一種環形彈簧式彈塑性緩衝吸能裝置製造方法
2023-04-28 22:15:51 2
一種環形彈簧式彈塑性緩衝吸能裝置製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種環形彈簧式彈塑性緩衝吸能裝置，包括單錐面內圓環，雙錐面內圓環，雙錐面彈塑性外圓環三種部件。內圓環部件採用彈性材料，要求其材料強度高於外圓環部件所採用的彈塑性材料。所有部件錐面角度均相等，保證配合。裝置的兩端為單錐面內圓環，中間為若干個雙錐面內圓環和雙錐面彈塑性外圓環交替排列。內外圓環部件壁厚相當，因內圓環材料強度遠大於外圓環材料，可確保內圓環結構剛度明顯大於外圓環，變形主要集中在外圓環。本發明結構簡單，便於加工、裝配。各部件應力應變狀態簡單，變形均勻穩定，材料利用率高。緩衝力可靠穩定，壓縮行程大，緩衝容量高。尤其重要的是，採用簡單重複結構，便於標準化、系列化的生產，而各使用單位設計人員可以自由、靈活選用。
【專利說明】一種環形彈簧式彈塑性緩衝吸能裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種適用於車輛、機械等領域的緩衝裝置，尤其是涉及一種環形彈簧式彈塑性緩衝吸能裝置。
【背景技術】
[0002]環形彈簧是一種常用的緩衝器，由多個帶內錐面的外圓環和帶有同樣錐角之外錐面的內圓環配合而成，內外圓環的尺寸和數量可以根據載荷和變形要求確定，當環形彈簧承受軸向載荷時，內外圓環相互擠壓，沿著圓錐面相對滑動，產生軸向位移，起到彈簧作用，同時內、外圓環間產生巨大的摩擦力，可以在變形過程中耗散大量能量，常用於空間受限而又需要強力緩衝的場合。傳統環形彈簧都設計在材料的彈性範圍內工作，但受制於彈簧鋼材料彈性限的約束，軸向相對變形較小(約10% )，緩衝容量有限。
[0003]最近本發明人向國家知識產權局申請了一項發明專利「一種大行程高耗能的形狀記憶合金緩衝器」，專利申請號201410209794.2，並且同時申請了實用新型專利並已獲批(ZL201420256333.6)。利用形狀記憶合金材料和彈簧鋼配合組成環形彈簧，其中內圓環由彈簧鋼材料製成，外圓環由形狀記憶合金材料製成。選擇恰當的內、夕卜圓環厚度保證內圓環剛度明顯大於外圓環剛度，內圓環始終處於彈性狀態，不會發生塑性變形，也不會發生結構屈曲，變形主要集中在形狀記憶合金材料製成的外圓環。通過合適的幾何參數設計，當行程達到最大時，形狀記憶合金材料應變達到最大容許值，實現較大的軸向相對變形，同時保證形狀記憶合金材料可重複使用。該設計結構簡單，便於加工、裝配。形狀記憶合金材料處於環向拉伸狀態，應力狀態簡單、均勻，材料利用率高。相比傳統的環形彈簧緩衝器，相對壓縮變形有了顯著提高(約40% )。形狀記憶合金相變耗能和摩擦耗能結合，能量耗散能力更高。當壓縮位移較大時，載荷幾乎保持恆值，是一種近乎理想的緩衝裝置。但該設計的局限性在於，所用形狀記憶合金材料較為昂貴，僅適合高價值的重要設備的多次緩衝保護，不適宜一般設備的單次防碰撞使用。
[0004]鐵路車輛中經常使用的一類碰撞能量吸收裝置——擴張式壓潰裝置，在專利「擴張式壓潰裝置，ZL200820180063.X」，「擴張式吸能裝置，201120310785.4」中均有介紹，基本原理相同:內頂杆強行壓入變形管，變形管發生徑向膨脹，通過變形管的塑性變形來緩衝、吸收能量。此外，還有面向其它使用場合的設計，如「一種吸能器，201120309076.4」等，也採用了相同的設計原理。此類裝置變形可靠，緩衝力基本恆定，緩衝容量大，是一種良好的適合單次使用的能量吸收裝置。此類設計的主要缺陷在於:需要根據具體應用場合的載荷力幅值和緩衝行程來確定緩衝裝置的尺寸，包括變形管的直徑、壁厚和長度等，以及對應的內頂杆的相關尺寸，並且還須對變形管進行預擴張等處理。這樣的結果在於，對於每一個應用場合都需要單獨設計，單獨製作，事實上是限制了此類裝置的大規模推廣應用。
【發明內容】
[0005]本發明的目的就是結合現有緩衝設計的優點，利用常規金屬材料，設計一種造價低廉，加工容易，結構簡單，使用可靠，緩衝行程大，耗能容量高，並且具有多種應用場合通用性的緩衝吸能裝置。
[0006]為達到上述目的，本發明採用的技術方案為:借鑑現有環形彈簧的基本結構，其中內圓環由強度較高的彈簧鋼等材料製成，外圓環用軟鋼或者鋁合金等彈塑性金屬材料製成。選擇恰當的內、外圓環厚度保證內圓環剛度明顯大於外圓環剛度，內圓環始終處於彈性狀態，不會發生塑性變形，也不會發生結構屈曲，變形主要集中在彈塑性金屬材料製成的外圓環。通過合適的幾何參數設計，當行程達到最大時，外圓環材料應變達到最大容許值，實現較大的軸向相對變形，同時保證外圓環不會發生斷裂等意外情況。
[0007]本發明一種環形彈簧式彈塑性緩衝吸能裝置，包括單錐面內圓環，雙錐面內圓環，雙錐面彈塑性外圓環三種部件，其中該環形彈簧式彈塑性緩衝吸能裝置的兩端為單錐面內圓環，中間部分根據實際行程的需要，選擇若干個雙錐面彈塑性外圓環和雙錐面內圓環交替排列，重疊裝配而成；所有三種部件錐面角度均相等，保證配合；雙錐面內圓環可以從中間對稱面切割成兩個單錐面內圓環；單錐面內圓環和雙錐面內圓環組成內圓環部件,雙錐面彈塑性外圓環為外圓環部件，內、外圓環部件壁厚相當，因內圓環部件材料強度遠大於外圓環部件材料，可確保內圓環部件結構剛度明顯大於外圓環部件結構剛度，變形主要集中在外圓環；雙錐面內圓環高度略高於雙錐面彈塑性外圓環高度，可保證完全壓實時，由剛度較大的單錐面內圓環、雙錐面內圓環承受軸向壓力。
[0008]進一步的，根據雙錐面彈塑性外圓環選用的彈塑性材料的最大容許塑性應變，選取合適的錐角，可以實現最大約40%的軸向相對壓縮量。
[0009]進一步的，若容許塑性應變較大，則內、外圓環可以選擇較大的錐角，相同情況下裝置軸力更大，意味著緩衝耗能容量也更大。
[0010]進一步的，當錐面角度等幾何形狀參數確定以後，該環形彈簧式彈塑性緩衝吸能裝置的軸力大小完全由雙錐面彈塑性外圓環直徑確定。
[0011]使用時，在兩端施加軸向壓縮載荷，裝置軸向尺寸縮短，內外圓環相互擠壓，因為設計的內圓環剛度明顯大於外圓環剛度，故變形主要集中在外圓環，內圓環變形可以忽略，外圓環被擴徑漲開，應力狀態主要表現為環向拉應力，同時內、外圓環間產生摩擦力，摩擦力大小與正壓力成比例，間接的和外圓環的環向拉應力成比例。加載初始時，外圓環處於彈性狀態，應力隨環向應變線性增加，軸向力隨位移線性增加；當軸向位移到達一定程度，夕卜圓環材料開始發生塑性變形，應力幾乎保持恆定，摩擦力大小也不再增加，此時對應的軸向作用力也保持恆定，直到加載結束。當軸向變形較小時，外圓環材料尚處於彈性階段，性能與傳統的環形彈簧類似，加載結束時還可以恢復到初始形狀；當變形較大時，塑性耗能和摩擦耗能共同作用，耗散大量衝擊能量。
[0012]本設計可以直接作為壓縮型緩衝裝置。在具體工程應用中，若有需要，也可把本設計裝置作為核心部分，配套設計相應的封裝部件，使裝置對外表現為壓縮型緩衝裝置，拉伸型緩衝裝置或者拉壓型緩衝裝置。此類封裝部件的設計為機械設計中常規技術，故不再詳細說明，而視為本領域技術人員已經普遍掌握的技能。
[0013]本發明的優點和積極效果為:
[0014]本設計結構簡單，便於加工、裝配。各部件應力應變狀態簡單，變形均勻穩定，材料利用率高。緩衝力可靠穩定，壓縮行程大，緩衝容量高。尤其重要的是，採用簡單重複結構，便於標準化、系列化的生產，而各使用單位設計人員可以自由、靈活選用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為多個單元串聯緩衝裝置的初始構形剖視圖；
[0016]圖2為多個單元串聯緩衝裝置經過一定壓縮變形後剖視圖；
[0017]圖中:1-單錐面內圓環,2-雙錐面彈塑性外圓環，3-雙錐面內圓環。
【具體實施方式】
[0018]下面結合技術方案和參照附圖對本發明的【具體實施方式】進行詳細說明。
[0019]本發明的一種實施例，如圖1所示,包括單錐面內圓環I,雙錐面內圓環3，雙錐面彈塑性外圓環2三種部件。裝置的兩端為單錐面內圓環1，中間部分根據實際行程的需要，選擇若干個雙錐面彈塑性外圓環2和雙錐面內圓環3交替排列，重疊裝配而成。
[0020]單錐面內圓環1，雙錐面內圓環3採用彈簧鋼等高強度材料製造，雙錐面彈塑性外圓環2採用軟鋼或者鋁合金製造。所有三種部件錐面角度均相等，保證配合。雙錐面內圓環3可以從中間對稱面切割成兩個單錐面內圓環I。雙錐面內圓環3和雙錐面彈塑性外圓環2壁厚相當，因彈簧鋼材料強度遠大於軟鋼或者鋁合金材料塑性屈服應力，可確保雙錐面內圓環3結構剛度明顯大於雙錐面彈塑性外圓環2，變形主要集中在雙錐面彈塑性外圓環2。雙錐面內圓環3高度略高於雙錐面彈塑性外圓環2高度，可保證完全壓實時，由剛度較大的雙錐面內圓環3和單錐面內圓環I承受軸向壓力。根據雙錐面彈塑性外圓環2選用的金屬材料的最大容許塑性應變，選取合適的錐角，可以實現最大約40%的軸向相對壓縮量，具體說來，若容許塑性應變較大，則可以選擇較大的錐角，相同情況下裝置軸力更大，意味著緩衝耗能容量也更大。
[0021]使用時，在兩端的單錐面內圓環I施加軸向壓縮載荷，裝置軸向尺寸縮短，內外圓環相互擠壓，因為設計的單錐面內圓環1、雙錐面內圓環3剛度明顯大於雙錐面彈塑性外圓環2的剛度，故變形主要集中在雙錐面彈塑性外圓環2，單錐面內圓環1、雙錐面內圓環3變形很小，雙錐面彈塑性外圓環2被擴徑漲開，應力狀態主要表現為環向拉應力，同時內、夕卜圓環間產生摩擦力，摩擦力大小與正壓力成比例，間接的和雙錐面彈塑性外圓環2的環向拉應力成比例。加載初始時，雙錐面彈塑性外圓環2處於彈性狀態，應力隨環向應變線性增力口，軸向力隨位移線性增加；當軸向位移到達一定程度，雙錐面彈塑性外圓環2材料開始發生塑性變形，應力幾乎保持恆定，摩擦力大小也不再增加，此時對應的軸向作用力也保持恆定，直到加載結束。當軸向變形較小時，雙錐面彈塑性外圓環2中材料尚處於彈性階段，裝置性能與傳統的環形彈簧類似，加載結束時還可以恢復到初始形狀；當變形較大時，塑性耗能和摩擦耗能共同作用，耗散大量衝擊能量，不再能夠恢復原狀，如圖2所示。
[0022]本發明未詳細闡述部分屬於本領域技術人員的公知技術。
【權利要求】
1.一種環形彈簧式彈塑性緩衝吸能裝置，其特徵在於:包括單錐面內圓環(1)，雙錐面內圓環(3)，雙錐面彈塑性外圓環(2)三種部件，其中該環形彈簧式彈塑性緩衝吸能裝置的兩端為單錐面內圓環(1)，中間部分根據實際行程的需要，選擇若干個雙錐面彈塑性外圓環(2)和雙錐面內圓環(3)交替排列，重疊裝配而成；所有三種部件錐面角度均相等，保證配合；雙錐面內圓環(3)可以從中間對稱面切割成兩個單錐面內圓環(1);單錐面內圓環(1)和雙錐面內圓環(3)組成內圓環部件，雙錐面彈塑性外圓環(2)為外圓環部件，內、外圓環部件壁厚相當，因內圓環部件材料強度遠大於外圓環部件材料，可確保內圓環部件結構剛度明顯大於外圓環部件結構剛度，變形主要集中在外圓環；雙錐面內圓環(3)高度略高於雙錐面彈塑性外圓環(2)高度，可保證完全壓實時，由剛度較大的單錐面內圓環(1)、雙錐面內圓環(3)承受軸向壓力。
2.根據權利要求1所述的一種環形彈簧式彈塑性緩衝吸能裝置，其特徵在於:根據雙錐面彈塑性外圓環(2)選用的彈塑性材料的最大容許塑性應變，選取合適的錐角，可以實現最大約40%的軸向相對壓縮量。
3.根據權利要求1所述的一種環形彈簧式彈塑性緩衝吸能裝置，其特徵在於:若容許塑性應變較大，則內、外圓環可以選擇較大的錐角，相同情況下裝置軸力更大，意味著緩衝耗能容量也更大。
4.根據權利要求1所述的一種環形彈簧式彈塑性緩衝吸能裝置，其特徵在於:當錐面角度等幾何形狀參數確定以後，該環形彈簧式彈塑性緩衝吸能裝置的軸力大小完全由雙錐面彈塑性外圓環(2)直徑確定。
5.根據權利要求1所述的一種環形彈簧式彈塑性緩衝吸能裝置，其特徵在於:使用時，在兩端施加軸向壓縮載荷，裝置軸向尺寸縮短，內外圓環相互擠壓，因為設計的內圓環剛度明顯大於外圓環剛度，故變形主要集中在外圓環，內圓環變形可以忽略，外圓環被擴徑漲開，應力狀態主要表現為環向拉應力，同時內、外圓環間產生摩擦力，摩擦力大小與正壓力成比例，間接的和外圓環的環向拉應力成比例；加載初始時，外圓環處於彈性狀態，應力隨環向應變線性增加，軸向力隨位移線性增加；當軸向位移到達一定程度，外圓環材料開始發生塑性變形，應力幾乎保持恆定，摩擦力大小也不再增加，此時對應的軸向作用力也保持恆定，直到加載結束；當軸向變形較小時，外圓環材料尚處於彈性階段，性能與傳統的環形彈簧類似，加載結束時還可以恢復到初始形狀；當變形較大時，塑性耗能和摩擦耗能共同作用，耗散大量衝擊能量。
【文檔編號】F16F3/02GK104405809SQ201410686001
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月25日 優先權日:2014年11月25日
【發明者】張科, 唐志平 申請人:中國科學技術大學