到挤压作用，消耗能量，阻尼环根据工况要求，选择高阻尼橡胶或金属橡胶材料制成，其滞回环饱满，变形后形状恢复能力强；

所述安装架（7）为阻尼器安装、限位结构，通过对第一分瓣套筒（2）、第二分瓣套筒（3）的部分限位，使其只能各自沿指定方向向外撑开；

该阻尼器同时采用记忆合金的超弹性效应、摩擦耗能、粘弹性材料耗能三种耗能原理，阻尼大，耗能能力强，利用周期性变直径圆柱面的结构使阻尼器的一次行程中可包含多次超弹性SMA丝的加载卸载过程，增大了阻尼器所能承受的振幅，并通过对超弹性SMA通电实现了阻尼、刚度的主动可调性；

一方面，记忆合金的超弹性，即指当温度高于奥氏体相变终止温度后，加载应力超过弹性极限产生非弹性应变后，卸载时即使不加热，应变也会随着载荷非弹性下降，且应力为零时应变也恢复到零，并现出迟滞循环效应，在一个加载循环过程中，形状记忆合金可吸收相当多的能量，吸收能量的大小与迟滞环的面积成正比；另一方面，在阻尼器工作过程中，可对SMA丝通电，利用焦耳效应使其温度升高，奥氏体含量增大，屈服平台上升，捆紧力增大，实现了阻尼器刚度、阻尼可调的功能；其次，分瓣套筒被SMA丝捆紧后，再被安装架限位，仅剩一个自由度，当振动传至活塞，并使其向一侧运动时，分瓣套筒被撑开，将一部分能量传至SMA丝，同时，分瓣套筒与活塞错位，摩擦，消耗能量，由于分瓣套筒与活塞是通过周期性变直径圆柱面配合，因此，若把整个阻尼器看成一个单元，此单元的应力应变曲线也是具有周期性的区间的，此周期性区间理论上能够无限延长，与此对应的是阻尼器所能承受振幅的增大；

所述阻尼器融合了超弹性记忆合金的材料阻尼、干摩擦阻尼、阻尼环阻尼三种阻尼，利用周期性摩擦面的结构，使阻尼器的一次行程中可包含多次超弹性SMA丝的加载卸载过程，充分利用了SMA的材料阻尼进行耗能，同时有效增大了阻尼器所能承受的振幅。

2.根据权利要求1所述的一种SMA丝分瓣套筒大行程主动调节阻尼器，其特征在于：所述第一分瓣套筒（2）和第二分瓣套筒（3）对齐后，形成完整的圆筒结构，根据不同的工况、性能要求设计为三分之一圆、四分之一圆结构。

3.根据权利要求1所述的一种SMA丝分瓣套筒大行程主动调节阻尼器，其特征在于：将一侧甚至两侧的阻尼环替换为记忆合金弹簧，增加一个刚度、阻尼调控的环节，同时增强阻尼器自动复位的能力；

所述第一阻尼环、第二阻尼环具备在不同温度环境下自适应调节刚度、阻尼的功能，由于超弹性SMA丝在不同温度环境下可呈现出不同的力学特性，使得该第一阻尼环、第二阻尼环在高温环境下呈现为大阻尼、大刚度特性，在低温环境下呈现为小阻尼、小刚度特性。

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