CN112483588A - 一种基于剪切增稠特性的变刚度阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明属于变刚度阻尼器相关技术领域，其公开了一种基于剪切增稠特性的变刚度阻尼器，变刚度阻尼包括STG材料及变刚度阻尼器结构体，STG材料收容在变刚度阻尼器结构体；变刚度阻尼器结构体与外载荷接触，当外载荷的瞬时冲击力作用于变刚度阻尼器结构体时，变刚度阻尼器结构体冲击STG材料，STG材料的分子之间迅速相互锁定、收紧变硬而形成一层防护层，使得STG材料的刚度增大；当外载荷的循环交变力作用于变刚度阻尼器结构体时，变刚度阻尼器结构体对STG材料进行往复剪切，此时变刚度阻尼器的刚度随着外载荷的作用频率和作用振幅进行自适应变刚度；当外载荷去除后，STG材料恢复原状。本发明结构简单，响应速度快，无源。

Description

一种基于剪切增稠特性的变刚度阻尼器

技术领域

本发明属于变刚度阻尼器相关技术领域，更具体地，涉及一种基于剪切增稠特性的变刚度阻尼器。

背景技术

阻尼器分为三种类型：利用某种状态固定的耗能介质作为减振元件的被动式阻尼器、利用外加能量，通过直接控制施加在被控制件上的作用力来抵消振动的惯性力，从而实现减振控制的主动式阻尼器、以及利用状态可控的耗能介质作为减振元件的半主动式阻尼器。

半主动式阻尼器相比被动式阻尼器，它具有出力大、阻尼力连续可调等优点；相比主动式阻尼器，它具有耗能小、结构简单、可靠性高等优点。但是，不论是通过磁流变液、电流变液还是负压来设计半主动式阻尼器，均需要借助外部的磁场或者电流等调节装置来主动改变介质的内部阻尼，因为本质上他们仍属于有源驱动。并且，主动式阻尼器及半主动式阻尼器均需要通过各类传感器精确获取环境信息，通过复杂算法来实现预测和阻尼控制，可能存在阻尼不匹配等问题，加上在复杂的应用场景下，磁场或者电场都可能会受到影响，可能会存在较大误差和滞后。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于剪切增稠特性的变刚度阻尼器，所述变刚度阻尼器具有基于剪切增稠弹性体(STG)材料的智能变刚度特性，其主要由剪切增稠弹性材料和变刚度阻尼器结构二个部分组成，剪切增稠弹性体材料常态下为弱刚度，当受到外力作用时，瞬间变为高刚度，其刚度的变化速度和幅度取决于外力的作用速度和大小。变刚度阻尼器结构部分具有无源、自适应变刚度特性，主要由外壳、软胶(材料)容器及弹簧组成，而机构简单可靠。此外，智能变刚度阻尼器具有性能稳定、响应范围广、响应速度快等特点。如此所述变刚度阻尼器可以作为冲击或者剪切等场景下的被动自适应的变刚度阻尼器，既弥补了传统被动式阻尼器的阻尼力小、不连续和范围小等特点，也解决了半主动式阻尼器、主动式阻尼器等需要有外部激励电源，且因附加电场或者磁场装置导致设备结构复杂等不足问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于剪切增稠特性的变刚度阻尼器，所述变刚度阻尼包括STG材料及变刚度阻尼器结构体，所述STG材料收容在所述变刚度阻尼器结构体；

所述变刚度阻尼器结构体与外载荷接触，当外载荷的瞬时冲击力作用于所述变刚度阻尼器结构体时，所述变刚度阻尼器结构体冲击所述STG材料，所述STG材料的分子之间迅速相互锁定、收紧变硬而形成一层防护层，使得所述STG材料的刚度增大；当外载荷的循环交变力作用于所述变刚度阻尼器结构体时，所述变刚度阻尼器结构体对所述STG材料进行往复剪切，此时所述变刚度阻尼器的刚度随着外载荷的作用频率和作用振幅进行自适应变刚度；当外载荷去除后，所述STG材料恢复原状。

进一步地，所述变刚度阻尼器结构体包括下部外壳及上部外壳，所述下部外壳为筒状，其外部形成有外螺纹；所述上部外壳呈阶梯状，其大端开设有第一凹槽，所述第一凹槽的槽壁上形成有内螺纹，所述外螺纹与所述内螺纹进行螺纹连接以使得所述下部外壳与所述上部外壳螺纹连接到一起。

进一步地，所述第一凹槽的底面开设有第一收容孔，所述第一收容孔的底面开设有第二收容孔；所述变刚度阻尼器结构体还包括滚珠保持架、弹簧及滑动杆，所述滚珠保持架设置在所述第一收容孔内，所述弹簧设置在所述第二收容孔内，且其与滑动杆相抵靠。

进一步地，所述变刚度阻尼器结构体还包括软胶盖及弹性软胶容器，所述弹性软胶容器呈筒状，其底面形成有第一连接管；所述第一连接管用于供所述滑动杆穿过；所述软胶盖与所述弹性软胶容器形成卡套连接，两者形成的弹性容器用于装填所述STG材料。

进一步地，所述软胶盖朝向所述弹性软胶容器的表面形成有第二连接管，所述第二连接管用于供所述滑动杆穿过；所述第一连接管的中心轴与所述第二连接管的中心轴重合。

进一步地，所述软胶盖及所述弹性软胶容器是采用TPU软胶材料制备而成的。

进一步地，所述变刚度阻尼器结构体还包括法兰直线导轨，所述法兰直线导轨连接于所述下部外壳的另一端，且所述法兰直线导轨的中心轴与所述下部外壳的中心轴重合；所述法兰直线导轨开设有导向孔，所述导向孔用于供所述滑动杆穿过。

进一步地，所述滑动杆基本呈十字状，其包括杆及设置在所述杆上的圆盘，所述杆的中心轴与所述圆盘的中心轴重合；所述杆的一端依次穿过所述导向孔、所述第一连接管及所述第二连接管后伸入所述第一收容孔内。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的基于剪切增稠特性的变刚度阻尼器主要具有以下有益效果：

1.本发明提供的变刚度阻尼器可以在无能源驱动的被动条件下，实现根据外部负载的冲击力的大小和速度或者剪切的频率和幅值来实现自适应变刚度，结构上更加简单可靠。

2.本发明的变刚度阻尼器中的STG材料可以在受到外载冲击时，分子之间瞬间相互锁定而收紧变硬，没有半/主动式阻尼器的信息收集、处理、执行等过程，因此，可以实现微秒级的快速响应。

3.本发明的变刚度阻尼器可以通过调节材料比例来大幅度提高阻尼器的耗散能力，结合环形间隙、滑动杆圆盘的厚度等结构参数的优化，可以实现更大范围刚度的响应，可以满足不同工况需求。

4.本发明的变刚度阻尼器的STG材料相比于STF材料便于封装、稳定性好、更好的剪切增稠效果，相比于磁流变液、电流变液等也具有更强的环境抗干扰能力，表现出优异的稳定性。

附图说明

图1是本发明提供的基于剪切增稠特性的变刚度阻尼器的结构示意图；

图2是图1中的基于剪切增稠特性的变刚度阻尼器的剖视图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-滑动杆，2-法兰直线导轨，3-下部外壳，4-上部外壳，5-滚珠保持架，6-弹簧，7-软胶盖，8-STG材料，9-弹性软胶容器，10-密封圈。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1及图2，本发明提供的基于剪切增稠特性的变刚度阻尼器，所述变刚度阻尼器包括STG材料8及变刚度阻尼器结构体，所述STG材料8收容在所述变刚度阻尼器结构体内。所述STG材料8在不受力的情况下柔软而富有弹性，一旦受到冲击，分子之间迅速相互锁定而收紧变硬，材料从弱刚度迅速变为高刚度，当外界作用力小时，弹性体又立刻恢复到原来的柔软状态，刚度的变化速度和幅度取决于力的作用速度和大小；所述STG材料8不仅可以对外界剪切或者力的冲击做出快速响应，而且具有高柔韧性、良好的耗散能力和稳定的抗冲击性等等。

所述变刚度阻尼器结构体包括滑动杆1、法兰直线导轨2、下部外壳3、上部外壳4、滚珠保持架5、弹簧6、软胶盖7、弹性软胶容器9及密封圈10。所述下部外壳3为筒状，其外部形成有外螺纹。所述上部外壳4呈阶梯状，其大端开设有第一凹槽，所述第一凹槽的槽壁上形成有内螺纹，所述外螺纹与所述内螺纹进行螺纹连接以使得所述下部外壳3与所述上部外壳4螺纹连接到一起。所述第一凹槽的底面开设有第一收容孔，所述第一收容孔的底面开设有第二收容孔，所述第一收容孔的中心轴、所述第二收容孔的中心轴重合。所述滚珠保持架5设置在所述第一收容孔内，所述弹簧6设置在所述第二收容孔内，且其与所述滑动杆1相抵靠。本实施方式中，所述下部外壳3、所述上部外壳4及所述滑动杆1都是采用金属材料加工而成的。

所述弹性软胶容器9呈筒状，其底面形成有第一连接管。所述第一连接管用于供所述滑动杆1穿过。所述软胶盖7与所述弹性软胶容器9形成卡套连接，两者形成的弹性容器用于装填所述STG材料8及起密封作用。所述STG材料8收容在所述弹性容器内。可以理解，在其他实施方式中，所述弹性软胶容器9与所述软胶盖7之间可以采用粘连等连接方式。

所述软胶盖7朝向所述弹性软胶容器9的表面形成有第二连接管，所述第二连接管用于供所述滑动杆1穿过。本实施方式中，所述第一连接管的中心轴与所述第二连接管的中心轴重合；所述软胶盖7及所述弹性软胶容器9是采用TPU软胶材料制备而成的。

所述法兰直线导轨2连接于所述下部外壳3的另一端，且所述法兰直线导轨2的中心轴与所述下部外壳3的中心轴重合。所述法兰直线导轨2开设有导向孔，所述导向孔用于供所述滑动杆穿过。

所述滑动杆1基本呈十字状，其包括杆及设置在所述杆上的圆盘，所述杆的中心轴与所述圆盘的中心轴重合。所述杆的一端依次穿过所述导向孔、所述第一连接管及所述第二连接管后伸入所述第一收容孔内。所述圆盘收容于所述下部外壳3的空腔内。

其中，所述软胶盖7及所述弹性软容器9有帮助材料在摆动相恢复原状的功能。所述滑动杆1在支撑相将冲击力传递给软胶材料，使其刚度发生突变。所述弹簧6起到调节结构整体“弹性模量”的作用。所述上部外壳4与所述软胶盖7之间设置有所述密封圈10，所述法兰直线导轨2与所述下部外壳3之间设置有密封圈10。

所述滚珠保持架5及所述法兰直线导轨2用于保证所述活动杆1的直线往复运动和减小摩擦力。所述弹性软胶容器9采用加长软胶密封出口和密封圈10进行密封。通过改变所述弹簧6的预压缩量和刚度来调节变刚度阻尼器的“储能模量”、“耗散模量”等，以满足不同应用场景。

所述滑动杆1与外载接触的输入端，外载荷的瞬时冲击力作用于所述滑动杆1时，所述滑动杆1沿着所述法兰直线导轨2及所述滚珠保持架5竖直冲击所述STG材料8，材料分子之间会迅速相互锁定，收紧变硬而形成一层防护层，并且会耗散很多冲击能量，从而使变刚度阻尼器具有良好的抗冲击能力，可以用于汽车撞击防护、电梯意外防护等。

当外载荷的循环交变力作用于所述滑动杆1时，所述滑动杆1沿着所述法兰直线导轨2往复剪切所述STG材料8，此时所述变刚度阻尼器的刚度变化将随着外载的作用频率和作用振幅进行自适应变刚度，所述STG材料在自身“弹性模量”及弹性容器作用下，快速恢复原状来迎接下一循环作用力，也可通过调节弹簧预压缩量来调节初始刚度和提高弹性模量。根据使用的工况，无论是冲击还是剪切作用都可以事先通过修改结构的环形间隙、圆盘的厚度、弹簧预压缩量来初设变刚度阻尼器的刚度变化范围，这样将满足更多的使用需求。

例如在人为负重运动时，在支撑相初期，外骨骼将脚底接触地面的冲击力传递到智能变刚度阻尼器处，软胶内STG材料受到冲击力，瞬间冲击增稠使阻尼器刚度增大，使其能够将负载的重力通过外骨骼结构传递到地面，减轻人体肌骨系统的负担。通过选择合适刚度的弹簧，延长峰值刚度的持续时间约至支撑末期。在预摆动期，随足底作用力的降低和消失，阻尼器刚度呈现弱刚度，材料也恢复原状，具有很好的柔顺性，在摆动相被动跟随人体运动，完成整个周期的辅助运动。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于剪切增稠特性的变刚度阻尼器，其特征在于：

所述变刚度阻尼包括STG材料及变刚度阻尼器结构体，所述STG材料收容在所述变刚度阻尼器结构体；

所述变刚度阻尼器结构体与外载荷接触，当外载荷的瞬时冲击力作用于所述变刚度阻尼器结构体时，所述变刚度阻尼器结构体冲击所述STG材料，所述STG材料的分子之间迅速相互锁定、收紧变硬而形成一层防护层，使得所述STG材料的刚度增大；当外载荷的循环交变力作用于所述变刚度阻尼器结构体时，所述变刚度阻尼器结构体对所述STG材料进行往复剪切，此时所述变刚度阻尼器的刚度随着外载荷的作用频率和作用振幅进行自适应变刚度；当外载荷去除后，所述STG材料恢复原状。

2.如权利要求1所述的基于剪切增稠特性的变刚度阻尼器，其特征在于：所述变刚度阻尼器结构体包括下部外壳及上部外壳，所述下部外壳为筒状，其外部形成有外螺纹；所述上部外壳呈阶梯状，其大端开设有第一凹槽，所述第一凹槽的槽壁上形成有内螺纹，所述外螺纹与所述内螺纹进行螺纹连接以使得所述下部外壳与所述上部外壳螺纹连接到一起。

3.如权利要求2所述的基于剪切增稠特性的变刚度阻尼器，其特征在于：所述第一凹槽的底面开设有第一收容孔，所述第一收容孔的底面开设有第二收容孔；所述变刚度阻尼器结构体还包括滚珠保持架、弹簧及滑动杆，所述滚珠保持架设置在所述第一收容孔内，所述弹簧设置在所述第二收容孔内，且其与滑动杆相抵靠。

4.如权利要求3所述的基于剪切增稠特性的变刚度阻尼器，其特征在于：所述变刚度阻尼器结构体还包括软胶盖及弹性软胶容器，所述弹性软胶容器呈筒状，其底面形成有第一连接管；所述第一连接管用于供所述滑动杆穿过；所述软胶盖与所述弹性软胶容器形成卡套连接，两者形成的弹性容器用于装填所述STG材料。

5.如权利要求4所述的基于剪切增稠特性的变刚度阻尼器，其特征在于：所述软胶盖朝向所述弹性软胶容器的表面形成有第二连接管，所述第二连接管用于供所述滑动杆穿过；所述第一连接管的中心轴与所述第二连接管的中心轴重合。

6.如权利要求4所述的基于剪切增稠特性的变刚度阻尼器，其特征在于：所述软胶盖及所述弹性软胶容器是采用TPU软胶材料制备而成的。

7.如权利要求5所述的基于剪切增稠特性的变刚度阻尼器，其特征在于：所述变刚度阻尼器结构体还包括法兰直线导轨，所述法兰直线导轨连接于所述下部外壳的另一端，且所述法兰直线导轨的中心轴与所述下部外壳的中心轴重合；所述法兰直线导轨开设有导向孔，所述导向孔用于供所述滑动杆穿过。

8.如权利要求7所述的基于剪切增稠特性的变刚度阻尼器，其特征在于：所述滑动杆基本呈十字状，其包括杆及设置在所述杆上的圆盘，所述杆的中心轴与所述圆盘的中心轴重合；所述杆的一端依次穿过所述导向孔、所述第一连接管及所述第二连接管后伸入所述第一收容孔内。

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