CN107676426B - 一种基于形状记忆合金复合弹簧的分级减振装置 - Google Patents

一种基于形状记忆合金复合弹簧的分级减振装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于形状记忆合金复合弹簧的分级减振装置，属于减震技术领域。包含缸体，缸体盖，外载传输轴，拉伸弹簧，外层弹簧和内层弹簧；外载传输轴为柱体，在外载传输轴的中下部设置有一盘面，盘面的径向截面的大小等同于缸体的内部径向截面积，外载传输轴与盘面同轴心，外载传输轴的盘面端设置在缸体内；拉伸弹簧的一端固定在缸体盖上，另一端固定在盘面上；内层弹簧设置在外层弹簧内侧，外层弹簧和内层弹簧的一端均设置在缸体的底部并固定，外层弹簧的自由端高于内层弹簧的自由端，且外层弹簧和内层弹簧的轴心与缸体的轴心重合。本发明可在不同外载的作用下，通过不同的载荷工况自动匹配不同的减振作用材料和部件，大大提高减振效果。

Description

一种基于形状记忆合金复合弹簧的分级减振装置
技术领域
本发明属于减震技术领域，涉及一种基于形状记忆合金复合弹簧的分级减振装置。
背景技术
形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)作为一种先进的智能材料与功能材料，因其独特的超弹性(superelasticity,PE)和形状记忆效应(shape memory effect,SME)，被广泛应用于航空航天，生物医学，机器人等领域。2016年国家“十三五规划”中将“大力发展形状记忆合金、自修复材料等智能材料”作为未来五年我国将要实施的100个重大工程及项目之一。形状记忆合金本身具有的超弹性使其被广泛用作减振阻尼元件，用其制作的SMA弹簧因同时具备弹簧的减振性能超弹性的阻尼性能，而具有广阔的应用前景。
复合弹簧是由金属弹簧和覆盖其周围的粘弹性体经硫化处理后而复合在一起，呈现出筒状粘弹性体包裹金属弹簧的几何构型。在振动机械和运动机械中采用复合弹簧代替金属螺旋弹簧是机械减振降噪的发展方向之一。
运用形状记忆合金和橡胶组合制作的复合弹簧同时兼具橡胶的大阻尼和螺旋弹簧的高承载与耐疲劳特性，同时又具备出色的耐磨性，较大的恢复力。因此，开展SMA复合弹簧的力学性能研究，对于丰富现有的缓冲减振元件库具有应用的必要性。随着科学和社会的发展，人们对舒适性要求逐渐提高，促使各种振动机械和动力机械对减振器的需求增加且要求提高，减振器逐渐由简单减振向复杂工况、复合要求的减振器发展。发展更加匹配振动机械自身特点，融合机械服役载荷环境的减振器，对机械结构的减振、隔振和降噪具有重大的工程意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于形状记忆合金复合弹簧的分级减振装置，用不同大小的弹簧和橡胶融合在一起应对不同工况环境下，性能能够根据载荷情况自动调节的减振器，避免任何情况下都采用同种减振材料和减振方式以至于无法达到最佳减振效果的问题。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于形状记忆合金复合弹簧的分级减振装置，包含缸体，缸体盖，外载传输轴，拉伸弹簧，外层弹簧和内层弹簧；
所述外载传输轴为柱体，在所述外载传输轴的中下部设置有一盘面，所述盘面的径向截面的大小等同于所述缸体的内部径向截面积，所述外载传输轴与所述盘面同轴心，所述外载传输轴的盘面端设置在所述缸体内，另一端穿出所述缸体盖外；
所述拉伸弹簧的一端固定在所述缸体盖上，另一端固定在所述盘面上；
所述内层弹簧设置在所述外层弹簧内侧，所述外层弹簧和内层弹簧的一端均设置在所述缸体的底部并固定，所述外层弹簧的自由端高于所述内层弹簧的自由端，且所述外层弹簧和内层弹簧的轴心与所述缸体的轴心重合。
进一步，所述缸体为不锈钢中空圆柱体，所述外层弹簧紧贴所述缸体内部表面，所述内层弹簧与所述外层弹簧之间留有间距。
进一步，所述拉伸弹簧的数量为3，按照正三角形的方式设置在所述盘面中心。
进一步，所述缸体底部还设置有超限保护垫，所述超限保护垫设置在所述内层弹簧内，所述超限保护垫用于保护所述外载传输轴在极限条件下不与所述缸体底部产生直接撞击。
进一步，所述超限保护垫由橡胶制成，所述超限保护垫的表面积大小为所述外载传输轴径向截面积的1.5-2倍。
进一步，所述拉伸弹簧采用焊接的方式固定，外层弹簧和内层弹簧均通过粘接的方式固定。
进一步，所述拉伸弹簧由形状记忆合金制成，采用无心轴缠制技术制作，且制作好后进行回火处理。
进一步，所述外层弹簧和内层弹簧均为形状记忆合金和橡胶制成的复合弹簧，所述复合弹簧的橡胶材料为丁基橡胶，通过溶液法制备并与形状记忆合金弹簧一起倒模成形，并对成形后的复合弹簧进行硫化处理。
本发明的有益效果在于：本发明通过分级减振装置，可在不同外载的作用下，通过不同的载荷工况自动匹配不同的减振作用材料和部件，从而大大提高减振效果，使各种机器，机床，汽车等带有振动的机械装置在运转时降低振动所带来的机械磨损和噪音，有助于提高机械结构的使用寿命和服役性能，提高机械结构的使用舒适性以及通过减振提高机床等生产工具的精度要求；同时，也可促进机械的工作稳定性，在一定程度上可促进汽车，车床，发动机等机械相关产业的快速发展。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明分级减振装置的结构示意图，其中附图标记为：1为拉伸弹簧，2为缸体，3为外载传输轴，31为盘面，4为外层弹簧的橡胶部分，5为外层弹簧的合金部分，6为内层弹簧的橡胶部分，7为内层弹簧的合金部分，8为超限保护垫，9为缸体盖；
图2为本发明整体装配图；
图3为本发明外载传输轴与上端弹簧的装配图；
图4为本发明的SMA-RU复合弹簧示意图；
图5为本发明的缸体示意图；
图6为本发明工作原理图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
本发明为一种基于形状记忆合金复合弹簧的分级减振装置，图1为本发明分级减振装置的结构示意图，图2为本发明整体装配图，结合图1和图2，本发明由缸体2，外载传输轴3，缸体盖9，拉伸弹簧1，外层弹簧和内层弹簧，图5为本发明的缸体示意图，如图所示，缸体2为不锈钢中空圆柱体。
图3为本发明外载传输轴与上端弹簧的装配图，如图3所示，外载传输轴3置于缸体2内，外载传输轴3的中下部设置有一盘面31，盘面31的径向截面的大小等同于缸体2的内部径向截面积，外载传输轴3与盘面31同轴心，盘面31也设置在缸体2内部。
拉伸弹簧1通过形状记忆合金制成，在盖体9和盘面31上分别设置有拉伸弹簧1，数量为3按照正三角形布置，正三角形的中心与外载传输轴3的中心重合。
盘面31将缸体分为了两个部分，上部和下部，上部为包含拉伸弹簧1，用于实现一级减震，下部的缸体内设置有形状记忆合金-橡胶(SMA-RU)复合弹簧，分为内层弹簧和外层弹簧，其中4为外层弹簧的橡胶部分，5为外层弹簧的合金部分，6为内层弹簧的橡胶部分，7为内层弹簧的合金部分，外层弹簧紧贴缸体2的内壁，内层弹簧与外层弹簧之间设置有一定的间隙，内层弹簧为空心弹簧，下部用于实现第二级和第三级的减震。
在缸体2的底部还设置有超限保护垫8，超限保护垫8采用橡胶制成，超限保护垫8的作用是用于保护外载传输轴3在极限条件下不与缸体2的底部产生直接撞击，这样可以增加减震装置的使用寿命和稳定性，为了达到预期的技术效果，本发明的超限保护垫8的尺寸应该为外载传输轴径向截面积的1.5～2倍。
图4为本发明的SMA-RU复合弹簧示意图，结合图1和图4，本发明的拉伸弹簧1具有超弹性，采用无心轴缠制技术制作，且制作好后要进行回火处理。SMA-RU复合弹簧采用丁基橡胶为主要橡胶材料，通过溶液法制备并与SMA弹簧一起倒模成型，对制作的SMA-RU复合弹簧进行硫化处理。
本发明为分级减震装置，具有三级减震功能，且无需任何手动切换，如图6所示为本发明工作原理图，具体的工作原理如下：
1、小载荷ΔF1、微振幅作用：此工况的减振作用主要靠减振器上部的SMA拉伸弹簧，利用SMA自身的超弹性进行能量的耗散，同时提供复位功能，以吸收低频振动为主，其振幅维持在d＝d1的空间范围内，其中d1为减震器松弛状态下盘面31到外层弹簧顶端的距离。过程中不与下半部分的SMA复合弹簧接触。此时减振器提供的总体刚度约为EI＝3E1，其中E1为上部SMA弹簧的等效刚度系数。
2、中载荷ΔF2、较强振幅作用：此工况减振器上部的SMA拉伸弹簧主要提供快速复位功能，同时提供一定的低频减振和缓冲作用；外载传输轴将与下部的SMA复合弹簧接触，外部传递能量主要靠第一级的SMA复合弹簧耗散，其中SMA压缩弹簧为承载主体，橡胶提供高频阻尼，其振幅扩大为d＝d1+d2，其中d2为外层弹簧的顶端与内层弹簧顶端之间的距离。此时减振器提供的刚度分段为EI＝3E1和EII＝3E1E2/(3E1+E2)。其中，E1同上，E2为外层SMA-RU复合弹簧的等效刚度系数(包含弹簧刚度系数k1和橡胶阻尼ζ1的综合作用)。
3、重载荷ΔF3、强振幅作用：与上一工况的区别是此工况将会触发下部的两个SMA复合弹簧同时作用，振幅为d＝d1+d2+d3，d3为内层弹簧的压缩长度，总体刚度分段为EI＝3E1，EII＝3E1E2/(3E1+E2)和EIII＝3E1(E2+E3)/(3E1+E2+E3)。其中E1，E2同上，E3为内层SMA-RU复合弹簧的等效刚度系数(包含弹簧刚度系数k2和橡胶阻尼ζ2的综合作用)。
本发明通过分级减振装置，可在不同外载的作用下，通过不同的载荷工况自动匹配不同的减振作用材料和部件，从而大大提高减振效果，使各种机器，机床，汽车等带有振动的机械装置在运转时降低振动所带来的机械磨损和噪音，有助于提高机械结构的使用寿命和服役性能，提高机械结构的使用舒适性以及通过减振提高机床等生产工具的精度要求；同时，也可促进机械的工作稳定性，在一定程度上可促进汽车，车床，发动机等机械相关产业的快速发展。
由于本分级减振装置结构简单、尺寸可大可小，外部结构可根据需要改变形状，成本低、效果好，具有良好的市场前景。
实施例1：安装在要求精度比较高的机床上
在机床与地面固定端出安装此减振装置，其包括采用分级减振装置零件SMA拉伸弹簧，外载传输轴，缸体盖构成第一级减振，由零件SMA拉伸弹簧，外载传输轴，外层SMA-RU复合弹簧，缸体盖构成第二级减振装置，由零件SMA拉伸弹簧，外载传输轴，外层SMA-RU复合弹簧，内层SMA-RU复合弹簧，超限保护垫，缸体盖构成第三级减振装置。此三级减振结构和特殊功能材料构成复合式减振弹簧，将其安装在机械上能达到最佳的减振效果。如若高精密机床安装普通减振器，在高速运转的切削过程中，会因为机床切削不同强度和刚度的材料时引起的强烈振动造成夹紧盘和刀具之间出现轻微抖动，造成实际上做出来的零件与预计的偏差不合，这样大大降低了零件的精密度。如若安装此复合型减振器在机床的四个底座上，在刀具高速切削过程中，根据切削材料的强度、硬度等产生不同强度的振动源，本减振器会根据振动源强度的不同自动匹配不同级别的减振，使减振效果达到最佳，以此使得加工出来的零件在误差范围内，使其精度得到显著提升。
实施例2：一种可以根据不同路段所需减振效果不同的汽车减振器
本实施例安装在汽车四个轮轴的减振器上，通过不同路段路面的情况来调节整个减振的效果。例如在崎岖不平的山路车辆颠簸比较厉害，此时则需用到第二级以至第三级减振装置才能使乘客在汽车内部享受到最舒适的感觉。在城市公路等比较平缓的道路上则第一级减振装置即可满足，充分将减振器对不同路段所需的减振效果发挥到最佳。
实施例3：发电机四个角的减振
发电机在工作时功率大，产生的噪音和机器振动等都比较明显。在机器长时间工作环境下，振动幅度过大容易造成机器磨损比较快，内部零件松动等问题。将此分级调节减振装置安装在发电机四个角的下端，能够根据发电机功率大小机器振动源的强度自动调节匹配隔振刚度，从而显著改善发电机振动等对自身使用寿命和其他机械结构服役性能的影响。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (4)

1.一种基于形状记忆合金复合弹簧的分级减振装置，其特征在于：包含缸体，缸体盖，外载传输轴，拉伸弹簧，外层弹簧和内层弹簧；
所述外载传输轴为柱体，在所述外载传输轴的中下部设置有一盘面，所述盘面的径向截面的大小等同于所述缸体的内部径向截面积，所述外载传输轴与所述盘面同轴心，所述外载传输轴的盘面端设置在所述缸体内，另一端穿出所述缸体盖外；
所述拉伸弹簧的一端固定在所述缸体盖上，另一端固定在所述盘面上；
所述内层弹簧设置在所述外层弹簧内侧，所述外层弹簧和内层弹簧的一端均设置在所述缸体的底部并固定，所述外层弹簧的自由端高于所述内层弹簧的自由端，且所述外层弹簧和内层弹簧的轴心与所述缸体的轴心重合；
所述缸体底部还设置有超限保护垫，所述超限保护垫设置在所述内层弹簧内，所述超限保护垫用于保护所述外载传输轴在极限条件下不与所述缸体底部产生直接撞击；
所述超限保护垫由橡胶制成，所述超限保护垫的表面积大小为所述外载传输轴径向截面积的1.5-2倍；
所述拉伸弹簧由形状记忆合金制成，采用无心轴缠制技术制作，且制作好后进行回火处理；
所述外层弹簧和内层弹簧均为形状记忆合金和橡胶制成的复合弹簧，所述复合弹簧的橡胶材料为丁基橡胶，通过溶液法制备并与形状记忆合金弹簧一起倒模成形，并对成形后的复合弹簧进行硫化处理；
所述分级减振装置为三级减振装置，小载荷、微振幅作用下，主要靠减振装置上部的拉伸弹簧，利用形状记忆合金自身的超弹性进行能量的耗散，同时提供复位功能，以吸收低频振动为主；
中载荷、较强振幅作用：减振装置上部的拉伸弹簧主要提供快速复位功能，同时提供一定的低频减振和缓冲作用；外载传输轴将与下部的外层弹簧接触，外部传递能量主要靠外层弹簧耗散，其形状记忆合金压缩弹簧为承载主体，橡胶提供高频阻尼；
重载荷、强振幅作用：减振装置上部的拉伸弹簧主要提供快速复位功能，同时提供一定的低频减振和缓冲作用；外载传输轴与外层弹簧和内层弹簧同时接触。
2.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金复合弹簧的分级减振装置，其特征在于：所述缸体为不锈钢中空圆柱体，所述外层弹簧紧贴所述缸体内部表面，所述内层弹簧与所述外层弹簧之间留有间距。
3.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金复合弹簧的分级减振装置，其特征在于：所述拉伸弹簧的数量为3，按照正三角形的方式设置在所述盘面中心。
4.根据权利要求1所述的一种基于形状记忆合金复合弹簧的分级减振装置，其特征在于：所述拉伸弹簧采用焊接的方式固定，外层弹簧和内层弹簧均通过粘接的方式固定。
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