一种阻尼可调的叶片式双向旋转阻尼器

1.本发明属于工程振动控制领域，具体涉及一种阻尼可调的叶片式双向旋转阻尼器。


背景技术：

2.阻尼器是一种提供运动阻力，耗减运动能量的装置，广泛应用于航空航天、桥梁建筑和军事工业等各个领域。按照应用场景不同，阻尼器可分为弹簧阻尼器、脉冲阻尼器和旋转阻尼器等多种类型，其中，旋转阻尼器主要用于减少旋转运动系统的振动和冲击，提高系统稳定性和运动精度。
3.然而，现有旋转阻尼器在结构功能、密封可靠性和实用适用程度等方面普遍存在以下问题：(1)结构功能单一，大都阻尼系数和阻尼力矩为固定值，不可调节，无法满足实际工程应用中对特定功能和技术指标的需求；(2)回程过程阻尼过大，需要较大复位力才能完成复位，影响其适用范围；(3)采用焊接粘接等密封方式，结构成本高，装卸维护不便；(4)内部构造过于复杂，装配效率低，生产成本高，可靠性不足；(5)仅单向旋转，转动范围小，输出阻尼力矩与角速度呈非线性关系，阻尼效果不稳定。
4.例如中国发明专利“一种单向旋转阻尼器”(申请公布号：cn111895041a)所提出的单向旋转阻尼器，装置仅外接轴正向旋转时对外输出阻尼效果，逆向旋转时无阻尼，转动范围小，回程阻力大，主轴经由弹簧带动旋转后，与阻尼油产生阻尼作用，导致输出阻尼力矩与角速度呈非线性关系，阻尼效果不稳定。
5.又如中国实用新型专利“双向旋转阻尼器”(授权公告号：cn208564272u)所提出的双向旋转阻尼器，装置中的缓冲轮双向转动通过轴体带动第二阻尼构件与第一阻尼构件形成旋转摩擦以形成阻尼状态，但是两阻尼构件之间会产生不可逆磨损，导致装置使用寿命缩短，可靠性降低；中国实用新型专利“一种轴式旋转阻尼器”(授权公告号：cn207830451u)所提出的轴式旋转阻尼器，装置中的芯轴与壳体在充满阻尼油的腔体内相对运动产生阻尼作用，结构功能单一，且阻尼系数和阻尼力矩无法根据实际工程需求进行调节。
6.又如中国发明专利“一种旋转阻尼器”(授权公告号：cn111561538b)所提出的旋转阻尼器，装置中的壳体与芯轴盖之间采用超声波焊接工艺，结构成本高，装卸维护不便；中国实用新型专利“一种可调旋转缓冲器”(授权公告号：cn201668342u)所提出的可调旋转缓冲器，装置中叶片的过油结构过于复杂，强度不足，过油单向阀整体性差，轴芯与叶片整体组装后套入筒身内腔操作不便，导致装置装配效率低，生产成本高。


技术实现要素：

7.为了克服上述旋转阻尼器存在的弊端，满足旋转运动系统运动控制方面的需求，本发明提出一种阻尼可调的叶片式双向旋转阻尼器。
8.为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
9.一种阻尼可调的叶片式双向旋转阻尼器，包括壳体、端盖、转轴、阀体和密封套筒；
10.所述的壳体为一体结构，其外表面设有连接座和安装座，分别用于连接端盖和外部设备；壳体内腔为圆柱体结构，内腔底部中心设有圆柱形槽，槽内设有轴承外圈挡肩，用于固定安装深沟球密封轴承；壳体内腔顶部设有圆柱形阶梯槽，用于安装矩形密封圈，增强壳体与端盖之间的密封效果；壳体内腔设有截面为扇形的固定叶片块，固定叶片块外侧上表面开设扇形凹槽，凹槽尺寸与阀体外形一致，阀体安装于凹槽内，且凹槽底部中心设有圆柱形槽，与阀体底部截面为菱形的限位块配合，固定叶片块的内环表面与内腔底部中心的圆柱形槽边沿重合。
11.所述的端盖为一体结构，其外表面设有连接座，与壳体的连接座相配合，端盖底部设有短圆柱形凸止口，止口侧面与壳体内腔的内壁贴合，止口端面与固定叶片块的上表面贴合，用于端盖定位和内腔顶部封闭；端盖中部设有环形槽，与壳体内腔顶部圆柱形阶梯槽相配合，形成沟槽以安装矩形密封圈；端盖内部设有圆柱形槽和密封沟槽，分别用于安装密封套筒和o形密封圈，且密封沟槽位于圆柱形槽上方，圆柱形槽底部与端盖底部表面齐平，圆柱形槽顶部与密封沟槽底部齐平；端盖的中心设有通孔，与圆柱形槽和密封沟槽同轴，用于转轴穿过，通过密封沟槽中的挡圈和o形密封圈实现转轴与端盖的密封。
12.所述的密封套筒位于端盖内部的圆柱形槽中，密封套筒中心设有阶梯孔，大孔内部设有轴承外圈挡肩，用于固定安装深沟球密封轴承，小孔用于转轴穿过。
13.所述的转轴为一体阶梯轴结构，转轴顶部伸出至端盖外，且转轴顶部设有键连接接口，用于连接外部设备旋转机构；转轴中部穿过密封套筒且二者之间通过深沟球密封轴承配合，下部位于壳体内腔中，底端通过深沟球密封轴承安装在壳体内腔底部中心的圆柱形槽中，与轴承配合安装处设有轴承内圈轴肩，用于轴承轴向固定；转轴下部大直径轴段与壳体固定叶片块的内环表面贴合，其外表面设有截面为扇形的旋转叶片块，旋转叶片块位于壳体内腔，旋转叶片块的外环外表面与壳体内腔的内壁贴合，旋转叶片块将壳体内腔分为两个容积腔，跟随转轴双向旋转驱动壳体内腔中的流体流向阀体的阻尼孔，改变两容积腔体积，体积减小的容积腔压力升高，反之压力降低，使得两容积腔产生压差，实现高压腔和低压腔的创建。
14.所述的阀体为扇形块体结构，底部设有截面为菱形的限位块，安装在壳体内腔中，阀体的外边沿与壳体内腔的内壁贴合，内边沿与壳体内腔固定叶片块的外环表面贴合；阀体在圆周方向设有截面为圆形的流体通道，即细长小孔形式的阻尼孔(l为孔长，d为孔径，l》4d)，阻尼效果与转速呈稳定线性关系，通过更换孔径不同外形尺寸相同的阀体，调整阻尼系数和阻尼力矩。
15.所述的壳体内腔中填充一定粘度的黏滞流体(如液压油、有机硅油、硅基胶和特种悬浮液)充当阻尼油，通过更换不同粘度的黏滞流体，调整阻尼系数和阻尼力矩。
16.本发明的效果和益处：
17.本发明结构形式新颖紧凑，装配工艺简单，易于维护，使用方便，可靠性高，密封效果好，生产成本低，使用寿命长；用户可根据自身使用需求，选择安装合适大小阻尼孔径的阀体，更换合适粘度的阻尼油，自主调节阻尼系数和阻尼力矩；速度型阻尼器，线性程度高，双向旋转，转动范围大，回程阻尼小，阻尼效果稳定。
附图说明
18.图1是本发明阻尼可调叶片式双向旋转阻尼器的结构示意图。
19.图2是图1中沿a-a的剖视图。
20.图3是本发明阻尼可调叶片式双向旋转阻尼器的分解结构示意图。
21.图4是本发明具体实施方式中的阻尼力矩与角速度关系曲线图。
22.图中：1-壳体；2-端盖；3-转轴；4-阀体；5-密封套筒；6-深沟球密封轴承a；7-深沟球密封轴承b；8-o形密封圈；9-挡圈；10-矩形密封圈；t-流体通道。
具体实施方式
23.以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式：
24.如图1-3所示，本发明的一种阻尼可调的叶片式双向旋转阻尼器，包括壳体1、端盖2、转轴3、阀体4和密封套筒5，密封套筒5置于端盖2圆柱形槽内，端盖2与壳体1通过螺栓连接，转轴3与阀体4位于端盖2与壳体1之间的腔体内，转轴3输入端从端盖2伸出。
25.壳体1外表面设有连接座和安装座，其上开有连接孔和安装孔，通过螺栓分别紧固连接端盖2和外部设备，便于装卸维护；壳体1内腔为圆柱体结构，内腔底部中心设有圆柱形槽，与密封套筒5阶梯孔大孔同轴布置，孔槽内均设有轴承外圈挡肩，双支点各单向固定形式配置深沟球密封轴承a6和深沟球密封轴承b7以支撑转轴3，降低其运动摩擦系数，保证转轴3回转精度；壳体1内腔顶部加工有圆柱形阶梯槽，其上安装矩形密封圈10，增强壳体1与端盖2之间的密封效果；壳体1内腔设有截面为扇形的固定叶片块，固定叶片块外侧上表面开设扇形凹槽，凹槽尺寸与阀体4外形一致，凹槽底部中心设有圆柱形槽，与阀体4底部截面为菱形的限位块配合，阀体4安装于凹槽内，易于拆卸更换，改善零件互换性。
26.端盖2外表面设有连接座，其上开有连接孔，端盖2底部设有短圆柱形凸止口，止口侧面与壳体1内腔的内壁贴合，止口端面与固定叶片块的上表面贴合，通过凸止口定位和封闭内腔顶部后螺栓紧固连接壳体1；端盖2中部设有环形槽，与壳体1内腔顶部圆柱形阶梯槽相配合，形成沟槽安装矩形密封圈10；端盖2内部设有圆柱形槽和密封沟槽，其上分别安装密封套筒5和o形密封圈8，并使用挡圈9调整间隙，提高转轴3与端盖2之间的密封性。
27.转轴3呈阶梯轴结构，顶部伸出至端盖2外，且顶部设有键连接接口，通过键连接外部设备旋转机构；转轴3中部与轴承配合安装处设有轴承轴向定位的轴承内圈轴肩，转轴3穿过密封套筒5阶梯孔小孔且二者之间通过深沟球密封轴承b7配合，下部置于壳体1内腔中，底端通过深沟球密封轴承a6安装在壳体1内腔底部中心的圆柱形槽中；转轴3下部大直径轴段与壳体1固定叶片块的内环表面贴合，其外表面设有截面为扇形的旋转叶片块，旋转叶片块置于壳体1内腔，旋转叶片块的外环外表面与壳体1内腔的内壁贴合，旋转叶片块将壳体1内腔分为两个容积腔，跟随转轴3双向大范围旋转驱动流体流向阀体4阻尼孔，改变两容积腔体积，体积减小的容积腔压力升高，反之压力降低，使得两容积腔产生压差，实现高压腔和低压腔的创建。
28.阀体4安装在壳体1内腔中，阀体4的外边沿与壳体1内腔的内壁贴合，内边沿与壳体1内腔固定叶片块的外环表面贴合，在圆周方向设有截面为圆形的流体通道t，即细长小孔形式的阻尼孔(l为孔长，d为孔径，l》4d)，根据阻尼孔的流动特性规律，流经细长小孔的流量和小孔前后压力差的一次方成正比，因此阻尼效果与转速呈稳定线性关系，由于阻尼
孔大小不同产生的阻尼效果不同，通过更换孔径不同外形尺寸相同的阀体4，调整阻尼系数和阻尼力矩；阀体4底部设有限位块，嵌入壳体1内腔固定叶片块扇形凹槽底部中心的圆柱形槽内，菱形设计既能避免阀体4过定位，也能防止其发生滑移。
29.阻尼器腔体内选择填充一定粘度的黏滞流体(如液压油、有机硅油、硅基胶和特种悬浮液)充当阻尼液，相较于其他黏滞流体，隶属于有机硅油的二甲基硅油无毒无味，价格低廉，可选粘度范围广，具有良好的物理特性和化学稳定性，可优先选择。该种情形下，阻尼器回程阻尼小，阻尼作用可控，通过更换不同粘度的二甲基硅油，调整阻尼系数和阻尼力矩。
30.设阻尼器阻尼系数为k，阻尼力矩为m，转轴3下部大直径轴段半径为r，壳体1内腔半径为r，高度为h，阻尼孔直径为d，长度为l，二甲基硅油绝对粘度为μ，外接设备旋转机构角速度为ω，推导得到表征阻尼器力学特性的准静态模型和阻尼系数表达式：
[0031][0032][0033]
本实施例选用粘度2000cs的二甲基硅油(密度取967kg/m3)，转轴3下部大直径轴段半径r＝3mm，壳体1内腔半径r＝15mm，高度h＝13mm，阻尼孔直径d＝2.5mm，长度l＝23mm，利用matlab数值计算得到如图4所示的阻尼力矩与角速度关系曲线图，此时阻尼系数k＝0.0916。结合模型表达式和曲线图可知，该阻尼器属于速度型阻尼器，线性程度高，阻尼效果稳定。
[0034]
该旋转阻尼器的工作原理为：
[0035]
选择适当阻尼孔径的阀体4装入壳体1内腔固定叶片块扇形凹槽内，固定叶片块和转轴3的旋转叶片块将壳体1内腔划分为两个容积腔，均填充满一定粘度的二甲基硅油等黏滞流体充当阻尼油，外部设备旋转机构带动转轴3双向大范围旋转驱动流体流向阀体4阻尼孔，改变两容积腔体积，体积减小的容积腔压力升高，反之压力降低，使得两容积腔产生压差，促使流体从高压腔经由流体通道t流向低压腔，由于阻尼孔的节流作用，产生与转动角速度成比例关系的阻尼力矩，阻尼孔大小不同产生的阻尼力矩不同，通过更换不同孔径的阀体4和不同粘度的阻尼油，调整控制阻尼系数和阻尼力矩。通过阻尼力矩消耗能量抑制控制系统的振荡，减少振荡次数，使得系统快速稳定。
[0036]
为验证本发明旋转阻尼器的现实可用性，选择发明专利“一种电磁驱动高集成球型电机及其控制方法”(申请公布号：cn115664151a)所提出的一种只需要通过外部万向节单元与输出端同轴连接所构成随动机构内置径向磁化永磁体在空间万向旋转磁场同轴随动磁矩直接驱动下实现侧摆、俯仰二自由度转动的机器人高集成球型电机装置作为外接设备，该设备运动过程中，为适应不同工况，需通过安装阻尼系数和阻尼力矩可调的旋转阻尼器减振耗能，满足装置运动稳定性、运动精确性和回程响应迅速的要求。经实验验证得该阻尼器在该运动系统中表现出良好的阻尼减振效果，但本发明作用不局限于该特定系统和应用场合，而适用于各类需要阻尼构件的旋转运动系统。

技术特征：
1.一种阻尼可调的叶片式双向旋转阻尼器，其特征在于，所述的阻尼可调的叶片式双向旋转阻尼器包括壳体、端盖、转轴、阀体和密封套筒；所述的壳体为一体结构，其外表面设有连接座和安装座，分别用于连接端盖和外部设备；壳体内腔为圆柱体结构，内腔底部中心设有圆柱形槽，槽内设有轴承外圈挡肩，用于固定安装深沟球密封轴承；壳体内腔顶部设有圆柱形阶梯槽，用于安装矩形密封圈，增强壳体与端盖之间的密封效果；壳体内腔设有截面为扇形的固定叶片块，固定叶片块外侧上表面开设扇形凹槽，凹槽尺寸与阀体外形一致，阀体安装于凹槽内，且凹槽底部中心设有圆柱形槽，与阀体底部截面为菱形的限位块配合，固定叶片块的内环表面与内腔底部中心的圆柱形槽边沿重合；所述的端盖为一体结构，其外表面设有连接座，与壳体的连接座相配合，端盖底部设有短圆柱形凸止口，止口侧面与壳体内腔的内壁贴合，止口端面与固定叶片块的上表面贴合，用于端盖定位和内腔顶部封闭；端盖中部设有环形槽，与壳体内腔顶部圆柱形阶梯槽相配合，形成沟槽以安装矩形密封圈；端盖内部设有圆柱形槽和密封沟槽，分别用于安装密封套筒和o形密封圈，且密封沟槽位于圆柱形槽上方，圆柱形槽底部与端盖底部表面齐平，圆柱形槽顶部与密封沟槽底部齐平；端盖的中心设有通孔，与圆柱形槽和密封沟槽同轴，用于转轴穿过，通过密封沟槽中的挡圈和o形密封圈实现转轴与端盖的密封；所述的密封套筒位于端盖内部的圆柱形槽中，密封套筒中心设有阶梯孔，大孔内部设有轴承外圈挡肩，用于固定安装深沟球密封轴承，小孔用于转轴穿过；所述的转轴为一体阶梯轴结构，转轴顶部伸出至端盖外，且转轴顶部设有键连接接口，用于连接外部设备旋转机构；转轴中部穿过密封套筒且二者之间通过深沟球密封轴承配合，下部位于壳体内腔中，底端通过深沟球密封轴承安装在壳体内腔底部中心的圆柱形槽中，与轴承配合安装处设有轴承内圈轴肩，用于轴承轴向固定；转轴下部大直径轴段与壳体固定叶片块的内环表面贴合，其外表面设有截面为扇形的旋转叶片块，旋转叶片块位于壳体内腔，旋转叶片块的外环外表面与壳体内腔的内壁贴合，旋转叶片块将壳体内腔分为两个容积腔，跟随转轴双向旋转驱动壳体内腔中的流体流向阀体的阻尼孔，改变两容积腔体积，体积减小的容积腔压力升高，反之压力降低，使得两容积腔产生压差，实现高压腔和低压腔的创建；所述的阀体为扇形块体结构，底部设有截面为菱形的限位块，安装在壳体内腔中，阀体的外边沿与壳体内腔的内壁贴合，内边沿与壳体内腔固定叶片块的外环表面贴合；阀体在圆周方向设有截面为圆形的流体通道，即细长小孔形式的阻尼孔，l为孔长，d为孔径，l>4d。2.根据权利要求1所述的一种阻尼可调的叶片式双向旋转阻尼器，其特征在于，所述的阀体，阻尼效果与转速呈稳定线性关系，通过更换孔径不同外形尺寸相同的阀体，调整阻尼系数和阻尼力矩。3.根据权利要求1或2所述的一种阻尼可调的叶片式双向旋转阻尼器，其特征在于，所述的壳体内腔中填充一定粘度的黏滞流体充当阻尼油，通过更换不同粘度的黏滞流体，调整阻尼系数和阻尼力矩。

技术总结
本发明属于工程振动控制领域，具体涉及一种阻尼可调的叶片式双向旋转阻尼器，包括壳体、端盖、转轴、阀体和密封套筒；本发明结构形式新颖紧凑，装配工艺简单，易于维护，使用方便，可靠性高，密封效果好，生产成本低，使用寿命长；用户可根据自身使用需求，选择安装合适大小阻尼孔径的阀体，更换合适粘度的阻尼油，自主调节阻尼系数和阻尼力矩；速度型阻尼器，线性程度高，双向旋转，转动范围大，回程阻尼小，阻尼效果稳定。阻尼效果稳定。阻尼效果稳定。


技术研发人员：张永顺 刘高仁 刘志军 董海 单庆
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/8/31