CN114962516A - 涡流结构吸能式缓冲器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种涡流结构吸能式缓冲器，包括：圆筒：包括筒腔，沿轴向包括第一端和第二端；活塞件：包括活塞杆和活塞头，所述活塞头伸入至筒腔内，所述活塞杆由圆筒第一端伸出，所述活塞头沿径向封闭圆筒内径，其与圆筒第二端之间形成为气腔；磁性组件：包括若干沿圆筒轴向排列的永磁体；所述磁性组件默认状态下被闲置在活塞头和圆筒第一端的空间内；所述活塞杆受外力作用压缩气腔的状态下，所述磁性组件相对圆筒产生相对运动，并切割磁感线，形成涡流阻尼力。相对传统结构的流体缓冲器，涡流结构阻尼器具有无流体密封和无接触等优势，可以有效降低缓冲器故障发生的几率和频次，并增加缓冲器产品的使用寿命。

Description

涡流结构吸能式缓冲器

技术领域

本发明涉及列车列车缓冲结构技术领域，涉及一种涡流结构吸能式缓冲器。

背景技术

缓冲器作为一种吸收冲击碰撞能量、保护主体结构和承载物体的元件。轨道车辆用缓冲器的类型主要包括：气液流体缓冲器、胶泥缓冲器、橡胶缓冲器等。

既有的流体缓冲器存在如下结构不足：由于流体阻尼对速度较为敏感，缓冲器阻尼力随速度的增加而增大，尤其在受到高速冲击时会产生较大的阻尼力，且有可能超过设计要求的最大额定阻尼力和冲击物体所能承受的最大力，导致冲击物体受到损坏，所以缓冲器的设计难度随着冲击速度的增加而增大。此外，流体缓冲器性能的优良依赖于缓冲器内部密封的设计，且在高速冲击高压状态下对密封件的质量要求较高，长时间的循环工作可能会使得密封件遭受损坏，缓冲器内部流体介质出现泄漏风险，最终导致缓冲器缓冲功能失效。

胶泥缓冲器和橡胶缓冲器均通过弹性介质的压缩吸收冲击能量，长时间使用后容易造成弹性介质性能下降。

涡流缓冲器通过永磁体的涡流效应吸收缓冲能量，现有技术虽然也有涡流缓冲器的研究，但多是通过永磁体的简单排列实现涡流吸能作用，没有对永磁吸能与其他缓冲吸能方式的的整体配合结构进行深入的研究。

发明内容

本发明的目的在于解决上述技术问题之一，提供一种新型涡流吸能缓冲器。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是:

一种涡流结构吸能式缓冲器，包括：

圆筒：包括筒腔，沿轴向包括第一端和第二端；

活塞件：包括活塞杆和活塞头，所述活塞头伸入至筒腔内，所述活塞杆由圆筒第一端伸出，所述活塞头沿径向封闭圆筒内径，其与圆筒第二端之间形成为气腔；

磁性组件：包括若干沿圆筒轴向排列的永磁体；

所述磁性组件默认状态下被闲置在活塞头和圆筒第一端的空间内；

所述活塞杆受外力作用压缩气腔的状态下，所述磁性组件相对圆筒产生相对运动，并切割磁感线，形成涡流阻尼力。

本发明一些实施例中，所述磁性组件包括沿圆筒轴向排列的第一永磁体和第二永磁体，第一永磁体的磁极方向和第二永磁体的磁极方向均沿圆筒轴向设置，且，两个永磁体磁极呈相反的方向设置；

所述缓冲器进一步包括：

导体结构：设置在筒腔内，位于第一永磁体和第二永磁体的外围。

本发明一些实施例中，进一步包括：

隔板：设置在第一永磁体和第二永磁体之间，采用导磁材料制作。

本发明一些实施例中，所述第一永磁体和所述第二永磁体均环绕活塞杆设置，所述导体结构环绕圆筒内壁设置，第一永磁体外壁的形状和第二永磁体外壁的形状均与导体结构内壁的形状相匹配。

本发明一些实施例中，第一永磁体及第二永磁体与导体结构之间呈间隙设置。

本发明一些实施例中，所述磁性组件包括沿圆筒轴向顺次排列的永磁体一、永磁体二、永磁体三和永磁体四；

永磁体一和永磁体三的磁极方向沿圆筒的径向方向设置，且二者磁极呈相反的方向设置，永磁体二和永磁体四的磁极方向沿圆筒的轴向方向设置，且二者磁极呈相反的方向设置；

或，

永磁体一和永磁体三的磁极方向沿圆筒的轴向方向设置，且二者磁极呈相反的方向设置，永磁体二和永磁体四的磁极方向沿圆筒的径向方向设置，且二者磁极呈相反的方向设置；

本发明一些实施例中，进一步包括导体结构：设置在筒腔内，位于永磁体一、永磁体二、永磁体三和永磁体四的外围。

本发明一些实施例中，进一步包括挡圈，环绕活塞杆设置，位于磁性组件与圆筒第一端之间。

本发明一些实施例中，所述活塞杆伸出圆筒的一端设置由力撞击头。

本发明一些实施例中，圆筒第一端呈开口；进一步包括端盖，可拆卸安装在圆筒第一端的开口处；所述端盖上设置有通孔，所述活塞杆穿过通孔。

本发明一些实施例中，所述圆筒的第二端设置有与气腔相通的气孔，所述气孔处设置有密封塞。

本发明提供的一种缓冲器，其有益效果在于：

1、相对传统结构的流体缓冲器，涡流结构阻尼器具有无流体密封和无接触等优势，可以有效降低缓冲器故障发生的几率和频次，并增加缓冲器产品的使用寿命。

2、本发明提供的涡流结构吸能式缓冲器具有响应快、适应性较广等优势，该产品阻尼力主要与相对运动速度有关，只要导体板与磁场发生相对运动，就会形成涡电流，进而产生阻尼力，由于电磁场响应速度极快，因此可快速产生阻尼效应。此外，由于不同的冲击速度可产生不同的阻尼力，且阻尼力变化方范围较广，所以该产品适应于不同的冲击工况和不同的应用场景，可根据产品的不同需求设计不同的阻尼力和速度的本构关系。

3、本发明提供的涡流结构吸能式缓冲器相对于传统的流体结构缓冲器，具有重量减轻，成本降低，结构简单、原理清晰等优势，通过巧妙的应用电磁感应定律等原理完成阻尼器的方案设计，并利用涡电流不断耗散振动的能量从而达到吸能的目的，而且提高冲击过程中的能量吸收率。

4、本发明提供的涡流结构吸能式缓冲器可以通过设计永磁体结构的排布和数量以及影响阻尼力的其他参数，可以满足在不同工况不同速度下缓冲器的最大阻尼力和缓冲行程，实现缓冲器的吸能功能，同时依靠于独特气腔设计，实现缓冲器的自动复位功能。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书和附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例一缓冲器结构示意图。

图2为实施例二缓冲器结构示意图。

1-圆筒，101-圆筒第一端，102-圆筒第二端,103-气腔，104-气孔；

201-活塞杆，202-活塞头，203-撞击头

301-第一永磁体，302-第二永磁体；

4-导体结构；

5-隔板；

6-端盖；

7-密封塞；

8-挡圈；

901-永磁体一，902-永磁体二，903-永磁体三，904-永磁体四。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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。

本发明提供一种涡流结构吸能式缓冲器，可用于轨道车辆的缓冲吸能。

圆筒1：包括筒腔，沿轴向包括第一端101和第二端102；

活塞件：包括活塞杆201和活塞头202，活塞头202伸入至筒腔内，活塞杆201由圆筒第一端101伸出，活塞头202沿径向封闭圆筒内径，其与圆筒第二端102之间形成为气腔103；

磁性组件：包括若干沿圆筒轴向排列的永磁体；

磁性组件默认状态下被闲置在活塞头202和圆筒第一端101的空间内；

活塞杆201受外力作用压缩气腔103的状态下，磁性组件相对圆筒1产生相对运动，并切割磁感线，形成涡流阻尼力。

其中：

气腔103内预充有一定量的气体；圆筒的第二端设置有与气腔相通的气孔104，气孔处设置有密封塞7，充气后可封闭密封塞7；

活塞件作为力传递部件，在活塞杆201的头部可进一步设置撞击头203，作为直接受力端。

气腔103在本发明中的作用非常关键，活塞件和磁性组件默认状态位于圆筒第一端101，受到撞击力后压缩气腔103，撞击力消失后气腔103推送活塞件回复到初始位置。

实施例一

实施例一提供一种磁性组件的设置结构，参考图1。

本发明一些实施例中，磁性组件包括沿圆筒轴向排列的第一永磁体301和第二永磁体302，第一永磁体301的磁极方向和第二永磁体302的磁极方向均沿圆筒轴向设置，且，两个永磁体磁极呈相反的方向设置，例如，本实施例中，两个永磁体的S极相对设置；也可以采用N极相对，但这种形式产生的涡流力小于S极相对产生的涡流力设置。

缓冲器进一步包括：

导体结构4：设置在筒腔内，位于第一永磁体301和第二永磁体302的外围。

本发明一些实施例中，第一永磁体301和所述第二永磁体302均环绕活塞杆201设置，导体结构4环绕圆筒内壁设置，第一永磁体301外壁的形状和第二永磁体302外壁的形状均与导体结构内壁的形状相匹配。

本发明一些实施例中，采用的为环形板状导体结构4，第一永磁体301及第二永磁体302与导体结构4之间呈间隙设置。间隙的距离不宜过大，其作用在于避免造成第一永磁体301及第二永磁体302与导体结构4之间的直接摩擦，保证使用寿命，其大小设置为0.5-3mm为宜。

本发明一些实施例中，进一步包括：

隔板5：设置在第一永磁体301和第二永磁体302之间，采用导磁材料制作。隔板5可被两个永磁体磁化，增强磁感应线的强度和条数，同时可起到聚拢磁感线的作用，可增强涡流作用力。

更进一步的，还包括挡圈8，环绕活塞杆201设置，位于磁性组件与圆筒第一端101之间。本实施例中，第一永磁体301位于靠近圆筒第一端101的一侧，挡圈8位于第一永磁体301和圆筒第一端101之间。

本发明一些实施例中，圆筒第一端101呈开口；进一步包括端盖6，可拆卸安装在圆筒第一端101的开口处；端盖6上设置有通孔，活塞杆201穿过通孔，穿出至圆筒1的外侧。挡圈8位于第一永磁体101和端盖6之间。

以下将对本新型涡流结构缓冲器的原理机制进行说明，组装时需先进行圆筒1和导体结构4的组装，之后进行涡流结构活塞件、第一永磁体301、第二永磁体302、隔板5等组件的组装，组装过程中要注意永磁体不能受到损坏，并能顺利的与圆筒1和导体结构4进行装配，最后通过密封塞7完成缓冲器中气体的灌装。

这种结构缓冲器的作用原理如下：

(1)压缩过程

如图1所示，缓冲器受到外力压缩时，撞击头203推动活塞杆201进入圆筒1和导体结构4中，同时第一永磁体301、第二永磁体302、挡圈8、隔板5与活塞杆8联动，共同压缩封闭气腔11中的气体，此时第一永磁体301、隔板5、第二永磁体302均与导体结构4发生相对运动，并做切割磁感线运动，导致穿过导体板的磁通发生变化，进而产生感应电动势。由于导体结构4内阻的存在，使其在电动势的作用下形成与原磁场方向相反的涡电流，而由安培定律可知电流在磁场中会受到安培力的作用，且安培力总是阻碍导体的相对运动，故而产生涡流阻尼力。此外，涡流结构组件在承受外力冲击工况的作用下进入圆筒1和导体结构4中，并推动活塞杆201向气腔103方向运动，并压缩封闭气腔103中的气体。此压缩过程中，缓冲器受到的阻尼力主要由涡流结构产生的阻尼力、摩擦力及气体被压缩时的阻尼力三部分组成。

(2)压缩复原过程

当缓冲器压缩至行程走完后，储存在气腔中的压缩能需要被释放，此时，由活塞杆8、挡圈7、第二永磁体302、隔板5和第一永磁体301组成的涡流结构组件在复原气体的推动下进行反向运动并恢复至初始位置。复位过程中，第一永磁体301、隔板5、第二永磁体302又与导体结构4发生反向相对运动，并做切割磁感线运动而产生涡电流，此过程中，涡电流与原磁场相互作用，又会产生一个阻碍导体结构4和磁场发生相对运动的阻尼力，阻碍缓冲器复位。

无论是压缩过程还是复原过程，由第一永磁体301和磁场产生的涡电流都将以热能形式耗散掉，并产生阻尼效应，对外表现为冲击物体的动能越来越小。由能量守恒定律，涡电流所耗散的热能与冲击物体的动能相等。

实施例二

实施例二提供另一种磁性组件的设置结构，参考图2。

磁性组件包括沿圆筒轴向顺次排列的永磁体一901、永磁体二902、永磁体三903和永磁体四904；具体的，永磁体一901、永磁体二902、永磁体三903和永磁体四904由筒体第一端101向筒体第二端102的方向排列。

四个永磁体的磁极方向可通过如下两种结构实现。

第一种实施结构。

永磁体一901和永磁体三903的磁极方向沿圆筒的径向方向设置，且二者磁极呈相反的方向设置，永磁体二902和永磁体四904的磁极方向沿圆筒的轴向方向设置，且二者磁极呈相反的方向设置；例如，以图2所示的剖视图的方向为例：永磁体一901的S极位于上方，永磁体三903的S极位于下方，永磁体二902和永磁体四904的S极相对。以上磁极的设置形式不是固定的，只要满足磁极的方向设置规则即可。

第二种实施结构。

永磁体一901和永磁体三903的磁极方向沿圆筒的轴向方向设置，且二者磁极呈相反的方向设置，永磁体二902和永磁体四904的磁极方向沿圆筒的径向方向设置，且二者磁极呈相反的方向设置。

本发明一些实施例中，进一步可设置如实施例一中的导体结构4：设置在筒腔内，位于永磁体一901、永磁体二902、永磁体三903和永磁体四904的外围，导体结构4和永磁体之间存在间隙。

本发明一些实施例中，进一步可设置如实施例一种的挡圈7结构和端盖6结构，永磁体一901和挡圈7相邻，挡圈7与端盖6相邻。

实施例二提供的缓冲器的组装方法如下。

组装时先进行活塞杆201、永磁组件和挡圈7等涡流结构组件的组装，组装过程中要注意永磁组件不受损坏，并能顺利的与圆筒1进行装配，最后通过密封塞7完成缓冲器中气体的灌装。替代方案中缓冲器的压缩过程和压缩复原过程原理与原方案类似。

(1)压缩过程

如图2所示，缓冲器受到外力压缩时，撞击头203推动活塞杆201进入圆筒1中，同时永磁体对挡圈7与活塞杆201联动，共同压缩封闭气腔103中的气体，此时永磁组件对均与导体结构4发生相对运动，做切割磁感线运动并产生感应电动势和感应电流，进而使得缓冲器产生磁阻尼力。此外，涡流结构组件在外力冲击工况的作用下进入导体结构4中，并推动活塞杆201向气腔方向运动，压缩封闭气腔103中的气体。

(2)压缩复原过程

如前所述，当缓冲器压缩至行程走完后，储存在气腔103中的压缩能需要被释放，此时，由活塞杆203、挡圈7、永磁组件对组成的涡流结构组件在复原气体的推动下进行反向运动并恢复至初始位置。复位过程中，永磁组件对又与导体结构4发生反向相对运动，并做切割磁感线运动而产生涡电流，此过程中，涡电流与原磁场相互作用产生涡流阻尼力，阻碍缓冲器复位。

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 (10)

1.一种涡流结构吸能式缓冲器，其特征在于，包括：

圆筒：包括筒腔，沿轴向包括第一端和第二端；

活塞件：包括活塞杆和活塞头，所述活塞头伸入至筒腔内，所述活塞杆由圆筒第一端伸出，所述活塞头沿径向封闭圆筒内径，其与圆筒第二端之间形成为气腔；

磁性组件：包括若干沿圆筒轴向排列的永磁体；

所述磁性组件默认状态下被闲置在活塞头和圆筒第一端的空间内；

所述活塞杆受外力作用压缩气腔的状态下，所述磁性组件相对圆筒产生相对运动，并切割磁感线，形成涡流阻尼力。

2.如权利要求1所述的涡流结构吸能式缓冲器，其特征在于，所述磁性组件包括沿圆筒轴向排列的第一永磁体和第二永磁体，第一永磁体的磁极方向和第二永磁体的磁极方向均沿圆筒轴向设置，且，两个永磁体磁极呈相反的方向设置；

所述缓冲器进一步包括：

导体结构：设置在筒腔内，位于第一永磁体和第二永磁体的外围。

3.如权利要求2所述的涡流结构吸能式缓冲器，其特征在于，进一步包括：

隔板：设置在第一永磁体和第二永磁体之间，采用导磁材料制作。

4.如权利要求2所述的涡流结构吸能式缓冲器，其特征在于，所述第一永磁体和所述第二永磁体均环绕活塞杆设置，所述导体结构环绕圆筒内壁设置，第一永磁体外壁的形状和第二永磁体外壁的形状均与导体结构内壁的形状相匹配。

5.如权利要求2或3或4所述的涡流结构吸能式缓冲器，其特征在于，第一永磁体及第二永磁体与导体结构之间呈间隙设置。

6.如权利要求1所述的涡流结构吸能式缓冲器，其特征在于，所述磁性组件包括沿圆筒轴向顺次排列的永磁体一、永磁体二、永磁体三和永磁体四；

永磁体一和永磁体三的磁极方向沿圆筒的径向方向设置，且二者磁极呈相反的方向设置，永磁体二和永磁体四的磁极方向沿圆筒的轴向方向设置，且二者磁极呈相反的方向设置；

或，

永磁体一和永磁体三的磁极方向沿圆筒的轴向方向设置，且二者磁极呈相反的方向设置，永磁体二和永磁体四的磁极方向沿圆筒的径向方向设置，且二者磁极呈相反的方向设置。

7.如权利要求6所述的涡流结构吸能式缓冲器，其特征在于，进一步包括导体结构：设置在筒腔内，位于永磁体一、永磁体二、永磁体三和永磁体四的外围。

8.如权利要求1所述的涡流结构吸能式缓冲器，其特征在于，进一步包括挡圈，环绕活塞杆设置，位于磁性组件与圆筒第一端之间。

9.如权利要求1所述的涡流结构吸能式缓冲器，其特征在于，所述活塞杆伸出圆筒的一端设置由力撞击头。

10.如权利要求1所述的涡流结构吸能式缓冲器，其特征在于，圆筒第一端呈开口；进一步包括端盖，可拆卸安装在圆筒第一端的开口处；所述端盖上设置有通孔，所述活塞杆穿过通孔。

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