CN208089860U - 一种自适应刚度调节扭力减振器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种自适应刚度调节扭力减振器，自适应刚度调节扭力减振器设有采用滚珠配合的上下内嵌空心转盘和相应螺旋弹簧组成的刚度调节机构，该机构受载时，由扭力盘和上螺纹活塞杆连接，产生上下位移的旋转滑动。通过上内嵌空心转盘和下内嵌空心转盘将弹簧的部分向空心转盘设有的圆柱腔体内压缩，从而改变压缩和拉伸部分的弹簧的有效圈数，以此来实现对弹簧的分段非线性刚度和线性刚度的组合分布。本实用新型可以按照承受载荷大小，自主调节自身刚度大小的自适应扭力减振器，克服传统弹簧的弱非线性刚度特性缺陷以及作用相当于空气弹簧能自我调节成强线性刚度状态，成本更加低廉。

Description

一种自适应刚度调节扭力减振器

技术领域

本实用新型涉及机械减振技术领域，具体为一种自适应刚度调节扭力减振器。

背景技术

传统的弹簧式减振器常应用于包括汽车行业，内燃机制造等多领域行业中，对于不同的载荷压迫冲击表现为一种弱非线性特性。常见的弹簧特性包括直线型，渐增型，渐减型以及它们的组合类型等，为了增加弹簧的刚度特性，诸多学者都研究过包括从弹簧材料如表面的渗碳等金属加工工艺处理，以及包括从弹簧的布置方式如并列组合螺旋弹簧等方面提出很多的有效手段和方法。但除了金属弹簧外，空气弹簧以及其他种类的弹簧也具备一定的优良特性。

例如，理想的空气弹簧刚度特性常具有一定的反S型变形特性，即初始的弹簧刚度较大，在预紧和受初载到满载的过程中刚度逐渐降低，而在后续的满载到超载过程中，刚度值又会呈现高次指数形式的增加。但由于空气弹簧的制造和维护成本比较高，同时也考虑到传统的弹簧无法很好的对不同的载荷冲击产生较强的非线性刚度缺陷和良好的舒适稳定性。

因此，提供一种自适应刚度调节扭力减振器，可以按照承受载荷大小，自主调节自身刚度大小的自适应扭力减振器，克服传统弹簧的弱非线性刚度特性缺陷以及作用相当于空气弹簧能自我调节成强线性刚度状态，成本更加低廉。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种自适应刚度调节扭力减振器，可以按照承受载荷大小，自主调节自身刚度大小的自适应扭力减振器，克服传统弹簧的弱非线性刚度特性缺陷以及作用相当于空气弹簧能自我调节成强线性刚度状态，成本更加低廉，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种自适应刚度调节扭力减振器，包括扭力盘，所述扭力盘内部中间贯穿有上螺纹活塞杆和下螺纹活塞杆，所述上螺纹活塞杆和下螺纹活塞杆内端分别设有上活塞头和下活塞头，所述上螺纹活塞杆的外部上端设有上承载螺母，所述上承载螺母的下部套设活塞杆配合套筒，所述活塞杆配合套筒下部设有上旋紧螺母，所述上旋紧螺母的底部设有上防尘橡胶软垫，所述下螺纹活塞杆的外端部固定有下支撑橡胶座，所述下支撑橡胶座的上部设有橡胶固定垫片，所述扭力盘的内上部设有滚珠连接盘，所述滚珠连接盘的下方设有上弹簧压力盘，所述上弹簧压力盘的底面两侧均连接有弹簧，所述弹簧的另一端连接下弹簧支撑盘，所述上弹簧压力盘与下弹簧支撑盘之间上下分别设有上空心转盘和下空心转盘，所述上空心转盘和下空心转盘与扭力盘固定连接，所述上空心转盘和下空心转盘的两端中间均设有空心转盘滚珠，所述上螺纹活塞杆、下螺纹活塞杆和扭力盘均设置在外密封防尘罩内。

优选的，所述上螺纹活塞杆与下螺纹活塞杆均固定连接扭力盘。

优选的，所述上空心转盘和下空心转盘的孔内均设有滚珠导向槽，所述滚珠导向槽中设有滚珠轴承。

优选的，所述上空心转盘和下空心转盘外部均设有限位螺纹卡腔。

优选的，所述扭力盘与外密封防尘罩的内上部留有上螺纹安全间隙。

优选的，所述下弹簧支撑盘与扭力盘之间设有下滚动轴承。

优选的，所述上空心转盘和下空心转盘构成内嵌空心转盘片，所述内嵌空心转盘片内部以转盘中心对称设置四个弹簧布置口。

本实用新型一种自适应的变刚度弹簧调节结构，从腔体的分布上，综合传统金属弹簧的满载高刚度以及初步受载时弹簧受载刚度变化和弹簧的螺旋圈数和长度的关系，将腔体分为等效的过载和调节圈数和长度两部分。

相关的文献曾证实，圆柱螺旋弹簧的刚度大小可以按照以下的计算公式计算：

其中：

C：弹簧的旋绕比(弹性指数)；

λ：弹簧在受载荷F下产生的变形量；

F：弹簧所受载荷；

G：弹簧的材料的切变模量；

d：弹簧丝直径；

D：弹簧直径；

N：弹簧有效圈数；

K₀：圆柱螺旋弹簧的刚度；

由上式可知，当其他的条件相同时，C越小即有效圈数N越小时，螺旋弹簧的刚度也就越大，因此，鉴于这种特性的优点，本实用新型从改变螺旋弹簧的有效圈数为出发点，当受载荷的作用时，活塞部分下行，由上下的空心转盘的旋合作用，将部分弹簧压缩形成中腔部分，从而减少上下腔室部分的弹簧的有效圈数来增大该部分的刚度值大小，相对于传统的螺旋弹簧可以减少弹簧的变形量，缓冲较大载荷施加的冲击作用。当作用的载荷较轻时，内置的空心转盘的旋合度小，因而可以发挥原有的弱线性刚度的优势，减少轻载荷压迫作用。

本实用新型对上下腔室内弹簧设计考虑到当受到较强的冲击载荷作用时，有效圈数非常小，弹簧的节距非常低，此时，该过程类似与反S型变形曲线中由满载向过载的行程，凭借内外圈的应力大小分布不均匀，此时将由腔壁来分担弹簧的向侧边的挤压应力，刚度此时也会变大，较小的节距分布使得下腔弹簧能满足类似橡胶的缓冲特性，具备一定的弹性韧性，从而能快速的减少较高载荷的冲击作用。在该减振器的复位行程中，由于中腔的螺旋弹簧的积攒的弹性势能比上下腔中弹簧的弹性势能要大得多，因此此时当载荷降低或撤销后，弹簧会由空心盘内孔内导向槽的滚珠配合，相对于载荷的消去速度而迅速复位，完成整个的受载复位过程。在整个过程中，相应的刚度变化可做进一步分析：

假设原有的弹簧原长为l₀，有效圈数为N₀，载荷作用后，等节距的被拉伸上下弹簧部分的有效圈数为N₁，等效刚度为K₁，理想情况下，其单独作用的载荷特性仍然时线性的，而中部被压缩部分的弹簧的载荷特性是非线性的，设有效圈数为N₂，等效刚度为K₂，在载荷作用下短暂稳定时，G，D，d大小是稳定的，此时存在以下关系：

由以上式可知，相对与传统的弹簧减震器，刚度的大小变化值为：

本实用新型的有益效果是：本实用新型采用圆柱形螺旋弹簧作为承载弹簧，克服了传统的螺旋弹簧的弱刚度特性，且可根据不同的载荷力大小来自适应的改变分段改变弹簧有效圈数的特点来改变各段弹簧部分的刚度值，从而可以自适应的调节自身刚度值大小，具有空气弹簧的自适应调节强非线性刚度特点，制造成本更加低廉。

附图说明

图1是本实用新型自适应扭力减振器初始结构剖面图；

图2是内空心盘口内引向滚珠滑槽剖面示意图；

图3是自适应扭力减振器受载结构剖面图；

图4是内嵌空心转盘及盘面弹簧安放位布局图；

图5是内嵌上下空心转盘滚珠配合结构示意图；

图6是弹簧和导向滑槽的滚珠配合方式示意图；

图7是自适应扭力减振器弹簧和传统弹簧的刚度特性对比图。

图中：1上承载螺母、2上螺纹活塞杆、3滚珠连接盘、4扭力盘、5上空心转盘、6限位螺纹卡腔、7空心转盘滚珠、8下空心转盘、9弹簧、10下活塞头、11下螺纹活塞杆、12固定橡胶垫片、13下支撑橡胶座、14扭力减振器本体、15下弹簧支撑盘、16上活塞头、17上弹簧压力盘、18外密封防尘罩、19上防尘橡胶软垫、20上旋紧螺母、21活塞杆配合套筒、22上螺纹安全间隙、24下滚动轴承、25弹簧布置口、26内嵌空心转盘片、27滚珠导向滑槽、28滚珠轴承、29减振器内弹簧单元、30斜置滚动轴承、31内嵌空心转盘内孔上面。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在不同附图中以相同标号来标示相同或类似组件；另外请了解文中诸如“第一”、“第二”、“第三”、“上”、“下”、“前”、“后”、“内”、“外”、“端”、“部”、“段”、“宽度”、“深度”、“腔”等等及类似用语仅便于看图者参考图中构造以及仅用于帮助描述本实用新型而已，并非是对本实用新型的限定。

如图1-6所示，本实用新型提供一种技术方案：一种自适应刚度调节扭力减振器，包括扭力盘4，所述扭力盘4内部中间贯穿有上螺纹活塞杆2和下螺纹活塞杆11，所述上螺纹活塞杆2和下螺纹活塞杆11内端分别设有上活塞头16和下活塞头10，所述上螺纹活塞杆2的外部上端设有上承载螺母1，所述上承载螺母1的下部套设活塞杆配合套筒21，所述活塞杆配合套筒21下部设有上旋紧螺母20，所述上旋紧螺母20的底部设有上防尘橡胶软垫19，所述下螺纹活塞杆11的外端部固定有下支撑橡胶座13，所述下支撑橡胶座13的上部设有橡胶固定垫片12，所述扭力盘4的内上部设有滚珠连接盘3，所述滚珠连接盘3的下方设有上弹簧压力盘17，所述上弹簧压力盘17的底面两侧均连接有弹簧9，所述弹簧9的另一端连接下弹簧支撑盘15，所述上弹簧压力盘17与下弹簧支撑盘15之间上下分别设有上空心转盘5和下空心转盘8，所述上空心转盘5和下空心转盘8与扭力盘4固定连接，所述上空心转盘5和下空心转盘8的两端中间均设有空心转盘滚珠7，所述上螺纹活塞杆2、下螺纹活塞杆11和扭力盘4均设置在外密封防尘罩18内。

较佳地，所述上螺纹活塞杆2与下螺纹活塞杆11均固定连接扭力盘4，根据扭力减振器所受载荷时的扭力盘4和上螺纹活塞杆2与下螺纹活塞杆11的螺纹连接而产生的垂向位移。

较佳地，所述上空心转盘5和下空心转盘8的孔内均设有滚珠导向槽27，所述滚珠导向槽27中设有滚珠轴承28，该滚珠导向槽27可引导弹簧部分产生一定压缩，剩余弹簧部分伸张，实现分段线性疏圈弹簧刚度和非线性密圈弹簧分布过程。

较佳地，所述上空心转盘5和下空心转盘8外部均设有限位螺纹卡腔6，通过设置螺旋角和圈数等参数可以限制转盘的转动速度，相对转动角度等，来调节弹簧的刚度配比。

较佳地，所述扭力盘4与外密封防尘罩18的内上部留有上螺纹安全间隙22。

较佳地，所述下弹簧支撑盘15与扭力盘4之间设有下滚动轴承24。

较佳地，所述上空心转盘5和下空心转盘8构成内嵌空心转盘片26，所述内嵌空心转盘片26内部以转盘中心对称设置四个弹簧布置口25。

参见图1，当负载通过上承载螺母1将承载力传递给上螺纹活塞杆2时，将驱动上活塞头16向下活塞头10靠近，此时与上螺纹活塞杆2固定连接的上弹簧压力盘17将压迫弹簧9等向下受迫运动，与下活螺纹塞杆11固定连接的下弹簧支撑盘15也使弹簧9相对向上压缩，此时扭力盘4由于上螺纹活塞杆2开始产生旋转运动，并引导内嵌的上空心转盘5和内嵌的下空心转盘8之间由于滚珠轴承28存在而发生相对滚动而旋转一定角度，而此时上空心转盘5和下空心转盘8孔内的滚珠导向槽27会引导部分弹簧9向孔内压缩，而未压缩部分弹簧9便会产生一定的拉伸，使得若干均匀分布弹簧9发生阶段位置的线性和非线性刚度特性的变形过程，拉伸和压缩的程度大小会受到限位螺纹卡腔6的螺纹长度和螺旋角限制。当载荷进一步增大时，为避免弹簧9由于过度压缩而导致的变形或断裂的危险情况，上螺纹活塞杆2会留有一定的上螺纹安全间隙22，此部分能让扭力盘4上下不在转动而让弹簧9的组合最优刚度配比发挥出最优性能。

所述减振器的下活塞头10和下螺纹活塞杆11会配合上端对称部分，产生相对方向的压迫过程。压迫行程会受到上承载螺母1和上旋紧螺母20间的距离决定，活塞杆配合套筒21需保证活塞杆的运动圆滑轻松。

所述减振器的限位螺纹卡腔6可用于调节转动的具体圈数，其内部采用滚珠的斜置螺旋滑槽，可轻松引导扭力盘4转动，同时鉴于对不同载荷和工况需求，可设置卡腔的垂向配合螺旋圈数，从而确定后续压缩弹簧9的压缩程度，实现对整体的刚度调整。

所述减振器的外密封防尘罩18和上防尘橡胶软垫19和固定橡胶垫片12可以保证外界的灰尘不会影响减振器内滚珠轴承28的光滑滚动过程。

所述减振器的扭力盘4和固定转盘的滚珠轴承连接盘3可以保证扭力盘4和固定转盘之间转动运动不会发生干涉。

所述减振器为确保垂向固定稳定性，合成下支撑橡胶座13的刚度系数一般设置不能过小，由金属丝和橡胶合成可保证减振器的稳定放置和并配合固定橡胶垫片12起到缓冲减振作用。

参见图2，所述减振器内嵌空心转盘片26的转盘孔内镶嵌的滚珠导向滑槽27会迫使弹簧9与滚珠导向滑槽27接触的部分弹簧9向由上下转盘转盘形成的腔体内压缩，而弹簧9的其他部分也会因此产生拉伸。在后续工况中，当载荷减小或惯性势能被削减时，从能量的角度上看，拉伸状态的弹簧9相当于欠弹性势能状态而压缩弹簧9部分处于过盈弹性势能状态相对于初始状态，撤去或减少载荷力或由于质量载荷惯性作用的消去，能量自身由高能势态向低能势态进行的规律，会使得压缩弹簧9迅速向拉伸状态的弹簧9释放过盈部分的弹性势能，这种作用作用于拉伸弹簧9状态时，由于拉伸弹簧9从欠弹性势能状态向原长初始状态的回复，拉伸弹簧9的有效圈数N增加，总原长值增加，从而会驱动扭力盘4复位到初始位置，完成整个的压缩和复位的循环过程，接受下一次的载荷激励过程。

参见图3，所述减振器在负载的载荷作用力达到最大值时，会形成如图3所示布置分布。同时为避免载荷表现为瞬时的短暂冲击对减振器造成影响，以及为便于圆周布置的弹簧9的受力能均衡一致，弹簧9的下部安放了和活塞杆固定连接的下弹簧支撑盘15和下滚动轴承24。

参见图4，所述减振器为适应于较大载荷作用，弹簧9的布置方式可按照内嵌空心转盘片26上的弹簧布置口25所示的方式均匀布置弹簧9的位置。

参见图5，所述减振器内嵌的上空心转盘5和下空心转盘8之间按照滚珠轴承28形成良好光滑接触。

参见图6，所述减振器内弹簧单元29和内嵌空心转盘内孔上面31之间也是按照斜置滚动轴承30布置，形成良好的接触。

参见图7，所述减振器运行大致分为三阶段，阶段一表示减振器受载荷作用但未饱和状态，此时，弹簧9的组合态的刚度特性逐渐得到加强；阶段二表示减振器受载到满载状态，此时，由于中腔压缩弹簧9的有效圈数增加，非线性刚度特性减弱，造成整体刚度值逐渐降低；阶段三表示减振器处于由满载向过载状态转换，此时压缩弹簧9由于反S曲线特性且受到侧向壁力的作用，刚度值增大，使得整体刚度值上升。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种自适应刚度调节扭力减振器，包括扭力盘(4)，其特征在于：所述扭力盘(4)内部中间贯穿有上螺纹活塞杆(2)和下螺纹活塞杆(11)，所述上螺纹活塞杆(2)和下螺纹活塞杆(11)内端分别设有上活塞头(16)和下活塞头(10)，所述上螺纹活塞杆(2)的外部上端设有上承载螺母(1)，所述上承载螺母(1)的下部套设活塞杆配合套筒(21)，所述活塞杆配合套筒(21)下部设有上旋紧螺母(20)，所述上旋紧螺母(20)的底部设有上防尘橡胶软垫(19)，所述下螺纹活塞杆(11)的外端部固定有下支撑橡胶座(13)，所述下支撑橡胶座(13)的上部设有橡胶固定垫片(12)，所述扭力盘(4)的内上部设有滚珠连接盘(3)，所述滚珠连接盘(3)的下方设有上弹簧压力盘(17)，所述上弹簧压力盘(17)的底面两侧均连接有弹簧(9)，所述弹簧(9)的另一端连接下弹簧支撑盘(15)，所述上弹簧压力盘(17)与下弹簧支撑盘(15)之间上下分别设有上空心转盘(5)和下空心转盘(8)，所述上空心转盘(5)和下空心转盘(8)与扭力盘(4)固定连接，所述上空心转盘(5)和下空心转盘(8)的两端中间均设有空心转盘滚珠(7)，所述上螺纹活塞杆(2)、下螺纹活塞杆(11)和扭力盘(4)均设置在外密封防尘罩(18)内。

2.根据权利要求1所述的一种自适应刚度调节扭力减振器，其特征在于：所述上螺纹活塞杆(2)与下螺纹活塞杆(11)均固定连接扭力盘(4)。

3.根据权利要求1所述的一种自适应刚度调节扭力减振器，其特征在于：所述上空心转盘(5)和下空心转盘(8)的孔内均设有滚珠导向槽(27)，所述滚珠导向槽(27)中设有滚珠轴承(28)。

4.根据权利要求1所述的一种自适应刚度调节扭力减振器，其特征在于：所述上空心转盘(5)和下空心转盘(8)外部均设有限位螺纹卡腔(6)。

5.根据权利要求1所述的一种自适应刚度调节扭力减振器，其特征在于：所述扭力盘(4)与外密封防尘罩(18)的内上部留有上螺纹安全间隙(22)。

6.根据权利要求1所述的一种自适应刚度调节扭力减振器，其特征在于：所述下弹簧支撑盘(15)与扭力盘(4)之间设有下滚动轴承(24)。

7.根据权利要求1所述的一种自适应刚度调节扭力减振器，其特征在于：所述上空心转盘(5)和下空心转盘(8)构成内嵌空心转盘片(26)，所述内嵌空心转盘片(26)内部以转盘中心对称设置四个弹簧布置口(25)。