CN112984029A - 一种用于减小车辆车轮对路面井盖冲击的井盖减振装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于减小车辆车轮对路面井盖冲击的井盖减振装置，属于缓冲装置技术领域。包括井盖和开设在路面上的混凝土井口，混凝土井口内均布设有三只结构相同的减振机构；每只减振机构均包括磁流阻尼器和缓冲块，二者并联；磁流阻尼器种类为磁流变半主动阻尼器，缓冲块呈杆状，材料为橡胶；井盖的外侧面与路面在一个平面内，三只减振机构通过顶板固定设于井盖的内侧面上，三只减振机构的底板均布位于井口内的台阶面上；相邻减振机构之间角度为120度；汽车行驶通过路面上的井盖时，井盖的下降高度为0.015～0.025m，汽车通过后，井盖自行回位。本发明利用磁流变阻尼器不同情况下提供相应的阻尼力，使井盖振动幅值保持恒定，从而达到减小井盖冲击的效果。
Description
技术领域
本发明属于缓冲装置技术领域，具体涉及一种用于减小车辆车轮对路面井盖冲击的井盖减振装置。
背景技术
随着我国道路交通的飞速发展，井盖的市场使用量巨大。现有的井盖材料大多数为钢筋混凝土、球墨铸件或者铸铁构件，其材质脆性大，易断裂。当车辆车轮通过井盖时，两者之间易产生冲击振动。在瞬时冲击振动的不断作用下井盖与路面结合处会经常出现“烂边”和“裂缝”，并伴随有较大的噪音，容易产生交通事故，频繁的翻修也会造成经济损失。因此，降低井盖与路面结合处的振动，减少地基和路面能量的吸收，进而延长路面破损周期和降低道路维护成本，显得十分有必要。
在以往的技术解决方案中，一般让井盖减振的方法大多是从井盖的材料以及形状方面着手，或者采用弹性材料达到减振的效果，但这些方法减振效果并不明显，且随着井盖的损坏而无法更换，成本增大。
本发明利用磁流变阻尼器阻尼系数可调的特点，通过改变阻尼器阻尼系数，使井盖振动控制在一个较为微小的范围内，从而达到减小振动能量，减小冲击和噪音的目的。
发明内容
为了实现减小车辆车轮对井盖的冲击，并减小冲击噪音，本发明提供了一种用于减小车辆车轮对路面井盖冲击的井盖减振装置。
一种用于减小车辆车轮对路面井盖冲击的井盖减振装置包括井盖和开设在路面上的混凝土井口，混凝土井口内均布设有三只结构相同的减振机构；
每只减振机构包括磁流阻尼器和缓冲块，所述磁流阻尼器和缓冲块并联；阻尼器缸体的轴向底部和缓冲块2的轴向一端固定连接着底板，磁流阻尼器的活塞杆的杆端和缓冲块2的轴向另一端固定连接着顶板；
所述缓冲块呈杆状，缓冲块材料为橡胶；
所述井盖的外侧面与路面在一个平面内，三只减振机构通过顶板固定设于所述井盖的内侧面上，三只减振机构的底板均布位于井口内的台阶面上；相邻减振机构之间角度为120度；所述混凝土井口为上大下小的阶梯井口；
汽车行驶通过路面上的井盖时，井盖的下降高度为0.015～0.025m，汽车通过后，井盖自行回位。
进一步限定的技术方案如下：
所述磁流阻尼器为磁流变半主动阻尼器，轴向长度为160mm。
所述缓冲块为圆柱杆状，中部的直径大于两端的直径；中部直径为20mm，两端的直径相同为10mm。
所述阶梯井口的台阶高度为190～200mm。
本发明的有益技术效果体现在以下方面：
1、本发明利用磁流变阻尼器和缓冲块的减振效果，减小了车辆经过井盖对地面造成的冲击与噪音，延长了路面破损周期和降低维护路面成本。
2、本发明通过检测不同汽车的质量与接触井盖时的行驶速度来施加对应的工作电流，进而改变磁流变阻尼器的阻尼系数，使阻尼力、缓冲块的弹性力、井盖重力、汽车重力及惯性力达到理论上的平衡，所以在汽车质量和行驶速度发生变化时，都能及时对井盖的下降高度进行控制，使井盖的下降高度在理论上维持在一个恒定的较为合理的数值范围，如0.015～0.025m。从而使井盖振动能量减小，延长了井盖的使用寿命，提高了车辆行驶的舒适性与安全性。通常情况下，井盖由于车辆车轮的冲击，下降的高度理论上能够达到0.05mm甚至更高，本发明减振效果十分明显。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明装置的剖视图；
图3为阻尼器和缓冲块的剖视图；
图4为装置简化示意图；
图5为车辆行驶示意图；
图6为井盖下降高度与时间关系图；
图7为阻尼器阻尼系数与车辆质量关系图；
图8为阻尼器阻尼系数与工作电流关系图；
图9为工作电流与车辆质量关系图；
上图中序号：磁流变阻尼器1、缓冲块2、底板3、顶板4、井盖5、混凝土井口6、阻尼器缸体11、活塞杆12。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
参见图1和图2，一种用于减小车辆车轮对路面井盖冲击的井盖减振装置包括井盖5、开设在路面上的混凝土井口6，混凝土井口6内均布安装有括三只结构相同的减振机构。
参见图3，每只减振机构包括磁流阻尼器和缓冲块。磁流阻尼器1为磁流变半主动阻尼器，轴向长度为160mm。缓冲块材料为橡胶，缓冲块2为圆柱杆状，中部的直径大于两端的直径，中部直径为20mm，两端的直径相同为10mm。磁流阻尼器1和缓冲块2并联；阻尼器缸体11的轴向底部和缓冲块2的轴向一端固定连接着底板3，磁流阻尼器的活塞杆12的杆端和缓冲块2的轴向另一端固定连接着顶板4。
参见图2，井盖5的外侧面与路面在一个平面内，三只减振机构通过顶板4固定安装于井盖5的内侧面上，三只减振机构的底板3均布固定安装于混凝土井口6内的台阶面上；相邻减振机构之间角度为120度；混凝土井口6为上大下小的阶梯井口，阶梯井口的台阶高度为200mm。
汽车行驶通过路面上的井盖时，设定的井盖5的下降高度为0.02m，汽车通过后，井盖自行回位。
本发明的工作原理详细说明如下：
参见图5，当质量为M0车辆以某一速度V0行驶经过井盖时，井盖会以一定的速度V向下移动，并且由于车重和车辆行驶速度的不同，井盖下降的速度也不同。由于装置中存在阻尼器和缓冲块的缘故，井盖下降的速度会越来越小，直至某一时刻下降速度为0。参见图4，假设井盖向下的位移为z,对井盖受力分析可知，井盖受到自身的重力mg，车轮给予井盖的压力Mg，阻尼器的阻尼力
以及缓冲块的弹性力kz,由牛顿第二定理可列出下列方程式：
求解方程式可得：
其中：
t——车辆经过井盖的时间
M——车轮等效质量，
利用MATLAB画出函数(2)图像如图6，分析可知，汽车下降的高度与阻尼器的阻尼系数cv和车辆的质量M0及车辆经过时间t有关。车辆质量越大，经过的时间越长，井盖下降的高度越大。阻尼器的阻尼系数越大，井盖下降的高度越小。如此一来，可以通过调节阻尼器的阻尼系数cv，使井盖下降的高度可以调节到一个恒定的合理的数值(例如0.02m)，对公式(1)求解可得：
利用MATLAB画出函数(3)图像如图7，分析可知，在使井盖下降高度z恒定的情况下，随着车辆质量的逐渐增加，阻尼器所需的阻尼系数也要逐渐增大，且随着时间t的增加，阻尼系数增大的趋势更加明显。而时间t事实上与车辆行驶的速度有关，对于某一直径为L的井盖来说，车辆经过井盖可视为匀速行驶，即：
从上述中可以看出，要想完成本发明理想的设计方案，磁流变阻尼器的阻尼系数至关重要，本发明采用的磁流变半主动阻尼器的工作模式为流动模式与剪切模式混合的工作模式。所产生的总的阻尼力为流动模式与剪切模式下的阻尼力之和，即：
选定阻尼器(4、5、6)的工作缸外径75mm，工作缸内径50mm，活塞杆直径取工作缸直径的0.35倍，得活塞杆直径为：d＝17.5mm，取整得d＝18mm，得如下参数：活塞有效面积Ap为0.01327m2，阻尼通道长度l取0.025m，阻尼通道宽度h＝0.001m，平板宽度b＝0.088m，磁场线圈匝数N＝60。此外剪切屈服上应力τy和粘度系数η随磁场强度变化而变化，因此τy和η和励磁电流的大小有关。τy和η随电流的变化关系可表示为：
通过查阅文献得出上面τy与η随电流的变化关系式中的拟合系数如下：
A1＝2.446、A2＝3.986、A3＝24.247
B1＝0.771×10-4、B2＝3.179×10-4、B3＝6.702×10-4
上述公式(5)-(6)中的字母说明如下：
F阻尼表示磁流变半主动阻尼器所产生的总的阻尼力；
F1表示流动模式下的阻尼力；
F2表示剪切模式下的阻尼力；
l表示阻尼的通道长度；
b表示平板宽度；
h表示阻尼通道高度，即活塞与缸体间的阻尼通道间隙；
Ap表示活塞的有效面积；
η表示磁流变液体的零场粘度；
ν表示活塞与缸体的相对速度；
τy表示剪切屈服应力；
利用MATLAB画出阻尼系数与电流关系图像如图8所示，分析可知，随着工作电流的增大，阻尼系数也相应增大。随着车辆行驶速度以及给与井盖的冲击力的不同，可通过调节工作电流，使阻尼器的阻尼系数调节到指定的数值，从而使井盖下降高度保持在一个恒定的数值。
以某汽车为例并设定参数值如下：
汽车总质量M0＝3600kg
汽车行驶v＝100km/h
井盖直径L＝0.8m
重力加速度g＝9.8m/s2
缓冲块k＝10000N/m
井盖质量m＝50kg
井盖下降高度z＝0.02m
车轮经过井盖给予的压力
利用MATLAB中画出工作电流与车辆质量关系如图9，代入数据得到所需的工作电流为I＝4.4A。
由此说明，在汽车以上述情况行驶时，调节磁流变阻尼器工作电流为4.4A，即可使井盖下降高度为0.02m。
改变汽车参数，使M0＝6000kg，v＝80km/h，代入数据得工作电流约为I＝12A，即可使井盖下降高度为0.02m。由此达到使井盖下降高度恒定的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上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 (4)
1.一种用于减小车辆车轮对路面井盖冲击的井盖减振装置，包括井盖和开设在路面上的混凝土井口，其特征在于：所述混凝土井口内均布设有三只结构相同的减振机构；
每只减振机构包括磁流阻尼器和缓冲块，所述磁流阻尼器和缓冲块并联；阻尼器缸体的轴向底部和缓冲块的轴向一端固定连接着底板，磁流阻尼器的活塞杆的杆端和缓冲块的轴向另一端固定连接着顶板；
所述缓冲块呈杆状，缓冲块材料为橡胶；
所述井盖的外侧面与路面在一个平面内，三只减振机构通过顶板固定设于所述井盖的内侧面上，三只减振机构的底板均布位于井口内的台阶面上；相邻减振机构之间角度为120度；所述混凝土井口为上大下小的阶梯井口；
汽车行驶通过路面上的井盖时，井盖的下降高度为0.015～0.025m，汽车通过后，井盖自行回位。
2.根据权利要求1所述的一种用于减小车辆车轮对路面井盖冲击的井盖减振装置，其特征在于：所述磁流阻尼器为磁流变半主动阻尼器，轴向长度为160mm。
3.根据权利要求1所述的一种用于减小车辆车轮对路面井盖冲击的井盖减振装置，其特征在于：所述缓冲块为圆柱杆状，中部的直径大于两端的直径；中部直径为20mm，两端的直径相同为10mm。
4.根据权利要求1所述的一种用于减小车辆车轮对路面井盖冲击的井盖减振装置，其特征在于：所述阶梯井口的台阶高度为190～200mm。
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