CN205745085U - 一种无源液力式惯性力发生装置 - Google Patents

Abstract

一种无源液力式惯性力发生装置。该装置无需外界能量源输入，利用液体往复流动产生惯性力，以实现振动控制功能。该装置包括液压缸缸体、活塞、活塞杆、U形管路系统。活塞及活塞杆将缸体的内部分隔成两个腔室，其分别与U形管路系统的两端相连通，腔室与U形管路的内部充满液体，构成封闭回路。活塞杆为振动输入端，与外部振源相连。当外部振源通过活塞杆带动活塞在缸体内部发生加速运动时，活塞将液体由一侧腔室经由U形管路系统压入另一侧腔室。液体在加速流经U形管路过程中产生惯性力，该力经由管路中的液体传入缸体，作用于活塞和活塞杆，实现对外界振动的控制功能。

Description

一种无源液力式惯性力发生装置

技术领域

本实用新型涉及一种惯性力发生装置，是一种无需外界能量源输入的，利用液体往复流动产生惯性力，以实现振动控制功能的液力装置。

背景技术

惯性力是具有惯性的物体在加速运动过程中所产生的一种反抗物体各质点保持原有运动状态的等效作用力。惯性力的方向与物体加速度方向相反，大小等于物体质量与加速度绝对值的乘积。

惯性力发生装置是一种新型的振动控制的元件。该装置在受到外部振动激励的条件下，能够产生与其自身振动加速度大小构成正比的惯性力，以达到缓和冲击、抑制振动的效果。

在传统机械系统中存在两种基本的振动控制元件：弹簧和减振器。其中，弹簧产生的作用力与其自身的伸长量，即振动位移成正比关系；减振器所产生的作用力与其自身的振动速度构成正比关系。而在电路系统中则存在三种基本的滤波控制元件：电感、电阻和电容。其中，弹簧与电感与具有类似的原理表达，均表征了外部作用与系统运动的积分导纳关系；减振器与电阻与具有相同的原理表达，均表征了外部作用与系统运动的零阶导纳关系。作为一种新型的振动控制元件，惯性力发生装置与电容具有相同的原理表达，均表征了外部作用于系统运动的微分导纳关系。惯性力发生装置的引入使得机械系统的振动控制元件和电路系统的滤波控制元件在原理表达上实现了一一对应，从而使得机械振动系统在结构与功能方面可具有电路系统的多样性，进而为控制机械振动、优化系统性能提供了新的解决思路。

中国专利200810123830.8描述了一种使用齿轮齿条结构的机械式惯性力发生装置。在该装置中，外部振动经由齿条传入齿轮并带动飞轮转动，飞轮在转动过程中对外产生与振动加速度构成正比的惯性力。该装置从理论上为惯性力的产生提供了可行的解决方案，然而在实际工作过程中，该装置所产生的惯力则会受到齿条与齿轮间啮合关系的影响。该影响一方面表现为：齿条与齿轮间的啮合摩擦使得该装置无法准确产生与振动加速度构成正比关系的惯力；另一方面则表现为：在高频振动作用下，齿条与齿轮间的啮合间隙将使得该装置出现响应迟滞及相位滞后。这两方面影响均会严重削弱该装置对于机械振动的实际控制效果。针对上述问题，中国专利201010281317.9提出了一种使用摆线钢球结构的机械式惯性力发生装置。该装置由于使用了钢球作为传动媒介，以滚动摩擦传递运动，因此可以极大程度地降低传动过程中的摩擦力。与此同时，该装置可通过传统预紧方式消除间隙，进而有效避免了高频振动下的相位滞后问题。然而，使用机械传动的惯性力发生装置在长期工作条件下均不可避免地会出现构件磨损失效和疲劳破坏等问题，而在瞬间大冲击条件下则及易出现击穿失效问题。与机械传动相比，液力传动则具有有低磨损、高寿命、抗击穿等诸多优点，因此，以液力传动实现惯性力发生装置成为一种新的解决思路。中国专利200910250928.4提出了一种可变惯性质量的半主动机械液压减振装置。在外部振动激励作用下，该装置可将液压油推入液压马达，进而驱动与液压马达输出轴相连的飞轮，产生惯性力，抑制外界振动。该装置在工作过程中需要通过传感器实时监测外部振动信号，以根据振动信号调整电磁阀开度，控制油液流量。中国专利201210414233.7对这一装置进行了改进，以磁流变液体替代传统液压油，进而通过调节磁流变液电压，改变磁流变液粘度，以实现飞轮惯性力可调。在上述两种机械液压装置中，液体流动驱动液压马达，带动飞轮转动，进而在一定程度上降低了纯机械系统中由于传动构件刚性接触所带来的磨损的问题。此外，在瞬间大载荷作用下，由于液体自身具有一定的可压缩性，因此可有效抑制击穿失效问题。然而，上述两种惯性力发生装置均为半主动装置，需要外界电能输入作为实现振动控制的前提与基础。另一方面，在上述了两种装置中，液压马达与飞轮间仍采用了机械传统方式，传动构件的磨损及疲劳破坏将会成为影响装置整体寿命的短板。另外值得一提的是，磁流变液体目前虽已进入中国市场，但其昂贵的价格及易衰退的性能在一定程度上阻碍了其工程推广。

随着我国工业化进程的快速推进，能源问题日趋严峻，节能环保业已成为现今工业发展的主旋律。因此，在机械振动控制领域，提出一种寿命长久、性能稳定，且又无需外界能量源供给的惯性力发生装置则显得尤为迫切。

发明内容

本实用新型的目的在于：针对现有的机械式惯性力发生装置存在的易磨损、易疲劳、易击穿等问题，以及现有机械液压式惯性力发生装置需电能供给等问题，提出一种无需外界能量输入的，完全依靠液力传动实现的惯性力发生装置。为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：基于传统液力传动系统中的液压缸——活塞机构，将一套U形管路系统围绕液压缸缸体布置，使管路系统的两端分别与液压缸中活塞两侧的腔室相连通，并将其中充满液体，构成封闭回路。当活塞在液压缸内部发生运动时，液体由一侧腔室经由U形管被压入另一侧腔室。利用液体在U形管路系统中加速流动时的惯性，对外产生惯性力，进而实现控制外部振动的功能。

本实用新型的具体技术方案如下：

本实用新型涉及的无源液力式惯性力发生装置，包括液压缸、活塞、与活塞固定连接的活塞杆、围绕缸体布置的U形管路系统以及充满于缸体和U形管路中的液体。活塞可在液压缸缸体内往复运动，并将液压缸内部分隔为两个腔室。将多根U形管首尾相连，构成一套U形管路系统，再将该管路系统围绕缸体布置，将其两端分别与液压缸中活塞两侧的腔室相连通。在两个腔室与管路系统的内部充满液体，构成封闭回路。外界振动激励作用于活塞杆，继而带动活塞在液压缸内往复运动。活塞在运动过程中将推动液压缸内部一侧腔室中的液体经由U形管路系统进入另一侧腔室。在液体加速流经U形管路系统的过程中，将产生惯性力。该惯性力经由管路中的液体传入缸体，作用于活塞和活塞杆，进而对外界振动起到控制作用。本实用新型涉及的无源液力式惯性力发生装置，其对外产生的惯性力大小与活塞杆所承受的振动加速度构成正比关系，其比例系数由活塞半径、活塞杆半径、U形管路内径，U形管路总长度以及液体密度决定。

由于本实用新型使用了液力传动来实现惯性力的生成。因此，与机械式惯性力发生装置相比，本实用新型具有低磨损、高寿命、抗击穿等优势。另一方面，由于本实用新型无需能量供给，因此，与有源式惯性力发生装置相比，本实用新型具有显著的节能优势。此外，由于本实用新型以传统液力传动系统的液压缸、活塞等机构为基础，通过加装U形管路系统实现其功能，因此本实用新型还具有结构简单、成本低廉、易拆装、易维护等优点。理论计算证明，可通过在较小范围内调整本实用新型的基本尺寸与结构参数，而使其所产生的用于控制振动的惯性力在较大范围内变化。

附图说明

下面结合附图和算例对本实用新型进一步说明。

图1为本实用新型结构示意图。

图2为本实用新型外观示意图。

图中，1.液压缸缸体，2.活塞，3.活塞杆，4.U形管路系统，5.液体。

具体实施方式

如附图1、2所示，本实用新型涉及的无源液力式惯性力发生装置主要由圆柱形液压缸缸体(1)、在缸体(1)内可往复运动的活塞(2)、与活塞(2)固定连接且贯穿缸体(1)两端的活塞杆(3)、围绕缸体(1)布置的U形管路系统(4)以及充满于缸体(1)和U形管路(4)内部的液体(5)组成。其中，活塞(2)及活塞杆(3)将缸体(1)的内部分隔成两个腔室，这两个腔室分别与U形管路系统(4)的两端相连通。这两个腔室与U形管路的内部充满液体(5)，构成封闭回路。

当使用本实用新型所涉及装置作为振动控制元件时，活塞杆(3)将作为振动输入端，与外部振源相连；液压缸缸体(1)则作为振动输出端，输出经由该装置衰减后的振动。该装置的具体工作过程为：外部振动激励作用于活塞杆(3)，继而带动活塞(2)在缸体(1)内发生往复运动。在运动过程中，活塞(2)将缸体(1)内一侧腔室中的液体(5)，经由U形管路(4)，推入活塞(2)的另一侧腔室。液体(5)在U形管路内加速流动时，将产生惯性力。该惯性力的大小与活塞杆(3)的运动加速度成正比，其方向与活塞杆(3)的加速度相反，如下数学表达式所示：

$F=-k\stackrel{\·\·}{x}$

上式中，x表示活塞杆(3)的位移；表示活塞杆(3)的位移对于时间的二阶导数，即活塞杆(3)的加速度；F表示机构产生的惯性力；k为惯性力系数。惯性力系数k表征了液体在U形管路内加速流动过程中，整个装置产生惯性力的能力。该系数具有质量量纲；该系数的大小由活塞(2)的半径、活塞杆(3)的半径、U形管路(4)的内径、U形管路(4)的总长度以及液体(5)的密度决定。

下面，以R表示活塞(2)的半径；以r表示活塞杆(3)的半径；以h表示U形管路(4)的内径；以L表示U形管路(4)的总长度；以ρ表示缸体(1)及U形管路(4)内部的液体(5)的密度，对惯性力系数k的理论表达式进行推导：

当活塞杆(3)相对于缸体(1)发生运动，并产生位移x时，由能量守恒定律可知，活塞(2)、活塞(3)及两侧腔室内液体(5)的总平动动能应等于在U形管内部液体的流动动能，即

$\frac{1}{2}k{\stackrel{.}{x}}^2=\frac{1}{2}m{\stackrel{\·}{y}}^2$

上式中，表示活塞杆(3)的位移对于时间的一阶导数，即活塞杆(3)的速度；m表示在U形管路内部流动液体的总质量；y表示U形管路中液体流动的位移；表示U形管路中液体的流动速度。当活塞杆(3)相对于缸体(1)发生位移x后，即有体积为π(R²-r²)x的液体被活塞(2)推入U形管路(5)。于是，对于U形管路(5)内部的任一液体质点，其发生的位移均为x(R²-r²)/h²。由此可知，在上式中，U形管路中液体位移y满足表达式y＝x(R²-r²)/h²。另一方面，U形管路内部液体的总质量m可表示为m＝πρh²L。将U形管路中液体流动位移y的表达式，以及U形管路内部液体的总质量m的表达式带入上文给出的能量守恒定律表达式中，即可得到惯性力系数k的理论表达式，如下：

k＝πρL(R²-r²)²/h²

由该惯性力系数k的理论表达式可知，惯性力系数k的大小由活塞(2)的半径R、活塞杆(3)的半径r、U形管路(4)的内径h、U形管路(4)的总长度L以及液体(5)的密度ρ决定。

在实际应用中，本实用新型所提出的惯性力发生装置的基本外形尺寸，即活塞(2)的半径R与活塞杆(3)的半径r，往往受到布置空间的限制，无法在较大范围内变动。在这一情况下，可通过调整U形管路(4)的内径h、U形管路(4)的总长度L和液体(5)的密度ρ，来改变惯性力系数k的大小，进而改变整个装置产生惯性力的能力，以达到调整振动控制效果的目的。下面，以该装置在乘用车后悬架系统的应用为例，对于本实用新型所涉及装置在不同U形管路(4)内径h、U形管路(4)总长度L和液体(5)密度ρ下的惯性力系数k进行计算。

考虑到乘用车后悬架布置空间的限制，设定活塞(2)半径R＝40mm，活塞杆(3)的半径r＝8mm。在不同U形管路(4)内径h、U形管路(4)总长度L和液体(5)密度ρ下的惯性力系数k如下表所示：

U形管路内径h	U形管路总长度L	液体密度ρ	惯性力系数k
				5mm	1000mm	0.8×103kg/m3(油)	237.18kg
5mm	1000mm	1.0×103kg/m3(水)	296.48kg
				5mm	1200mm	1.0×103kg/m3(水)	355.77kg
4mm	1200mm	1.0×103kg/m3(水)	555.90kg

由上表可知，在活塞半径R＝40mm及活塞杆半径r＝8mm的条件下，针对U形管路内径h＝5mm、U形管路总长度L＝1000mm、液体密度ρ＝0.8×10³kg/m³的参数配置情况，可通过同时将U形管路内径h缩小20％、将U形管路总长度L增大20％、将液体密度ρ增大20％，最终使得本实用新型的惯性力系数惯性k，即惯性力的发生能力提升134％。

Claims (3)

1.一种无源液力式惯性力发生装置，包括液压缸、活塞、与活塞固定连接的活塞杆、围绕缸体布置的U形管路系统以及充满于缸体和U形管路中的液体，其特征是：活塞可在液压缸缸体内往复运动，并将液压缸内部分隔成左右两个腔室；多根U形管首尾相连，构成一套U形管路系统，围绕缸体布置；U形管路系统的两端分别与液压缸中活塞两侧的腔室相连通；两个腔室与管路系统内部充满液体，构成封闭回路。

2.根据权利要求1所述的无源液力式惯性力发生装置，其特征是：外界振动作用于活塞杆，带动活塞运动；活塞在运动过程中将液压缸内部一侧腔室中的液体，经由U形管路系统，推入另一侧腔室；在液体加速流经U形管路系统的过程中，产生惯性力，该力经由管路中的液体传入缸体，作用于活塞和活塞杆，实现对外界振动的控制。

3.根据权利要求1所述的无源液力式惯性力发生装置，其特征是：装置所产生的惯性力与活塞杆所承受的振动加速度构成正比关系，其比例系数由活塞半径、活塞杆半径、U形管路系统内径、U形管路系统总长度以及液体密度决定。