本實(shí)用新型涉及一種慣性力發(fā)生裝置，是一種無需外界能量源輸入的，利用液體往復(fù)流動(dòng)產(chǎn)生慣性力，以實(shí)現(xiàn)振動(dòng)控制功能的液力裝置。
背景技術(shù)：
：慣性力是具有慣性的物體在加速運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的一種反抗物體各質(zhì)點(diǎn)保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的等效作用力。慣性力的方向與物體加速度方向相反，大小等于物體質(zhì)量與加速度絕對(duì)值的乘積。慣性力發(fā)生裝置是一種新型的振動(dòng)控制的元件。該裝置在受到外部振動(dòng)激勵(lì)的條件下，能夠產(chǎn)生與其自身振動(dòng)加速度大小構(gòu)成正比的慣性力，以達(dá)到緩和沖擊、抑制振動(dòng)的效果。在傳統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)中存在兩種基本的振動(dòng)控制元件：彈簧和減振器。其中，彈簧產(chǎn)生的作用力與其自身的伸長量，即振動(dòng)位移成正比關(guān)系；減振器所產(chǎn)生的作用力與其自身的振動(dòng)速度構(gòu)成正比關(guān)系。而在電路系統(tǒng)中則存在三種基本的濾波控制元件：電感、電阻和電容。其中，彈簧與電感與具有類似的原理表達(dá)，均表征了外部作用與系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的積分導(dǎo)納關(guān)系；減振器與電阻與具有相同的原理表達(dá)，均表征了外部作用與系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的零階導(dǎo)納關(guān)系。作為一種新型的振動(dòng)控制元件，慣性力發(fā)生裝置與電容具有相同的原理表達(dá)，均表征了外部作用于系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的微分導(dǎo)納關(guān)系。慣性力發(fā)生裝置的引入使得機(jī)械系統(tǒng)的振動(dòng)控制元件和電路系統(tǒng)的濾波控制元件在原理表達(dá)上實(shí)現(xiàn)了一一對(duì)應(yīng)，從而使得機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)與功能方面可具有電路系統(tǒng)的多樣性，進(jìn)而為控制機(jī)械振動(dòng)、優(yōu)化系統(tǒng)性能提供了新的解決思路。中國專利200810123830.8描述了一種使用齒輪齒條結(jié)構(gòu)的機(jī)械式慣性力發(fā)生裝置。在該裝置中，外部振動(dòng)經(jīng)由齒條傳入齒輪并帶動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)，飛輪在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中對(duì)外產(chǎn)生與振動(dòng)加速度構(gòu)成正比的慣性力。該裝置從理論上為慣性力的產(chǎn)生提供了可行的解決方案，然而在實(shí)際工作過程中，該裝置所產(chǎn)生的慣力則會(huì)受到齒條與齒輪間嚙合關(guān)系的影響。該影響一方面表現(xiàn)為：齒條與齒輪間的嚙合摩擦使得該裝置無法準(zhǔn)確產(chǎn)生與振動(dòng)加速度構(gòu)成正比關(guān)系的慣力；另一方面則表現(xiàn)為：在高頻振動(dòng)作用下，齒條與齒輪間的嚙合間隙將使得該裝置出現(xiàn)響應(yīng)遲滯及相位滯后。這兩方面影響均會(huì)嚴(yán)重削弱該裝置對(duì)于機(jī)械振動(dòng)的實(shí)際控制效果。針對(duì)上述問題，中國專利201010281317.9提出了一種使用擺線鋼球結(jié)構(gòu)的機(jī)械式慣性力發(fā)生裝置。該裝置由于使用了鋼球作為傳動(dòng)媒介，以滾動(dòng)摩擦傳遞運(yùn)動(dòng)，因此可以極大程度地降低傳動(dòng)過程中的摩擦力。與此同時(shí)，該裝置可通過傳統(tǒng)預(yù)緊方式消除間隙，進(jìn)而有效避免了高頻振動(dòng)下的相位滯后問題。然而，使用機(jī)械傳動(dòng)的慣性力發(fā)生裝置在長期工作條件下均不可避免地會(huì)出現(xiàn)構(gòu)件磨損失效和疲勞破壞等問題，而在瞬間大沖擊條件下則及易出現(xiàn)擊穿失效問題。與機(jī)械傳動(dòng)相比，液力傳動(dòng)則具有有低磨損、高壽命、抗擊穿等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，以液力傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)慣性力發(fā)生裝置成為一種新的解決思路。中國專利200910250928.4提出了一種可變慣性質(zhì)量的半主動(dòng)機(jī)械液壓減振裝置。在外部振動(dòng)激勵(lì)作用下，該裝置可將液壓油推入液壓馬達(dá)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)與液壓馬達(dá)輸出軸相連的飛輪，產(chǎn)生慣性力，抑制外界振動(dòng)。該裝置在工作過程中需要通過傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測外部振動(dòng)信號(hào)，以根據(jù)振動(dòng)信號(hào)調(diào)整電磁閥開度，控制油液流量。中國專利201210414233.7對(duì)這一裝置進(jìn)行了改進(jìn)，以磁流變液體替代傳統(tǒng)液壓油，進(jìn)而通過調(diào)節(jié)磁流變液電壓，改變磁流變液粘度，以實(shí)現(xiàn)飛輪慣性力可調(diào)。在上述兩種機(jī)械液壓裝置中，液體流動(dòng)驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)，帶動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而在一定程度上降低了純機(jī)械系統(tǒng)中由于傳動(dòng)構(gòu)件剛性接觸所帶來的磨損的問題。此外，在瞬間大載荷作用下，由于液體自身具有一定的可壓縮性，因此可有效抑制擊穿失效問題。然而，上述兩種慣性力發(fā)生裝置均為半主動(dòng)裝置，需要外界電能輸入作為實(shí)現(xiàn)振動(dòng)控制的前提與基礎(chǔ)。另一方面，在上述了兩種裝置中，液壓馬達(dá)與飛輪間仍采用了機(jī)械傳統(tǒng)方式，傳動(dòng)構(gòu)件的磨損及疲勞破壞將會(huì)成為影響裝置整體壽命的短板。另外值得一提的是，磁流變液體目前雖已進(jìn)入中國市場，但其昂貴的價(jià) 格及易衰退的性能在一定程度上阻礙了其工程推廣。隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的快速推進(jìn)，能源問題日趨嚴(yán)峻，節(jié)能環(huán)保業(yè)已成為現(xiàn)今工業(yè)發(fā)展的主旋律。因此，在機(jī)械振動(dòng)控制領(lǐng)域，提出一種壽命長久、性能穩(wěn)定，且又無需外界能量源供給的慣性力發(fā)生裝置則顯得尤為迫切。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本實(shí)用新型的目的在于：針對(duì)現(xiàn)有的機(jī)械式慣性力發(fā)生裝置存在的易磨損、易疲勞、易擊穿等問題，以及現(xiàn)有機(jī)械液壓式慣性力發(fā)生裝置需電能供給等問題，提出一種無需外界能量輸入的，完全依靠液力傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)的慣性力發(fā)生裝置。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取以下技術(shù)方案：基于傳統(tǒng)液力傳動(dòng)系統(tǒng)中的液壓缸——活塞機(jī)構(gòu)，將一套U形管路系統(tǒng)圍繞液壓缸缸體布置，使管路系統(tǒng)的兩端分別與液壓缸中活塞兩側(cè)的腔室相連通，并將其中充滿液體，構(gòu)成封閉回路。當(dāng)活塞在液壓缸內(nèi)部發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，液體由一側(cè)腔室經(jīng)由U形管被壓入另一側(cè)腔室。利用液體在U形管路系統(tǒng)中加速流動(dòng)時(shí)的慣性，對(duì)外產(chǎn)生慣性力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制外部振動(dòng)的功能。本實(shí)用新型的具體技術(shù)方案如下：本實(shí)用新型涉及的無源液力式慣性力發(fā)生裝置，包括液壓缸、活塞、與活塞固定連接的活塞桿、圍繞缸體布置的U形管路系統(tǒng)以及充滿于缸體和U形管路中的液體?；钊稍谝簤焊赘左w內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并將液壓缸內(nèi)部分隔為兩個(gè)腔室。將多根U形管首尾相連，構(gòu)成一套U形管路系統(tǒng)，再將該管路系統(tǒng)圍繞缸體布置，將其兩端分別與液壓缸中活塞兩側(cè)的腔室相連通。在兩個(gè)腔室與管路系統(tǒng)的內(nèi)部充滿液體，構(gòu)成封閉回路。外界振動(dòng)激勵(lì)作用于活塞桿，繼而帶動(dòng)活塞在液壓缸內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)?；钊谶\(yùn)動(dòng)過程中將推動(dòng)液壓缸內(nèi)部一側(cè)腔室中的液體經(jīng)由U形管路系統(tǒng)進(jìn)入另一側(cè)腔室。在液體加速流經(jīng)U形管路系統(tǒng)的過程中，將產(chǎn)生慣性力。該慣性力經(jīng)由管路中的液體傳入缸體，作用于活塞和活塞桿，進(jìn)而對(duì)外界振動(dòng)起到控制作用。本實(shí)用新型涉及的無源液力式慣性力發(fā)生裝置，其對(duì)外產(chǎn)生的慣性力大小與活塞桿所承受的振動(dòng)加速度構(gòu)成正比關(guān)系，其比例系數(shù)由活塞半徑、活塞桿半徑、U形管路內(nèi)徑，U形管路總長度以及液體密度決定。由于本實(shí)用新型使用了液力傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)慣性力的生成。因此，與機(jī)械式慣性力發(fā)生裝置相比，本實(shí)用新型具有低磨損、高壽命、抗擊穿等優(yōu)勢。另一方面，由于本實(shí)用新型無需能量供給，因此，與有源式慣性力發(fā)生裝置相比，本實(shí)用新型具有顯著的節(jié)能優(yōu)勢。此外，由于本實(shí)用新型以傳統(tǒng)液力傳動(dòng)系統(tǒng)的液壓缸、活塞等機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過加裝U形管路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其功能，因此本實(shí)用新型還具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、易拆裝、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。理論計(jì)算證明，可通過在較小范圍內(nèi)調(diào)整本實(shí)用新型的基本尺寸與結(jié)構(gòu)參數(shù)，而使其所產(chǎn)生的用于控制振動(dòng)的慣性力在較大范圍內(nèi)變化。附圖說明下面結(jié)合附圖和算例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實(shí)用新型外觀示意圖。圖中，1.液壓缸缸體，2.活塞，3.活塞桿，4.U形管路系統(tǒng)，5.液體。具體實(shí)施方式如附圖1、2所示，本實(shí)用新型涉及的無源液力式慣性力發(fā)生裝置主要由圓柱形液壓缸缸體(1)、在缸體(1)內(nèi)可往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞(2)、與活塞(2)固定連接且貫穿缸體(1)兩端的活塞桿(3)、圍繞缸體(1)布置的U形管路系統(tǒng)(4)以及充滿于缸體(1)和U形管路(4)內(nèi)部的液體(5)組成。其中，活塞(2)及活塞桿(3)將缸體(1)的內(nèi)部分隔成兩個(gè)腔室，這兩個(gè)腔室分別與U形管路系統(tǒng)(4)的兩端相連通。這兩個(gè)腔室與U形管路的內(nèi)部 充滿液體(5)，構(gòu)成封閉回路。當(dāng)使用本實(shí)用新型所涉及裝置作為振動(dòng)控制元件時(shí)，活塞桿(3)將作為振動(dòng)輸入端，與外部振源相連；液壓缸缸體(1)則作為振動(dòng)輸出端，輸出經(jīng)由該裝置衰減后的振動(dòng)。該裝置的具體工作過程為：外部振動(dòng)激勵(lì)作用于活塞桿(3)，繼而帶動(dòng)活塞(2)在缸體(1)內(nèi)發(fā)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)過程中，活塞(2)將缸體(1)內(nèi)一側(cè)腔室中的液體(5)，經(jīng)由U形管路(4)，推入活塞(2)的另一側(cè)腔室。液體(5)在U形管路內(nèi)加速流動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生慣性力。該慣性力的大小與活塞桿(3)的運(yùn)動(dòng)加速度成正比，其方向與活塞桿(3)的加速度相反，如下數(shù)學(xué)表達(dá)式所示：F=-kx··]]>上式中，x表示活塞桿(3)的位移；表示活塞桿(3)的位移對(duì)于時(shí)間的二階導(dǎo)數(shù)，即活塞桿(3)的加速度；F表示機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的慣性力；k為慣性力系數(shù)。慣性力系數(shù)k表征了液體在U形管路內(nèi)加速流動(dòng)過程中，整個(gè)裝置產(chǎn)生慣性力的能力。該系數(shù)具有質(zhì)量量綱；該系數(shù)的大小由活塞(2)的半徑、活塞桿(3)的半徑、U形管路(4)的內(nèi)徑、U形管路(4)的總長度以及液體(5)的密度決定。下面，以R表示活塞(2)的半徑；以r表示活塞桿(3)的半徑；以h表示U形管路(4)的內(nèi)徑；以L表示U形管路(4)的總長度；以ρ表示缸體(1)及U形管路(4)內(nèi)部的液體(5)的密度，對(duì)慣性力系數(shù)k的理論表達(dá)式進(jìn)行推導(dǎo)：當(dāng)活塞桿(3)相對(duì)于缸體(1)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生位移x時(shí)，由能量守恒定律可知，活塞(2)、活塞(3)及兩側(cè)腔室內(nèi)液體(5)的總平動(dòng)動(dòng)能應(yīng)等于在U形管內(nèi)部液體的流動(dòng)動(dòng)能，即12kx.2=12my·2]]>上式中，表示活塞桿(3)的位移對(duì)于時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)，即活塞桿(3)的速度；m表示在U形管路內(nèi)部流動(dòng)液體的總質(zhì)量；y表示U形管路中液體流動(dòng)的位移；表示U形管路中液體的流動(dòng)速度。當(dāng)活塞桿(3)相對(duì)于缸體(1)發(fā)生位移x后，即有體積為π(R2-r2)x的液體被活塞(2)推入U(xiǎn)形管路(5)。于是，對(duì)于U形管路(5)內(nèi)部的任一液體質(zhì)點(diǎn)，其發(fā)生的位移均為x(R2-r2)/h2。由此可知，在上式中，U形管路中液體位移y滿足表達(dá)式y(tǒng)＝x(R2-r2)/h2。另一方面，U形管路內(nèi)部液體的總質(zhì)量m可表示為m＝πρh2L。將U形管路中液體流動(dòng)位移y的表達(dá)式，以及U形管路內(nèi)部液體的總質(zhì)量m的表達(dá)式帶入上文給出的能量守恒定律表達(dá)式中，即可得到慣性力系數(shù)k的理論表達(dá)式，如下：k＝πρL(R2-r2)2/h2由該慣性力系數(shù)k的理論表達(dá)式可知，慣性力系數(shù)k的大小由活塞(2)的半徑R、活塞桿(3)的半徑r、U形管路(4)的內(nèi)徑h、U形管路(4)的總長度L以及液體(5)的密度ρ決定。在實(shí)際應(yīng)用中，本實(shí)用新型所提出的慣性力發(fā)生裝置的基本外形尺寸，即活塞(2)的半徑R與活塞桿(3)的半徑r，往往受到布置空間的限制，無法在較大范圍內(nèi)變動(dòng)。在這一情況下，可通過調(diào)整U形管路(4)的內(nèi)徑h、U形管路(4)的總長度L和液體(5)的密度ρ，來改變慣性力系數(shù)k的大小，進(jìn)而改變整個(gè)裝置產(chǎn)生慣性力的能力，以達(dá)到調(diào)整振動(dòng)控制效果的目的。下面，以該裝置在乘用車后懸架系統(tǒng)的應(yīng)用為例，對(duì)于本實(shí)用新型所涉及裝置在不同U形管路(4)內(nèi)徑h、U形管路(4)總長度L和液體(5)密度ρ下的慣性力系數(shù)k進(jìn)行計(jì)算。考慮到乘用車后懸架布置空間的限制，設(shè)定活塞(2)半徑R＝40mm，活塞桿(3)的半徑r＝8mm。在不同U形管路(4)內(nèi)徑h、U形管路(4)總長度L和液體(5)密度ρ下 的慣性力系數(shù)k如下表所示：U形管路內(nèi)徑hU形管路總長度L液體密度ρ慣性力系數(shù)k5mm1000mm0.8×103kg/m3(油)237.18kg5mm1000mm1.0×103kg/m3(水)296.48kg5mm1200mm1.0×103kg/m3(水)355.77kg4mm1200mm1.0×103kg/m3(水)555.90kg由上表可知，在活塞半徑R＝40mm及活塞桿半徑r＝8mm的條件下，針對(duì)U形管路內(nèi)徑h＝5mm、U形管路總長度L＝1000mm、液體密度ρ＝0.8×103kg/m3的參數(shù)配置情況，可通過同時(shí)將U形管路內(nèi)徑h縮小20％、將U形管路總長度L增大20％、將液體密度ρ增大20％，最終使得本實(shí)用新型的慣性力系數(shù)慣性k，即慣性力的發(fā)生能力提升134％。當(dāng)前第1頁1 2 3