CN116557469A - 一种基于分子弹簧的准零刚度衬套及其调整方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于分子弹簧的准零刚度衬套，包括内管套和外套管套接，与两端端盖配合成环形密闭空间；所述环形密闭空间内填充有分子弹簧固液混合介质和空气；所述内管套和外套管的强度和刚度高于两端端盖的强度和刚度，所述两端端盖具有高抗拉性能；内套管与外部器械的刚性连接机构，通过可压缩环形密闭空间的腔体及其内部的分子弹簧固液混合介质实现隔振缓冲。具有“高静低动”的分段变刚度特性，能同时满足高承载、低频隔振和限位的需求。在安装过程中可通过调整安装角度的方式在一定范围内调整静平衡位置从而满足不同的静承载需求，实现最优隔振效果。本发明同时具有结构简单、成本低廉，适合工程化应用的特点。

Description

一种基于分子弹簧的准零刚度衬套及其调整方法
技术领域
本发明涉及隔振缓冲零部件领域，具体地涉及了一种基于分子弹簧的准零刚度衬套及其调整方法。
背景技术
在工业和交通领域中减振降噪是必须考虑的重要技术问题。为了降低磨损、振动噪声以及更换方便，两个活动的零部件之间会使用橡胶衬套或橡胶液压衬套。由线性隔振理论可知，只有当激励频率大于倍固有频率时，系统才有隔振效果。而衬套的高刚度和低固有频率是矛盾的，这制约着低频隔振的效果。分子弹簧具备高静低动刚度特性的刚度特性，在达到临界压强前，分子弹簧表现为高静刚度，突破后则表现为低动刚度，特别适合低频重载隔振领域，其工作压强为20-200MPa范围。
分子弹簧是由含纳米级疏水微孔的疏水多微孔材料和水混合而成的新型功能材料，利用高压下水分子克服疏水作用力进入多微孔材料的疏水微孔、卸载时水分子迅速溢出疏水微孔的原理，完成能量的储存、释放，实现隔振或缓冲。由于疏水毛细管力的作用，水在常压下无法进入疏水微孔，此时分子弹簧具有极高刚度，当压强增加到某一临界值而克服毛细管力时，水分子大量进入疏水微孔，分子弹簧刚度迅速降低，从而实现准零刚度特性。
经检索，CN113007265A公开了一种囊膜式分子弹簧隔振缓冲器。导向套和缓冲橡胶的结构设计使囊膜式分子弹簧隔振缓冲器在极限情况下对设备具有保护功能，缓冲橡胶同时使囊膜式分子弹簧隔振缓冲器兼具侧向刚度。
CN112984024A公开了一种囊膜式分子弹簧隔振器。骨架层由芳纶帘布和橡胶固化在一起而成，实际为两层囊体，外层为芳纶帘布缠绕，内层为传统橡胶，内部填充水和分子材料。本发明提供的囊膜式分子弹簧隔振器，在密封橡胶外层缠绕芳纶帘布骨架层，具有较高的整体强度，避免橡胶在高压下的破裂。
但上述未有报道，将基于分子弹簧的准零刚度技术应用在衬套产品上，未对该应用场景开展针对性设计。
发明内容
本发明针对上述现有技术的空白，设计了一种基于分子弹簧的准零刚度衬套，通过将分子弹簧与衬套结合，通过利用分子弹簧的隔振实现高静低动刚度特性的准零刚度特性，从而衬套的低频隔振性能。
本发明具有高静低动刚度特性的分段变刚度特性，能同时满足高承载、低频隔振和限位的需求。在安装过程中可通过调整安装角度的方式在一定范围内调整静平衡位置从而满足不同的静承载需求，实现最优隔振效果。本发明同时具有结构简单、成本低廉，适合工程化应用的特点。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：
公开一种基于分子弹簧的准零刚度衬套，包括内管套和外套管套接，与两端端盖配合成环形密闭空间；所述环形密闭空间内填充有分子弹簧固液混合介质和空气；所述内管套和外套管的强度和刚度高于两端端盖的强度和刚度，所述两端端盖具有高抗拉性能，一般达到≥20Mpa；内套管与外部器械的刚性连接机构，通过可压缩环形密闭空间的腔体及其内部的分子弹簧固液混合介质实现隔振缓冲。
本发明巧妙地将分子弹簧应用于衬套中，通过将衬套的结构设计，使分子弹簧的高静低动刚度特性的刚度特性在衬套发挥作用，同时保持了衬套的减震、隔噪，减少疲劳，增加使用寿命，对车辆的操作稳定性起着至关重要的作用。
本分子弹簧的固液混合介质比例无要求，作为可变参数进行设计，比例上下限可根据试验进行确定；空气腔室与密封腔室的体积占比也是可变参数。
进一步地，所述环形密闭空间设置有囊膜隔开，将环形密闭空间分割形成数个密封腔室；所述密封腔室交替填充分子弹簧固液混合介质和空气，形成空气腔室和弹簧固液混合介质腔室。使用橡胶囊膜将大腔室分成多个小腔室。通过安装角度的调整，可对平衡位置可以做出一定的适应性调整。
进一步地，所述内管套和外套管的材料为橡胶囊皮材料。橡胶材料为衬套最常用材料，原材料成本低，可靠性好，且具备高抗拉性能。既满足衬套的使用需求，又不增加生产成本。
进一步地，所述内管套和外套管材料选择为金属材料。金属材料的刚度可以满足使用需求，用于连接其他连接件可靠性高。
进一步地，所述弹簧固液混合介质腔室和空气腔室Vair，其中Vair用于补偿弹簧固液混合介质腔室的体积变化V，所以必须存在Vair＞V，两腔室体积比一般设计为≤2：1。本分子弹簧的固液混合介质比例，作为重要可变参数进行设计其会决定体积变化V的上、下限以及F垂向承载力的大小。
体积变化V和P为腔内压强的关系由下式确定，其中σ为液体的表面张力，θ为液固接触角，θmax分别为最大和θmin最小接触角r为微孔半径，rmax和rmin分别为其最大和最小孔径，Vpore为沸石孔隙率，即单位数量沸石颗粒的孔隙体积，β为水的压缩率，Vwater为水的体积。
进一步地，F＝kx＝Ps，其中x为最大垂向静压缩由设计输入确定，k为静刚度，s为压强作用有效截面积。
进一步地，衬套截面积被简化为梯形来计算，同时，X＝V/s，依此完成固液混合比例的设计。
进一步地，空气腔室与密封腔室的体积占比也是可变参数。此种设计可以使分子弹簧用于不同结构的衬套中，通用性强，易于推广。
进一步地，所述内套管内部形成圆形空间可与目标连接件E2组装，所述外套管的外表面则与另一端目标连接件E1组装。
本发明的另一目的在于，公开一种上述基于分子弹簧的准零刚度衬套的调整方法，产品定型后进行安装时，通过调整衬套密封腔室与振动位移方向的相对角度位置，实现静平衡位置进行一定范围的适应性调节的功能。
进一步地，包括以下步骤：
S1.第一阶段：准零刚度衬套连接目标连接件E1和E2后，密封腔室的体积会被压缩或者拉升；将液态水压入疏水材料微孔和微间隙时所遭遇的毛细管抵抗力衬套呈现静承载刚度；
S2.第二阶段：当静承载进一步加大，达到或者超过疏水性的临界压强时，内部液态水大量入侵至分子疏水材料的微孔内，衬套的径向刚度主要体现自分子疏水材料及液体水混合形态的刚度，此段具有较低的动刚度；
S3.第三阶段：而随着液态水完全渗入至分子疏水材料内部后，具有等同于压缩纯水效果的高刚度，可提供限位保护功能。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明基于分子弹簧的准零刚度衬套，通过将分子弹簧与衬套结合，通过利用分子弹簧的隔振实现高静低动刚度特性的准零刚度特性，从而衬套的低频隔振性能。
本发明基于分子弹簧的准零刚度衬套包括外套管、内套管、囊膜和分子弹簧固液混合介质；外套管和内套管之间有多个密封腔室，密封腔室之间有囊膜隔开；外套管、内套管通过囊膜连接在一起；分子弹簧固液混合介质放于密封腔室内。内套管作为与外部器械的刚性连接机构，通过可压缩腔体及其内部的分子弹簧固液混合介质实现隔振缓冲。该分子弹簧衬套具有高静低动刚度特性的分段刚度。并且可以通过改变固液混合介质配方配比和安装角度的调整从而在一定范围内满足不同工况需要。
综上，本发明具有“高静低动”的分段变刚度特性，能同时满足高承载、低频隔振和限位的需求。在安装过程中可通过调整安装角度的方式在一定范围内调整静平衡位置从而满足不同的静承载需求，实现最优隔振效果。本发明同时具有结构简单、成本低廉，适合工程化应用的特点。
附图说明
图1为本发明所述的基于分子弹簧的准零刚度衬套涉及的理论公式中的变量示意图。
图2为本发明所述的基于分子弹簧的准零刚度衬套的剖面图的结构示意图。
图3为图2的A-A方向剖视结构示意图。
图4为本发明所述的基于分子弹簧的准零刚度衬套的工作原理示意图。
图5为本发明所述的基于分子弹簧的准零刚度衬套的特性示意图。
图6为本发明所述的基于分子弹簧的衬套截面积被简化为梯形的工作原理图。
图中：1、外套管，2、上端盖，3、下端盖，4、分子疏水材料，5、液态水，6、内套管，7、空气腔室。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细的阐述。
实施例1
如图2-图3所示，本实施例的基于分子弹簧的准零刚度衬套。将分子弹簧应用于衬套中，通过将衬套的结构设计，使分子弹簧的高静低动刚度特性的刚度特性在衬套发挥作用，同时保持了衬套的减震、隔噪，减少疲劳，增加使用寿命，对车辆的操作稳定性起着至关重要的作用。具体地，包括内管套6和外套管1套接，外套管1和内套管6材料选择一般为金属材料，也可以是其他高强度的材料。本实施例中选用金属材料，其刚度可以满足使用需求，用于连接其他连接件可靠性高。
内管套6和外套管1与两端端盖配合成环形密闭空间，本实施例中，外套管1和内套管6通过硫化与上下端盖相连；上端盖2、下端盖3材料选择一般为橡胶囊皮材料，也可以是其他高抗拉性的材料。外套管1和内套管6之间形成环形空间，内套管6内部形成圆形空间。该环形密闭空间内填充有分子弹簧固液混合介质和空气；内管套6和外套管1的强度和刚度高于两端端盖的强度和刚度，两端端盖具有高抗拉性能，一般达到≥20Mpa；内套管6与外部器械的刚性连接机构，即内套管6内部形成圆形空间可与目标连接件E2组装。外套管1外表面则与另一端目标连接件E1组装。通过可压缩环形密闭空间的腔体及其内部的分子弹簧固液混合介质实现隔振缓冲。
本分子弹簧的固液混合介质为分子疏水材料4和液态水5组合而成，其比例作为可变参数进行设计，比例上下限可根据试验进行确定；空气腔室7与密封腔室的体积占比也是可变参数。
本实施例中环形密闭空间设置有囊膜隔开，将环形密闭空间分割形成数个密封腔室；密封腔室交替填充分子弹簧固液混合介质和空气，形成空气腔室7和弹簧固液混合介质腔室。该分子弹簧密封腔的数量可以是多个，一般最优数量是4-6个，优选设计为4个分子弹簧密封腔。使用橡胶囊膜将大腔室分成多个小腔室。通过安装角度的调整，可对平衡位置可以做出一定的适应性调整。
具体地，弹簧固液混合介质腔室和空气腔室Vair，其中Vair用于补偿弹簧固液混合介质腔室的体积变化V，所以必须存在Vair＞V，两腔室体积比一般设计为≤2：1。本分子弹簧的固液混合介质比例，作为重要可变参数进行设计其会决定体积变化V的上、下限以及F垂向承载力的大小。
体积变化V和P为腔内压强的关系由下式确定，其中σ为液体的表面张力，θ为液固接触角(如图1所示)，θmax分别为最大和θmin最小接触角r为微孔半径，rmax和rmin分别为其最大和最小孔径，Vpore为沸石孔隙率，即单位数量沸石颗粒的孔隙体积，β为水的压缩率，Vwater为水的体积。
实际施加的载荷F＝kx＝Ps，其中x为最大垂向静压缩由设计输入确定，k为静刚度，s为压强作用有效截面积。
其衬套截面积被简化为梯形来计算，同时，X＝V/s，如图6所示，依此可以完成固液混合比例的设计。
本分子弹簧的固液混合介质比例无要求，作为可变参数进行设计，比例上下限可根据试验进行确定；空气腔室与密封腔室的体积占比也是可变参数。此种设计可以使分子弹簧用于不同结构的衬套中，通用性强，易于推广。
实施例2
如图4-图5所示，本实施例公开了上述基于分子弹簧的准零刚度衬套的调整方法，包括以下步骤：
S1.第一阶段：准零刚度衬套连接目标连接件E1和E2后，密封腔室的体积会被压缩或者拉升；将液态水压入疏水材料微孔和微间隙时所遭遇的毛细管抵抗力衬套呈现静承载刚度；
S2.第二阶段：当静承载进一步加大，达到或者超过疏水性的临界压强时，内部液态水大量入侵至分子疏水材料的微孔内，衬套的径向刚度主要体现自分子疏水材料及液体水混合形态的刚度，此段具有较低的动刚度；
S3.第三阶段：而随着液态水完全渗入至分子疏水材料内部后，具有等同于压缩纯水效果的高刚度，可提供限位保护功能。
具体地，本发明所述的准零刚度衬套处于自然状态时，此时由于材料的疏水性，其和液态水在密封腔室内部基本处于自然分离状态，如图4a)所示。
本发明基于分子弹簧的准零刚度衬套连接目标连接件E1和E2后，由于静承载力的存在，密封腔室的体积会被压缩或者拉升。此时，衬套表现出较高的静承载刚度，该刚度主要来自将液态水压入疏水材料微孔和微间隙时所遭遇的毛细管抵抗力，如图4的第一段区间所示。
本发明的准零刚度衬套连接E1和E2后，当静承载进一步加大，达到或者超过疏水性的临界压强时，内部液态水大量入侵至分子疏水材料的微孔内(如图4b)所示)。此时，衬套的径向刚度主要体现自分子疏水材料及液体水混合形态的刚度，此段具有较低的动刚度，如图5的第二段区间所示。此时，衬套压缩端的密封腔室侧，拉伸端的密封腔室侧，内部液态水大量从分子疏水材料的微孔渗出。同时由于液态水在与分子疏水材料的微孔相对运动过程中，其会产生摩擦，消耗能量，从而展现了一定的阻尼特性。此时衬套具有低的固有频率，从而实现低频隔振。
以上实施例中所述的“多个”即指“两个或两个以上”的数量。以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化或变换，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的保护范围，本发明的保护范围应该由各权利要求限定。

Claims (8)

1.一种基于分子弹簧的准零刚度衬套，其特征在于，包括内管套和外套管套接，与两端端盖配合成环形密闭空间；所述环形密闭空间内填充有分子弹簧固液混合介质和空气；所述内管套和外套管的强度和刚度高于两端端盖的强度和刚度，所述两端端盖具有高抗拉性能；内套管与外部器械的刚性连接机构，通过可压缩环形密闭空间的腔体及其内部的分子弹簧固液混合介质实现隔振缓冲。
2.根据权利要求1所述的基于分子弹簧的准零刚度衬套，其特征在于，所述环形密闭空间设置有囊膜隔开，将环形密闭空间分割形成数个密封腔室；所述密封腔室交替填充分子弹簧固液混合介质和空气。
3.根据权利2所述的基于分子弹簧的准零刚度衬套，其特征在于，所述内管套和外套管的材料为橡胶囊皮材料。
4.根据权利3所述的基于分子弹簧的准零刚度衬套，其特征在于，所述内管套和外套管材料选择为金属材料。
5.根据权利4所述的基于分子弹簧的准零刚度衬套，其特征在于，所述弹簧固液混合介质腔室和空气腔室体积比Vair，其中Vair用于补偿弹簧固液混合介质腔室的体积变化V，所Vair＞V，两腔室体积比为≤2：1。
6.根据权利1-5任意一项所述的基于分子弹簧的准零刚度衬套，其特征在于，所述内套管内部形成圆形空间可与目标连接件E2组装，所述外套管的外表面则与另一端目标连接件E1组装。
7.一种权利要求6所述的基于分子弹簧的准零刚度衬套的调整方法，其特征在于，产品定型后进行安装时，通过调整衬套密封腔室与振动位移方向的相对角度位置，实现静平衡位置进行一定范围的适应性调节的功能。
8.根据权利要求7所述的基于分子弹簧的准零刚度衬套的调整方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.第一阶段：准零刚度衬套连接目标连接件E1和E2后，密封腔室的体积会被压缩或者拉升；将液态水压入疏水材料微孔和微间隙时所遭遇的毛细管抵抗力衬套呈现静承载刚度；
S2.第二阶段：当静承载进一步加大，达到或者超过疏水性的临界压强时，内部液态水大量入侵至分子疏水材料的微孔内，衬套的径向刚度主要体现自分子疏水材料及液体水混合形态的刚度，此段具有较低的动刚度；
S3.第三阶段：随着液态水完全渗入至分子疏水材料内部后，具有等同于压缩纯水效果的高刚度，可提供限位保护功能。
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