CN113389768B - 一种具有非牛顿流体缓冲机构的柔性活塞气缸 - Google Patents

Abstract

本发明属于柔性活塞气缸的技术领域，具体涉及一种具有非牛顿流体缓冲机构的柔性活塞气缸。包括缸筒，缸筒内同轴设有活塞杆，活塞杆后端盖上插有限位杆，且限位杆穿过上述活塞且活塞可沿限位杆轴向自由活动；缓冲机构包括缓冲环和缓冲缸；缓冲缸的侧壁为夹层状，形成储液腔，缓冲环上的啮合凸轮对应缓冲缸的内腔，缓冲环上的搅拌叶片对应缓冲缸的储液腔；活塞杆在气压作用下沿着缸筒轴向运动，当螺旋凹槽和啮合凸轮相啮合，使得套环的运动推动所述缓冲环转动，缓冲环转动使所述缓冲环上搅拌叶片相对非牛顿流体运动，从而在流体阻力作用下产生缓冲力，使柔性活塞气缸在工作行程末端实现缓冲力随活塞运动速度变化的自适应缓冲。

Description

一种具有非牛顿流体缓冲机构的柔性活塞气缸

技术领域

本发明属于活塞气缸的技术领域，具体涉及一种具有非牛顿流体缓冲机构的柔性活塞气缸。

背景技术

气缸作为气动系统中最主要的执行元件，广泛的应用于各类工业生产线，完成传动、定位以及夹紧等工作。气缸性能也决定着执行机构和气动设备的可靠性。气缸活塞在工作过程中可能会有很高的速度，若无缓冲装置为其缓冲，则活塞会强烈撞击端盖，对整体结构产生强烈的冲击，造成大量的噪声，甚至毁坏端盖，使机构无法正常工作。故为保证气缸结构可以正常地运行，为其设计缓冲结构是必要的。

目前传统的缓冲结构多利用弹性垫或气垫实现缓冲。弹性垫缓冲是在活塞两侧设置橡胶垫，或者在两端缸盖上设置橡胶垫，吸收动能。可橡胶垫不易调节。气垫缓冲是利用活塞在行程终端前封闭的缓冲腔室所形成的气垫作用来吸收动能，需要较高的气密性要求。实际使用中，气缸的工作条件较为复杂，上述传统的结构难以实现高效、平稳且持久的使用。

发明内容

发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供一种基于柔性活塞机构和非牛顿流体缓冲结构的单作用气缸。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种具有非牛顿流体缓冲机构的柔性活塞气缸，包括缸筒1，缸筒1内同轴设有活塞杆2，缸筒1的两端分别设有前端盖11和后端盖14，前端盖11和后端盖14之间沿着缸筒1的轴向设有两个以上的限位杆15，活塞杆2对应后端盖14的一端插设有活塞21，活塞21和缸筒1间隙配合，且每根限位杆15轴向穿过活塞21，使得活塞21沿着缸筒1的轴向运动；

还包括缓冲机构3，缓冲机构3包括缓冲环31和缓冲缸，缓冲环31内侧壁的中部均匀设有啮合凸轮311，缓冲环31外侧壁的中部均匀设有搅拌叶片312；

所述缓冲缸的侧壁为夹层状，形成储液腔，所述缓冲缸的一端和前端盖11固定连接，所述缓冲缸的中部和所述缓冲环31活动连接，使得缓冲环31、缓冲缸和缸筒1同中心轴布置，且缓冲环31上的啮合凸轮311对应缓冲缸的内腔，缓冲环31上的搅拌叶片312对应缓冲缸的储液腔；

所述活塞杆2上通过一对制动螺母24固定套设有套环25，套环25的外圆柱面上设有螺旋凸起251，相邻螺旋凸起251之间形成螺旋凹槽；

柔性活塞气缸工作时，缓冲缸内注入非牛顿流体，活塞杆2在气压下沿着缸筒1的轴向运动，当套环25随活塞杆2移动至缓冲缸的内腔，螺旋凹槽和啮合凸轮311相啮合，使得套环25的运动推动所述缓冲环31转动，所述缓冲环31转动使所述缓冲环31上搅拌叶片312相对非牛顿流体运动，从而产生缓冲力。

进一步，所述缓冲缸包括前缓冲缸33和后缓冲缸32，前缓冲缸33和后缓冲缸32的结构相同，均包括夹层式的侧壁，且包括内侧壁和外侧壁；所述缓冲环31的两端通过一对推力球轴承34和前缓冲缸33的内侧壁、后缓冲缸32的内侧壁对应安装，前缓冲缸33的外侧壁和后缓冲缸32的外侧壁固定连接，使得前缓冲缸33、后缓冲缸32、缓冲环31和缸筒1同中心轴向布置，前缓冲缸33和后缓冲缸32的夹层式的侧壁轴向贯通形成储液腔。

进一步，所述储液腔上开设有进液口，并通过螺塞36密封。

进一步，所述缓冲环31两端部的内径大于中部的内径，使得缓冲环31两端部内侧壁和中部内侧壁形成台阶面，推力球轴承对应安装在缓冲环31端部，且推力球轴承的外圈和缓冲环31中部连接，推力球轴承的内圈和对应缓冲缸内侧壁连接；所述缓冲环31的两端部和所述储液腔通过一对密封圈35密封。

进一步，所述柔性活塞气缸还包括柔性机构，柔性机构包括三个以上的骨架圆盘23和筒状的骨架蒙皮26，所述骨架蒙皮空套在所述活塞杆2外，一端固定在所述活塞21上，另一端固定在所述前端盖11上；三个以上的骨架圆盘23间隔固定套设在活塞杆2上，用于支撑筒状的骨架蒙皮26。

进一步，每个所述骨架圆盘23、所述活塞21和所述前端盖11上均开设有同中心轴的圆环形凹槽，使得筒状的骨架蒙皮26对应粘合在每个圆环形凹槽内。

进一步，每个所述啮合凸轮311和每个搅拌叶片312均为带圆弧角的立方体状凸起，且每个啮合凸轮311的立方体高度方向为凸起方向，每个搅拌叶片312的立方体宽度方向为凸起方向。

进一步，前端盖11和后端盖14为正方体形；所述缸筒1外设有四根支撑杆13，每根支撑杆13沿着缸筒1轴向布置，四根支撑杆13对应着前端盖11和后端盖14的正方体的四个直角，且每根支撑杆13一端固定在前端盖11上，另一端贯穿后端盖14。

进一步，所述非牛顿流体为淀粉液、聚氯乙烯悬浮液等剪切增稠类非牛顿流体中的一种或几种。

本发明的有益效果：

1、本发明的柔性活塞气缸，利用了剪切增稠类非牛顿流体的特性，即受力后液体流动，其黏度随速度的增加而增加，当活塞高速运动时，非牛顿流体的黏度变得很大，产生较大的阻力，活塞迅速降速；当活塞低速运动时，非牛顿流体的黏度变得很小，产生较小的阻力，活塞可以平稳地降速，从而实现了缓冲强度的自适应调节，使缓冲过程迅速而又平稳。

2、本发明的柔性活塞气缸，一对止动螺母分别压紧套环两端并与活塞杆螺纹连接，以此对套环起到固定作用，通过对套环位置的调节，可以调节套环与啮合凸轮发生啮合时的活塞运动行程，因此可以调节本发明柔性活塞气缸进行缓冲的行程位置，通过套环与活塞杆啮合位置的可调节设计，实现了缓冲行程位置的可调节性。

3、本发明采样的非牛顿流体黏度调节范围广，材料易得，制造成本低。

4、本发明气体通过与后端盖上的进气孔连接的气泵泵入缸筒内部，使得柔性蒙皮外部产生高压，柔性蒙皮在内外压差的作用下产生形变，形变而产生的张力作用于活塞输出，活塞在柔性蒙皮内与活塞外压差的作用下，驱动活塞杆运动并对外输出力，此过程活塞无需与缸筒的侧壁接触，避免摩擦产生的力与功的损失；利用柔性机构在通入气体后柔性材料发生变形并产生张力的特点，能够增大受力面积，输出比普通活塞更大的力。

5、本发明的筒状柔性蒙皮，是由柔性材料自身构成低压腔室，活塞全程不与缸筒壁接触，消除了普通活塞在运行过程中与缸筒壁的摩擦与输出功的损失，也消除了摩擦产生的噪音。

附图说明

图1是本发明柔性活塞气缸的整体结构示意图。

图2是本发明柔性活塞气缸的半剖图。

图3是图2的A处放大图。

图4是图2的B处放大图。

图5是本发明柔性活塞气缸的内部结构示意图。

图6是图3去除前端盖的结构示意图。

图7是本发明的非牛顿流体缓冲机构的半剖视图。

图8是本发明套环的结构示意图。

图9是本发明缓冲环的结构示意图。

图10是图7的俯视图。

图11是本发明柔性活塞气缸开始运动时的工作状态图。

图12是本发明套环和啮合凸轮开始啮合时柔性活塞气缸的工作状态图。

图13是本发明套环和啮合凸轮分离时柔性活塞气缸的工作状态图。

图14是本发明柔性活塞气缸缓冲时速度与时间关系图。

图15是本发明柔性活塞气缸缓冲时速度与阻力关系图。

附图中的标记为：1缸筒、2活塞杆、3缓冲机构、11后端盖、12缸筒、13支撑杆、14前端盖、15限位杆、21活塞、22活塞杆、23圆盘骨架、24一对止动螺母、25套环、251螺旋凸起、26柔性蒙皮、31缓冲环、311啮合凸轮、312搅拌叶片、32后缸体、33前缸体、34一对推力球轴承、35一对密封圈、36螺塞。

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方式仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

见图1～图4，一种具有非牛顿流体缓冲机构的柔性活塞气缸，包括缸筒1，缸筒1内同轴设有活塞杆2，缸筒1的两端分别设有前端盖11和后端盖14，前端盖11和后端盖14之间沿着缸筒1的轴向设有两个以上的限位杆15，活塞杆2对应后端盖14的一端插设有活塞21，活塞21和缸筒1间隙配合，且每根限位杆15轴向穿过活塞21，使得活塞21沿着缸筒1的轴向运动；

缸筒12为透明材质，后端盖11的侧壁设有进气孔，用于连接气泵控制气体导入缸筒1内部。

图5，还包括缓冲机构3，缓冲机构3包括缓冲环31和缓冲缸，缓冲环31内侧壁的中部均匀设有啮合凸轮311，缓冲环31外侧壁的中部均匀设有搅拌叶片312；

所述缓冲缸的侧壁为夹层状，形成储液腔，所述缓冲缸的一端和前端盖11固定连接，所述缓冲缸的中部和所述缓冲环31活动连接，使得缓冲环31、缓冲缸和缸筒1同中心轴布置，且缓冲环31上的啮合凸轮311对应缓冲缸的内腔，缓冲环31上的搅拌叶片312对应缓冲缸的储液腔；

所述活塞杆2上通过一对止动螺母24固定套设有套环25，可调节套环25在活塞杆2上的位置，调节套环25与啮合凸轮311发生啮合时的活塞21运动行程，因此通过套环26与活塞杆22啮合位置的可调节设计，实现了缓冲行程位置的可调节性。

图6，套环25的外圆柱面上设有螺旋凸起251，相邻螺旋凸起251之间形成螺旋凹槽；柔性活塞气缸工作时，缓冲缸内注入非牛顿流体，活塞杆2在气压下沿着缸筒1的轴向运动，当套环25随活塞杆2移动至缓冲缸的内腔，螺旋凹槽和啮合凸轮311相啮合，使得套环25的运动推动所述缓冲环31转动，所述缓冲环31转动使所述缓冲环31上搅拌叶片312会搅动前缸体33及后缸体32间充入非牛顿流体，而非牛顿流体会阻止缓冲环31的旋转，进而阻止套环25前进，从而起到良好的缓冲作用。

所述非牛顿流体，其黏性系数随液体间相对速度增加而增大，可以是淀粉液、聚氯乙烯悬浮液等剪切增稠类非牛顿流体中的一种或几种。

所述缓冲缸包括前缓冲缸33和后缓冲缸32，前缓冲缸33和后缓冲缸32的结构相同，均包括夹层式的侧壁，且包括内侧壁和外侧壁；所述缓冲环31的两端通过一对推力球轴承34和前缓冲缸33的内侧壁、后缓冲缸32的内侧壁对应安装，前缓冲缸33的外侧壁和后缓冲缸32的外侧壁固定连接，使得前缓冲缸33、后缓冲缸32、缓冲环31和缸筒1同中心轴向布置，前缓冲缸33和后缓冲缸32的夹层式的侧壁轴向贯通形成储液腔。所述储液腔上开设有进液口，并通过螺塞36密封。

图7和图8，所述缓冲环31两端部的内径大于中部的内径，使得缓冲环31两端部内侧壁和中部内侧壁形成台阶面，推力球轴承对应安装在缓冲环31端部，且推力球轴承的外圈和缓冲环31中部连接，推力球轴承的内圈和对应缓冲缸内侧壁连接；所述缓冲环31的两端部和所述储液腔通过一对密封圈35密封。

所述柔性活塞气缸还包括柔性机构，柔性机构包括三个以上的骨架圆盘23和筒状的骨架蒙皮26，柔性蒙皮26为热塑性聚氨酯弹性体橡胶材料TPU，其具有卓越的高张力、高拉力、强韧和耐老化的特性，因此可以在缸筒1内充入高压气体时变形产生强大的张力作用于活塞21上，使本发明柔性活塞气缸在输入气压相同时能较普通气缸产生更大的推力。柔性蒙皮26内外气体为隔绝状态，当向缸筒1充入气体时便可使活塞21在内外气压差的作用下产生运动并输出力，此过程活塞21无需与缸筒1的侧壁接触，因此相比于普通气缸，本发明的柔性活塞气缸无气缸与壁面摩擦产生的力与功的损失。所述骨架蒙皮空套在所述活塞杆2外，一端固定在所述活塞21上，另一端固定在所述前端盖11上；三个以上的骨架圆盘23间隔固定套设在活塞杆2上，用于支撑筒状的骨架蒙皮26。每个所述骨架圆盘23、所述活塞21和所述前端盖11上均开设有同中心轴的圆环形凹槽，使得筒状的骨架蒙皮26对应粘合在每个圆环形凹槽内。

柔性蒙皮26与活塞21以及圆盘骨架23上的圆环形凹槽粘结，在向缸筒内部充气时，可以有效增大气体接触面积，使活塞21前进速度更快，而且可以产生更大的推力，每个所述啮合凸轮311和每个搅拌叶片312均为带圆弧角的立方体状凸起，且每个立方体的凸起方向均沿所述缓冲环31的径向；每个啮合凸轮311的立方体高度方向为凸起方向，每个搅拌叶片312的立方体宽度方向为凸起方向。

前端盖11和后端盖14为正方体形；所述缸筒1外设有四根支撑杆13，每根支撑杆13沿着缸筒1轴向布置，四根支撑杆13对应着前端盖11和后端盖14的正方体的四个直角，且每根支撑杆13一端固定在前端盖11上，另一端贯穿后端盖14。

见图9～11，本发明柔性活塞气缸的工作过程如下：

气体通过与后端盖11侧壁上的进气孔泵入缸筒1内部，使得柔性蒙皮26外部产生高压，柔性蒙皮26在内外压差的作用下产生形变，形变而产生的张力作用于活塞21输出；活塞21在柔性蒙皮26内与活塞21外压差的作用下，驱动活塞杆22运动并对外输出力；活塞杆22上套环25随活塞杆22运动至与缓冲环31上啮合凸轮311机构啮合时，驱动缓冲环31旋转，缓冲环31上的搅拌叶片312会随之旋转，并搅拌缓冲缸内的非牛顿流体，非牛顿流体在被搅拌后具有很强的粘性，从而通过旋桨对缓冲环31的旋转运动产生阻碍作用，该阻碍力通过缓冲环31上的啮合凸轮311传递给活塞杆22，从而阻碍活塞22的运动。

本发明柔性活塞气缸的工作原理如下：

将缓冲时套环25能量转移至储液腔内非牛顿流体中的过程，看作单只涡轮在不通气条件下搅拌过程中能量转移过程，以求解套环25在缓冲过程中的速度曲线，观察缓冲效果。

在缓冲过程中，缓冲环的转速N

套环25和缓冲环31的总动能E_k

搅拌功率P

整理可得到套环25速度v与时间t的关系式

上述各式中，

r_m为缓冲环31的内部啮合凸轮311中心至套环25轴线的距离视作平均圆柱半径；m为套环25、活塞杆22、活塞21总质量；

J为缓冲环31转动惯量；

ω为缓冲环31转动角速度；

K为常数，由搅拌叶片312形式及流体状态决定，液体处于滞流时为71，湍流时为4，这里取4；

d为搅拌叶片312的直径即缓冲环31上两相对叶片顶点间的距离；

ρ为非牛顿流体的密度；

在本实施例中，可得：

K＝4，α＝60°，m＝2.745kg，r_m＝0.025m，

J＝158.5×10^-6kg·m²，v₀＝0.5m/s，

ρ＝1000kg/m³v.

可得：

绘制函数图像如图12所示，可见非牛顿流体缓冲具有较好的缓冲性能。

再对速度求导

F＝ma

可得出F与v之间得函数关系，其图像如图13所示。可以看出，当活塞21速度很大时，缓冲产生的阻力就会很大，当活塞21运动速度很小时，缓冲产生的阻力就会很小，则此缓冲机构3具有自适应调节的能力。

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)

1.一种具有非牛顿流体缓冲机构的柔性活塞气缸，包括缸筒（1），缸筒（1）内同轴设有活塞杆（2），缸筒（1）的两端分别设有前端盖（11）和后端盖（14），前端盖（11）和后端盖（14）之间沿着缸筒（1）的轴向设有两个以上的限位杆（15），活塞杆（2）对应后端盖（14）的一端插设有活塞（21），活塞（21）和缸筒（1）间隙配合，且每根限位杆（15）轴向穿过活塞（21），使得活塞（21）可沿着缸筒（1）的轴向运动；

其特征在于：还包括缓冲机构（3），缓冲机构（3）包括缓冲环（31）和缓冲缸，缓冲环（31）内侧壁的中部均匀设有啮合凸轮（311），缓冲环（31）外侧壁的中部均匀设有搅拌叶片（312）；

所述缓冲缸的侧壁为夹层状，形成储液腔，所述缓冲缸的一端和前端盖（11）固定连接，所述缓冲缸的中部和所述缓冲环（31）活动连接，使得缓冲环（31）、缓冲缸和缸筒（1）同中心轴布置，且缓冲环（31）上的啮合凸轮（311）对应缓冲缸的内腔，缓冲环（31）上的搅拌叶片（312）对应缓冲缸的储液腔；

所述活塞杆（2）上通过一对制动螺母（24）固定套设有套环（25），套环（25）的外圆柱面上设有螺旋凸起（251），相邻螺旋凸起（251）之间形成螺旋凹槽；

柔性活塞气缸工作时，缓冲缸内注入非牛顿流体，活塞杆（2）在气压下沿着缸筒（1）的轴向运动，当套环（25）随活塞杆（2）移动至缓冲缸的内腔，螺旋凹槽和啮合凸轮（311）相啮合，使得套环（25）的运动推动所述缓冲环（31）转动，所述缓冲环（31）转动使所述缓冲环（31）上搅拌叶片（312）相对非牛顿流体运动，从而产生缓冲力。

2.根据权利要求1所述一种具有非牛顿流体缓冲机构的柔性活塞气缸，其特征在于：所述缓冲缸包括前缓冲缸（33）和后缓冲缸（32），前缓冲缸（33）和后缓冲缸（32）的结构相同，均包括夹层式的侧壁，且包括内侧壁和外侧壁；所述缓冲环（31）的两端通过一对推力球轴承（34）和前缓冲缸（33）的内侧壁、后缓冲缸（32）的内侧壁对应安装，前缓冲缸（33）的外侧壁和后缓冲缸（32）的外侧壁固定连接，使得前缓冲缸（33）、后缓冲缸（32）、缓冲环（31）和缸筒（1）同中心轴向布置，前缓冲缸（33）和后缓冲缸（32）的夹层式的侧壁轴向贯通形成储液腔。

3.根据权利要求2所述一种具有非牛顿流体缓冲机构的柔性活塞气缸，其特征在于：所述储液腔上开设有进液口，并通过螺塞（36）密封。

4.根据权利要求2所述一种具有非牛顿流体缓冲机构的柔性活塞气缸，其特征在于：所述缓冲环（31）两端部的内径大于中部的内径，使得缓冲环（31）两端部内侧壁和中部内侧壁形成台阶面，推力球轴承对应安装在缓冲环（31）端部，且推力球轴承的外圈和缓冲环（31）中部连接，推力球轴承的内圈和对应缓冲缸内侧壁连接；所述缓冲环（31）的两端部和所述储液腔通过一对密封圈（35）密封。

5.根据权利要求1所述一种具有非牛顿流体缓冲机构的柔性活塞气缸，其特征在于：所述柔性活塞气缸还包括柔性机构，柔性机构包括三个以上的骨架圆盘（23）和筒状的骨架蒙皮（26），所述骨架蒙皮空套在所述活塞杆（2）外，一端固定在所述活塞（21）上，另一端固定在所述前端盖（11）上；三个以上的骨架圆盘（23）间隔固定套设在活塞杆（2）上，用于支撑筒状的骨架蒙皮（26）。

6.根据权利要求5所述一种具有非牛顿流体缓冲机构的柔性活塞气缸，其特征在于：每个所述骨架圆盘（23）、所述活塞（21）和所述前端盖（11）上均开设有同中心轴的圆环形凹槽，使得筒状的骨架蒙皮（26）对应粘合在每个圆环形凹槽内。

7.根据权利要求1所述一种具有非牛顿流体缓冲机构的柔性活塞气缸，其特征在于：每个所述啮合凸轮（311）和每个搅拌叶片（312）均为带圆弧角的立方体状凸起，且每个啮合凸轮（311）的立方体高度方向为凸起方向，每个搅拌叶片（312）的立方体宽度方向为凸起方向。

8.根据权利要求1所述一种具有非牛顿流体缓冲机构的柔性活塞气缸，其特征在于：所述前端盖（11）和后端盖（14）为正方体形；

所述缸筒（1）外设有四根支撑杆（13），每根支撑杆（13）沿着缸筒（1）轴向布置，四根支撑杆（13）对应着前端盖（11）和后端盖（14）的正方体的四个直角，且每根支撑杆（13）一端固定在前端盖（11）上，另一端贯穿后端盖（14）。

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