專(zhuān)利名稱(chēng):一種環(huán)形彈簧式彈塑性緩沖吸能裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種環(huán)形彈簧式彈塑性緩沖吸能裝置，包括單錐面內(nèi)圓環(huán)，雙錐面內(nèi)圓環(huán)，雙錐面彈塑性外圓環(huán)三種部件。內(nèi)圓環(huán)部件采用彈性材料，要求其材料強(qiáng)度高于外圓環(huán)部件所采用的彈塑性材料。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(nèi)圓環(huán)，中間為若干個(gè)雙錐面內(nèi)圓環(huán)和雙錐面彈塑性外圓環(huán)交替排列。內(nèi)外圓環(huán)部件壁厚相當(dāng)，因內(nèi)圓環(huán)材料強(qiáng)度遠(yuǎn)大于外圓環(huán)材料，可確保內(nèi)圓環(huán)結(jié)構(gòu)剛度明顯大于外圓環(huán)，變形主要集中在外圓環(huán)。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工、裝配。各部件應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)簡(jiǎn)單，變形均勻穩(wěn)定，材料利用率高。緩沖力可靠穩(wěn)定，壓縮行程大，緩沖容量高。尤其是采用簡(jiǎn)單重復(fù)結(jié)構(gòu)，便于標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的生產(chǎn)，可以自由、靈活選用。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種環(huán)形彈簧式彈塑性緩沖吸能裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種適用于車(chē)輛、機(jī)械等領(lǐng)域的緩沖裝置，尤其是涉及一種環(huán)形彈簧式彈塑性緩沖吸能裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]環(huán)形彈簧是一種常用的緩沖器，由多個(gè)帶內(nèi)錐面的外圓環(huán)和帶有同樣錐角之外錐面的內(nèi)圓環(huán)配合而成，內(nèi)外圓環(huán)的尺寸和數(shù)量可以根據(jù)載荷和變形要求確定，當(dāng)環(huán)形彈簧承受軸向載荷時(shí)，內(nèi)外圓環(huán)相互擠壓，沿著圓錐面相對(duì)滑動(dòng)，產(chǎn)生軸向位移，起到彈簧作用，同時(shí)內(nèi)、外圓環(huán)間產(chǎn)生巨大的摩擦力，可以在變形過(guò)程中耗散大量能量，常用于空間受限而又需要強(qiáng)力緩沖的場(chǎng)合。傳統(tǒng)環(huán)形彈簧都設(shè)計(jì)在材料的彈性范圍內(nèi)工作，但受制于彈簧鋼材料彈性限的約束，軸向相對(duì)變形較小(約10% )，緩沖容量有限。
[0003]最近本發(fā)明人向國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局申請(qǐng)了一項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利“一種大行程高耗能的形狀記憶合金緩沖器”，專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?01410209794.2，并且同時(shí)申請(qǐng)了實(shí)用新型專(zhuān)利并已獲批(ZL201420256333.6)。利用形狀記憶合金材料和彈簧鋼配合組成環(huán)形彈簧，其中內(nèi)圓環(huán)由彈簧鋼材料制成，外圓環(huán)由形狀記憶合金材料制成。選擇恰當(dāng)?shù)膬?nèi)、外圓環(huán)厚度保證內(nèi)圓環(huán)剛度明顯大于外圓環(huán)剛度，內(nèi)圓環(huán)始終處于彈性狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生塑性變形，也不會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)屈曲，變形主要集中在形狀記憶合金材料制成的外圓環(huán)。通過(guò)合適的幾何參數(shù)設(shè)計(jì)，當(dāng)行程達(dá)到最大時(shí)，形狀記憶合金材料應(yīng)變達(dá)到最大容許值，實(shí)現(xiàn)較大的軸向相對(duì)變形，同時(shí)保證形狀記憶合金材料可重復(fù)使用。該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工、裝配。形狀記憶合金材料處于環(huán)向拉伸狀態(tài)，應(yīng)力狀態(tài)簡(jiǎn)單、均勾，材料利用率高。相比傳統(tǒng)的環(huán)形彈簧緩沖器，相對(duì)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(jié)合，能量耗散能力更高。當(dāng)壓縮位移較大時(shí)，載荷幾乎保持恒值，是一種近乎理想的緩沖裝置。但該設(shè)計(jì)的局限性在于，所用形狀記憶合金材料較為昂貴，僅適合高價(jià)值的重要設(shè)備的多次緩沖保護(hù)，不適宜一般設(shè)備的單次防碰撞使用。
[0004]鐵路車(chē)輛中經(jīng)常使用的一類(lèi)碰撞能量吸收裝置一一擴(kuò)張式壓潰裝置，在專(zhuān)利“擴(kuò)張式壓潰裝置，21^200820180063^”，“擴(kuò)張式吸能裝置，201120310785.4”中均有介紹，基本原理相同:內(nèi)頂桿強(qiáng)行壓入變形管，變形管發(fā)生徑向膨脹，通過(guò)變形管的塑性變形來(lái)緩沖、吸收能量。此外，還有面向其它使用場(chǎng)合的設(shè)計(jì)，如“一種吸能器，201120309076.4”等，也采用了相同的設(shè)計(jì)原理。此類(lèi)裝置變形可靠，緩沖力基本恒定，緩沖容量大，是一種良好的適合單次使用的能量吸收裝置。此類(lèi)設(shè)計(jì)的主要缺陷在于:需要根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)合的載荷力幅值和緩沖行程來(lái)確定緩沖裝置的尺寸，包括變形管的直徑、壁厚和長(zhǎng)度等，以及對(duì)應(yīng)的內(nèi)頂桿的相關(guān)尺寸，并且還須對(duì)變形管進(jìn)行預(yù)擴(kuò)張等處理。這樣的結(jié)果在于，對(duì)于每一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)合都需要單獨(dú)設(shè)計(jì)，單獨(dú)制作，事實(shí)上是限制了此類(lèi)裝置的大規(guī)模推廣應(yīng)用。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]本實(shí)用新型的目的就是結(jié)合現(xiàn)有緩沖設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，利用常規(guī)金屬材料，設(shè)計(jì)一種造價(jià)低廉，加工容易，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用可靠，緩沖行程大，耗能容量高，并且具有多種應(yīng)用場(chǎng)合通用性的緩沖吸能裝置。
[0006]為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為:借鑒現(xiàn)有環(huán)形彈簧的基本結(jié)構(gòu)，其中內(nèi)圓環(huán)由強(qiáng)度較高的彈簧鋼等材料制成，外圓環(huán)用軟鋼或者鋁合金等彈塑性金屬材料制成。選擇恰當(dāng)?shù)膬?nèi)、外圓環(huán)厚度保證內(nèi)圓環(huán)剛度明顯大于外圓環(huán)剛度，內(nèi)圓環(huán)始終處于彈性狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生塑性變形，也不會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)屈曲，變形主要集中在彈塑性金屬材料制成的外圓環(huán)。通過(guò)合適的幾何參數(shù)設(shè)計(jì)，當(dāng)行程達(dá)到最大時(shí)，外圓環(huán)材料應(yīng)變達(dá)到最大容許值，實(shí)現(xiàn)較大的軸向相對(duì)變形，同時(shí)保證外圓環(huán)不會(huì)發(fā)生斷裂等意外情況。
[0007]本實(shí)用新型，一種環(huán)形彈簧式彈塑性緩沖吸能裝置，包括單錐面內(nèi)圓環(huán)，雙錐面內(nèi)圓環(huán)，雙錐面彈塑性外圓環(huán)三種部件，其中該環(huán)形彈簧式彈塑性緩沖吸能裝置的兩端為單錐面內(nèi)圓環(huán)，中間部分根據(jù)實(shí)際行程的需要，選擇若干個(gè)雙錐面彈塑性外圓環(huán)和雙錐面內(nèi)圓環(huán)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(nèi)圓環(huán)可以從中間對(duì)稱(chēng)面切割成兩個(gè)單錐面內(nèi)圓環(huán)；單錐面內(nèi)圓環(huán)和雙錐面內(nèi)圓環(huán)組成內(nèi)圓環(huán)部件，雙錐面彈塑性外圓環(huán)為外圓環(huán)部件，內(nèi)、外圓環(huán)部件壁厚相當(dāng)，因內(nèi)圓環(huán)部件材料強(qiáng)度遠(yuǎn)大于外圓環(huán)部件材料，可確保內(nèi)圓環(huán)部件結(jié)構(gòu)剛度明顯大于外圓環(huán)部件結(jié)構(gòu)剛度，變形主要集中在外圓環(huán)；雙錐面內(nèi)圓環(huán)高度略高于雙錐面彈塑性外圓環(huán)高度，可保證完全壓實(shí)時(shí)，由剛度較大的單錐面內(nèi)圓環(huán)、雙錐面內(nèi)圓環(huán)承受軸向壓力。
[0008]進(jìn)一步的，根據(jù)雙錐面彈塑性外圓環(huán)選用的彈塑性材料的最大容許塑性應(yīng)變，選取合適的錐角，可以實(shí)現(xiàn)最大約40 %的軸向相對(duì)壓縮量。
[0009]進(jìn)一步的，若容許塑性應(yīng)變較大，則內(nèi)、外圓環(huán)可以選擇較大的錐角，相同情況下裝置軸力更大，意味著緩沖耗能容量也更大。
[0010]進(jìn)一步的，當(dāng)錐面角度等幾何形狀參數(shù)確定以后，該環(huán)形彈簧式彈塑性緩沖吸能裝置的軸力大小完全由雙錐面彈塑性外圓環(huán)直徑確定。
[0011]使用時(shí)，在兩端施加軸向壓縮載荷，裝置軸向尺寸縮短，內(nèi)外圓環(huán)相互擠壓，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的內(nèi)圓環(huán)剛度明顯大于外圓環(huán)剛度，故變形主要集中在外圓環(huán)，內(nèi)圓環(huán)變形可以忽略，外圓環(huán)被擴(kuò)徑漲開(kāi)，應(yīng)力狀態(tài)主要表現(xiàn)為環(huán)向拉應(yīng)力，同時(shí)內(nèi)、外圓環(huán)間產(chǎn)生摩擦力，摩擦力大小與正壓力成比例，間接的和外圓環(huán)的環(huán)向拉應(yīng)力成比例。加載初始時(shí)，外圓環(huán)處于彈性狀態(tài)，應(yīng)力隨環(huán)向應(yīng)變線性增加，軸向力隨位移線性增加；當(dāng)軸向位移到達(dá)一定程度，夕卜圓環(huán)材料開(kāi)始發(fā)生塑性變形，應(yīng)力幾乎保持恒定，摩擦力大小也不再增加，此時(shí)對(duì)應(yīng)的軸向作用力也保持恒定，直到加載結(jié)束。當(dāng)軸向變形較小時(shí)，外圓環(huán)材料尚處于彈性階段，性能與傳統(tǒng)的環(huán)形彈簧類(lèi)似，加載結(jié)束時(shí)還可以恢復(fù)到初始形狀；當(dāng)變形較大時(shí)，塑性耗能和摩擦耗能共同作用，耗散大量沖擊能量。
[0012]本設(shè)計(jì)可以直接作為壓縮型緩沖裝置。在具體工程應(yīng)用中，若有需要，也可把本設(shè)計(jì)裝置作為核心部分，配套設(shè)計(jì)相應(yīng)的封裝部件，使裝置對(duì)外表現(xiàn)為壓縮型緩沖裝置，拉伸型緩沖裝置或者拉壓型緩沖裝置。此類(lèi)封裝部件的設(shè)計(jì)為機(jī)械設(shè)計(jì)中常規(guī)技術(shù)，故不再詳細(xì)說(shuō)明，而視為本領(lǐng)域技術(shù)人員已經(jīng)普遍掌握的技能。
[0013]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和積極效果為:
[0014]本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工、裝配。各部件應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)簡(jiǎn)單，變形均勻穩(wěn)定，材料利用率高。緩沖力可靠穩(wěn)定，壓縮行程大，緩沖容量高。尤其重要的是，采用簡(jiǎn)單重復(fù)結(jié)構(gòu)，便于標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的生產(chǎn)，而各使用單位設(shè)計(jì)人員可以自由、靈活選用。

【附圖說(shuō)明】

[0015]圖1為多個(gè)單元串聯(lián)緩沖裝置的初始構(gòu)形剖視圖；
[0016]圖2為多個(gè)單元串聯(lián)緩沖裝置經(jīng)過(guò)一定壓縮變形后剖視圖；
[0017]圖中:1-單錐面內(nèi)圓環(huán)，2-雙錐面彈塑性外圓環(huán)，3-雙錐面內(nèi)圓環(huán)。

【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合技術(shù)方案和參照附圖對(duì)本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0019]本實(shí)用新型的一種實(shí)施例，如圖1所示，包括單錐面內(nèi)圓環(huán)1，雙錐面內(nèi)圓環(huán)3，雙錐面彈塑性外圓環(huán)2三種部件。裝置的兩端為單錐面內(nèi)圓環(huán)1，中間部分根據(jù)實(shí)際行程的需要，選擇若干個(gè)雙錐面彈塑性外圓環(huán)2和雙錐面內(nèi)圓環(huán)3交替排列，重疊裝配而成。
[0020]單錐面內(nèi)圓環(huán)1，雙錐面內(nèi)圓環(huán)3采用彈簧鋼等高強(qiáng)度材料制造，雙錐面彈塑性外圓環(huán)2采用軟鋼或者鋁合金制造。所有部件錐面角度均相等，保證配合。雙錐面內(nèi)圓環(huán)3可以從中間對(duì)稱(chēng)面切割成兩個(gè)單錐面內(nèi)圓環(huán)I。雙錐面內(nèi)圓環(huán)3和雙錐面彈塑性外圓環(huán)2壁厚相當(dāng)，因彈簧鋼材料強(qiáng)度遠(yuǎn)大于軟鋼或者鋁合金材料塑性屈服應(yīng)力，可確保雙錐面內(nèi)圓環(huán)3結(jié)構(gòu)剛度明顯大于雙錐面彈塑性外圓環(huán)2，變形主要集中在雙錐面彈塑性外圓環(huán)2。雙錐面內(nèi)圓環(huán)3高度略高于雙錐面彈塑性外圓環(huán)2高度，可保證完全壓實(shí)時(shí)，由剛度較大的雙錐面內(nèi)圓環(huán)3和單錐面內(nèi)圓環(huán)I承受軸向壓力。根據(jù)雙錐面彈塑性外圓環(huán)2選用的金屬材料的最大容許塑性應(yīng)變，選取合適的錐角，可以實(shí)現(xiàn)最大約40%的軸向相對(duì)壓縮量，具體說(shuō)來(lái)，若容許塑性應(yīng)變較大，則可以選擇較大的錐角，相同情況下裝置軸力更大，意味著緩沖耗能容量也更大。
[0021]使用時(shí)，在兩端的單錐面內(nèi)圓環(huán)I施加軸向壓縮載荷，裝置軸向尺寸縮短，內(nèi)外圓環(huán)相互擠壓，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的單錐面內(nèi)圓環(huán)1、雙錐面內(nèi)圓環(huán)3剛度明顯大于雙錐面彈塑性外圓環(huán)2的剛度，故變形主要集中在雙錐面彈塑性外圓環(huán)2，單錐面內(nèi)圓環(huán)1、雙錐面內(nèi)圓環(huán)3變形很小，雙錐面彈塑性外圓環(huán)2被擴(kuò)徑漲開(kāi)，應(yīng)力狀態(tài)主要表現(xiàn)為環(huán)向拉應(yīng)力，同時(shí)內(nèi)、夕卜圓環(huán)間產(chǎn)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(huán)2的環(huán)向拉應(yīng)力成比例。加載初始時(shí)，雙錐面彈塑性外圓環(huán)2處于彈性狀態(tài)，應(yīng)力隨環(huán)向應(yīng)變線性增加，軸向力隨位移線性增加；當(dāng)軸向位移到達(dá)一定程度，雙錐面彈塑性外圓環(huán)2材料開(kāi)始發(fā)生塑性變形，應(yīng)力幾乎保持恒定，摩擦力大小也不再增加，此時(shí)對(duì)應(yīng)的軸向作用力也保持恒定，直到加載結(jié)束。當(dāng)軸向變形較小時(shí)，雙錐面彈塑性外圓環(huán)2中材料尚處于彈性階段，裝置性能與傳統(tǒng)的環(huán)形彈簧類(lèi)似，加載結(jié)束時(shí)還可以恢復(fù)到初始形狀；當(dāng)變形較大時(shí)，塑性耗能和摩擦耗能共同作用，耗散大量沖擊能量，不再能夠恢復(fù)原狀，如圖2所示。
[0022]本實(shí)用新型未詳細(xì)闡述部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種環(huán)形彈簧式彈塑性緩沖吸能裝置，其特征在于:包括單錐面內(nèi)圓環(huán)(1)，雙錐面內(nèi)圓環(huán)(3)，雙錐面彈塑性外圓環(huán)(2)三種部件，其中該環(huán)形彈簧式彈塑性緩沖吸能裝置的兩端為單錐面內(nèi)圓環(huán)(I)，中間部分根據(jù)實(shí)際行程的需要，選擇若干個(gè)雙錐面彈塑性外圓環(huán)(2)和雙錐面內(nèi)圓環(huán)(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(nèi)圓環(huán)(3)可以從中間對(duì)稱(chēng)面切割成兩個(gè)單錐面內(nèi)圓環(huán)(I);單錐面內(nèi)圓環(huán)(I)和雙錐面內(nèi)圓環(huán)(3)組成內(nèi)圓環(huán)部件，雙錐面彈塑性外圓環(huán)(2)為外圓環(huán)部件，內(nèi)、外圓環(huán)部件壁厚相當(dāng)，因內(nèi)圓環(huán)部件材料強(qiáng)度遠(yuǎn)大于外圓環(huán)部件材料，可確保內(nèi)圓環(huán)部件結(jié)構(gòu)剛度明顯大于外圓環(huán)部件結(jié)構(gòu)剛度，變形主要集中在外圓環(huán)；雙錐面內(nèi)圓環(huán)(3)高度略高于雙錐面彈塑性外圓環(huán)(2)高度，可保證完全壓實(shí)時(shí)，由剛度較大的單錐面內(nèi)圓環(huán)(1)、雙錐面內(nèi)圓環(huán)⑶承受軸向壓力。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種環(huán)形彈簧式彈塑性緩沖吸能裝置，其特征在于:根據(jù)雙錐面彈塑性外圓環(huán)(2)選用的彈塑性材料的最大容許塑性應(yīng)變，選取合適的錐角，可以實(shí)現(xiàn)最大約40%的軸向相對(duì)壓縮量。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種環(huán)形彈簧式彈塑性緩沖吸能裝置，其特征在于:若容許塑性應(yīng)變較大，則內(nèi)、外圓環(huán)可以選擇較大的錐角，相同情況下裝置軸力更大，意味著緩沖耗能容量也更大。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種環(huán)形彈簧式彈塑性緩沖吸能裝置，其特征在于:當(dāng)錐面角度等幾何形狀參數(shù)確定以后，該環(huán)形彈簧式彈塑性緩沖吸能裝置的軸力大小完全由雙錐面彈塑性外圓環(huán)(2)直徑確定；而行程大小可以根據(jù)實(shí)際需要，選擇內(nèi)、外圓環(huán)的對(duì)數(shù)，重疊裝配而成，其中兩端為單錐面內(nèi)圓環(huán)，中間為雙錐面彈塑性外圓環(huán)和雙錐面內(nèi)圓環(huán)交替排列。
【文檔編號(hào)】F16F3-02GK204300205SQ201420715896
【發(fā)明者】張科, 唐志平 [申請(qǐng)人]中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)