CN113715764A - 一种一维展开机构与吸能材料复合作用的碰撞缓冲吸能装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种一维展开机构与吸能材料复合作用的碰撞缓冲吸能装置。该碰撞缓冲吸能装置包括一维展开机构和吸能材料，吸能材料设置在一维展开机构内部，与机构的上下平台相固连，不干涉机构的运动。一维展开机构的下平台固定，上平台收到碰撞的挤压作用发生运动，同时压缩吸能材料，吸能材料在压溃过程中吸收碰撞能量，从而缓冲碰撞冲击。吸能材料的类型和一维展开机构的构型都可以根据工作需要具体选择。一维展开机构抵抗斜向碰撞的刚度远超过吸能材料，从而在碰撞发生时，提高装置抵御斜向碰撞的能力，加强装置抵抗轴向失稳的能力。

Description

一种一维展开机构与吸能材料复合作用的碰撞缓冲吸能装置

技术领域

本发明隶属于机械设备技术领域，涉及一种由一维展开机构和吸能材料复合构造的碰撞缓冲吸能装置，可用于轨道交通、汽车、航空航天等领域需要吸能碰撞能量的场合。

背景技术

随着经济技术的发展，各种机械设备，如轨道列车、汽车的速度越来越快，由此导致的碰撞后果极为严重，引起了人们对碰撞能量被动吸收装置的兴趣。除此之外，行星探测着陆器软着陆过程、直升机失事坠落等，都需要吸收碰撞过程产生的能量。针对这些应用需求，人们设计了各种碰撞能量吸收装置，如铝蜂窝、波纹管等。

传统碰撞能量吸收装置采用材料的变形来吸收碰撞能量，存在一些难以解决的问题，如材料纵向刚度低，碰撞行程过长时材料容易失稳；只能吸收正面碰撞的能量，对斜碰的缓冲效果不佳等。为了解决这些问题，除了改善材料本身性能外，还可以考虑其它角度。

一维可展开机构由连杆和运动副构成，可以实现一维方向的伸展和收拢，具有刚度高、精度好、重复折展精度高、可靠性高等优点，如今已广泛应用于空间伸展臂、空间可展桁架、卫星可展天线等领域。将一维可展开机构和吸能材料结合在一起，在纵向的碰撞方向，可展开机构可以提供较高的刚度，承担斜向受力，而吸能材料在机构收拢过程中吸收碰撞能量，两者相结合，可以克服单纯采用材料吸收碰撞能量的缺陷。本设计可以用于轨道列车、汽车碰撞时的能量吸收，或行星探测器软着陆过程中碰撞能量的吸收。

发明内容

本发明提供一种由一维展开机构和吸能材料复合作用的新型碰撞缓冲吸能装置，它由一维展开机构和铝蜂窝、波纹管、泡沫铝、玻璃钢等吸能材料组合而成，其中吸能材料布置在一维展开机构内部，碰撞时，一维展开机构收拢，吸能材料被压缩，压缩过程中吸收碰撞能量。一维展开机构可以叠加，通过叠加增加装置长度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种一维展开机构和吸能材料复合作用的碰撞缓冲吸能装置，其结构特征如图1所示，所述的吸能材料铝蜂窝安装在一维展开机构内部，与一维展开机构的上下平台相连，并与一维展开机构的运动互不冲突。装置工作过程如图3所示，工作时，装置下平台固定在被碰撞物体上，当其它物体碰撞上平台时，上平台受压收缩，同时压缩装置中的铝蜂窝等吸能材料，吸能材料和一维展开机构同步运动，吸能材料在受压变形过程中吸收碰撞能量，缓冲碰撞，保护被碰撞物体。

所述碰撞缓冲吸能装置可以组合在一起，如图4所示。多个缓冲吸能装置的上下平台相连并固定在一起，最下一个装置的下平台固定在被碰撞的物体上，最上一个装置的上平台与其他物体碰撞。通过多个装置的连接，延长装置的缓冲吸能距离，克服单个装置吸能材料作用距离有限的缺点。

所述的一维展开机构，如图2所示。一维展开机构由上平台、下平台、支链组成。所述一维展开机构在工作过程中，下平台固定，上平台在支链约束下只能上下往复移动，所以称为一维展开机构。

所述一维展开机构的支链由两个连杆组成，每个连杆两端具有转动副，同一支链中转动副的轴线平行，不同支链的转动副轴线方向不同，支链上杆一端通过转动副与上平台相连，一端通过转动副与下杆相连，支链下杆一端通过转动副与下平台相连。

所述一维展开机构的上平台、下平台和支链数目具有不同构造，如图2、图 5、图6、图7所示。图2中，平台为正方形，装置含有4条支链，4条支链中转动副轴线方向垂直于所折叠方向的平台边线；图5中，4条支链的折叠运动方向与正方形平台存在一个α的夹角；图6中，平台为五边形，支链数为5，支链折叠方向与五边形边线平行；图7中，平台为三角形，支链数为3，支链折叠运动的方向与三角形边线平行。

所述吸能材料如图1中1所示，为铝蜂窝，除此外，还可以选择波纹管、泡沫铝、玻璃钢等，其中吸能材料为波纹管的装置如图8所示。吸能材料的外形根据上下平台外形决定，高度根据一维展开机构的高度决定，要求吸能材料填满一维展开机构的内部空间，且不能与机构中支链的运动相干涉。

所述吸能材料和一维展开机构的组合方式多种多样，可以自由组合，本发明中仅给出了几种组合示例，如图1、图5、图6、图7、和图8。

本发明与现有的技术相比具有以下优点：

1.本发明结构简单，装置由一维展开机构和吸能材料组成，生产安装比较方便，制造成本很低。

2.本发明的防碰撞缓冲性能优良，解决了传统吸能装置吸能材料难以抵抗斜向碰撞的缺点，由一维展开机构来抵抗斜向受力，同时提高了装置的轴向刚度，从而提升了装置抵抗轴向失稳的能力，有利于延长吸能材料工作行程。

附图说明

图1：本发明中一维展开机构和吸能材料构造的碰撞缓冲吸能装置示意图，此一维展开机构含4条支链。图1中，1.吸能材料铝蜂窝,2.一维展开机构。

图2：本发明中的一维展开机构，此一维展开机构含4条支链。图2中，3. 正方形下平台，4.正方形上平台，5.支链上杆，6.支链下杆，A1、A2、A3、A4 表示支链，由支链上杆和支链下杆构成，此4条支链的结构相同。

图3：本发明中碰撞缓冲吸能装置的压缩运动过程示意图。图中是碰撞压缩过程中的两个状态。

图4：多模块碰撞缓冲吸能装置示意图。图中，T1、T2、T3、T4是4个碰撞缓冲吸能装置单元，这些单元即为图2中所示的碰撞缓冲吸能装置，它们串联在一起构成了一个多模块的碰撞缓冲吸能装置。

图5：支链折叠方向与平台存在夹角的4支链碰撞缓冲吸能装置示意图。

图6：含5条支链的碰撞缓冲吸能装置示意图。图中，7.五变形上平台，8. 支链，9.五边形下平台。

图7：含3条支链的碰撞缓冲吸能装置示意图。图中，10.三角形上平台，11. 支链，12.三角形下平台。

图8：吸能材料为波纹管的3支链碰撞缓冲吸能装置示意图。图中，13.波纹管

实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

根据本发明实施例的碰撞缓冲吸能装置，如图1所示，包括：吸能材料铝蜂窝1和一维可展开机构2，吸能材料1另外可以选择波纹管、泡沫铝、玻璃钢等。吸能材料1安装在一维展开机构2中，其外形根据一维展开机构上下平台和支链的运动情况确定，不能阻碍一维展开机构的运动，其高度由一维展开机构2的高度确定，与一维展开机构的上下平台分别接触固定。一维展开机构只能在纵向移动，抵抗侧向力的刚度远超过吸能材料，从而大大提高了吸能材料承受斜向碰撞的能力，防止吸能材料压缩行程过长时的失稳现象，提高了材料抵抗失稳的能力。

如图2所示，一维展开机构2包括：下平台3、上平台4、支链上杆5、支链下杆6，其中支链上杆5和支链下杆6构成支链，整个机构包括多条支链，图 2中的实施例包含4条支链A1、A2、A3、A4。一维展开机构中，上平台4和下平台3平行，上下平台都通过转动副与支链杆相连接。支链上杆5和支链下杆6 的两端都有两个轴线平行的转动副，支链杆之间，以及支链杆和平台间都通过转动副相连接，单条支链中的转动副轴线都平行，不同支链间的转动副轴线不平行。

如图3所示，碰撞缓冲吸能装置工作时，下平台3和受保护物体固定，上平台4与其它物体碰撞，收到碰撞压力的作用而收缩，在收缩过程中压缩吸能材料 1，吸能材料1在压溃过程中吸收碰撞能量，缓冲碰撞冲击，保护被碰撞物体的安全。图3显示了实施例的压缩过程，在压缩过程中，一维展开机构2和吸能材料1是同步的。

如图4所示，当单个碰撞缓冲装置的缓冲作用不能满足要求时，可以将多个碰撞缓冲装置组合在一起，延长吸能材料的工作行程。组合时，单个碰撞缓冲装置内部的构造不变，只将多个装置的上下平台固连在一起，如图4所示，单元T1、 T2、T3、T4的上下平台相固连。装置组合时，数目不受限制，根据工作需要确定。

一维展开机构2中的支链，其折叠的方向，即支链折叠经过的平面，可以与上下平台的边沿平行，如图1、3所示，也可以与上下平台的边沿成一定夹角，如图5所示，即支链折叠运动的方向不受限制，只需保证不出现所有支链的折叠方向都平行的情况即可。

一维展开机构2中的支链数目，如图1、6、7所示，可以选择多个数目，如 3条支链、4条支链、5条支链等，其具体数目根据工作情况确定，支链数目越多，装置的刚度越大，但机构会变得复杂。根据支链数目的不同，一维展开机构 2中的上下平台的构型也发生改变，如图1、6、7所示，分别为正方形，如图1 中的上下平台3和4，或五边形，如图6中的上下平台7和9，或三角形，如图 7中的上下平台10和12。根据支链数目和上下平台的构型，支链间的角度关系也随之发生改变，如图6中的支链8和图7中的支链11。

碰撞缓冲吸能装置中的吸能材料1，可以根据工作需要选择不同类型，如图 1中的铝蜂窝，和图8中的波纹管13。不同类型的吸能材料和一维展开机构可以互相组合，构造出具有不同性能的碰撞缓冲吸能装置，应用于不同场合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种由一维展开机构和吸能材料复合作用的碰撞缓冲吸能装置，其特征在于：包括吸能材料(1)和一维展开机构(2)，吸能材料和一维展开机构组合在一起，吸能材料处于一维展开机构内部，在碰撞时同步变形，吸能材料和展开机构的运动互不干涉。

2.根据权利1所述的碰撞缓冲吸能装置，其特征在于，所述一维展开机构(2)的下平台与受保护物体固定，碰撞时上平台与其它物体碰撞，受到压力作用收拢。所述吸能材料(1)分别与一维展开机构的上下平台接触，上平台在碰撞作用下收拢时挤压吸能材料(1)，吸收碰撞能量。

3.根据权利1所述的碰撞缓冲吸能装置，其特征在于，多个碰撞缓冲吸能装置(T1、T2、T3、T4)可以组合，延长装置长度，组合时，最下一个吸能装置(T1)的下平台固定，其余吸能装置的上下平台固连，吸能装置组合的数目根据工作需求确定。

4.根据权利1所述的碰撞缓冲吸能装置，其特征在于，所述一维展开机构(2)包括下平台(3)、上平台(4)、支链(A1、A2、A3、A4)，上平台和下平台平行，支链包括支链上杆(5)、支链下杆(6)，支链杆两端具有转动副，支链杆之间、支链杆与平台之间都通过转动副相连接。

5.根据权利4所述的碰撞缓冲吸能装置，其特征在于，所述一维展开机构(2)的支链，其支链杆折叠运动的方向有多种选择，支链杆运动构成平面可以与平台的边线平行，也可以与边线存在夹角。

6.根据权利4所述的碰撞缓冲吸能装置，其特征在于，所述一维展开机构(2)的支链，其数目有多种选择，可以选择3、4、5或更多条支链，只需要保证不同支链间转动副的轴线方向不平行即可。

7.根据权利1所述的碰撞缓冲吸能装置，其特征在于，所述吸能材料(1)的种类不受限制，可以选择铝蜂窝(1)、波纹管(13)，或泡沫铝、玻璃钢等，只要能够在碰撞挤压过程中吸收碰撞能量即可。吸能材料的外形与一维展开机构的外形相一致，不能阻碍一维展开机构在碰撞过程中的运动。

8.根据权利1所述的碰撞缓冲吸能装置，其特征在于，不同类型的吸能材料(1)和一维展开机构(2)可以互相组合，组合方式不受限制。吸能材料的种类，如铝蜂窝、泡沫铝等，一维展开机构的支链条数、支链折叠运动方向，可以任意选择一种吸能材料，与一种构型的一维展开机构相结合，组成一种碰撞缓冲吸能装置。

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