震动能量吸收器 |
|||||||
| 申请号 | CN201080051736.1 | 申请日 | 2010-10-19 | 公开(公告)号 | CN102639900A | 公开(公告)日 | 2012-08-15 |
| 申请人 | 福斯特-米勒公司; | 发明人 | B·K·帕里达; T·哈里根; J·卡特; N·达纳; G·萨马韦达姆; | ||||
| 摘要 | 在一个示例中，一种震动 能量 吸收器包括：具有闭合端和开口端的缸体、围绕缸体的开口端固定的套筒、以及在缸体中的超高分子量聚乙烯材料形式的阻尼材料。 柱塞 定位 成通过套筒驱动到阻尼材料中。当柱塞被撞击并且被驱动到阻尼材料中时，阻尼材料从固态变为粘性流态，从而使得能够吸收大量能量。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种震动能量吸收器，所述震动能量吸收器包括： |
||||||
| 说明书全文 | 震动能量吸收器[0001] 相关申请 [0002] 根据35 U.S.C.§§119,120,363,365,和37C.F.R.§1.55和§1.78，本申请在此要求在2009年11月16日提交的美国临时申请序列No.61/281,314的优先权。 [0003] 政府权利 技术领域[0005] 本发明涉及一种能量吸收器。 背景技术[0006] 通常，震动吸收器是油液型或油气型，在所述震动吸收器中，在由撞击力所引致的增压作用下，迫使油穿过多个缸体活塞结构内的孔口，并且由此阻尼掉缸体和活塞之间的相对运动，并使传动力幅值减弱。替代的震动吸收器可以使用薄的有围壁的中空缸体，所述缸体在撞击条件下溃缩并且吸收能量。这种震动吸收器的几何尺寸与撞击力和/或待吸收的动能的幅值同比例大幅度增加。对用于与车辆耐碰撞性和乘客安全性有关的碰撞能量管理系统，仅非常小的空间可用于容纳这些传统震动吸收器。 发明内容[0007] 本公开提供了一种紧凑的震动能量吸收器系统的新型概念，所述震动能量吸收器系统能够有效地用于缓冲。基于一系列由本发明人所实施的实验室试验和原型试验，得出：通过本发明能够在撞击或碰撞事件中吸收大量的能量。另外，这类震动吸收系统能够按比例放大或缩小以及最优化，以便满足宽范围的撞击能量管理情景，与替代的能量吸收系统相比，所述这类震动吸收系统造价低廉并且非常小或者不必进行维护作业。 [0008] 能够最优化在此描述的震动能量吸收器系统，以便通过适当的调整几何尺寸以及通过在非常有限的空间中有效吸收撞击体的可获得的动能来限制峰值动态力的幅值。在车辆碰撞或撞击事件中，这种震动能量吸收器能够潜在地减轻或最小化财产受损的严重程度以及对乘客造成的伤害。 [0009] 本发明的示例提供了一种新型震动吸收器系统，所述新型震动吸收器系统利用一种新颖的设计并利用当承受压缩撞击力时在受限空间内所发生的超高分子量聚乙烯（Ultra High Molecular Weight （UHWM）Polyethylene）或者类似材料的独特的弹塑性变形。这允许通过能量吸收过程快速地吸收动能以及限制撞击力的幅值。示例包括对固态阻尼材料的创新使用，所述固态阻尼材料可在各种等级中获得，如超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）。 [0010] 传统上，超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）和高密度聚乙烯（HDPE）材料已经广泛用于这样的应用中，在所述应用中低摩擦系数和高耐磨性均至关重要。在一些实例中，挤压的超高分子量聚乙烯的区段和梁也已经被用作缓冲区（诸如，在水路运输系统的码头和水闸中），这是因为它们具有抵抗侧向撞击的高抗弯曲强度。已经发现包括高分子量的高密度聚乙烯（HMW-HDPE）的聚合弹道材料和由这种弹道材料制成的产品适于停止弹道抛射体。也参见以引用方式并入本文的美国专利申请公报No.2006/0013977。 [0011] 本发明人已经开发和创新使用了被限制在金属（例如，钢）缸体内的圆柱状超高分子量聚乙烯棒，用于利用锥形前端吸收撞击柱塞的动能。这旨在利用作为所提出的用于机车耐撞性应用的碰撞能量管理（CEM）系统的一部分的适当缩放和最优化的构造。其它潜在应用可以包括其它路上交通工具。 [0012] 包括在压缩试验机中所进行的超高分子量聚乙烯圆柱状棒的准静态测试的初步调查提供了不错的结果并且深入了解了在压缩载荷作用下的变形性能的两种截然不同的管理方法。从力对准静态测试的位移曲线得出的能量吸收的计算结果同样理想，所述准静态测试的位移曲线呈现了其应用为碰撞能量吸收器的潜能，证明了在高速撞击条件下其高应变率反应性能。为了对此进行评估，也进行了摆锤式撞击试验，并且在大约17英尺/秒的撞击速度时所产生的试验数据支持利用超高分子量聚乙烯材料的非常小的轴向变形来有效吸收高能量震动的概念。还进行了其它试验。 [0013] 根据本发明的示例的震动能量吸收器包括容器以及位于容器中处于固态的阻尼材料，并且所述阻尼材料在被柱塞加压时由固态转变成粘性流态。柱塞定位成被驱动到阻尼材料中而吸收能量。 [0014] 容器典型地包括缸体，所述缸体具有闭合端和开口端。在缸体的闭合端处设有凸缘，用于安装缸体。还包括围绕缸体的开口端固定并且包围柱塞的套筒。套筒可以包括围绕柱塞的支承件。优选地，柱塞具有抵接阻尼材料的锥形端。在一些示例中，阻尼材料包括座部，所述座部将柱塞的锥形端接纳在所述座部中。 [0015] 优选地，阻尼材料是超高分子量聚乙烯材料。阻尼材料可以径向地填充缸体。在一个示例中，柱塞包括中空部分。 [0016] 本发明还提供制造震动能量吸收器的方法。所述方法典型地包括用固态的阻尼材料填充容器。阻尼材料构造成当被加压时从固态转变为粘性流态。柱塞定位成当向柱塞施加力时所述柱塞被驱动到阻尼材料中。 [0017] 可以将容器制造成包括具有闭合端和开口端的缸体。凸缘能够添加在缸体的闭合端处，用于安装缸体。所述方法还可以包括围绕缸体的开口端和围绕柱塞装配套筒，并且围绕柱塞添加支承件。所述方法还可以包括：在柱塞上制造锥形端，所述锥形端抵接阻尼材料；和在阻尼材料中形成座部，所述座部将柱塞的锥形端接纳在所述座部中。 [0018] 本发明还包括：用固态阻尼材料填充容器，当被加压时，所述阻尼材料由固态转变为粘性流体；将柱塞定位成被驱动到阻尼材料中；将容器或柱塞固定到结构；以及通过使结构运动以撞击物体或通过使物体运动以撞击结构来将柱塞驱动到阻尼材料中，因此阻尼材料从固态变化为粘性流态。 [0020] 从优选实施例的以下描述和附图中，本领域中的那些技术人员将想到其它目的、特征和优势，在所述附图中： [0021] 图1是示出了根据本发明的示例的能量吸收器的示例性前剖视图； [0022] 图2是图1示出的能量吸收器的示意性三维分解视图； [0024] 图4是示出了随着图3示出的测试装置的棒位移，压缩载荷和应力变化的曲线图； [0025] 图5是示出了随着在以17.14英尺/秒撞击期间摆锤撞击测试的柱塞位移，瞬间压缩力的变化的曲线图； [0026] 图6A是在使用如图1和图2所示的原型震动能量吸收器的测试中，对于27kip锤击的30″的下落，力和柱塞位移对时间的曲线图； [0027] 图6B是示出对于图1和图2的原型震动能量吸收器，作为撞击力幅值的函数的柱塞位移的曲线图； [0028] 图7是示出了安装到机车的两个震动能量吸收器的示例的示意性三维视图； [0029] 图8是示出了根据本发明的示例的震动能量吸收器系统的另一个示例的分解的三维视图；以及 [0030] 图9是示出了图8的柱塞组件的内部的示意性三维视图；和 [0031] 图10是示出了图8的在其组装状态的震动吸收器的示意性三维视图。 具体实施方式[0032] 除了以下所公开优选的实施例或多个实施例之外，本发明能够是其它实施例以及能够以多种方式进行实践和实施。因此，应当理解的是，本发明并不局限于其在以下描述中陈述的或在附图中图解的部件的布置方案和构造的细节的应用。如果本文仅描述了一个实施例，那么所附权利要求将不局限于所述实施例。而且，所附权利要求将不被限制性地理解，除非有明确并且令人信服的证据证明特定的排除、约束或放弃申明。 [0033] 一种新型的紧凑的高能量震动吸收器能够优选地由非常少的机械加工零件制造而成。在图1-2中示出了一个示例中的主要部件。震动能量吸收器10包括容器12，在这个具体示例中，所述容器是具有闭合端14a和开口端14b的缸体。在这个示例中，闭合端14a包括凸缘16，用于将缸体12安装到诸如机车或其它交通工具的结构或者电梯井的底部等。 [0034] 固态的阻尼材料18（例如，超高分子量聚乙烯材料）被放置在缸体12中并且被限制在所述缸体12内。典型地，阻尼材料径向地填充缸体的大部分长度。柱塞20定位成被驱动到阻尼材料18中。在这个具体示例中，提供套筒22并且通过紧固件24围绕缸体12的开口端固定套筒22。套筒22包括围绕柱塞20的支承件26。柱塞20在这个示例中包括锥形端28、中空的轴部分30（用于减轻重量）、以及凸缘部分32。阻尼材料18可以包括座部34，所述座部接纳柱塞20的锥形端28。 [0035] 缸体优选地由高强度合金钢和具有较大壁厚度的无缝构造制造而成，以便安全地经受高量级的环向应力。超高分子量聚乙烯圆柱形样本被制造成与缸体的内径紧密配合。在超高分子量聚乙烯样本的中心处，能够包括小直径的贯通孔，以便在撞击期间引导柱塞的锥形前端的顶点。柱塞也由高强度合金钢制造而成，并且所述柱塞的尺寸被选定为在缸体内径和柱塞外径之间留有足够的空隙。柱塞可以由实心钢棒或者具有较大壁厚度的空心钢棒制成。所述柱塞的长度应当在撞击力的作用下足够实现所期望的行程或最大冲程。装配有支承件的钢制套筒旨在提供侧向支撑，并且在撞击时引导柱塞沿着超高分子量聚乙烯材料的中心线共轴地行进。套筒被向下旋拧到缸体的外表面，用于提供足够的支撑并且使柱塞的轴线与超高分子量聚乙烯缸体的轴线适当地对准。缸体和柱塞能够在它们的基部处都设置有圆形凸缘，所述凸缘能够利用多个紧固件附接到对应的配合面或板。如需要，取决于交通工具的构造或结构或当要求柱塞与撞击体直接接触时，柱塞的后端（冲击端）可以不附接到任何表面。 [0036] 在典型的应用中，取决于安装有缸体块体的反应表面的强度以及与需要的动能吸收量相当的柱塞的最大行程，调整震动能量吸收器的几何尺寸来限制期望的最高撞击力幅值。在确保部件适当对准的同时，将系统的部件安装到需要的位置。 [0037] 当撞击体或物体利用足够的动量冲击柱塞的后端（32，图1-2）时，所述柱塞的锥形前端紧紧压抵在超高分子量聚乙烯缸体上并且穿透所述超高分子量聚乙烯缸体，这又提供了反作用力，以使柱塞的运动减速。在柱塞继续压抵在超高分子量聚乙烯上时，当达到临界应力量级时，超高分子量材料承受从固态到粘性流态的相变。在受限的空间内并且在基于柱塞横截面面积的临界压缩流动应力量级或者高于该临界压缩流动应力量级时发生这种相变。在一个实验室测试中，已经发现的是这样一种可逆过程，在所述可逆过程中，在释放高应力量级时，粘性的超高分子量聚乙烯材料恢复其固态。在撞击时，具有锥形前端的柱塞穿入到超高分子量聚乙烯缸体的前端中。随着撞击力的量级的增加，超高分子量聚乙烯材料在临界流动应力或高于该临界流动应力时经受相变。当在柱塞之前的超高分子量聚乙烯材料转变成粘性流态时，在柱塞上的阻力急剧回落到更低的值。然后柱塞将随着力的渐进增加而继续运动，直到达到柱塞行程的尾声或直到吸收了撞击能量为止。由支撑缸体的结构所经受的最大撞击力可以略微大于柱塞产生的对应于所使用的超高分子量聚乙烯材料的临界应力。在撞击期间由震动能量吸收器所吸收的全部能量能够近似等于在超高分子量聚乙烯缸体上的柱塞所作的功。 [0038] 这种震动能量吸收系统体现了一种新型概念并且目前已知没有任何工业使用所述震动能量吸收系统。紧凑的系统需要较小的空间来容纳其自身并且需要较短的柱塞行程距离来吸收大量的撞击能量。所述震动能量吸收系统提供尺寸最优化的范围，以便限制期望的峰值撞击力的幅值。所述震动能量吸收系统利用低成本、抗紫外线的固体超高分子量聚乙烯或类似的材料，用于震动吸收。在现实生活的应用中，安装单元在长时期内需要非常少或基本不需要维护而无任何如在某些可选震动吸收系统中的液压油渗漏的风险。 [0039] 本发明人使用英斯特朗模型8502（INSTRON Model 8502）电液伺服试验机进行压缩试验。试验样本是直径2.5的超高分子量聚乙烯实心棒，所述实心棒插入在无缝钢制缸体内，所述缸体安装在英斯特朗试验机的致动器上。初始柱塞是锥形前端的直径2.0的钢制柱塞，所述柱塞即使在50千磅（kip）的安全的机器负载能力时，也未能穿透超高分子量聚乙烯样本，尽管其在样本表面上造成了波纹状压痕。本发明人用全螺纹直径1.0和长度3.0的有平坦端部的钢棒（所述有平坦端部的钢棒易于获得）替代锥形前端的柱塞，并且在同一试验样本上进行压缩试验。在测试期间，指出的是，最初，当力的量级大约为20kip时，随着螺纹棒位移到超高分子量聚乙烯缸体中大约1.0英寸，压缩力逐渐增大。超过那个点，力的量级随着螺纹棒的位移增加而保持恒定。在大约1.7英寸的最大位移处停止试验，并且卸载试验样本。稍后，本发明人没有成功地试图从超高分子量聚乙烯样本中移除螺纹棒。 然后，沿着在其背面上的径面切开超高分子量聚乙烯缸体来移除螺纹棒。在将超高分子量聚乙烯缸体切割成两个半体之后，螺纹棒从槽中弹出来，从而在超高分子量聚乙烯缸体的两个半体中的槽的内部显示出螺纹压痕。 [0040] 图3示出了超高分子量聚乙烯缸体的两个半体40a和40b，所述两个半体40a和40b包括在槽的内部的螺纹压痕和在以上试验中所使用的有平坦端部的螺纹钢棒42。 [0041] 从图3所见的是，固化的超高分子量聚乙烯材料以位于有平坦端部的钢棒的端部位置的正前方的凸起的三角形质量的形式沉积。这个凸起的三角形的超高分子量聚乙烯材料在切开的缸体的两个半体中均能看到，这显示了在缸体被切开之后粘性状态的超高分子量聚乙烯材料的稍后的局部渗出、固化、以及体积增加的明确证据。在两个半体中的螺纹压痕也提示毗邻螺纹钢棒的芯部材料的较软的粘性状态，所述螺纹钢棒被固定并且在移除试验机中的载荷之后固化。 [0042] 图4示出了代表上述试验结果的曲线图，所述试验结果标绘成压缩载荷和压缩应力对螺纹棒进入到超高分子量聚乙烯缸体内的位移的曲线图。这些曲线图示出了超越大约20kip的载荷或大约25ksi的应力，芯部超高分子量聚乙烯材料不再提供增加的阻力并且随后的螺纹棒的位移发生在几乎同一压缩载荷/应力水平，这与高应力的超高分子量聚乙烯芯部材料的相变有关。在此提及的压缩应力量级是基于柱塞的横截面积。 [0043] 图5示出了从在17.14英尺/每秒的碰撞速度时实施的典型的撞击试验获得的动态力对柱塞位移的图形表示。 [0044] 还制造并且测试了与图1-2类似的原型单元。阻尼材料18的直径是9.5″，柱塞30的直径是3″。 [0045] 图6A示出了对于27kip锤击试验装置的30″下落撞击柱塞20的凸缘端部32，作为时间的函数的柱塞位移和力。明确地获得了阻尼材料的可逆相变。力的峰值近似为180kip，吸收的动能近似为82,260ft-lb。如图6B中所示，在柱塞位移大约2英寸时，发生了超高分子量聚乙烯材料的相变。通过缩放震动能量吸收器，能够调整碰撞能量吸收量的峰值直到适合任何期望的值。缸体作为用于超高能量聚乙烯材料的压缩容器。重要的设计标准包括撞击速度、阻尼材料的横截面积、以及柱塞的直径。 [0046] 图7示出了在图1和图2中描绘的类型的附接到机车50的两个大型震动吸收器10a和10b。震动吸收器的其它用途包括：铁轨减震器的端部；在电梯井的底部处的碰撞能量吸收器，应用在铁路油罐车中，以便一旦发生碰撞/脱轨时防止油罐车被戳破；连同油槽汽车和核生化运载卡车一起使用的震动吸收器；以及汽车和公共汽车的底盘前端的震动吸收器。在所有示例中，由于阻尼材料从固体转为粘性流体，所以大量能量被吸收。 [0047] 通常，容器12和/或柱塞32被固定到结构。通过使柱塞和震动吸收器运动以冲击物体或通过使物体运动以冲击结构和震动吸收器而将柱塞驱动到阻尼材料中。当发生上述情况时，阻尼材料从固态变化为粘性流态并且吸收与撞击有关的能量。替代地，能够将震动吸收器安装在两个物体或结构之间。 [0048] 图8示出了另一个设计，所述设计包括缸体60，在所述缸体中容纳有弹簧62、缓冲板64、以及阻尼材料68。在图9中也示出了柱塞组件70，所述柱塞组件包括柱塞72，所述柱塞定位成通过图8中的支承件套筒组件74被驱动到阻尼材料68中。此外，阻尼材料68可以包括座部76。图10示出了组装的震动能量吸收器单元，其中，柱塞组件70结合在缸体60上，并且图9的柱塞72现在抵接图8的阻尼材料68。 [0049] 尽管在一些附图中示出了本发明的特别的特征而非其它特征，但是这仅仅是为了方便起见，因为根据本发明每个特征均可以与其它特征中的任意一个或全部相合。在本文中使用的词语“包含”、“包括”、“具有”、以及“和”将被广义并且全面的理解，并且并不局限于任何物理互连。而且，在本应用中所公开的任何实施例将不被看作是唯一可能的实施例。 [0050] 另外，在本专利的专利申请的审查期间的修改不是存在于如下提出的应用中的任何权利要素的放弃申明：不能理性地希望本领域中的那些技术人员起草真正包含所有可能的等同物的权利要求；许多等同物将在改动时是不可预见的并且超出将被放弃（如果有的话）的公正解释的范围；修改的理论基础仅仅与许多等同物有微弱关系；和/或存在许多其它理由使得不能希望本申请人描述用于任何修改的权利要求要素的特定的非实质的替代物。 [0051] 本领域中的那些技术人员将想到其它实施例并且所述实施例处于随后的权利要求内。 |
||||||
